張 毅

（北京市熱力集團有限責(zé)任公司，北京 100062）

0 引言

城市集中供熱管網(wǎng)常因水力失調(diào)出現(xiàn)循環(huán)流量較低的情況，一般可采取模擬分析法對其進行調(diào)節(jié)。但由于該方法過于依賴歷史經(jīng)驗，導(dǎo)致調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較差，因此該文提出一種熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)，通過構(gòu)建自力式平衡閥對循環(huán)流量進行調(diào)節(jié)，可有效減小調(diào)節(jié)偏差[1]。

1 城市集中供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)研究

1.1 城市集中供熱管網(wǎng)熱平衡計算

城市集中供熱管網(wǎng)中，實際流量與預(yù)測流量之間如果存在較大差異將會導(dǎo)致水力失調(diào)。對城市集中供熱管網(wǎng)中的熱平衡進行調(diào)節(jié)，可有效緩解水力失調(diào)現(xiàn)象，在保證水力供給壓力的同時能夠有效提高設(shè)備的補水能力，進而提高供熱管網(wǎng)的供熱能力[2]。對此需要對熱平衡相關(guān)數(shù)值進行計算，具體包括計算水力失調(diào)度以及構(gòu)建集中供熱管網(wǎng)的傳熱方程，具體計算步驟如下所示。

通過計算水力失調(diào)度來判斷城市集中供熱網(wǎng)管是否達(dá)到熱平衡狀態(tài)，具體計算公式如公式（1）所示。

式中：x為城市集中供熱管網(wǎng)的水力失調(diào)度；Vs為熱用戶實際水體流量；Vg為預(yù)測水體流量。

當(dāng)x的值為1 時，說明此刻城市集中供熱管網(wǎng)達(dá)到了熱平衡狀態(tài)，無須對其進行調(diào)節(jié)處理；當(dāng)x的值大于1 時，說明此刻存在等比失調(diào)情況，主要原因是管網(wǎng)堵塞導(dǎo)致管內(nèi)壓力過大；當(dāng)x的值小于1 時，說明此刻存在不等比失調(diào)現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要是由供熱網(wǎng)管失水過多，供熱系統(tǒng)的補水能力無法滿足實際需求導(dǎo)致的。通過上述對水力失調(diào)度的計算，判斷此刻城市集中供熱網(wǎng)管是否處于熱平衡狀態(tài)，如果水力失調(diào)度不為1，則需要對其進行熱平衡調(diào)節(jié)。對此，需要建立供熱管網(wǎng)內(nèi)部的傳熱方程，即管網(wǎng)內(nèi)部與外部之間的換熱過程描述方程，具體方程表達(dá)式如公式（2）所示。

式中：A為供熱管網(wǎng)內(nèi)部與外部的換熱接觸面積；tair為供熱管網(wǎng)內(nèi)部空氣流通溫度；tstf為供熱管網(wǎng)實體內(nèi)部平均溫度；Qe為供熱管網(wǎng)內(nèi)部與外部在換熱過程中交換的熱量值[3]；k為換熱系數(shù)，該值主要受空氣對流系數(shù)以及供熱網(wǎng)管尺寸數(shù)值的影響，具體計算公式如公式（3）所示。

式中：hair為供熱管網(wǎng)內(nèi)壁與流通空氣之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；hstf為供熱管網(wǎng)內(nèi)壁與保溫材料之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；δc為管網(wǎng)平均厚度；δpu為管網(wǎng)側(cè)壁厚度；λc為供熱管網(wǎng)內(nèi)部流通空氣的散熱值；λpu為管網(wǎng)內(nèi)部原料的平均溫度。

其中，管網(wǎng)內(nèi)壁與保溫材料之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)可以通過怒謝爾系數(shù)求得，具體計算公式如公式（4）、公式（5）所示[4]。

式中：Nu為怒謝爾系數(shù)；Re為流動流體的慣性力與黏滯力之間的比值；Pr為供熱網(wǎng)管內(nèi)部流體熱量擴散系數(shù)。

通過上述步驟即可計算出城市集中供熱管網(wǎng)中的熱平衡情況，得到熱平衡相關(guān)系數(shù)，為后續(xù)的熱平衡調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 供熱管網(wǎng)換熱量計算

在判斷完供熱管網(wǎng)的熱平衡情況后，除了管網(wǎng)內(nèi)壁與外壁之間交換的熱量值以外，還需要計算出管網(wǎng)整體在換熱過程中得到的熱量，將實際熱量與預(yù)測溫度進行對比，對溫度誤差進行調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)對供熱管網(wǎng)的熱平衡調(diào)節(jié)，具體實現(xiàn)步驟如下所示[5]。

構(gòu)建出換熱器流出熱水與供熱管網(wǎng)內(nèi)部流體之間的換熱方程，具體方程表達(dá)式如公式（6）、公式（7）所示。

式中：Qi為換熱器流出熱水對供熱管網(wǎng)內(nèi)部流體傳遞的熱量值；Qj為熱水對管網(wǎng)內(nèi)壁保溫材料的散熱值；Ki和Kj分別為對應(yīng)的傳熱系數(shù)以及散熱系數(shù)；Ai為換熱器流出熱水與管網(wǎng)內(nèi)壁之間的接觸面積；Δtm為熱水與管網(wǎng)內(nèi)部的平均溫差。

其中，傳熱系數(shù)、散熱系數(shù)主要與管網(wǎng)內(nèi)部空氣對流散熱系數(shù)有關(guān)，具體計算公式如公式（7）、公式（8）所示。

式中：hw為流體側(cè)壁對流散熱系數(shù)；δi為換熱器側(cè)壁厚度；hv為換熱器內(nèi)部空氣對流散熱系數(shù)；δj為加熱帶平均厚度。

熱水與管網(wǎng)內(nèi)部的平均溫差主要和管網(wǎng)內(nèi)外壁溫差的極值有關(guān)，具體計算公式如公式（9）所示。

式中：Δtmax和Δtmin分別為管網(wǎng)內(nèi)外壁溫差的最大值與最小值。

對此可計算出供熱管網(wǎng)內(nèi)部交換所得熱量，具體計算公式如公式（10）所示。

式中：Qf為供熱管網(wǎng)在換熱器氣閥開啟后所得到的熱量值。

通過將計算出的實際熱量值與熱平衡狀態(tài)下的熱量預(yù)測值進行對比得到熱量差，對熱量差進行調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)對供熱管網(wǎng)的熱平衡調(diào)節(jié)。該文主要采用供熱平衡閥對熱量差進行調(diào)節(jié)。

1.3 自力式流量平衡閥調(diào)節(jié)

該文通過構(gòu)建自力式流量平衡閥的方式來對熱平衡狀態(tài)下的供熱管網(wǎng)熱量預(yù)測值與實際值之間的熱量誤差進行調(diào)節(jié)，以此解決集中供熱管網(wǎng)的水力失調(diào)問題，構(gòu)建出的流量平衡閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示[6]。

圖1 自力式流量平衡閥結(jié)構(gòu)圖

本次構(gòu)建的自力式流量平衡閥主要通過調(diào)節(jié)閥門進出口的壓力實現(xiàn)對供熱管網(wǎng)內(nèi)壁與外壁之間的熱量傳導(dǎo)。通過在傳熱過程中給供熱管網(wǎng)流體添加局部阻力，進而調(diào)節(jié)流經(jīng)換熱系統(tǒng)的流量，具體流量方程表達(dá)式如公式（11）所示。

式中：Ql為流經(jīng)自力式流量平衡閥的流量；ζ為自力式流量平衡閥的阻尼系數(shù)；P1和P2分別為流體經(jīng)過平衡閥之前與之后所收到的流量壓力；F為自力式流量平衡閥的橫截面面積；ρ為流體密度大??；z為閥門流量調(diào)節(jié)系數(shù)。

通過在供熱管網(wǎng)的中心部位安裝流量平衡閥，對供熱系統(tǒng)的流量進行調(diào)節(jié)，可有效控制供熱管網(wǎng)實際得熱值，將該值調(diào)節(jié)到熱平衡狀態(tài)下的熱量預(yù)測值，即可完成對供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)[7]。將本節(jié)構(gòu)建的自力式流量平衡閥與上述提出的熱平衡狀態(tài)值、得熱量計算相關(guān)內(nèi)容進行結(jié)合，城市集中供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)即設(shè)計完成。

2 試驗部分

為證明提出的城市集中供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)在熱平衡調(diào)節(jié)性能上優(yōu)于傳統(tǒng)的供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)，該文于理論部分設(shè)計完成后，構(gòu)建試驗環(huán)節(jié)，對該供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的實際熱平衡調(diào)節(jié)性能進行檢驗與分析。

2.1 試驗準(zhǔn)備

為提高試驗結(jié)果的可靠性，本次試驗除該文提出的熱平衡調(diào)節(jié)方法外，還選取了2 種常規(guī)的熱平衡調(diào)節(jié)方法作為試驗對照組，分別為基于垂直單管串聯(lián)技術(shù)的供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)和基于模擬分析法的供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)。

本次試驗選取的試驗對象為某供熱公司供熱工程中的一段供熱管網(wǎng)。該區(qū)域內(nèi)的供熱管網(wǎng)總供熱面積為16845.25m2，供熱用電負(fù)荷為56794.56kW，供熱管網(wǎng)內(nèi)部總體流量為125.46m3/h。換熱器出口設(shè)計流量壓力值為0.165Pa，入口壓力值為0.275Pa。供熱管網(wǎng)閥門均長期處于全開狀態(tài)，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的水力失調(diào)情況較為嚴(yán)重。該文通過調(diào)用該項目工程的歷史數(shù)據(jù)，得到不同區(qū)域下的熱用戶流量數(shù)值，具體見表1。

表1 熱用戶流量調(diào)查表

由上述熱用戶數(shù)據(jù)可看出，該區(qū)域的熱用戶實際流量均遠(yuǎn)低于設(shè)計流量，流量失調(diào)度較高。因此選用3 種調(diào)節(jié)方法對該區(qū)域的熱平衡狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。本次試驗采用MATLAB 仿真軟件對熱用戶流量情況進行建模，將3 種調(diào)節(jié)方法的參數(shù)輸入該軟件中進行熱平衡調(diào)節(jié)，并對比調(diào)節(jié)后的失調(diào)度數(shù)值。

2.2 試驗結(jié)果

本次試驗選取的比較標(biāo)準(zhǔn)為供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)性能，具體衡量標(biāo)準(zhǔn)為不同區(qū)域調(diào)節(jié)后的水力失調(diào)度，具體計算公式如公式（1）所示。水力失調(diào)度越接近1，代表該區(qū)域的熱平衡狀態(tài)表現(xiàn)越好，越能夠達(dá)到令人滿意的供暖效果。本次試驗從項目歷史數(shù)據(jù)中隨機抽取了5 組區(qū)域?qū)ζ溥M行仿真調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 水力失調(diào)度對比結(jié)果

有上述試驗結(jié)果可以看出，對不同區(qū)域進行熱平衡調(diào)節(jié)時，不同方法調(diào)節(jié)過后的區(qū)域水力失調(diào)度也存在差異。通過數(shù)值上的對比可以明顯看出，經(jīng)2 種常規(guī)方法調(diào)節(jié)后的區(qū)域的水力失調(diào)度有明顯下降，但距離1 還是有較大差距。而經(jīng)該文提出的城市集中供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)調(diào)節(jié)后的區(qū)域的水力失調(diào)度明顯更接近1，平均調(diào)節(jié)誤差在0.2 左右。由此可看出該文提出的熱平衡調(diào)節(jié)方法的調(diào)節(jié)性能更強，能夠根據(jù)不同區(qū)域的熱用戶流量情況進行有效調(diào)節(jié)，進而減少調(diào)節(jié)誤差。

選用3 種調(diào)節(jié)方法對該區(qū)域熱平衡狀態(tài)進行調(diào)節(jié)的過程中，耗時是影響調(diào)節(jié)效率的重要指標(biāo)，因此對10 個區(qū)域進行集中供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)耗時定義為從感知到集中供熱管網(wǎng)供熱不平衡開始直至供熱達(dá)到平衡這一過程所用的時間，以此檢驗不同方法的調(diào)節(jié)效率，比較結(jié)果見表2。

表2 調(diào)節(jié)耗時比較（單位：min）

通過分析表2 中的數(shù)據(jù)可知，該文提出的城市集中供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)耗時平均值為32.2min，基于垂直單管串聯(lián)技術(shù)的供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)耗時平均值為80.1min，基于模擬分析法的供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)耗時平均值為96.1min。綜合來看，該文技術(shù)的調(diào)節(jié)耗時最短，說明提出的城市集中供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的執(zhí)行效率更高，實際應(yīng)用效果較好。

3 結(jié)論

該文提出的城市集中供熱管網(wǎng)熱平衡調(diào)節(jié)技術(shù)首先對水力失調(diào)度進行計算，判定是否需要介入調(diào)節(jié)。其次通過構(gòu)建換熱方程等手段掌握區(qū)域熱平衡情況，在此基礎(chǔ)上搭建的流量平衡閥調(diào)節(jié)裝置能夠有效根據(jù)實際需求進行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，具備較好的調(diào)節(jié)效果。可在滿足熱用戶流量需求的同時對支路流量進行控制，進而降低供熱成本，提高區(qū)域內(nèi)的供暖供熱水平。