实现供热管网水力平衡及节能的方法研究

沈立挺　费盼峰　张军辉

（华电电力科学研究院，浙江杭州　310030）

实现供热管网水力平衡及节能的方法研究

沈立挺*费盼峰张军辉

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

近几年，我国城市集中供热快速发展，截至2014年底我国集中供热面积61.1亿平方米，比上年增长6.9%。我国集中供热快速发展的同时，还存在一些技术上的问题，如供热管网水力失衡，易造成用户侧冷热不均。在目前供热系统中，管网水力失衡的现象十分普遍，严重制约供热效果。针对供热系统中存在的这个问题，研究并提出了一种新的解决方案：基于水力计算模型，通过自力式压差平衡阀改造并调节，实现供热管网水力平衡。

自力式压差平衡阀水力平衡供热节能

在国内，供热系统中管网跨度大，结构较为复杂，难以实现水力平衡。水力失衡的普遍现象为管网近端流量较大，而末端流量不足。国内学者对小区集中供热系统水力平衡调节的节能潜力进行了分析研究得出，水力平衡调节平均所能取得的最大节能率为6%～8%［1］。对于供热系统而言，水力失衡就会造成近端用户过热，而末端用户过冷。为保证末端用户的供热效果，往往需要提高供热量，导致近端用户严重过热，造成热量浪费。在一般情况下，因水力失衡引起冷热不均所造成的能量浪费为20～30%［2］。

图1　换热站某支线供热情况

表1　支线上各楼宇流量计算

表2　主干线各管段压力损失计算

表3　改造前后能耗对比

从上述的研究可以看出，实现供热管网的水力平衡，具有显著的节能效果。国内针对水力失衡，提出一些措施和方法。比如通过在用户入口处加装静态平衡阀，对各支线的流量进行合理的分配［3］。但当管网总流量发生变化时，各支线会等比例地相应变化，产生供热量波动，影响热用户供热效果。并且，对于热用户可自调节供热量的系统，当某热用户调节自身流量时，会对其他热用户产生强制性干扰，影响供热系统的稳定性。因此，该方法还存在局限性。而且实际中，大部分供热系统的管网仅安装调节阀，而并未配置平衡阀，管网水力失衡的问题较为突出。

本文提出根据管网水力计算，在采用自力式压差平衡阀基础上，进行调节水力平衡的方法。

1　水力计算

水力计算主要计算管网干线上各管段的压损，并为加装自力式压差平衡阀提供理论依据。首先对供热管网主干线进行分段，以主干线上各个分支点为节点，对主干线进行分段。根据当地采暖热指标及该换热站的供回水温差，计算出每条支线上供热总面积所需的流量，把计算出的流量相应地累加到主干线各管段上，再根据各管段的管径，即可计算出各管段的流速，可根据流量及管段管径进行计算，其表达式为：

式（1）中， V为管道内流速，m/s； G为管道内流量，t/h； d为管径，m。

其中管道内流量通过理论计算给定：

式（2）中， A为供热面积，m2；hq为采暖热指标，W/m2； tΔ为二级网供回水温差，℃。

根据流速和管道尺寸及流体粘度，可计算出雷诺数 Re，再结合管壁相对粗糙度，查图可得到管道阻力损失系数 λ，最终则可计算出每个管段的压降。根据每个管段的压降，可计算出主干线上各个节点的供回水差压，并根据该差压进行加转自力式压差平衡阀的选择。

2　自力式压差平衡阀加装

自力式压差平衡阀可保持所在环路压差恒定，可有效避免水力调节过程中各支路间的互相干扰［4］。因为，通过自力式压差平衡阀设定热用户侧的压差后，用户侧的阻力不变化，其流量也就保持恒定。无论是供热总管网的变化，还是其他热用户的自调节产生的变化，都不会对热用户产生影响。因此，自力式压差平衡阀可在实现供热管网水力平衡中发挥重要作用。

上一节基于各段压降计算出供回水压差，根据供回水压差判定是否需要加装自力式压差平衡阀。考虑楼宇的资用压头及自力式压差平衡阀的工作压差范围，可在供回水压差达到25kpa以上的支管段加装自力式压差平衡阀。

以某单位的一个换热站的支线为例对上述方法进行具体说明，如图1所示。

图中换热站一条主干线上分出4条支线，每条支线接待1栋楼宇。每栋楼宇的供热面积及流量计算结果见下表1所示。

以表1中求出的流量为基础，计算出该主干线上各管段的压力损失，计算结果见下表2所示。

表1中的计算结果分析得出，4#和3#楼宇处主干线的供回水压差分别为40.6kpa和32.9kpa。因此，可在4#和3#入楼管道上加装自力式压差平衡阀，则2#和1#两栋楼宇不进行加装。即通过压差平衡阀，控制近端3#和4#两栋楼宇的流量在合理的范围内，解决近端流量过大的问题。这样就可以使管网流量更多地流入末端的1#和2#楼宇，解决末端流量过小造成欠供的问题，也就解决了末端热用户因欠供而产生的放水的现象。从而使管网流量实现均匀分配，并且能够消除管网波动及其他热用户产生的影响，保障供热效果并实现节能。

3　实例

以某换热站为例，该换热站供热面积为4.19万m2，改造前用户侧冷热不均较为严重。末端过冷的用户长时间大量放水，造成换热站补水率较大达到110t/d。补水率较高，不仅浪费大量水，而且浪费大量的热量，热耗达到0.452GJ/m2。补水率过高超过换热站补水能力时，造成换热站供热能力严重不足，末端用户就越冷，放水更频繁，从而形成恶性循环。2014年下半年，根据本文的方法，在其各支路的近端楼宇的管道上加装自力式压差平衡阀，并对改造前后的能耗水平进行对比分析，见表3。

从表2中统计的数据，该换热站经过改造后补水率降低81.8%，热耗降低30%。从改造前后的能耗对比分析可看出，通过加装自力式压差平衡阀，可有效调节水力平衡，从而有效解决用户侧放水的难题，最终降低热耗，实现节能。

4　结语

（1）在外界扰动下，自力式压差平衡阀也能有效维持用户侧的流量。因此，可根据各用户热负荷确定管段流量，在热用户入口处加装自力式压差平衡阀，并通过设置压差进行调节，可有效实现供热管网水力平衡。

（2）供热管网实现水力平衡后，可有效解决热用户冷热不均的问题，从而避免用户侧放水的问题，极大降低换热站的补水率。

（3）若换热站通过自力式压差平衡阀加装改造实现节水30t/d，每天不仅可节水30t，同时还可节约因放水而损失的热量约5.02GJ，具有可观的节能效果。

［1］刘兰斌，邹艾娟，刘亚萌，马丽霞.小区集中供热系统水力平衡调节节能潜力分析［J］.建筑科学，2014，30（06）：0077～0082.

［2］石兆玉.再议供热系统的水力平衡［J］.区域供热，2010，（1）：4～8.［3］潘雷.供热管网改造中平衡阀的应用［J］.暖通空调，2008，38（7）：120～124.

［4］高海旺.自力式平衡阀的原理及在供热系统中的应用［J］.科技情报开发与经济，2006，16（11）：261～262.

沈立挺（1988—），男，初级工程师，主要是在集中供热领域中对智能热网研究。