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直供混輸供熱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行

【摘 要】直供混輸供熱系統(tǒng)流程簡單、操作方便、換熱效率高、維護(hù)費用低，但調(diào)節(jié)難度大，系統(tǒng)經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，本文從幾個方面給出了解決問題的辦法，探討其“穩(wěn)態(tài)”運行的途徑。
【關(guān)鍵詞】直供混輸 “穩(wěn)態(tài)”運行 調(diào)節(jié)閥 平衡閥

近幾年，由于“低碳經(jīng)濟(jì)”的提出，供熱節(jié)能形式日趨嚴(yán)峻，集中供熱直供混輸系統(tǒng)又受到人們的青睞，但由于其固有的不足，應(yīng)用范圍受到了限制。隨著工業(yè)控制技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，直供混輸供熱系統(tǒng)存在的問題可以通過自控手段加以解決，實現(xiàn)“穩(wěn)態(tài)”運行。
1、直供混輸供熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的提出
1.1 什么是直供混輸供熱系統(tǒng)
熱力站是集中供熱網(wǎng)絡(luò)向熱用戶供熱的場所，起著調(diào)節(jié)共享熱用戶的熱媒參數(shù)、熱能轉(zhuǎn)換和計量的作用。熱力站按照熱交換方式（或一級網(wǎng)與二級網(wǎng)連接方式）不同分兩種，一種是間接換熱站，一級網(wǎng)通過換熱器與二級網(wǎng)間接連接；一種是直供混輸站，一級熱網(wǎng)通過混水器、混水泵等與二級熱網(wǎng)直接連接。直供混輸系統(tǒng)基本形式（見圖1）：一級網(wǎng)供水與二級網(wǎng)回水混合降溫后，經(jīng)水泵加壓輸送至二級供水管網(wǎng)，由二級供水管網(wǎng)將熱量輸送致熱用戶，二級網(wǎng)回水一部分經(jīng)水泵加壓后與一級網(wǎng)供水混合，另一部分輸送回?zé)嵩磸S。直供混輸供熱系統(tǒng)在傳質(zhì)的同時實現(xiàn)傳熱，換熱是通過傳質(zhì)來實現(xiàn)的，沒有傳質(zhì)就沒有傳熱。
1.2 直供混輸供熱系統(tǒng)的優(yōu)點：
直供混輸系統(tǒng)優(yōu)點：直接混水換熱，換熱效率高，熱損失??；一級網(wǎng)回水溫度低，沿程熱損失?。豢衫脽嵩磸S一級網(wǎng)供水壓力向用戶供熱，減少動力輸出，耗電少；工藝流程簡單，操作步驟少，設(shè)備及設(shè)備種類少，建設(shè)投資少。
1.3 影響直供混輸供熱系統(tǒng)的不足：
一次網(wǎng)與二次網(wǎng)互相影響問題
一級網(wǎng)與二級網(wǎng)直接相連，整個系統(tǒng)中任何部位任何一項參數(shù)變化都會波及網(wǎng)上所有系統(tǒng)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差，經(jīng)常會出現(xiàn)系統(tǒng)超壓或倒空現(xiàn)象，使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定，需人為增加調(diào)節(jié)頻次（見圖2）。
a、當(dāng)電廠供水壓力Pg升高時，系統(tǒng)阻力不變情況下，水泵吸入口壓力Pg1、Pg2、Pg3、Pg4升高，同時水泵出口壓力Ph1、Ph2、Ph3、Ph4升高，引起熱用戶供水壓力升高，當(dāng)超出散熱器等設(shè)備承壓能力時，引起爆片。反之，當(dāng)電廠供水壓力降低時，極易引起資用壓頭不足，系統(tǒng)倒空不熱。
b、當(dāng)一級網(wǎng)流量F1增加時，二級網(wǎng)流量也相應(yīng)增加，大流量運行，電能消耗大。反之，流量降低，末端流量不足，引起不熱。
c、當(dāng)一個熱力站進(jìn)行調(diào)解時，如熱力站1增加流量時（如系統(tǒng)失水或面積增加，需要增加流量），一級網(wǎng)流量不變情況下，其它站流量必然減少。而如熱力站1減少流量時（如系統(tǒng)檢修關(guān)閉支線閥），一級網(wǎng)流量不變情況下，其它站流量必然增加。
d、當(dāng)一個熱力站突然停電，一級網(wǎng)回水會突然回座至各個熱力站，通過熱力站將壓力傳至用戶，由于其壓力較高，會與供水形成撞擊，造成爆片。
小周期溫度調(diào)解問題
某熱源或某熱力站流量、壓力參數(shù)有較大變化時，其他熱力站參數(shù)會明顯波動，所以在調(diào)一個熱力站時，其他站也必須隨之循環(huán)調(diào)整，這就使調(diào)平衡的時間過長，手動很難適時根據(jù)天氣變化按需調(diào)節(jié)。而整個取暖季是一天天緩慢變冷又逐漸轉(zhuǎn)暖的平穩(wěn)降溫和升溫過程。在166天的取暖季里，每天的平均溫度變化基本小于1℃。而每天氣溫的變化則高達(dá)10℃左右（嚴(yán)寒地區(qū)更大些）。抓住以往被經(jīng)常忽視的小周期，根據(jù)晝夜溫差變化調(diào)解供熱溫度是非常必要的。相比較而言，由初寒、嚴(yán)寒、末寒構(gòu)成的大周期，相對于每一天的供熱，節(jié)能潛力反而處于次要位置。供暖期的大部分時間段，環(huán)境平均氣溫變化是不大的，因此一個取暖季可看作由多個相鄰穩(wěn)定的天氣區(qū)間和突發(fā)的寒、暖流區(qū)間組成。粗調(diào)的供熱方式是：在連續(xù)多天氣溫變化不大時，以每天的夜間低氣溫為需求，數(shù)天恒定供熱。尤其在熱網(wǎng)不平衡情況下，熱源被迫升溫，由此又疊加了一塊供熱增幅，這種“漫灌”方式，必將造成大量的能源浪費。
垂直與水平失調(diào)問題
供熱不平衡、水力失調(diào)是供暖系統(tǒng)固有的特性，混輸系統(tǒng)的失調(diào)尤為嚴(yán)重，尤其是規(guī)模大的熱力站，首段流量過大、過熱，末端資用壓頭不足、不熱現(xiàn)象嚴(yán)重。
街區(qū)水錘問題
如果熱源線半徑長，一級回水壓力會很高，停電等故障?；厮脮r，存在倒流水錘的安全風(fēng)險；會出現(xiàn)超壓爆片現(xiàn)象，給用戶造成損失。
1.4 “穩(wěn)態(tài)”運行的提出
“穩(wěn)態(tài)”運行是相對于不穩(wěn)定運行狀態(tài)而提出的概念，是指系統(tǒng)參數(shù)由波動被穩(wěn)定的過程，對于直供混輸供熱系統(tǒng)而言，就是利用自動控制手段消除其不穩(wěn)定因素的過程。
2、直供混輸供熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的方法
隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，供熱設(shè)備越來越先進(jìn)，控制手段也越來越先進(jìn)，直供混輸供熱系統(tǒng)存在的問題完全能夠通過自控手段得到解決，實現(xiàn)自動化穩(wěn)態(tài)運行，彌補系統(tǒng)先天的不足，充分發(fā)揮其間供系統(tǒng)不可代替的優(yōu)勢，滿足供熱企業(yè)節(jié)能降耗的愿望。
2.1 一次網(wǎng)與二次網(wǎng)互相影響控制策略
控制理念：采用定流量質(zhì)調(diào)節(jié)的自控調(diào)節(jié)方式，恒定二次網(wǎng)流量，這樣，無論一級網(wǎng)流量壓力如何波動，二級管網(wǎng)都不受影響，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性提高。
控制策略：見圖3，水泵電機(jī)安裝變頻器，利用變頻器適時調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供回水壓力，使其差值恒定。
控制原理：給定二級網(wǎng)供回水壓力（即供水泵出口、回水泵入口壓力），由街區(qū)循環(huán)泵定壓控制裝置（變頻控制系統(tǒng)）完成循環(huán)泵出口定壓控制，當(dāng)循環(huán)泵出口壓力測量值偏離給定值時，循環(huán)泵定壓控制裝置發(fā)出調(diào)節(jié)信號改變變頻器轉(zhuǎn)速自動進(jìn)行定壓控制，從而固定供回水壓力差，同時恒定流量。完成質(zhì)調(diào)節(jié)的恒流量控制。
安全保障：可在泵出口安裝電磁式泄壓裝置，當(dāng)水泵出口壓力高于上限值時，泄壓電磁閥自動開啟泄壓，保證系統(tǒng)安全運行。
2.2 小周期控制策略
控制理念：根據(jù)氣溫變化，適時自動調(diào)節(jié)二級網(wǎng)供水溫度。
控制策略：安裝溫控系統(tǒng)，利用電動調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)二級網(wǎng)供水溫度，實現(xiàn)適時調(diào)溫。
控制原理：溫控系統(tǒng)實時采集室外溫度，plc系統(tǒng)計算出對應(yīng)供水溫度需求值，并將控制指令發(fā)給電動閥，電動調(diào)節(jié)閥接受實時的供水溫度信號后，通過改變其開度，改變一級網(wǎng)流量，調(diào)節(jié)二級網(wǎng)供水溫度，實現(xiàn)精細(xì)化調(diào)節(jié)，真正做到按需供熱。
某大型企業(yè)控制圖如圖4。
2.3 垂直與水平失控制策略
控制理念：降低首端用戶資用壓頭，減少流量，增加末端用戶流量。
控制對策：在管網(wǎng)截斷井、進(jìn)戶井內(nèi)配置比較先進(jìn)的調(diào)節(jié)設(shè)備，解決管網(wǎng)阻力平衡問題，如利用自立式流量/壓差控制器也稱換向閥解決失調(diào)問題。
目前國內(nèi)供熱行業(yè)在管網(wǎng)上應(yīng)用的主要有自力式流量控制器、自力式差壓控制器、自力式流量/差壓控制器三種調(diào)節(jié)裝置。其中自力式流量控制器是利用液體自身能量自動保持設(shè)定流量恒定的閥門，適用于管網(wǎng)定流量系統(tǒng)；自力式差壓控制器是利用液體自身能量自動保持設(shè)定壓差恒定的閥門，適用于管網(wǎng)變流量系統(tǒng)；自力式流量/差壓控制器兼?zhèn)渖鲜龆N閥門功能。目前這些控制閥在國內(nèi)部分供熱區(qū)域應(yīng)用，應(yīng)用效果較好，基本上解決了管網(wǎng)的水力失調(diào)問題，改善了系統(tǒng)的水力工況。
實例：某大型企業(yè)街區(qū)供熱管網(wǎng)采用定流量質(zhì)調(diào)節(jié)運行方式，考慮今后供熱用戶將逐步實行熱計量收費，管網(wǎng)的運行方式也逐步由定流量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽兞髁肯到y(tǒng)運行，為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，選用了自力式流量/差壓控制器，該產(chǎn)品裝有一個換向閥，用戶可根據(jù)自己的需要調(diào)節(jié)換向閥，使流量和差壓控制功能互相轉(zhuǎn)換。
控制原理：在作為自力式流量控制器使用時，根據(jù)調(diào)節(jié)閥水力特性方程：ΔP=KVS*G2，其中：
ΔP——為控制器手動孔板前后壓差；
KVS——手動孔板的流量系數(shù)；
G——供暖設(shè)定的流量。
從該公式中可知，當(dāng)所需流量一定時（即通過手動扳手在控制器流量刻度線上確定所需流量），KVS也是一個定值（手動孔板開度不變），則ΔP保持不變。當(dāng)系統(tǒng)管道上壓力發(fā)生變化時，使通過控制器流量發(fā)生變化時，自動可調(diào)孔板通過膜片和片動裝置的聯(lián)動自調(diào)作用使ΔP恢復(fù)到原來狀態(tài)，從而保證設(shè)定的流量恒定。
2.4 街區(qū)水錘控制策略
在熱力站一級回水管道上加裝回水壓力自動調(diào)節(jié)裝置，如電動調(diào)節(jié)閥，當(dāng)電廠壓力波動時，通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)電廠回水管道壓力保證街區(qū)管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，并始終不高于用戶散熱器的承壓能力，防止水倒流造成水錘，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
3、結(jié)語
3.1 某大型企業(yè)通過對直供混輸系統(tǒng)的系列改造，實現(xiàn)了“穩(wěn)態(tài)”運行與節(jié)能，熱耗由0.58吉焦/平方米降到0.50吉焦/平方米，節(jié)能效果顯著。
3.2 直供混輸供熱系統(tǒng)可能存在的一次網(wǎng)與二次網(wǎng)互相影響問題，街區(qū)供水垂直與水平失調(diào)問題，街區(qū)供水流量、壓力、溫度調(diào)整困難問題可以通過自動控制手段加以解決，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及無人值守。
3.3 本文探索的一些直供混輸供熱問題，是某大型企業(yè)自管住宅供熱系統(tǒng)改造的應(yīng)用總結(jié)，對供熱企業(yè)具有普遍指導(dǎo)意義。