供热系统热网水力平衡调节浅析

刘凤玲，赵新宇

(1.黑龙江省龙聚科技发展有限责任公司，哈尔滨 150001;2.哈尔滨国安特种设备技术服务有限公司，哈尔滨 150000)

0 引 言

我国北方地区集中供热普及率逐年提高，供热管网普遍存在的最突出的问题是高、低温水管网系统水力失衡，能源浪费现象严重［1］。在设计管网系统时，热网系统水力稳定性是重要指标，它可以指导管网参数的合理选择，帮助供热企业确定合理的经济指标［2－3］。

对于一个运行良好的供热系统，其控制系统进行运行调节或增减热网系统热负荷时，水力平衡及稳定性基本不受干扰。通过对水力工况的调节，可以明确系统的控制效果，找到系统控制中的薄弱环节，确定相应的调节手段和对应策略。

1 热网运行调节方式

以热源厂作为主要热源的城镇集中供热系统，热力网的供回水温度、调温曲线和调节方式将关系到系统设备选型、热力网的管径、系统的投资和运行费用。为使热用户室温达到设计要求，除在系统运行前需要进行初调节之外，还应在整个供暖季节随室外气温的变化，随时或分阶段对供水温度、流量等进行调节。

运行调节方式采用分阶段改变流量的质调节，即把整个供暖期按室外温度的高低分为二个或三个阶段，在室外温度较低的阶段采用较大的流量，而在室外温度较高的阶段采用小的流量，在每一个阶段内则维持流量不变而采用改变供水温度的质调节。

计算公式为:

式中:Φr为相对热负荷W Φr=(ti－ to)/(tito′);B为与散热器及连接方式有关的系数 四柱散热器B=0.35;ti为室内计算温度，℃;to为室外温度，℃;to′为室外计算温度，℃;t1、t2为任意室外温度下供、回水温度，℃;t1′、t2′为设计供、回水温度，℃。

某供热单位由于管网老化等原因，一、二次网运行参数为:

一、二次网供回水温度随室外气温变化调节，供暖期按室外温度高低分成二个阶段:

(1)室外温度最低时:低于 －16℃保持100%负荷流量2 800 m3/h。

(2)室外温度较高时:－16～5℃保持70%负荷流量1 960 m3/h。

表1 一次网供回水温度随室外气温变化表

表2 二次网供回水温度随室外气温变化表

2 管网平衡调节

2.1 水力失调

当前在集中供热系统中无论直供管网还是间供管网，影响供热质量的最大问题仍然是热源或换热站附近用户室温超标，远处用户室温过低，用户室温不达标便私自安装小型循环泵、甚至采取大量放水等方法，这是热网普遍存在的水力失调问题。有些供热企业为了解决这一问题，采取加大供热量，或是更换大功率的循环水泵。结果问题不但没有得到很好的解决，而且进一步造成了能源浪费。供热效果好坏实际上是流量(热量)合理分配的问题。这个问题不可能在设计阶段完全解决，即使设计、施工、运行情况良好，水力不平衡的情况也会出现在每个输配环节中。若要在整个供热系统中实现良好的水力工况，必须在运行阶段进行认真地、反复地、细致地调节。

实践证明，解决水力失调问题的关键在于调控设备。以前曾经用调节阀等，这样不但都需要分层次调节，而且必须反复调节、经常调节，调节的工作量相当大，而且只能在一定程度上改善热网的水力工况，不能从根本上消除水力不平衡状态。目前大多数供热企业都不同程度地处在这种调控阶段。

管网系统水力计算时，为使计算更接近实际管网运行工况，尚需考虑如下几种情况:

(1)热负荷的准确性

热负荷的准确性与否直接涉及到各支路热量配置的合理性、科学性。综合热指标的确定常规是依据构筑物的使用性质及供热面积与热指标采取加权平均得出综合热指标值。考虑国家对节能建筑的要求，在建、拟建节能建筑物综合热指标按较低选取的原则。在二次网水力计算中，需要增加一些内容，如构筑物位置、朝向、楼层高低、墙体保温状况等等。

热指标合理性是热负荷确定准确性的基础。管道阻力计算基础数据收集整理工作比较繁杂，此过程需细致准确，否则会影响管网水力计算结果，导致管网水力失调。

(2)流量计算的准确性

水力计算中流量计算与实际运行温差密切相关，温差的选择决定流量，常规二次网水力计算温差按Δ=25℃选取，由于同一构筑物内可能同时存在散热器和地热采暖两种形式，供热单位运行温差往往在10～15℃，因此在进行水力计算或水力校核计算时力求接近于实际运行温差。例如温差按25℃和12.5℃进入计算，流量相差一倍，管段阻力相差一倍，计算结果直接影响用户室内温度，特别是末端热用户。

(3)流量分配的合理性

尽量消除近端管网超流量短路，远端热用户流量小回水温度过低现象。笔者曾经对某换热站回水温度做过调查(24 h低温常供)，见表3。

表3 某换热站回水温度℃

从上表分析换热站近端用户由于管路压差大、流速高、用户室内过热;远端用户管路压差小(甚至无压差)、流速低、用户室温严重不达标，回水最大绝对温差32.2℃，换热站回水温度实际上是近端、远端的混水温度，即远端较低与近端较高回水的混合温度。从上表看出交通局热用户回水55℃，室温30℃;末端开发家属楼回水只有23.3℃ 室温只有10℃。

第二年该管网各楼前加装了(末端未加装)自立式流量控制阀，现将同时期调整后重新检查数据列于表4。

表4

从表4看出远、近端用户回水温度基本一致，回水最大绝对温差2.2℃，由于确保远、近端热用户回水温度基本相同，既满足了室内温度质量，又节约了能源。

只有做好基础数据的普查收集，通过计算力求将管网各个并联支路阻力相同，即各支路最末端的热用户资用压头基本相同。各并联支路的供暖半径长短不一，设计者需要采取有效措施调整相关管路的比摩阻使各并联支路阻力相同，这是最主要因素。把每个与热源或换热站采暖循环泵相连接的用户之间视为并联系统，这样近端与远端相比，热源近端与远端用户干管部分阻力两者接近相同，这就相当于近端管径应设计比常规时略小些，而末端管径设计比常规时略大些，而且供热半径越长这种差距越大。

(4)管网剩余压头的消除

在进行管网设计时，设计人员大多遵循着这样的设计原则:先满足最不利点的资用压头，这样使得其他各个点的资用压头过大，而且越是距热源或换热站近剩余压头越大，解决的办法只能是通过调节管径或加装调节手段的方式消耗掉资用压头的富裕量，而管道管径可选择种类并不多，阀门调节功能也是有限度的，这样必然使流量分配偏离设计状态，导致用户冷热不均。而在设计计算过程中管道、水泵、散热器等选型常常都会习惯地采用一定的“保险”系数，这就造成了“先天性”的水力失调。

2.2 科学可行的调控手段

(1)必要的调控手段

要实现热网平衡，除了上述设计理念，还需必要的调控手段。不仅要对干线、支干线、支线、进户线的流量控制阀进行调控，还要对支户线、楼内水平分支、水平分支上垂直立管甚至分户支管的阀门进行调节，这就相当于需要3～5级调控，越接近于近端，调节力度越大、调控级数越多;越接近于末端调节力度越小、调控级数也越少。但现实中往往由于规划、设计、管理、阀门质量等因素，造成管网错综复杂，各用户可调控级数不同，某些用户甚至直接接于近端干管上，只有2～3级甚至1级调控，造成热力系统难于平衡。在设计时，近端用户可控级数应最多，即支干线不断向后延展、分级，而末端管网要尽量减少分级，并根据供热半径大小等情况适当加大一些管径。在管网系统调控中，采用优质的静态平衡阀、动态平衡阀、自力式流量控制阀、必要的配套精密仪表，以及专业的调节经验和模式，加之理论与实践、硬件与软件紧密结合的全局观念和技能，高度责任心及分析能力，不厌其烦反复调节等，方可保证管网调节平衡。

(2)流量调节阀安装

在一次网进入换热站和各个构筑物入口设置自力式流量调节阀、自力式流量平衡阀、管网分支处设置平衡阀，使管网平衡的调节手段得以加强非常重要。常规蝶阀、截止阀、闸阀不具备可靠地调节功能。当需要调节某一个普通阀门时，该回路流量随之变动，但同时其它支路阀门通过的流量也在变化，这种调节手段只能相对提高水力平衡效果，但不可能维持平衡稳定，管网任何一处阀门调整都会造成系统平衡变化。

近年来很多热网，包括新建和改造热网都较多采用自力式流量控制阀，该阀的特点是可以根据用户的实际需要保持恒定流量，自动消除剩余压头，维持为用户设定的入户压力差，且不受外界流量变化干扰，维持流量恒定。

最近几年又研制成功等比例变流量调节动态阻力平衡阀，最初该阀多在热网改造中应用，尤其是控制近热源端用户的流量恒定和改善热网的水平失调效果非常明显。在集中供热系统中，装在各个换热站一次网的出口或入口，实施手动调节;也可安装阀门执行器、温度传感器、气候补偿器和其它自控仪表实施自动控制技术指标。

(3)相对增大用户系统的压降

相对增大用户系统的压降也是提高热网水力稳定性的另一个须同时采用的主要方法。在这点上，常规设计并未给予充分重视，使预留的剩余压头不大。这样虽然可以减少整个管网的资用压头、节省电能，而且由于换热器前调节阀选型较大，给今后增加供热面积预留了较大的余地，但却大大降低了热网的水力稳定性。

提高管网的压差，增加了耗电量，但带来的却是提高了热网水力工况的稳定性，改善了热网的水力工况，使全网减少了无效热能和电能的消耗。

2.3 实施分布式混水加适当调控手段

常规供热系统二次网采用换热站内集中设置循环水泵的，若实施分布式混水循环方式可以消除近端压差大远端压差小的弊病，再适当辅以调控手段，则可有效地解决水力失调问题。该方式在解决水力失调的同时还节约了电耗。换热站集中循环系统造成近端热用户压差过大，以至于不得不加装流量调节装置进行限流，造成大量电能的无谓浪费。采用分布式混水泵系统，不但避免了上述电能的浪费，而且大大降低主循环泵配套电机功率，从而实现在最小的耗电功率下达到合理供热量的输送，因此分布式混水技术备受青睐。

3 提高对管网平衡调节认识

水力失调是供热管网普遍存在的现象，它的出现造成近端过热，远端过冷的状况，虽然通过系统水力计算解决了部分管网阻力平衡问题，但管网的运行工况十分复杂，不可能在设计阶段完全解决。

城市不断发展伴随着规划调整、供热面积增加、热网增容、热负荷变化等对热网系统影响巨大，系统阻力相应随之增加，各点作用点压头不断变动。管网系统会出现由平衡到不平衡过程，形成对管网水力工况重新计算和再调整过程。如果认识不到重新计算和再调整的重要性，必然会降低供热系统的效率，恶化供热质量，同时能耗和运行费用也大幅度增加，特别是供热面积大、管线距离长、分支节点多，用户结构复杂的大型管网就显得更为突出。

许多供热企业对热网水力工况的科学性、重要性认识不足，热网中安装的调控设备陈旧、落后，甚至不知晓、不进行热网的水力平衡调节，造成用户冷热不均现象严重，热费收缴困难。有些供热企业为了解决这一问题，采取了一些错误办法，或是加大供热量，或是更换大功率的循环水泵。还有的对低温用户采取更换大管径、甚至大量放水等方法，结果问题不但没有得到很好的解决，而且进一步造成了能源浪费。

4 结论

理论和实践均证明，热网的水力稳定性高可以达到如下目的:

(1)经常变化的热网始终保持良好的水力工况。

(2)使热网的初调节和运行调节容易进行。

(3)可大量减少无效的热能和电能损失。

因此提高热网的水力平衡是管网稳定运行的关键，是保证大型供热系统供热质量首要问题。

［1］李志刚，孙丽萍，刘嘉新.热网监控系统的设计与实现［J］.森林工程，2013(4):90－95+160.

［2］石兆玉.供热系统多热源联网运行的再认识［J］.中国建设信息供热制冷，2006(2):52－58.

［3］秦 冰，秦绪忠，谢励人，等.分布式变频泵供热系统的运行调节方式［J］.煤气与热力，2007(2):73－75.