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供暖·案例

供热小区热平衡初调节与应用探究——以北方某小区为例
2017-07-14 | 中国暖通空调网 |【
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罗 奥,夏建军
清华大学

[摘 要]水力失调导致供热小区各用户间的冷热不均,是集中供热小区泵耗过高的根本原因,也导致了我国供热系统普遍“大流量,小温差”运行模式。通过对北方寒冷地区某小区集中供热系统进行测试和热平衡的初调节实验,比较分析了调节前后热力站的运行参数以及用户间的热平衡状况,计算了调节后的节能量。同时就以回水温度为基准的热平衡的初调节方法进行实践与探究,从案例小区的调节实验中得到了较好的效果,说明了该方法的原理和在实际初调节过程运用中的优势。同时指出了现有供热系统中运行管理与调节存在的问题。

[关键词]集中供热;热力平衡;初调节;回水温度;水泵电耗

在我国供热系统的运行中,常常会出现由于水力失调而导致各个热用户之间冷热不均的现象。导致冷热不均现象的原因通常有:设计与施工原因、阀门质量良莠不齐以及各末端热用户需求不一致。此外,当一个热力站所带小区建筑类型、保温水平不同时,也会导致某些用户达到供暖要求,而某些用户还偏冷的情况。

热力站及小区末端的管理目前仍然以粗放式的管理方式为主。对于水力不平衡、冷热不均的现象,管理人员通常采取的措施就是加大站内二次网循环泵总流量,使不利末端满足要求。此举导致本满足供暖要求的用户室温过高,加剧过量供热。

石兆玉[1] 指出:冷热不均造成的能源浪费,一般情况下达到20%30%;“大流量、小温差”的运行方式,既加大循环水泵又增加锅炉台数提高供水温度,能源浪费可能达到40%50%

因此,调节供热小区的水力平衡与热力平衡对二次网流量降低,水泵电耗降低,改进用户供热现状,改善过量供热现象都具有重要的意义。

针对供热系统的水力失调调节,从20 个世纪80 年代初,国内外就一直有理论和技术的相关研究,不同种类的平衡阀得到广泛的利用。

但笔者在北方某城市供热系统末端的调研中发现,在缺乏管理和调节的情况下,平衡阀的作用难以发挥,往往还增加系统末端阻力。为实现热平衡初步调节,笔者于2016 年对该城市某小区进行测试与调节,运用一种简易实用的调节方法,为运行管理人员提供参考。

1 测试概况

测试小区位于北方某县城。该县城热源为县城周边的两座钢铁厂生产流程中的低品位余热,城内配有调峰锅炉。该县冬季平均气温-7℃左右,供暖期为每年1115 日至翌年3 15 日,根据外温有一周左右的调整期。

该小区及周边平房,酒店,商铺等四类建筑均由1 个换热站供热,换热站与城市热网换热,通过庭院管网将热量供给各用户。该换热站2016 年总供暖面积27886m220152016 年采暖季单位面积耗热量为0.31GJ/(m2·a)20152016 年采暖季单位面积耗电量为3.45kW·h/(m2·a)。与夏建军等人[2] 提出的河北省对应的50% 节能标准建筑耗热量指标(即约束值)所示的0.23 GJ/(m2·a)和管网水泵电耗指标标准所示的约束值1.7 kW·h/(m2·a)相差较大,尤其是单位面积耗电量是标准所示的约束值的两倍多。可见该换热站内无论是耗热量还是耗电量均有较大的节能潜力。测试小区平面图如图1 所示:换热站供热主体为小区内部,包括有三个单元的1 号楼和分别有两个单元的2 4 号楼,此外还有小区东侧的平房和西侧的商铺,以及南侧的饭店。

测试小区内部每栋楼的管网入口和楼栋内的各个单元入口的井内均有焊接球阀或蝶阀可以调节控制,楼内为双管系统。

民房和商铺各用户在管网入户前只有锁闭阀,仅可开关控制。在主管网分流时设有蝶阀,因此民房和商铺各户不具调节条件,因此将民房和上下商铺分别作为三个整体考虑。饭店只在中午和晚上人多时才需供暖,该地设置另一级换热站,通过与二次网水间歇换热,再利用下一级管网给饭店供热。给饭店供热的管网称为三次网,饭店主管在调节的过程中不予考虑,三次网和间歇换热给热网造成的影响本文也不予探讨。

笔者通过对小区内部各单元以及作为整体考虑的商铺12 以及民房进行平衡调节,希望在热平衡的基础上,降低二次网总流量来实现降低泵耗的目的。

文中测试范围包含三部分:小区主体、民房和商铺,测试过程涉及的用户热平衡即各单元之间以及民房和商铺的热平衡,而非单个热用户间的热平衡。在此说明,后不复述。

测试小区管网平面示意
1 测试小区管网平面示意

测试小区管网平面简图
2 测试小区管网平面简图

本次测试中使用的仪器为:北京某公司生产的WZY-01 型温度自记仪,精确度为±0.1℃;XCT-2000P便携式超声波流量计,配备TM-1 中型探头,精确度为1%MS2205 钳形功率计,精确度为3%

2 调节方法

2.1 调节原理

针对水力平衡的调节方法,石兆玉曾在《供热系统运行调节与控制》[3] 一书中提出比例法,计算机法,CCR 法等十种调节方法,大部分调节方法都依靠对管网参数的理论计算和平衡阀的利用来调节。王红霞[4] 等人对其中的快速简易调解法进行实践,得到较好的水力平衡的结果。

在供热系统中,虽然水力平衡是热力平衡的重要因素,但仅凭流量的均匀分配还不能达到各用户间热量的平衡。特别是当换热站的供热区域中存在类型不一样的建筑时,用户的负荷特性不一致,此时过量供热的用户和最不利的用户就可能不再只是空间上的近端和远端。即使换热站仅给一个小区供热,小区内部建筑类型,保温水平和末端形式都一样,但各楼栋的向阳面积与外窗朝向不同,周边环境的区别,单个热用户内部散热器以及用热习惯的差异,都会造成各用户间热负荷不同。因此,仅以水力平衡作为热力平衡的标准是不够的。

供热系统运行时,供水温度是热源能力的反映,而回水温度是用户热负荷的反映。在没有热损失的理想情况下,各用户的供水温度应该是一致的,而回水温度的差异则反映用户间热负荷、热需求的差异,因此回水温度是用户间热平衡的重要考量因素。

由于建筑的热惯性,回水温度的变化随着调节过程有一段时间的滞后,但流量能在阀门调节过程中快速变化且稳定。

因此笔者对于该小区的热平衡调节,采用一种以回水温度为基准的调节方法,调节目标是使各用户的回水温度趋于一致。当达到回水温度一致的理想状态时,各用户流量的比例也就是各用户热负荷的比例。因此只需得知用户间热负荷的比例, 即可得到用户的所需流量的比例,再依据流量的比例进行调节。

2.2 调节步骤

实际中,管网的保温水平不同,各用户的供水温度也就存在差异。因此测试过程中,需要对各用户供水温度进行测试,以实际值计算即可,但仍以回水温度相同作为目标。

1)调节前,首先用超声波流量计测各用户的流量,同时用温度自记仪监测供回水温度,根据流量和温差计算所得到的各用户实际耗热量作为热负荷的参考值。由该参考值可知各用户间所需调至目标流量比例。

2)调节每个楼栋的各个单元的阀门,使其流量比例接近目标比例。流量调节过程误差保持在10% 以内。调节过程从距主管井远端往近端调节,如有三个单元的楼栋,先将远端单元和中间单元的流量按比例调节好后,二者的阀门即固定好不再调节,再对照中间单元和近端单元的流量,使二者流量比例达到目标比例即可。此时,三个单元的流量都可达到目标流量比例。

3)完成各楼栋单元的调节后,隔天通过温度自记仪观察,每栋楼各个单元间的回水温度是否接近一致,如果没有,则根据调节后的回水温度重估算新热负荷,按比例修正,直至一个楼栋内的各单元平衡。实验中,笔者以回水温度差别不超过1℃作为接受条件。

4)每个楼栋各个单元调节完成后,再对楼栋之间的主管井阀门调节。调节过程与各单元类似,以距换热站水泵出口由远至近的顺序,先将远端的主管井流量按比例调节好后,则固定好阀门不再调节。以较近主管井和相邻更近的主管井流量作为参考,调节更近的阀门,使二者比例达到目标比例,逐个完成调节。

5)同样,主管井的调节在一次调节完成后,通过温度自记仪的监测,观察回水温度差异加以修正,使最终流量达到目标比例值。

笔者调节过程中,将民房,商铺和饭店作为整体看待。其主阀门调节在主管井的调节过程中。

3 调节过程与结果分析

测试开始时,首先通过调研发现该小区所有阀门都处于全开状态。对热力站水泵测试后,发现水泵处于频率为44Hz,其运行参数与额定参数对比如表1 所示。

1 热力站水泵运行参数与额定参数
热力站水泵运行参数与额定参数

该频率下水泵性能曲线测试结果如图3 所示。

水泵44Hz 的性能曲线
3 水泵44Hz 的性能曲线

通过水泵的性能曲线图分析可知,该小区明显水泵选型过大,导致水泵效率偏离效率最高点,同时使实际流量即使在频率降低后仍然大于设计流量,大大增加泵耗。由于实验前所有阀门均处全开状态,可见该小区一直没有进行过热平衡调节,仅仅通过增大总流量的方式来满足用户的热需求。

调节过程于2016 3 13 日至3 19 日进行。调试过程中水泵的运行状况如图4 所示,图上方是调节时间以及调节主要措施,中间是当天调节完后水泵维持运行的状态。下方是调节过程中,详细的步骤以及步骤后的总流量。调节的目的是保证各单元之间热平衡的情况下,降低二次网的总流量,从而降低泵耗。调节过程为使水泵工作在较高的效率点,通过调节主阀使管网特性曲线尽量与44Hz 水泵扬程——流量曲线交于流量为120160m3/h 的位置。

热平衡初调节实验时间轴
4 热平衡初调节实验时间轴

3.1 热平衡分析

热平衡调节过程中小区内的各用户流量变化如表2所示。

2 热平衡初调节过程各用户流量单位:m3/h
热平衡初调节过程各用户流量单位:m3/h

注:二次网总流量为在热力站内二次网主管的测试值而不是其他所有分支的加和,但其值与加和值不平衡率在10% 以内。

调节过程中,各用户回水温度曲线如图5 所示。

二次网回水温度逐时曲线
5 二次网回水温度逐时曲线

首先,通过初状态各个单元的流量可知:即使该小区在没有任何调节,所有阀门全开的情况下,其流量分布与理论结果并不相同。根据管网施工图和实际调研,234 号楼的分管线一致,理论上,流量从2 号楼开始,逐渐递减。但离热力站最远的4 号楼并非水力最不利末端,反而4 号楼二单元的初始流量为调节前最大,为6.53m3/h3 号楼的一单元初始流量也仅为4 号楼一单元的一半。

这说明,由于阀门的质量与施工的差异,管网腐蚀程度和脏堵情况难以估计,管网的水力工况与模拟结果也相差甚远。因此,“憋近端,放远端”的调节方法可能在实际运行难以实现水力平衡。特别对建造年限较长的管网,此时管网内部情况更加复杂。

由图5 可以看出,通过每一次调节,都明显使小区内各单元包括商铺和民房的回水温度曲线变得更加“紧凑”,即回水温度逐渐趋于一致,说明调节过程是有效的,而且与实验目标逐步接近。

由于目前没有以回水温度来评价各用户间热不平衡的程度的标准,为了更直观的说明初调节的效果,笔者以回水温度的极差来反应用户的热力平衡差异,即所有用户回水温度最大值与最小值之差。如图6 所示。

通过图6 看可以看到,调节前,各用户的回水温度在45℃左右,通过第一次调节,极差降到33.5℃左右,通过第二次调节,降到2.53℃左右,通过第三次调节,极差降到22.5℃左右。此结果是图5 更直观的反映,二者同时说明调节的有效性。

3 16 号晚开始回水温度极差有一次增加,因当天调节后,没有进一步调节就关闭主阀门和降低频率从而降低流量作为对照实验。理论上,各支路阻力不变的情况下,直接改变总流量,各支路流量的分配比例应不变,但从图5 和图6 都可以明显看出直接降低总流量加剧各户的热不平衡。

笔者认为总流量降低时,各用户的散热器的换热性能受流量的影响不一致,导致散热量不再依照降之前的比例。这一现象笔者实验前的预实验中也有验证。通过第三次调节后,这一现象得到改善。

也就是说,当无初调节或者未完成的时候,直接降低总流量只会加剧用户间热不平衡,可能导致有用户不热投诉的情况。进而说明初调节的重要性,必须“先调节,后降流量”。

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