城市集中供熱管網熱平衡調節技術研究

張 毅

（北京市熱力集團有限責任公司，北京 100062）

0 引言

城市集中供熱管網常因水力失調出現循環流量較低的情況，一般可采取模擬分析法對其進行調節。但由于該方法過于依賴歷史經驗，導致調節穩定性較差，因此該文提出一種熱平衡調節技術，通過構建自力式平衡閥對循環流量進行調節，可有效減小調節偏差[1]。

1 城市集中供熱管網熱平衡調節技術研究

1.1 城市集中供熱管網熱平衡計算

城市集中供熱管網中，實際流量與預測流量之間如果存在較大差異將會導致水力失調。對城市集中供熱管網中的熱平衡進行調節，可有效緩解水力失調現象，在保證水力供給壓力的同時能夠有效提高設備的補水能力，進而提高供熱管網的供熱能力[2]。對此需要對熱平衡相關數值進行計算，具體包括計算水力失調度以及構建集中供熱管網的傳熱方程，具體計算步驟如下所示。

通過計算水力失調度來判斷城市集中供熱網管是否達到熱平衡狀態，具體計算公式如公式（1）所示。

式中：x為城市集中供熱管網的水力失調度；Vs為熱用戶實際水體流量；Vg為預測水體流量。

當x的值為1 時，說明此刻城市集中供熱管網達到了熱平衡狀態，無須對其進行調節處理；當x的值大于1 時，說明此刻存在等比失調情況，主要原因是管網堵塞導致管內壓力過大；當x的值小于1 時，說明此刻存在不等比失調現象，該現象主要是由供熱網管失水過多，供熱系統的補水能力無法滿足實際需求導致的。通過上述對水力失調度的計算，判斷此刻城市集中供熱網管是否處于熱平衡狀態，如果水力失調度不為1，則需要對其進行熱平衡調節。對此，需要建立供熱管網內部的傳熱方程，即管網內部與外部之間的換熱過程描述方程，具體方程表達式如公式（2）所示。

式中：A為供熱管網內部與外部的換熱接觸面積；tair為供熱管網內部空氣流通溫度；tstf為供熱管網實體內部平均溫度；Qe為供熱管網內部與外部在換熱過程中交換的熱量值[3]；k為換熱系數，該值主要受空氣對流系數以及供熱網管尺寸數值的影響，具體計算公式如公式（3）所示。

式中：hair為供熱管網內壁與流通空氣之間的熱傳導系數；hstf為供熱管網內壁與保溫材料之間的熱傳導系數；δc為管網平均厚度；δpu為管網側壁厚度；λc為供熱管網內部流通空氣的散熱值；λpu為管網內部原料的平均溫度。

其中，管網內壁與保溫材料之間的熱傳導系數可以通過怒謝爾系數求得，具體計算公式如公式（4）、公式（5）所示[4]。

式中：Nu為怒謝爾系數；Re為流動流體的慣性力與黏滯力之間的比值；Pr為供熱網管內部流體熱量擴散系數。

通過上述步驟即可計算出城市集中供熱管網中的熱平衡情況，得到熱平衡相關系數，為后續的熱平衡調節提供數據基礎。

1.2 供熱管網換熱量計算

在判斷完供熱管網的熱平衡情況后，除了管網內壁與外壁之間交換的熱量值以外，還需要計算出管網整體在換熱過程中得到的熱量，將實際熱量與預測溫度進行對比，對溫度誤差進行調節，即可實現對供熱管網的熱平衡調節，具體實現步驟如下所示[5]。

構建出換熱器流出熱水與供熱管網內部流體之間的換熱方程，具體方程表達式如公式（6）、公式（7）所示。

式中：Qi為換熱器流出熱水對供熱管網內部流體傳遞的熱量值；Qj為熱水對管網內壁保溫材料的散熱值；Ki和Kj分別為對應的傳熱系數以及散熱系數；Ai為換熱器流出熱水與管網內壁之間的接觸面積；Δtm為熱水與管網內部的平均溫差。

其中，傳熱系數、散熱系數主要與管網內部空氣對流散熱系數有關，具體計算公式如公式（7）、公式（8）所示。

式中：hw為流體側壁對流散熱系數；δi為換熱器側壁厚度；hv為換熱器內部空氣對流散熱系數；δj為加熱帶平均厚度。

熱水與管網內部的平均溫差主要和管網內外壁溫差的極值有關，具體計算公式如公式（9）所示。

式中：Δtmax和Δtmin分別為管網內外壁溫差的最大值與最小值。

對此可計算出供熱管網內部交換所得熱量，具體計算公式如公式（10）所示。

式中：Qf為供熱管網在換熱器氣閥開啟后所得到的熱量值。

通過將計算出的實際熱量值與熱平衡狀態下的熱量預測值進行對比得到熱量差，對熱量差進行調節即可實現對供熱管網的熱平衡調節。該文主要采用供熱平衡閥對熱量差進行調節。

1.3 自力式流量平衡閥調節

該文通過構建自力式流量平衡閥的方式來對熱平衡狀態下的供熱管網熱量預測值與實際值之間的熱量誤差進行調節，以此解決集中供熱管網的水力失調問題，構建出的流量平衡閥結構如圖1 所示[6]。

圖1 自力式流量平衡閥結構圖

本次構建的自力式流量平衡閥主要通過調節閥門進出口的壓力實現對供熱管網內壁與外壁之間的熱量傳導。通過在傳熱過程中給供熱管網流體添加局部阻力，進而調節流經換熱系統的流量，具體流量方程表達式如公式（11）所示。

式中：Ql為流經自力式流量平衡閥的流量；ζ為自力式流量平衡閥的阻尼系數；P1和P2分別為流體經過平衡閥之前與之后所收到的流量壓力；F為自力式流量平衡閥的橫截面面積；ρ為流體密度大小；z為閥門流量調節系數。

通過在供熱管網的中心部位安裝流量平衡閥，對供熱系統的流量進行調節，可有效控制供熱管網實際得熱值，將該值調節到熱平衡狀態下的熱量預測值，即可完成對供熱管網熱平衡調節[7]。將本節構建的自力式流量平衡閥與上述提出的熱平衡狀態值、得熱量計算相關內容進行結合，城市集中供熱管網熱平衡調節技術即設計完成。

2 試驗部分

為證明提出的城市集中供熱管網熱平衡調節技術在熱平衡調節性能上優于傳統的供熱管網熱平衡調節技術，該文于理論部分設計完成后，構建試驗環節，對該供熱管網熱平衡調節技術的實際熱平衡調節性能進行檢驗與分析。

2.1 試驗準備

為提高試驗結果的可靠性，本次試驗除該文提出的熱平衡調節方法外，還選取了2 種常規的熱平衡調節方法作為試驗對照組，分別為基于垂直單管串聯技術的供熱管網熱平衡調節技術和基于模擬分析法的供熱管網熱平衡調節技術。

本次試驗選取的試驗對象為某供熱公司供熱工程中的一段供熱管網。該區域內的供熱管網總供熱面積為16845.25m2，供熱用電負荷為56794.56kW，供熱管網內部總體流量為125.46m3/h。換熱器出口設計流量壓力值為0.165Pa，入口壓力值為0.275Pa。供熱管網閥門均長期處于全開狀態，導致區域內的水力失調情況較為嚴重。該文通過調用該項目工程的歷史數據，得到不同區域下的熱用戶流量數值，具體見表1。

表1 熱用戶流量調查表

由上述熱用戶數據可看出，該區域的熱用戶實際流量均遠低于設計流量，流量失調度較高。因此選用3 種調節方法對該區域的熱平衡狀態進行調節。本次試驗采用MATLAB 仿真軟件對熱用戶流量情況進行建模，將3 種調節方法的參數輸入該軟件中進行熱平衡調節，并對比調節后的失調度數值。

2.2 試驗結果

本次試驗選取的比較標準為供熱管網熱平衡調節技術的調節性能，具體衡量標準為不同區域調節后的水力失調度，具體計算公式如公式（1）所示。水力失調度越接近1，代表該區域的熱平衡狀態表現越好，越能夠達到令人滿意的供暖效果。本次試驗從項目歷史數據中隨機抽取了5 組區域對其進行仿真調節，具體調節結果如圖2 所示。

圖2 水力失調度對比結果

有上述試驗結果可以看出，對不同區域進行熱平衡調節時，不同方法調節過后的區域水力失調度也存在差異。通過數值上的對比可以明顯看出，經2 種常規方法調節后的區域的水力失調度有明顯下降，但距離1 還是有較大差距。而經該文提出的城市集中供熱管網熱平衡調節技術調節后的區域的水力失調度明顯更接近1，平均調節誤差在0.2 左右。由此可看出該文提出的熱平衡調節方法的調節性能更強，能夠根據不同區域的熱用戶流量情況進行有效調節，進而減少調節誤差。

選用3 種調節方法對該區域熱平衡狀態進行調節的過程中，耗時是影響調節效率的重要指標，因此對10 個區域進行集中供熱管網熱平衡調節，將調節耗時定義為從感知到集中供熱管網供熱不平衡開始直至供熱達到平衡這一過程所用的時間，以此檢驗不同方法的調節效率，比較結果見表2。

表2 調節耗時比較（單位：min）

通過分析表2 中的數據可知，該文提出的城市集中供熱管網熱平衡調節技術的調節耗時平均值為32.2min，基于垂直單管串聯技術的供熱管網熱平衡調節技術的調節耗時平均值為80.1min，基于模擬分析法的供熱管網熱平衡調節技術的調節耗時平均值為96.1min。綜合來看，該文技術的調節耗時最短，說明提出的城市集中供熱管網熱平衡調節技術的執行效率更高，實際應用效果較好。

3 結論

該文提出的城市集中供熱管網熱平衡調節技術首先對水力失調度進行計算，判定是否需要介入調節。其次通過構建換熱方程等手段掌握區域熱平衡情況，在此基礎上搭建的流量平衡閥調節裝置能夠有效根據實際需求進行精準調節，具備較好的調節效果?？稍跐M足熱用戶流量需求的同時對支路流量進行控制，進而降低供熱成本，提高區域內的供暖供熱水平。