关于解决供热系统水力失调方法的研究

刘 锦 孔 婵 任佳艺

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

1 概述

用户热负荷受多种因素的影响，如室外气温、管网流量、采暖供水温度、围护结构的传热系数等。当用户热负荷变化时，为维持适宜的室内温度，实现用户的按需供热，就需要对供热系统的流量、供水温度等进行调节。进行供热调节的目的是为了使供暖用户的散热设备的散热量与用户热负荷的变化规律相适应，以防止供暖用户出现室温过高或过低。

但是，目前不管采用哪种供热调节方法，都会出现近处用户首先实现供热调节，远端用户要经过一段时间后才能开始实现供热调节，这样由于供热距离的影响，使得流量分配不平衡，进而导致相同供热调节时间段内，远端用户的供热效果不如近端用户，甚至出现更严重的热力失调现象。

2 水力失调问题解决现状

水力失调是热力失调发生的根源。目前，针对热网水力、热力失调，国内常采用大流量运行方式解决。大流量运行方式不能从根本上解决供热系统的水平热力失调问题，反而因为增加了水泵流量，导致系统运行能耗的增加，和供热系统调节性能变坏。据有关的统计和分析显示，若管网水力失调问题得到有效控制，可节省总耗热量的30%，这个比例是非常可观的。另一方面，当循环流量增加之后，不仅将直接导致运行水耗增加，并且由于循环水泵的功率和热网循环流量的三次方成正比，电能消耗也势必随着管网循环流量的增加而大幅上升。

目前，流量平衡调节的方法有很多种。如：比例法、补偿法、计算机模拟法、模拟阻力法(CCR法)等等，都是较为常见的调节方法。比例法的调节原理是，两个用户之间的流量比仅取决于上游用户(按供热水流动方向)之后管段的阻抗，而与上游用户和热源之间的阻抗无关，也就是说，对系统上游用户流量的调节将会引起该系统下游用户之间的流量成比例的变化[1]。比例法原理比较简单，也有比较好的调节效果，但操作过程中需要将所有楼门处热力入口开至最大后再逐个进行调节，不仅操作量大，而且对于往年调节过流量的系统，会完全打破已经接近于平衡的状态，额外增加了工作量。补偿法也是一种能获得较为准确结果的方法，但其弊端是需要较多参与人员，不适用于调节面积大、人员有限的情况。而计算机模拟法、模拟阻力法等方法虽然计算和结果方面准确、快速，但是对调节人员的专业技术和仪器设备水平有较高的要求，大多数的供热企业，尤其是进行实际操作的一线工作人员难以满足要求。

如果通过流量平衡调节来解决上述问题，使流量在各支路入口处按需分配，则能够从根本上解决末端不利的问题。在热源温度不变的前提下，使不利用户温度达到设计温度，这样既能节省系统流量，又可以兼顾前、后端用户的供热效果，从而达到整个供热系统节能降耗的目的[2]。

本文通过对相关理论、调节方法和操作方法的深入研究，提出了一种贴合供热系统运行实际，有力可靠、方便掌握的水力平衡调节方法，使供热用户在一个供热调节时间段内获得相同的供热效果。

3 调节方法介绍

本文提出的调节方法主要考虑消除供热距离对用户供热效果的影响，通过对阀门的控制，按照一定的时间间隔，使供热介质优先流向远端用户，最后同时到达各个用户，使所有用户在一个供热调节时间段内获得相同的供热效果。图1是本调节方法的控制系统图。

本文中所论述调节步骤基于以上供热控制系统实现，在供热调节开始时，首先关闭所有用户阀门，使用编号器对所有用户由近及远地进行编号，室外温度采集器采集室外温度，再由参数计算器根据一系列参数计算出供热调节需要的数据，将这些数据作为阀门管理器判断阀门开闭时间和开启度的依据，实现对于用户流量的调节。具体步骤如下。

4 调节步骤介绍

在进行供热调节前，关闭所有用户的入口阀门。

第一步，对供热用户进行编号。

以用户距热源的距离为原则，使用编号器由近及远对用户进行编号：1，2，…，n。

第二步，采集室外温度。

每次运行调节前，由室外温度采集器采集室外温度，作为当次运行调节的计算依据。

第三步，计算运行调节所需参数。

将编号器和室外温度采集器统计到的数据传递给参数计算器，使其分别计算各个用户所需的用户热负荷Qi、用户供热所需流量Gi以及供热介质从热源出口流入用户所需时间ti。

1)计算各个用户所需热负荷Q1，Q2，…，Qn。

(i=1,2,3,…,n)。

2)根据供热系统不同的调节方式，确定在室外温度Tw下满足用户i热负荷所需流量Gi的值。

当系统采用分阶段改变流量的质调节时：Gi=C·Gi′。

其中，Gi′为用户i的设计流量，m3/s；Gi为用户i室外温度Tw下的流量，m3/s；Tg为热源供水温度；Th为热源回水温度。

3)计算供热介质从热源出口流入用户i最远端散热器所需时间ti。

(i=1，2，3，…；j=1，2，3，…)。

其中：

即：

其中，Vij为热源到用户i最远端散热器的不同管段j的流速，m/s；Lij为热源到用户i最远端散热器不同流速所对应的不同管段j的长度，m；dij为热源到用户i最远端散热器不同流速所对应的不同管段j的直径，mm；Gi为用户i的流量，m3/s。

供热介质从热源出口处流入其他用户所需时间tn-1，tn-2，…，t1计算方法同上。

第四步，确定首先供热用户。

当循环水泵内的循环水量较小时，泵的效率降低，影响泵的正常运转[3]。所以在确定首先供热用户时，由阀门管理器对参数计算器计算得到的数据进行判断，根据系统最小运转流量与远端用户的所需流量进行比较，使得首先供热的用户总流量不小于水泵的最小运转流量，从而确定开启远端的几个用户的阀门，使得供热介质优先流入远端用户。

调节时首先开启的末端用户运行流量需满足系统最小运转流量，并保证先开启的用户获得相同的供热效果，具体计算方法如下：

(i=k，k+1，…，n-1，n)。

第五步，运行调节其余供热用户。

在步骤四中，已经确定了在调节开始时首先打开的用户阀门k～n，接下来需要依据远端用户与近端用户调节的时间差，由远端用户向近端用户逐个打开用户阀门，在打开阀门的同时调节循环水泵的供热流量，保证n个用户在一个调节时间段Δt′内的供热效果一致。

具体操作方法为，经过时间Δt1后，打开用户k-1的入口阀门，并调整阀门开度使其通过的流量为计算流量，同时调节循环水泵的流量，使之总流量为用户k-1至用户n的流量之和；再经过时间Δt2后，打开用户k-2的入口阀门，并调整阀门开度使其通过的流量为计算流量，同时调节循环水泵的流量，使之总流量为用户k-2至用户n的流量之和；并依次操作，直至在经过时间Δtk-1后，打开用户1的入口阀门；保证n个用户在一个调节时间段Δt′内的供热效果一致。

一个调节时间段Δt′指开始运行调节至下一次运行调节之前的时间间隔，满足Δt′≥tn+Δt″。

其中，Δt″为供热介质从用户n最远端散热器流至热源所需时间。

时间间隔应满足如下关系：

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分别为供热介质从热源出口处流入用户n,k-1,k-2,k-3,…,3,2,1最远端散热器所需的时间。

图2是本调节方法的阀门控制原理图。

第六步，在下一次供热调节时，重复步骤二～步骤五实现用户的等效供热直到所用n个用户的阀门全部打开，实现n个用户等效果的供热。

5 结语

本文考虑了供热距离对用户的影响，不仅从根本上消除了供热系统的水平热力失调，使得近远端用户都能达到同样的供热效果，还改善了管网的调节特性，避免了大流量运行方式所带来的运行能耗的增加，也不需增大供热主管路的管径。但在实现阀门管理器的精确控制上，还需要其他专业人士进行配合实施，有待于更深一步的研究。