沈立挺 費盼峰 張軍輝

【摘 要】近幾年，我國城市集中供熱快速發(fā)展，截至2014年底我國集中供熱面積61.1億平方米，比上年增長6.9%。我國集中供熱快速發(fā)展的同時，還存在一些技術上的問題，如供熱管網(wǎng)水力失衡，易造成用戶側冷熱不均。在目前供熱系統(tǒng)中，管網(wǎng)水力失衡的現(xiàn)象十分普遍，嚴重制約供熱效果。針對供熱系統(tǒng)中存在的這個問題，研究并提出了一種新的解決方案：基于水力計算模型，通過自力式壓差平衡閥改造并調節(jié)，實現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡。

【關鍵詞】自力式壓差平衡閥 水力平衡 供熱節(jié)能

在國內，供熱系統(tǒng)中管網(wǎng)跨度大，結構較為復雜，難以實現(xiàn)水力平衡。水力失衡的普遍現(xiàn)象為管網(wǎng)近端流量較大，而末端流量不足。國內學者對小區(qū)集中供熱系統(tǒng)水力平衡調節(jié)的節(jié)能潛力進行了分析研究得出，水力平衡調節(jié)平均所能取得的最大節(jié)能率為6%～8%[1]。對于供熱系統(tǒng)而言，水力失衡就會造成近端用戶過熱，而末端用戶過冷。為保證末端用戶的供熱效果，往往需要提高供熱量，導致近端用戶嚴重過熱，造成熱量浪費。在一般情況下，因水力失衡引起冷熱不均所造成的能量浪費為20～30%[2]。

從上述的研究可以看出，實現(xiàn)供熱管網(wǎng)的水力平衡，具有顯著的節(jié)能效果。國內針對水力失衡，提出一些措施和方法。比如通過在用戶入口處加裝靜態(tài)平衡閥，對各支線的流量進行合理的分配[3]。但當管網(wǎng)總流量發(fā)生變化時，各支線會等比例地相應變化，產(chǎn)生供熱量波動，影響熱用戶供熱效果。并且，對于熱用戶可自調節(jié)供熱量的系統(tǒng)，當某熱用戶調節(jié)自身流量時，會對其他熱用戶產(chǎn)生強制性干擾，影響供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，該方法還存在局限性。而且實際中，大部分供熱系統(tǒng)的管網(wǎng)僅安裝調節(jié)閥，而并未配置平衡閥，管網(wǎng)水力失衡的問題較為突出。

本文提出根據(jù)管網(wǎng)水力計算，在采用自力式壓差平衡閥基礎上，進行調節(jié)水力平衡的方法。

1 水力計算

水力計算主要計算管網(wǎng)干線上各管段的壓損，并為加裝自力式壓差平衡閥提供理論依據(jù)。首先對供熱管網(wǎng)主干線進行分段，以主干線上各個分支點為節(jié)點，對主干線進行分段。根據(jù)當?shù)夭膳療嶂笜思霸摀Q熱站的供回水溫差，計算出每條支線上供熱總面積所需的流量，把計算出的流量相應地累加到主干線各管段上，再根據(jù)各管段的管徑，即可計算出各管段的流速，可根據(jù)流量及管段管徑進行計算，其表達式為：

（1）

式（1）中， 為管道內流速，m/s； 為管道內流量，t/h； 為管徑，m。

其中管道內流量通過理論計算給定：

（2）

式（2）中， 為供熱面積，m2； 為采暖熱指標，W/ m2； 為二級網(wǎng)供回水溫差，℃。

根據(jù)流速和管道尺寸及流體粘度，可計算出雷諾數(shù) ，再結合管壁相對粗糙度 ，查圖可得到管道阻力損失系數(shù) ，最終則可計算出每個管段的壓降。根據(jù)每個管段的壓降，可計算出主干線上各個節(jié)點的供回水差壓，并根據(jù)該差壓進行加轉自力式壓差平衡閥的選擇。

2 自力式壓差平衡閥加裝

自力式壓差平衡閥可保持所在環(huán)路壓差恒定，可有效避免水力調節(jié)過程中各支路間的互相干擾[4]。因為，通過自力式壓差平衡閥設定熱用戶側的壓差后，用戶側的阻力不變化，其流量也就保持恒定。無論是供熱總管網(wǎng)的變化，還是其他熱用戶的自調節(jié)產(chǎn)生的變化，都不會對熱用戶產(chǎn)生影響。因此，自力式壓差平衡閥可在實現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡中發(fā)揮重要作用。

上一節(jié)基于各段壓降計算出供回水壓差，根據(jù)供回水壓差判定是否需要加裝自力式壓差平衡閥?？紤]樓宇的資用壓頭及自力式壓差平衡閥的工作壓差范圍，可在供回水壓差達到25kpa以上的支管段加裝自力式壓差平衡閥。

以某單位的一個換熱站的支線為例對上述方法進行具體說明，如圖1所示。

圖1 換熱站某支線供熱情況

圖中換熱站一條主干線上分出4條支線，每條支線接待1棟樓宇。每棟樓宇的供熱面積及流量計算結果見下表1所示。

表1 支線上各樓宇流量計算

樓宇 供熱面積

m2 采暖熱指標

w/m2 二網(wǎng)供回水溫差

℃ 流量

t/h

1# 16148.6 38 8 33.0

2# 11849.2 38 8 24.2

3# 15828.6 38 8 32.4

4# 16577.6 38 8 33.9

以表1中求出的流量為基礎，計算出該主干線上各管段的壓力損失，計算結果見下表2所示。

表2 主干線各管段壓力損失計算

管段 流量 管道內徑 流速 折算長度 阻力損失系數(shù) 壓降

t/h m m/s m Pa/m pa

站—4# 123.6 0.2 1.10 179.4 0.021 11011

4#—3# 89.4 0.15 1.42 27.3 0.022 3870

3#—2# 57.3 0.125 1.31 74.1 0.023 11226

2#—1# 33.0 0.1 1.18 31.2 0.025 5200

表1中的計算結果分析得出，4#和3#樓宇處主干線的供回水壓差分別為40.6kpa和32.9kpa。因此，可在4#和3#入樓管道上加裝自力式壓差平衡閥，則2#和1#兩棟樓宇不進行加裝。即通過壓差平衡閥，控制近端3#和4#兩棟樓宇的流量在合理的范圍內，解決近端流量過大的問題。這樣就可以使管網(wǎng)流量更多地流入末端的1#和2#樓宇，解決末端流量過小造成欠供的問題，也就解決了末端熱用戶因欠供而產(chǎn)生的放水的現(xiàn)象。從而使管網(wǎng)流量實現(xiàn)均勻分配，并且能夠消除管網(wǎng)波動及其他熱用戶產(chǎn)生的影響，保障供熱效果并實現(xiàn)節(jié)能。

3實例

以某換熱站為例，該換熱站供熱面積為4.19萬m2，改造前用戶側冷熱不均較為嚴重。末端過冷的用戶長時間大量放水，造成換熱站補水率較大達到110t/d。補水率較高，不僅浪費大量水，而且浪費大量的熱量，熱耗達到0.452GJ/m2。補水率過高超過換熱站補水能力時，造成換熱站供熱能力嚴重不足，末端用戶就越冷，放水更頻繁，從而形成惡性循環(huán)。2014年下半年，根據(jù)本文的方法，在其各支路的近端樓宇的管道上加裝自力式壓差平衡閥，并對改造前后的能耗水平進行對比分析，見表3。

表3 改造前后能耗對比

指標 單位 改造前 改造后

補水率 t/d 110 20

熱耗 GJ/m2 0.452 0.316

從表2中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，該換熱站經(jīng)過改造后補水率降低81.8%，熱耗降低30%。從改造前后的能耗對比分析可看出，通過加裝自力式壓差平衡閥，可有效調節(jié)水力平衡，從而有效解決用戶側放水的難題，最終降低熱耗，實現(xiàn)節(jié)能。

4 結語

（1）在外界擾動下，自力式壓差平衡閥也能有效維持用戶側的流量。因此，可根據(jù)各用戶熱負荷確定管段流量，在熱用戶入口處加裝自力式壓差平衡閥，并通過設置壓差進行調節(jié)，可有效實現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡。

（2）供熱管網(wǎng)實現(xiàn)水力平衡后，可有效解決熱用戶冷熱不均的問題，從而避免用戶側放水的問題，極大降低換熱站的補水率。

（3）若換熱站通過自力式壓差平衡閥加裝改造實現(xiàn)節(jié)水30t/d，每天不僅可節(jié)水30t，同時還可節(jié)約因放水而損失的熱量約5.02GJ，具有可觀的節(jié)能效果。

參考文獻：

[1]劉蘭斌，鄒艾娟，劉亞萌，馬麗霞.小區(qū)集中供熱系統(tǒng)水力平衡調節(jié)節(jié)能潛力分析[J].建筑科學，2014，30（06）：0077～0082.

[2]石兆玉.再議供熱系統(tǒng)的水力平衡[J].區(qū)域供熱，2010，（1）：4～8.

[3]潘雷.供熱管網(wǎng)改造中平衡閥的應用[J].暖通空調，2008，38（7）：120～124.

[4]高海旺.自力式平衡閥的原理及在供熱系統(tǒng)中的應用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006，16（11）：261～262.

*通訊作者：沈立挺（1988—），男，初級工程師，主要是在集中供熱領域中對智能熱網(wǎng)研究。