劉 錦 孔 嬋 任佳藝

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

1 概述

用戶(hù)熱負(fù)荷受多種因素的影響，如室外氣溫、管網(wǎng)流量、采暖供水溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)等。當(dāng)用戶(hù)熱負(fù)荷變化時(shí)，為維持適宜的室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的按需供熱，就需要對(duì)供熱系統(tǒng)的流量、供水溫度等進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)的目的是為了使供暖用戶(hù)的散熱設(shè)備的散熱量與用戶(hù)熱負(fù)荷的變化規(guī)律相適應(yīng)，以防止供暖用戶(hù)出現(xiàn)室溫過(guò)高或過(guò)低。

但是，目前不管采用哪種供熱調(diào)節(jié)方法，都會(huì)出現(xiàn)近處用戶(hù)首先實(shí)現(xiàn)供熱調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)端用戶(hù)要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才能開(kāi)始實(shí)現(xiàn)供熱調(diào)節(jié)，這樣由于供熱距離的影響，使得流量分配不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致相同供熱調(diào)節(jié)時(shí)間段內(nèi)，遠(yuǎn)端用戶(hù)的供熱效果不如近端用戶(hù)，甚至出現(xiàn)更嚴(yán)重的熱力失調(diào)現(xiàn)象。

2 水力失調(diào)問(wèn)題解決現(xiàn)狀

水力失調(diào)是熱力失調(diào)發(fā)生的根源。目前，針對(duì)熱網(wǎng)水力、熱力失調(diào)，國(guó)內(nèi)常采用大流量運(yùn)行方式解決。大流量運(yùn)行方式不能從根本上解決供熱系統(tǒng)的水平熱力失調(diào)問(wèn)題，反而因?yàn)樵黾恿怂昧髁?，?dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行能耗的增加，和供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能變壞。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)和分析顯示，若管網(wǎng)水力失調(diào)問(wèn)題得到有效控制，可節(jié)省總耗熱量的30%，這個(gè)比例是非?？捎^的。另一方面，當(dāng)循環(huán)流量增加之后，不僅將直接導(dǎo)致運(yùn)行水耗增加，并且由于循環(huán)水泵的功率和熱網(wǎng)循環(huán)流量的三次方成正比，電能消耗也勢(shì)必隨著管網(wǎng)循環(huán)流量的增加而大幅上升。

目前，流量平衡調(diào)節(jié)的方法有很多種。如：比例法、補(bǔ)償法、計(jì)算機(jī)模擬法、模擬阻力法(CCR法)等等，都是較為常見(jiàn)的調(diào)節(jié)方法。比例法的調(diào)節(jié)原理是，兩個(gè)用戶(hù)之間的流量比僅取決于上游用戶(hù)(按供熱水流動(dòng)方向)之后管段的阻抗，而與上游用戶(hù)和熱源之間的阻抗無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，對(duì)系統(tǒng)上游用戶(hù)流量的調(diào)節(jié)將會(huì)引起該系統(tǒng)下游用戶(hù)之間的流量成比例的變化[1]。比例法原理比較簡(jiǎn)單，也有比較好的調(diào)節(jié)效果，但操作過(guò)程中需要將所有樓門(mén)處熱力入口開(kāi)至最大后再逐個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不僅操作量大，而且對(duì)于往年調(diào)節(jié)過(guò)流量的系統(tǒng)，會(huì)完全打破已經(jīng)接近于平衡的狀態(tài)，額外增加了工作量。補(bǔ)償法也是一種能獲得較為準(zhǔn)確結(jié)果的方法，但其弊端是需要較多參與人員，不適用于調(diào)節(jié)面積大、人員有限的情況。而計(jì)算機(jī)模擬法、模擬阻力法等方法雖然計(jì)算和結(jié)果方面準(zhǔn)確、快速，但是對(duì)調(diào)節(jié)人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和儀器設(shè)備水平有較高的要求，大多數(shù)的供熱企業(yè)，尤其是進(jìn)行實(shí)際操作的一線工作人員難以滿(mǎn)足要求。

如果通過(guò)流量平衡調(diào)節(jié)來(lái)解決上述問(wèn)題，使流量在各支路入口處按需分配，則能夠從根本上解決末端不利的問(wèn)題。在熱源溫度不變的前提下，使不利用戶(hù)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，這樣既能節(jié)省系統(tǒng)流量，又可以兼顧前、后端用戶(hù)的供熱效果，從而達(dá)到整個(gè)供熱系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的[2]。

本文通過(guò)對(duì)相關(guān)理論、調(diào)節(jié)方法和操作方法的深入研究，提出了一種貼合供熱系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際，有力可靠、方便掌握的水力平衡調(diào)節(jié)方法，使供熱用戶(hù)在一個(gè)供熱調(diào)節(jié)時(shí)間段內(nèi)獲得相同的供熱效果。

3 調(diào)節(jié)方法介紹

本文提出的調(diào)節(jié)方法主要考慮消除供熱距離對(duì)用戶(hù)供熱效果的影響，通過(guò)對(duì)閥門(mén)的控制，按照一定的時(shí)間間隔，使供熱介質(zhì)優(yōu)先流向遠(yuǎn)端用戶(hù)，最后同時(shí)到達(dá)各個(gè)用戶(hù)，使所有用戶(hù)在一個(gè)供熱調(diào)節(jié)時(shí)間段內(nèi)獲得相同的供熱效果。圖1是本調(diào)節(jié)方法的控制系統(tǒng)圖。

本文中所論述調(diào)節(jié)步驟基于以上供熱控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在供熱調(diào)節(jié)開(kāi)始時(shí)，首先關(guān)閉所有用戶(hù)閥門(mén)，使用編號(hào)器對(duì)所有用戶(hù)由近及遠(yuǎn)地進(jìn)行編號(hào)，室外溫度采集器采集室外溫度，再由參數(shù)計(jì)算器根據(jù)一系列參數(shù)計(jì)算出供熱調(diào)節(jié)需要的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)作為閥門(mén)管理器判斷閥門(mén)開(kāi)閉時(shí)間和開(kāi)啟度的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于用戶(hù)流量的調(diào)節(jié)。具體步驟如下。

4 調(diào)節(jié)步驟介紹

在進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)前，關(guān)閉所有用戶(hù)的入口閥門(mén)。

第一步，對(duì)供熱用戶(hù)進(jìn)行編號(hào)。

以用戶(hù)距熱源的距離為原則，使用編號(hào)器由近及遠(yuǎn)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行編號(hào)：1，2，…，n。

第二步，采集室外溫度。

每次運(yùn)行調(diào)節(jié)前，由室外溫度采集器采集室外溫度，作為當(dāng)次運(yùn)行調(diào)節(jié)的計(jì)算依據(jù)。

第三步，計(jì)算運(yùn)行調(diào)節(jié)所需參數(shù)。

將編號(hào)器和室外溫度采集器統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)傳遞給參數(shù)計(jì)算器，使其分別計(jì)算各個(gè)用戶(hù)所需的用戶(hù)熱負(fù)荷Qi、用戶(hù)供熱所需流量Gi以及供熱介質(zhì)從熱源出口流入用戶(hù)所需時(shí)間ti。

1)計(jì)算各個(gè)用戶(hù)所需熱負(fù)荷Q1，Q2，…，Qn。

(i=1,2,3,…,n)。

2)根據(jù)供熱系統(tǒng)不同的調(diào)節(jié)方式，確定在室外溫度Tw下滿(mǎn)足用戶(hù)i熱負(fù)荷所需流量Gi的值。

當(dāng)系統(tǒng)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)：Gi=C·Gi′。

其中，Gi′為用戶(hù)i的設(shè)計(jì)流量，m3/s；Gi為用戶(hù)i室外溫度Tw下的流量，m3/s；Tg為熱源供水溫度；Th為熱源回水溫度。

3)計(jì)算供熱介質(zhì)從熱源出口流入用戶(hù)i最遠(yuǎn)端散熱器所需時(shí)間ti。

(i=1，2，3，…；j=1，2，3，…)。

其中：

即：

其中，Vij為熱源到用戶(hù)i最遠(yuǎn)端散熱器的不同管段j的流速，m/s；Lij為熱源到用戶(hù)i最遠(yuǎn)端散熱器不同流速所對(duì)應(yīng)的不同管段j的長(zhǎng)度，m；dij為熱源到用戶(hù)i最遠(yuǎn)端散熱器不同流速所對(duì)應(yīng)的不同管段j的直徑，mm；Gi為用戶(hù)i的流量，m3/s。

供熱介質(zhì)從熱源出口處流入其他用戶(hù)所需時(shí)間tn-1，tn-2，…，t1計(jì)算方法同上。

第四步，確定首先供熱用戶(hù)。

當(dāng)循環(huán)水泵內(nèi)的循環(huán)水量較小時(shí)，泵的效率降低，影響泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。所以在確定首先供熱用戶(hù)時(shí)，由閥門(mén)管理器對(duì)參數(shù)計(jì)算器計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，根據(jù)系統(tǒng)最小運(yùn)轉(zhuǎn)流量與遠(yuǎn)端用戶(hù)的所需流量進(jìn)行比較，使得首先供熱的用戶(hù)總流量不小于水泵的最小運(yùn)轉(zhuǎn)流量，從而確定開(kāi)啟遠(yuǎn)端的幾個(gè)用戶(hù)的閥門(mén)，使得供熱介質(zhì)優(yōu)先流入遠(yuǎn)端用戶(hù)。

調(diào)節(jié)時(shí)首先開(kāi)啟的末端用戶(hù)運(yùn)行流量需滿(mǎn)足系統(tǒng)最小運(yùn)轉(zhuǎn)流量，并保證先開(kāi)啟的用戶(hù)獲得相同的供熱效果，具體計(jì)算方法如下：

(i=k，k+1，…，n-1，n)。

第五步，運(yùn)行調(diào)節(jié)其余供熱用戶(hù)。

在步驟四中，已經(jīng)確定了在調(diào)節(jié)開(kāi)始時(shí)首先打開(kāi)的用戶(hù)閥門(mén)k～n，接下來(lái)需要依據(jù)遠(yuǎn)端用戶(hù)與近端用戶(hù)調(diào)節(jié)的時(shí)間差，由遠(yuǎn)端用戶(hù)向近端用戶(hù)逐個(gè)打開(kāi)用戶(hù)閥門(mén)，在打開(kāi)閥門(mén)的同時(shí)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的供熱流量，保證n個(gè)用戶(hù)在一個(gè)調(diào)節(jié)時(shí)間段Δt′內(nèi)的供熱效果一致。

具體操作方法為，經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt1后，打開(kāi)用戶(hù)k-1的入口閥門(mén)，并調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度使其通過(guò)的流量為計(jì)算流量，同時(shí)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的流量，使之總流量為用戶(hù)k-1至用戶(hù)n的流量之和；再經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt2后，打開(kāi)用戶(hù)k-2的入口閥門(mén)，并調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度使其通過(guò)的流量為計(jì)算流量，同時(shí)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的流量，使之總流量為用戶(hù)k-2至用戶(hù)n的流量之和；并依次操作，直至在經(jīng)過(guò)時(shí)間Δtk-1后，打開(kāi)用戶(hù)1的入口閥門(mén)；保證n個(gè)用戶(hù)在一個(gè)調(diào)節(jié)時(shí)間段Δt′內(nèi)的供熱效果一致。

一個(gè)調(diào)節(jié)時(shí)間段Δt′指開(kāi)始運(yùn)行調(diào)節(jié)至下一次運(yùn)行調(diào)節(jié)之前的時(shí)間間隔，滿(mǎn)足Δt′≥tn+Δt″。

其中，Δt″為供熱介質(zhì)從用戶(hù)n最遠(yuǎn)端散熱器流至熱源所需時(shí)間。

時(shí)間間隔應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系：

Δt1=tn-tk-1;
Δt2=tk-1-tk-2;
Δt3=tk-2-tk-3;
……;
Δtk-2=t3-t2;
Δtk-1=t2-t1。

其中,tn,tk-1,tk-2,tk-3,…,t3,t2,t1分別為供熱介質(zhì)從熱源出口處流入用戶(hù)n,k-1,k-2,k-3,…,3,2,1最遠(yuǎn)端散熱器所需的時(shí)間。

圖2是本調(diào)節(jié)方法的閥門(mén)控制原理圖。

第六步，在下一次供熱調(diào)節(jié)時(shí)，重復(fù)步驟二～步驟五實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的等效供熱直到所用n個(gè)用戶(hù)的閥門(mén)全部打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)n個(gè)用戶(hù)等效果的供熱。

5 結(jié)語(yǔ)

本文考慮了供熱距離對(duì)用戶(hù)的影響，不僅從根本上消除了供熱系統(tǒng)的水平熱力失調(diào)，使得近遠(yuǎn)端用戶(hù)都能達(dá)到同樣的供熱效果，還改善了管網(wǎng)的調(diào)節(jié)特性，避免了大流量運(yùn)行方式所帶來(lái)的運(yùn)行能耗的增加，也不需增大供熱主管路的管徑。但在實(shí)現(xiàn)閥門(mén)管理器的精確控制上，還需要其他專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)行配合實(shí)施，有待于更深一步的研究。