關于解決供熱系統水力失調方法的研究

劉 錦 孔 嬋 任佳藝

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

1 概述

用戶熱負荷受多種因素的影響，如室外氣溫、管網流量、采暖供水溫度、圍護結構的傳熱系數等。當用戶熱負荷變化時，為維持適宜的室內溫度，實現用戶的按需供熱，就需要對供熱系統的流量、供水溫度等進行調節。進行供熱調節的目的是為了使供暖用戶的散熱設備的散熱量與用戶熱負荷的變化規律相適應，以防止供暖用戶出現室溫過高或過低。

但是，目前不管采用哪種供熱調節方法，都會出現近處用戶首先實現供熱調節，遠端用戶要經過一段時間后才能開始實現供熱調節，這樣由于供熱距離的影響，使得流量分配不平衡，進而導致相同供熱調節時間段內，遠端用戶的供熱效果不如近端用戶，甚至出現更嚴重的熱力失調現象。

2 水力失調問題解決現狀

水力失調是熱力失調發生的根源。目前，針對熱網水力、熱力失調，國內常采用大流量運行方式解決。大流量運行方式不能從根本上解決供熱系統的水平熱力失調問題，反而因為增加了水泵流量，導致系統運行能耗的增加，和供熱系統調節性能變壞。據有關的統計和分析顯示，若管網水力失調問題得到有效控制，可節省總耗熱量的30%，這個比例是非常可觀的。另一方面，當循環流量增加之后，不僅將直接導致運行水耗增加，并且由于循環水泵的功率和熱網循環流量的三次方成正比，電能消耗也勢必隨著管網循環流量的增加而大幅上升。

目前，流量平衡調節的方法有很多種。如：比例法、補償法、計算機模擬法、模擬阻力法(CCR法)等等，都是較為常見的調節方法。比例法的調節原理是，兩個用戶之間的流量比僅取決于上游用戶(按供熱水流動方向)之后管段的阻抗，而與上游用戶和熱源之間的阻抗無關，也就是說，對系統上游用戶流量的調節將會引起該系統下游用戶之間的流量成比例的變化[1]。比例法原理比較簡單，也有比較好的調節效果，但操作過程中需要將所有樓門處熱力入口開至最大后再逐個進行調節，不僅操作量大，而且對于往年調節過流量的系統，會完全打破已經接近于平衡的狀態，額外增加了工作量。補償法也是一種能獲得較為準確結果的方法，但其弊端是需要較多參與人員，不適用于調節面積大、人員有限的情況。而計算機模擬法、模擬阻力法等方法雖然計算和結果方面準確、快速，但是對調節人員的專業技術和儀器設備水平有較高的要求，大多數的供熱企業，尤其是進行實際操作的一線工作人員難以滿足要求。

如果通過流量平衡調節來解決上述問題，使流量在各支路入口處按需分配，則能夠從根本上解決末端不利的問題。在熱源溫度不變的前提下，使不利用戶溫度達到設計溫度，這樣既能節省系統流量，又可以兼顧前、后端用戶的供熱效果，從而達到整個供熱系統節能降耗的目的[2]。

本文通過對相關理論、調節方法和操作方法的深入研究，提出了一種貼合供熱系統運行實際，有力可靠、方便掌握的水力平衡調節方法，使供熱用戶在一個供熱調節時間段內獲得相同的供熱效果。

3 調節方法介紹

本文提出的調節方法主要考慮消除供熱距離對用戶供熱效果的影響，通過對閥門的控制，按照一定的時間間隔，使供熱介質優先流向遠端用戶，最后同時到達各個用戶，使所有用戶在一個供熱調節時間段內獲得相同的供熱效果。圖1是本調節方法的控制系統圖。

本文中所論述調節步驟基于以上供熱控制系統實現，在供熱調節開始時，首先關閉所有用戶閥門，使用編號器對所有用戶由近及遠地進行編號，室外溫度采集器采集室外溫度，再由參數計算器根據一系列參數計算出供熱調節需要的數據，將這些數據作為閥門管理器判斷閥門開閉時間和開啟度的依據，實現對于用戶流量的調節。具體步驟如下。

4 調節步驟介紹

在進行供熱調節前，關閉所有用戶的入口閥門。

第一步，對供熱用戶進行編號。

以用戶距熱源的距離為原則，使用編號器由近及遠對用戶進行編號：1，2，…，n。

第二步，采集室外溫度。

每次運行調節前，由室外溫度采集器采集室外溫度，作為當次運行調節的計算依據。

第三步，計算運行調節所需參數。

將編號器和室外溫度采集器統計到的數據傳遞給參數計算器，使其分別計算各個用戶所需的用戶熱負荷Qi、用戶供熱所需流量Gi以及供熱介質從熱源出口流入用戶所需時間ti。

1)計算各個用戶所需熱負荷Q1，Q2，…，Qn。

(i=1,2,3,…,n)。

2)根據供熱系統不同的調節方式，確定在室外溫度Tw下滿足用戶i熱負荷所需流量Gi的值。

當系統采用分階段改變流量的質調節時：Gi=C·Gi′。

其中，Gi′為用戶i的設計流量，m3/s；Gi為用戶i室外溫度Tw下的流量，m3/s；Tg為熱源供水溫度；Th為熱源回水溫度。

3)計算供熱介質從熱源出口流入用戶i最遠端散熱器所需時間ti。

(i=1，2，3，…；j=1，2，3，…)。

其中：

即：

其中，Vij為熱源到用戶i最遠端散熱器的不同管段j的流速，m/s；Lij為熱源到用戶i最遠端散熱器不同流速所對應的不同管段j的長度，m；dij為熱源到用戶i最遠端散熱器不同流速所對應的不同管段j的直徑，mm；Gi為用戶i的流量，m3/s。

供熱介質從熱源出口處流入其他用戶所需時間tn-1，tn-2，…，t1計算方法同上。

第四步，確定首先供熱用戶。

當循環水泵內的循環水量較小時，泵的效率降低，影響泵的正常運轉[3]。所以在確定首先供熱用戶時，由閥門管理器對參數計算器計算得到的數據進行判斷，根據系統最小運轉流量與遠端用戶的所需流量進行比較，使得首先供熱的用戶總流量不小于水泵的最小運轉流量，從而確定開啟遠端的幾個用戶的閥門，使得供熱介質優先流入遠端用戶。

調節時首先開啟的末端用戶運行流量需滿足系統最小運轉流量，并保證先開啟的用戶獲得相同的供熱效果，具體計算方法如下：

(i=k，k+1，…，n-1，n)。

第五步，運行調節其余供熱用戶。

在步驟四中，已經確定了在調節開始時首先打開的用戶閥門k～n，接下來需要依據遠端用戶與近端用戶調節的時間差，由遠端用戶向近端用戶逐個打開用戶閥門，在打開閥門的同時調節循環水泵的供熱流量，保證n個用戶在一個調節時間段Δt′內的供熱效果一致。

具體操作方法為，經過時間Δt1后，打開用戶k-1的入口閥門，并調整閥門開度使其通過的流量為計算流量，同時調節循環水泵的流量，使之總流量為用戶k-1至用戶n的流量之和；再經過時間Δt2后，打開用戶k-2的入口閥門，并調整閥門開度使其通過的流量為計算流量，同時調節循環水泵的流量，使之總流量為用戶k-2至用戶n的流量之和；并依次操作，直至在經過時間Δtk-1后，打開用戶1的入口閥門；保證n個用戶在一個調節時間段Δt′內的供熱效果一致。

一個調節時間段Δt′指開始運行調節至下一次運行調節之前的時間間隔，滿足Δt′≥tn+Δt″。

其中，Δt″為供熱介質從用戶n最遠端散熱器流至熱源所需時間。

時間間隔應滿足如下關系：

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分別為供熱介質從熱源出口處流入用戶n,k-1,k-2,k-3,…,3,2,1最遠端散熱器所需的時間。

圖2是本調節方法的閥門控制原理圖。

第六步，在下一次供熱調節時，重復步驟二～步驟五實現用戶的等效供熱直到所用n個用戶的閥門全部打開，實現n個用戶等效果的供熱。

5 結語

本文考慮了供熱距離對用戶的影響，不僅從根本上消除了供熱系統的水平熱力失調，使得近遠端用戶都能達到同樣的供熱效果，還改善了管網的調節特性，避免了大流量運行方式所帶來的運行能耗的增加，也不需增大供熱主管路的管徑。但在實現閥門管理器的精確控制上，還需要其他專業人士進行配合實施，有待于更深一步的研究。