熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)

王全福趙云鵬 王振利倪珅

（1、黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學院，黑龍江哈爾濱 150025 2、河北唐儀自控設(shè)備有限公司，河北唐山 063010）

伴隨著我國鄭重向世界宣告“3060”碳達峰碳中和的目標，各行業(yè)均積極開展相關(guān)研究以其能夠使我國順利實現(xiàn)這一宏偉目標。同時我們看到近幾年，我國集中供熱面積迅速增加，據(jù)統(tǒng)計，截止到2019 年底全國城市集中供熱面積為92.5 億m2，管道長度為39.3 萬km[1]。如此大規(guī)模的供熱系統(tǒng)，能耗巨大，碳排放量也很大，這就決定了供熱行業(yè)在國家實現(xiàn)“雙碳”目標過程中至關(guān)重要，所以各類供熱節(jié)能技術(shù)的研究與應用迫在眉睫，部分工程技術(shù)人員已經(jīng)在供熱節(jié)能減排方面提出了相應的研究成果[2-4]，本文則再此大背景下提出了新的思路：熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)。

1 熱力站二級網(wǎng)傳統(tǒng)循環(huán)泵設(shè)計的弊端

傳統(tǒng)的熱力站二級網(wǎng)供熱系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)熱力站二級網(wǎng)供熱系統(tǒng)簡圖

圖1 示例出了目前廣泛采用的傳統(tǒng)集中供熱熱力站二級網(wǎng)系統(tǒng)的典型形式（以四路分支為代表），該系統(tǒng)是將整個供熱區(qū)域分成了若干個供熱環(huán)路，每一個環(huán)路分別負責向轄區(qū)內(nèi)局部區(qū)域的幾棟樓宇供熱，所有供熱環(huán)路在站內(nèi)均接至分集水器上。

該系統(tǒng)運行的動力源來自于回水母管上設(shè)置的二級網(wǎng)總循環(huán)泵，由該泵來完成熱水在熱力站內(nèi)部設(shè)備、區(qū)域內(nèi)供熱二級管網(wǎng)、區(qū)域內(nèi)用戶末端裝置（散熱器、地熱盤管等）的循環(huán)功能。但是這種集中設(shè)置大循環(huán)泵的設(shè)計方法存在的諸多弊端在實際運行中越來越得以顯現(xiàn)，嚴重影響供熱效果和節(jié)能減排，主要體現(xiàn)在以下幾點：

1.1 該泵的揚程選擇上，需要滿足所有循環(huán)支路中阻力損失最大的環(huán)路熱水正常流動的要求，導致總循環(huán)水泵裝機功率過大，耗電量過高。

1.2 總循環(huán)泵的揚程只與最不利的一個環(huán)路阻力損失吻合，系統(tǒng)運行時由于各支路存在明顯的阻力損失不平衡的現(xiàn)狀從而導致了各循環(huán)支路的流量分配不能滿足設(shè)計要求，阻力損失小的支路運行流量會大于設(shè)計值，并且阻力損失越小流量偏差越大，進而引起了最不利環(huán)路的這一支路流量小于設(shè)計值，出現(xiàn)了該支路區(qū)域供熱質(zhì)量不達標的問題，而其他支路又由于流量增大出現(xiàn)過熱的情況。所以，該系統(tǒng)在運行過程中就自然而然出現(xiàn)了循環(huán)支路水力失調(diào)、各支路冷熱不均的狀況，由于過熱用戶的存在，產(chǎn)生了熱量的浪費。

1.3 熱力站內(nèi)分集水器接出的各分支上雖然設(shè)置有相應的閥門，但是經(jīng)實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各循環(huán)支路上的閥門基本均為普通閘閥、蝶閥、球閥等快開特性的閥門，這種閥門不具備流量調(diào)節(jié)特性，所以用該閥門進行各支路流量的平衡調(diào)節(jié)十分困難，根本無法實現(xiàn)真正的調(diào)平，也就無法消除各支路水力失調(diào)現(xiàn)象。

1.4 在沒有有效的支路調(diào)節(jié)手段的情況下，為了改善區(qū)域供熱質(zhì)量，使不達標用戶的室溫提高，熱力公司往往采用加大熱力站二級網(wǎng)供熱系統(tǒng)總循環(huán)流量的運行模式，該方法可以稍微緩解一下循環(huán)支路水力失調(diào)的問題，但是不能徹底解決問題，同時由于流量的增加，進一步增大了熱力站二級網(wǎng)總循環(huán)泵的功耗，導致了熱力站耗電量的大幅增加。

2 熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)的原理與特點

熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)是在電網(wǎng)絡(luò)中的特蘭根定理指導下提出的。特蘭根定理的物理意義是：任一給定集中參數(shù)的電網(wǎng)絡(luò)，其各支路的電功率之和為零。通俗的講，就是指在一個特定電網(wǎng)絡(luò)中，電源所提供的電功率等于各支路消耗的電功率之和[5]。

集中供熱系統(tǒng)屬于流體網(wǎng)絡(luò)范疇，該網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)與上述的電網(wǎng)絡(luò)完全一致，其遵循的基本規(guī)律也相同，所以特蘭根定理也同樣適用于集中供熱系統(tǒng)的分析。也就是說，在集中供熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵提供的功率消耗，等于系統(tǒng)中各支路的功率（即各支路循環(huán)流量和壓降的乘積）之和。這進一步證明了傳統(tǒng)的熱力站二級網(wǎng)系統(tǒng)存在電耗高的現(xiàn)實狀況。

熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)的流程如圖2 所示（以四路分支為代表）。

從圖2 中可以看出，與傳統(tǒng)熱力站二級網(wǎng)系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)取消了回水母管上設(shè)置的大流量大揚程的總循環(huán)水泵，而是改成了在每個二級網(wǎng)循環(huán)支路的供水管上增設(shè)小流量小揚程的循環(huán)泵（稱為支路分解循環(huán)泵）。每一個支路分解循環(huán)泵的流量完全由該支路轄區(qū)內(nèi)所有樓宇的總熱負荷大小決定的，每一個支路分解循環(huán)泵的揚程只需要滿足該支路轄區(qū)內(nèi)最不利二級網(wǎng)管路阻力、最不利熱用戶內(nèi)部散熱設(shè)備阻力和熱力站內(nèi)二級網(wǎng)側(cè)阻力之和即可。這種水泵選型原則，就確保了熱力站每個支路分解循環(huán)泵的流量和揚程均與自己支路的熱負荷需求及流動動力需求完全契合，真正實現(xiàn)了各支路的“按需分配”，徹底消除了熱力站各循環(huán)支路間的水力失調(diào)問題，實現(xiàn)了支路間的均衡供熱。

圖2 熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)

熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)會帶來如下的效益：（1）由于熱力站內(nèi)設(shè)置了支路分解循環(huán)泵，每個支路中的熱水流動完全由自己的循環(huán)泵承擔，實現(xiàn)了真正意義上的支路按需供熱，避免了傳統(tǒng)二級網(wǎng)系統(tǒng)中阻力損失小的支路出現(xiàn)的過熱問題，從而帶來了熱力站的節(jié)能效益；（2）由于支路分解循環(huán)泵的參數(shù)完全與其所對應支路的熱負荷與動力實際需求相吻合，所以消除了原有熱力站二級網(wǎng)系統(tǒng)中支路閥門的節(jié)流損失，依據(jù)特蘭根定理可知，該技術(shù)改造后的系統(tǒng)較傳統(tǒng)的熱力站二級網(wǎng)系統(tǒng)有明顯的降低功率的效果，從而帶來了熱力站的節(jié)電效益；（3）該技術(shù)改造過程中，取消了原熱力站中的分水器及其配套的相應閥門，進一步減小了二級網(wǎng)系統(tǒng)的站內(nèi)阻力損失，帶來了進一步的節(jié)電效益。

3 通過局部支路混水實現(xiàn)熱力站低參數(shù)支路的靈活供熱

在對各地熱力公司熱力站進行現(xiàn)場走訪調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)熱力站二級網(wǎng)供熱系統(tǒng)還普遍存在著一個突出的問題，那就是熱力站轄區(qū)內(nèi)的地熱用戶和散熱器用戶混合在一起進行供熱，比如一個熱力站內(nèi)，大部分循環(huán)支路對應的樓宇為散熱器用戶，而少部分個別循環(huán)支路對應的樓宇為地熱用戶。這種現(xiàn)狀導致了供熱參數(shù)調(diào)節(jié)上的困惑，因為地熱用戶屬于較低溫度大流量小溫差運行模式，而散熱器用戶相對而言屬于較高溫度小流量大溫差運行模式，當兩者混合在一起的時候，熱力站調(diào)節(jié)上只能是綜合考慮，降低散熱器用戶的供水溫度和溫差，從而整體提高了系統(tǒng)的循環(huán)水量，散熱器和管路系統(tǒng)的阻力損失都相對增大，所以使熱力站的電耗增加。而且該混供的現(xiàn)狀，極容易導致地熱用戶出現(xiàn)過熱的情況，從而帶來能耗的增加。

為了破解以上存在的地熱與散熱器混合供熱的難題，本項目有效的將局部支路混水的理念引入到熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)中，使該技術(shù)具有更廣泛的適應性，實現(xiàn)最大限度地節(jié)能、節(jié)電。嵌入局部支路混水模式的熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)如圖3 所示（以四路分支為代表，其中一個支路為地熱用戶）。

圖3 熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)（局部支路混水模式）

由圖3 可以看出，嵌入局部支路混水模式的熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)就是結(jié)合熱力站的實際情況，對于全地熱用戶的循環(huán)支路或者大部分用戶為地熱用戶的循環(huán)支路（圖中的一區(qū)支路），單獨再配置一個支路混水循環(huán)泵，根據(jù)實際需要確定混水比，選擇合適的支路混水泵的流量及揚程。系統(tǒng)在運行過程中，通過變頻控制支路混水泵，進而調(diào)節(jié)送入支路供水管上的混水流量，適時改變該支路的二級網(wǎng)供水溫度，以滿足所轄熱用戶的實際需求。

該局部支路混水理念的引入，除有效改善地熱用戶的供熱質(zhì)量外，還帶來了一個明顯的好處：可以使熱力站內(nèi)板式換熱器的二級網(wǎng)側(cè)由原來的小溫差運行變成了大溫差運行（溫差根據(jù)散熱器用戶確定），從而減小了板式換熱器二級網(wǎng)側(cè)循環(huán)流量，有效降低了站內(nèi)阻力損失，進一步帶來了整體的節(jié)電效益。

4 運用最優(yōu)支路流量調(diào)節(jié)法進行熱力站二級網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)

為了在保證供熱質(zhì)量的前提下實現(xiàn)熱力站的深度節(jié)能、節(jié)電，在供熱二級網(wǎng)系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)控制上不是采用傳統(tǒng)的單純質(zhì)調(diào)節(jié)、單純量調(diào)節(jié)或分階段變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)的方法，而是采用了更為優(yōu)越的調(diào)節(jié)方式——最優(yōu)支路流量調(diào)節(jié)法。

所謂最優(yōu)支路調(diào)節(jié)流量，就是指在某一工況下，每一循環(huán)支路系統(tǒng)需按某一計算流量運行，只有在該流量下運行才能保證熱用戶不出現(xiàn)水力失調(diào)，從而保證系統(tǒng)熱力工況的穩(wěn)定，否則就會出現(xiàn)用戶冷熱不均的失調(diào)現(xiàn)象，這一計算流量即為最優(yōu)支路流量。

對于室內(nèi)雙管系統(tǒng)，最優(yōu)支路流量的計算公式為：

tn——室內(nèi)空氣溫度，℃；

tw——某一室外溫度，℃；

t'n——室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；

t'w——供暖室外計算溫度，℃；

B——傳熱指數(shù)；對于鋼制和鑄鐵散熱器B=0.2-0.35，對于地熱B=1.032。

系統(tǒng)運行過程中，根據(jù)每個循環(huán)支路的用戶特點分別進行不同室外溫度條件下最優(yōu)支路流量的計算，再結(jié)合不同室外溫度下各支路的實際熱負荷需求，確定二級網(wǎng)供熱參數(shù)，通過自動控制系統(tǒng)進行支路分解循環(huán)泵、局部支路混水泵的變頻調(diào)節(jié)，根據(jù)整體二級網(wǎng)的參數(shù)需求同步進行一級網(wǎng)熱力站內(nèi)電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)整。并對調(diào)節(jié)后的效果進行實時在線監(jiān)測，根據(jù)反饋的監(jiān)測結(jié)果進行調(diào)節(jié)方案的優(yōu)化及方案執(zhí)行，直至達到最佳的供熱效果。熱力站自動控制系統(tǒng)顯示界面如圖4、圖5 所示，圖4 為實際工程中熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)的自控界面，圖5 為實際工程中熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)（局部支路混水模式）的自控界面。

圖4 熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)自控界面

圖5 熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)（局部支路混水模式）自控界面

通過高效合理的自動化運行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)熱力站二級網(wǎng)側(cè)各支路的按需供熱、均衡供熱、節(jié)能降耗的目標，保證了熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)在實際工程應用中逐漸逼近節(jié)能量節(jié)電量的最大值。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)熱力站二級網(wǎng)供熱系統(tǒng)循環(huán)泵設(shè)置存在很多引起不節(jié)能不節(jié)電的弊端，為克服這些缺點，提出熱力站二級網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)，通過取消傳統(tǒng)大循環(huán)泵、改成各支路單獨設(shè)置小循環(huán)泵（必要時增設(shè)局部支路混水泵）的方式，避免了支路閥門的節(jié)流損失，減小了系統(tǒng)的總循環(huán)水量，有效地降低了系統(tǒng)的運行阻力，并采用基于“最優(yōu)支路流量調(diào)節(jié)”的自動控制技術(shù)實現(xiàn)了熱力站各循環(huán)支路的“按需供熱、均衡供熱”，從而帶來明顯的節(jié)能與節(jié)電效益。