王曉峰

(工大科雅(唐山)能源科技有限公司，唐山 063004)

0 引 言

自2020年第七十五屆聯(lián)合國大會以來，碳達峰和碳中和已成為關注焦點，而我國的冬季供暖一直是碳排放的重要來源之一?；焖嵯到y(tǒng)對于高溫側的水溫要求相對較低，在利用低溫熱水和余熱乏汽方面具有一定的優(yōu)勢[1]；同時，可在板換式供熱機組后再增加混水機組，以靈活適應熱用戶不同采暖方式的需求，更能增加供熱系統(tǒng)的節(jié)能降耗[2]，因此混水供熱系統(tǒng)的廣泛應用有助于節(jié)能減排工作的進一步推進。混水供熱系統(tǒng)為高溫側和低溫側的循環(huán)水直接連通，相對于板換式供熱機組，在換熱效率、建設投資等方面具有一定的優(yōu)勢?；焖嵯到y(tǒng)具有初期建設投資低的優(yōu)點，在我國最初的供熱系統(tǒng)中進行了大范圍的應用[3]。但是由于最初的混水供熱系統(tǒng)自動化程度低，經(jīng)常因某個換熱站二級網(wǎng)漏水引起成片區(qū)停暖的問題，因此混水供熱系統(tǒng)又逐漸被板換供熱機組替代。

隨著供熱自動化技術的發(fā)展，混水供熱系統(tǒng)已可實現(xiàn)很好的自動控制和供熱效果，同時可實現(xiàn)熱計量和運行監(jiān)測。對于自動化程度較高的混水供熱系統(tǒng)，國內也進行了相關的研究。徐在亮等[1]進行了混水系統(tǒng)利用汽輪機乏汽進行供暖的方案分析，并對混水系統(tǒng)的水泵安裝方式進行了研究，但缺少對系統(tǒng)設計和設備選型的分析。何樂[4]分析了分布式混水直供機組在供熱系統(tǒng)中的應用，但缺少對電調閥控制混水供熱系統(tǒng)的分析。李德英[5]在分析對應不同高度的建筑即壓力需求不同，選擇不同的混水供熱系統(tǒng)，但對整網(wǎng)的選型缺少應用分析。王魁吉等[6]通過設定用戶的需求壓力，分析了管網(wǎng)前端、中間、末端的混水供熱系統(tǒng)的應用，但是在實際供熱管網(wǎng)中高低區(qū)用戶的需求壓力差別較大，因此對于不同壓力需求的混水供熱系統(tǒng)應用仍需進一步分析。本文通過對混水供熱系統(tǒng)設計原理的分析，設計出四類混水供熱系統(tǒng)，既避免了把混水泵安裝在低溫側回水管道上造成的能源浪費[6]，又能滿足不同水力工況下的應用；并結合高溫側水壓圖和低溫側熱用戶壓力需求，對混水供熱系統(tǒng)的選型進行了應用分析。本設計和自控方案可以實現(xiàn)較好的自動控制和供熱運行，對在一次供熱管網(wǎng)上直接連接混水供熱系統(tǒng)和板換供熱機組后再增加混水系統(tǒng)的工程設計和應用具有一定的指導意義。

1 混水供熱系統(tǒng)設計原理

混水供熱系統(tǒng)的運行原理是將低溫側的部分回水與高溫側的供水混合后為熱用戶供熱，混合后的溫度介于參與混水的二者之間。為達到熱用戶所需的供水溫度，需要調控參與混水的流量。同時，為實現(xiàn)較好的混水效果，需保證參與混水的高溫側和低溫側的水壓接近，偏差過大會出現(xiàn)無法混水，甚至倒流的現(xiàn)象。為滿足混水供熱系統(tǒng)的運行工況需求，所需的主要運行和調控設備包括混水泵、加壓泵和電動調節(jié)閥。混水泵安裝在混水供熱系統(tǒng)的不同位置可起到不同的作用，安裝在供回水旁通上，主要作用為混水；安裝在低溫側供水管道上，主要作用為混水和加壓[5]。加壓泵具有加壓和流量調節(jié)作用，主要作用為提高循環(huán)水壓力，以滿足所需的壓力和流量。電動調節(jié)閥主要作用為減壓和流量調節(jié)作用，主要作用為降低循環(huán)水壓力，達到所需的壓力和流量值。

混水供熱系統(tǒng)的設計是系統(tǒng)建設和運行的關鍵，直接決定自動控制和供熱運行的效果。混水供熱系統(tǒng)設計的依據(jù)主要有三點：

(1)結合高溫側供回水壓力、低溫側建筑的資用壓頭和建筑高度，通過對比高溫側和低溫側的壓力參數(shù)，選取電動調節(jié)閥或分布泵；

(2)盡量保證參與混水的高溫側和低溫側的水壓接近；

(3)混水后的溫度調控需求，即低溫側熱用戶的熱量需求。

結合混水供熱系統(tǒng)主要設備的運行原理和設計依據(jù)，通過混水泵、加壓泵、循環(huán)泵和電動調節(jié)閥的組合，可設計出滿足不同壓力、溫度需求的熱用戶的用熱需求的混水供熱系統(tǒng)。此外，混水供熱系統(tǒng)的主要監(jiān)測儀表為流量計、溫度傳感器和壓力傳感器。在工程投資允許的情況下，可在混水供熱系統(tǒng)的高溫側供回水管道上安裝流量計，可用于監(jiān)測供回水流量，二者的差值即為低溫側的失水量。溫度傳感器和壓力傳感器可監(jiān)測高溫側和低溫側的運行情況，同時可作為系統(tǒng)調控的目標，形成閉環(huán)控制。

2 混水供熱系統(tǒng)的工況分類

設定高溫側供水壓力Pg1，高溫側回水壓力Ph1，高溫側供水溫度Tg1，高溫側回水溫度Th1，低溫側供水壓力Pg2，低溫側回水壓力Ph2，低溫側供水溫度Tg2，低溫側回水溫度Th2。暫不考慮熱用戶所需靜壓值的富余量，即熱用戶的建筑高度為定壓值。對比高溫側供回水壓力和低溫側熱用戶的壓力需求，將兩組壓力的大小情況進行組合，混水供熱系統(tǒng)的運行工況可分為四類，見表1，對應混水供熱系統(tǒng)亦可分為四類。

表1 混水供熱系統(tǒng)工況分類

3 混水供熱系統(tǒng)的應用分析

在一次供熱管網(wǎng)上直接連接混水供熱系統(tǒng)和板換供熱機組后再增加混水系統(tǒng)的設計原理相同，而且利用一次網(wǎng)水壓圖分析混水供熱系統(tǒng)的設計更直觀，因此在本文應用分析中只列舉在整網(wǎng)直接采用混水供熱系統(tǒng)的情況。

3.1 第一類混水供熱系統(tǒng)

假設熱用戶A建筑高度為35 m，高溫側與低溫側的水壓對比如圖1所示。

圖1 第一類混水供熱系統(tǒng)對應水壓圖

由于Pg1大于Pg2，因此在高溫側供水上應選用電動調節(jié)閥，二者的壓力差值就是電動調節(jié)閥選型需要參考的壓降值；Ph1小于Ph2，為保證低溫側回水定壓需在高溫側回水上選用電動調節(jié)閥，同樣二者的壓力差值就是電動調節(jié)閥選型需要參考的壓降值；結合混水泵在不同位置的作用[4]，混水泵的安裝位置為旁通，其揚程可根據(jù)Pg2和Ph2進行確定，其流量可根據(jù)低溫側熱量需求進行確定，系統(tǒng)選擇統(tǒng)組成詳如圖2所示。

圖2 第一類混水供熱系統(tǒng)組成

在自動控制方面，高溫側供水電動調節(jié)閥與低溫側溫度形成閉環(huán)控制，當實際溫度低于設定溫度時，則增大閥門開度，即增加參與混水的高溫水流量，反之則減小閥門開度；高溫側回水電動調節(jié)閥與低溫側回水壓力形成閉環(huán)控制，當?shù)蜏貍葘嶋H回水壓力低于設定壓力時，則關小閥門開度，反之則增大閥門開度。

3.2 第二類混水供熱系統(tǒng)

假設熱用戶B建筑高度為45 m，高溫側與低溫側的水壓對比如圖3所示。

由于Pg1小于Pg2，因此在高溫側供水上應選用分布泵，二者的壓力差值就是分布泵選型需要參考的揚程；Ph1小于Ph2，為保證低溫側回水定壓需在高溫側回水上選用電動調節(jié)閥，同樣二者的壓力差值就是電動調節(jié)閥選型需要參考的壓降值；結合混水泵在不同位置的作用[4]，混水泵的安裝位置為低溫側供水，即采用吸入口混水模式，其揚程可根據(jù)Pg2和Ph2進行確定，其流量可根據(jù)低溫側熱量需求進行確定，系統(tǒng)選擇統(tǒng)組成詳如圖4所示。

圖4 第二類混水供熱系統(tǒng)組成

在自動控制方面，高溫側供水分布泵與低溫側溫度形成閉環(huán)控制，當實際溫度低于設定溫度時，則增大分布泵頻率，即增加參與混水的高溫水流量，反之則減小分布泵頻率；高溫側回水電動調節(jié)閥與低溫側回水壓力形成閉環(huán)控制，當?shù)蜏貍葘嶋H回水壓力低于設定壓力時，則關小閥門開度，反之則增大閥門開度。

3.3 第三類混水供熱系統(tǒng)

假設熱用戶C建筑高度為25 m，高溫側與低溫側的水壓對比如圖5所示。

圖5 第三類混水供熱系統(tǒng)對應水壓圖

由于Pg1大于Pg2，因此在高溫側供水上應選用電調閥，二者的壓力差值就是電調閥選型需要參考的壓降值；Ph1大于Ph2，為保證低溫側回水定壓需在高溫側回水上選用分布泵，同樣二者的壓力差值就是分布泵選型需要參考的揚程；結合混水泵在不同位置的作用[4]，混水泵的安裝位置為旁通，其揚程可根據(jù)Pg2和Ph2進行確定，其流量可根據(jù)低溫側熱量需求進行確定，系統(tǒng)選擇統(tǒng)組成詳如圖6所示。

圖6 第三類混水供熱系統(tǒng)組成

在自動控制方面，高溫側供水電動調節(jié)閥與低溫側溫度形成閉環(huán)控制，當實際溫度低于設定溫度時，則增大閥門開度，即增加參與混水的高溫水流量，反之則減小閥門開度；高溫側回水分布泵與低溫側回水壓力形成閉環(huán)控制，當?shù)蜏貍葘嶋H回水壓力低于設定壓力時，則減小分布泵頻率，反之則增大分布泵頻率。

3.4 第四類混水供熱系統(tǒng)

假設管網(wǎng)末端熱用戶D建筑高度為35 m，高溫側與低溫側的水壓對比如圖7所示。

圖7 第四類混水供熱系統(tǒng)對應水壓圖

由于Pg1小于Pg2，因此在高溫側供水上應選用分布泵，二者的壓力差值就是分布泵選型需要參考的揚程；Ph1大于Ph2，為保證低溫側回水定壓需在高溫側回水上選用分布泵，同樣二者的壓力差值就是分布泵選型需要參考的揚程；結合混水泵在不同位置的作用[4]，混水泵的安裝位置為低溫側供水，即采用吸入口混水模式，其揚程可根據(jù)Pg2和Ph2進行確定，其流量可根據(jù)低溫側熱量需求進行確定，系統(tǒng)選擇統(tǒng)組成詳如圖8所示。

圖8 第四類混水供熱系統(tǒng)組成

在自動控制方面，高溫側供水分布泵與低溫側溫度形成閉環(huán)控制，當實際溫度低于設定溫度時，則增大分布泵頻率，即增加參與混水的高溫水流量，反之則減小分布泵頻率；高溫側回水分布泵與低溫側回水壓力形成閉環(huán)控制，當?shù)蜏貍葘嶋H回水壓力低于設定壓力時，則減小分布泵頻率，反之則增大分布泵頻率。

4 工程案例

華北地區(qū)某熱力公司的熱源為工業(yè)余熱，出口供回水溫度為70/40 ℃，供回水壓力為0.6/0.2 MPa，總供熱面積約300萬m2。由于熱源供水溫度較低，所以全網(wǎng)均為混水供熱系統(tǒng)，共40余套混水供熱系統(tǒng)。在2019年開始進行混水供熱系統(tǒng)的工藝和自控改造，在管網(wǎng)前端主要采用了第一類雙閥+旁通混水供熱系統(tǒng)，在管網(wǎng)末端主要采用了第四類雙泵+供水循環(huán)泵混水供熱系統(tǒng)，在管網(wǎng)中間部分主要采用第三類閥泵+旁通混水泵，而對于高層建筑主要采用了第二類混水供熱系統(tǒng)。經(jīng)過混水工藝和自控系統(tǒng)改造后，現(xiàn)已穩(wěn)定運行兩個供熱季，運行效果良好。該熱力公司典型混水供熱系統(tǒng)運行參數(shù)見表2。

表2 典型混水供熱系統(tǒng)運行參數(shù)

在項目實施過程中，鑒于老舊小區(qū)供熱設施老化，管網(wǎng)故障率較高，并本部分混水供熱系統(tǒng)的高溫側供回水管道均安裝了流量計，用于監(jiān)測二次網(wǎng)失水情況。經(jīng)過項目實施和運行發(fā)現(xiàn)，混水供熱系統(tǒng)機組結構簡單，項目建設投資明顯低于板換換熱機組，且混水供熱效率高。為減少低溫側水質對整網(wǎng)以及熱源的影響，在高溫側的供水管道和低溫側的回水管道均安裝過濾器，即保證站內儀表位于過濾器后安裝，增大設備使用壽命；又大大降低低溫側水質對高溫側的影響。

5 結束語

混水供熱系統(tǒng)的設計是系統(tǒng)建設和運行的關鍵，直接決定自動控制和供熱運行的效果。本文通過對混水供熱系統(tǒng)設計原理的分析，通過對高溫側壓力和低溫側熱用戶需求壓力的對比，對混水供熱系統(tǒng)的設計和應用進行了分析，并提出對應的自動控制方案。

(1)分析混水供熱系統(tǒng)的設計原理，提出混水供熱系統(tǒng)的設計依據(jù)和注意事項；

(2)結合混水供熱系統(tǒng)的設計原理，對混水供熱系統(tǒng)的運行工況進行了劃分，并結合高溫側壓力和低溫側熱用戶需求壓力的對比，對混水供熱系統(tǒng)進行了應用分析；

(3)工程案例應用證明，合理設計混水供熱系統(tǒng)可在整網(wǎng)不同的工況下進行應用，并且可以實現(xiàn)較好的自動控制和供熱運行；

(4)本設計和自控方案可以實現(xiàn)較好的自動控制和供熱運行，對在一次供熱管網(wǎng)上直接連接混水供熱系統(tǒng)和板換供熱機組后再增加混水系統(tǒng)的工程設計和應用具有一定的指導意義。