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5.供热系统运行与调节 5.1运行中的三个平衡原则 1）热量平衡 无论“一对一”供热系统，还是多热源联网供热系统，运行中的第一要务，实现供热量平衡，即热源供出的热量要与热用户的需要热量相等。这是运行调节的首要任务——实现室温达标。 2）流量平衡 在系统运行中，系统中输送流量必须满足系统的需求流量。 流量平衡即水力平衡。水力平衡有节流式水力平衡与有源式水力平衡两种。 3）压力平衡 供热系统正常安全运行，必须实现压力平衡，做到压力的四个保证：保证不倒空、不气化、不压坏和一定的资用压头。 三个平衡中，热量平衡、流量平衡是提高供热质量的基本保证，压力平衡是保证系统安全运行，防止事故发生的根本条件。 5.2三个平衡原则在多热源联网运行中的应用 对于多热源联网的供热系统，往往都是比较大型的，其供热面积常常在几百万平方米以上。一般系统构成也比较复杂。除多个热源外，常有多种类型热负荷的需求；在连接方式上，可能既有间接连接，也有直接连接，还有不同功能的增压泵、混水泵。在这种情况下，为供热系统的合理运行提出了许多新课题：各热源是同时启动，还是递序启动？是联网运行还是摘网运行？同样，各泵站中水泵何时启动、何时关停？是起增压作用还是混水作用？在热源、水泵的不同工作状态下，系统的运行工况能不能满足用热的需求？所有这些问题，都应该通过管理层的协调运行来解决。根据这些年国内外运行实践，我认为在制定系统协调运行方案时，必须遵循以下三条基本原则。 5.2.1热量平衡 制定各热源协调运行方案，主要目的是确定哪个热源是主热源？哪些热源是调峰热源？各热源承担的供热量是多少？以及各热源的启动时间和运行时间。 确定多热源协调运行方案的基本依据是热量平衡，这里所说的热量平衡，应该包括三个涵义： 1）在供热期间，各热源总供热量应等于热用户总需热量； 2）在各个不同外温区段，各热源的小时供热量之和应等于同一时段内热用户的小时需热量之和； 3）在同一时段，每个热源的小时供热量应等于该热源所承担的用户的小时需热量。 在进行热量平衡的过程中，应详细绘制当地的供热负荷延续图。根据各热源的产热设备（热电厂的供热站或锅炉房的锅炉）的供热能力，结合供热负荷延续图给出的不同外温下的需热量，制定协调运行方案。总的原则是主热源承担基本热负荷，并在整个运行期间，力争全时满负荷运行。无论是主热源，还是调峰热源，各个产热设备，凡是成本低、能耗少、效率高的应优先投运，并尽可能地延长其运行时间，以提高其经济性。为了更科学更有效地进行协调运行，通常借助优化理论编制的软件完成优化计算。我们采用遗传算法，编制了多热源联网优化运行软件，取得了很好效果。这种遗传算法，是近年来国内外得到迅速发展的一种最优化理论，它属于并行算法，即在同一时刻，可从多个方向进行搜索，不但寻优速度 快，而且避免了繁杂的数学建模。将这种优化算法，移植于多热源联网的运行方案制定上，一定有广阔前景。 多热源的产热设备其供热量常常与热用户的需热量不相匹配，特别是在初寒期，即在供暖初期和末期，经常出现供热量多于需热量的情形，造成不必要的能源浪费。在这种情况下，国外多采用储热罐，将多余热量储存起来，在用热需求增加时，添补热源的供热量。这种储热罐，在储热时相当于一个热用户；在对外供热时，又相当于一个热源。因此，储热罐的运行方式，应该在多热源协调运行方案的制定过程中一并考虑。北京热力集团，基于上述原因，正在多热源的供热系统上增设一个6000立方米的储热罐，届时，节能的方式又将增加一种新的手段。 5.2.2流量平衡 多热源在协调运行方案的指导下运行，供热系统的总供热量与总需热量和小时总供热量与小时总需热量的平衡比较容易实现，但各热用户的小时供热量与小时需热量的平衡却比较难实现，这里存在一个总供热量与总需热量平衡时，各热用户还要完成一个供热量再分配的问题。一般情况下，各热用户的供水温度是相等的（忽略管网温降），这时决定供热量是否满足需热量，主要取决供水量。因此，要想全面实现热量平衡，还必须进行流量平衡。 这里所说流量平衡，应该包括两层涵义 1）供热系统各区段总实际循环流量应该等于该区段的理想流量； 2）各热用户的实际循环流量应该等于该热用户的理想流量。 我们所说的理想流量，在设计工况下即为设计流量；在非设计工况下，则是最佳循环流量。 对于多热源联网供热系统，实现各区段的实际循环流量与理想循环流量的平衡，其目的是有效划分各热源的供热区段或供热范围。核心技术手段是确定供热系统的水力汇交点。水力汇交点，一般有两种情况：一种情况是该点流体处于静止状态（通常为某一干管）；一种情况是该点成为两股流体相向流动的汇交点（一般在干管三通处）。对于均匀流动的单环供热系统，一般几个热源联网就有几个汇交点（对于多环网，每个环网至少有一个汇交点）。汇交点类似于关断阀门，相当于把一个多热源的联网系统解列为多个单热源供热系统，每个热源承担一定范围的供热面积。因此，在多热源联网时，总供热量与总需热量平衡的条件下，只要水力汇交点能按设计意图选取，那么各热源所承担的区段供热量一定会与该区段的需热量相平衡。 热用户实际循环流量与理想流量的平衡，要通过流量调节来实现：在设计工况，通过初调节实现；在非设计工况，则要通过中央和局部的变流量调节来完成。 5.2.3压力平衡 在现实的供热系统中，不可能在各环路、各支线都安装流量计，因此，用流量计的测试数据判断是否达到流量平衡是困难的。但是，流量和压力二个参数，存在着确定的函数关系，而且其变化值的反映速度非常快，等于声音在水中的传播速度，即流量、压力的变化，可以在1秒钟内传递到1公里远的距离。因此，采用压力平衡，间接判断流量是否平衡，不但直观、有效而且快速，是非常理想的。 多热源联网供热系统，实现压力平衡，还有二个非常重要的功能，这就是按照预定方案确定水力汇交点，以及实施多点补水多点旁通定压。 1）按照预定方案确定水力汇交点 图5.1 多热源联网的多个恒压点 （注：右端水压图略） 如图所示，在供热初期和末期，全部热用户都由主热源供热。当气温逐渐变冷，供热系统以次起动了2热源、3热源。此时分别把供热系统分为二部分和三部分，每个热源，分别供应各自的热用户，形成热源、用户一对一的供热系统。这种划分，是由水力汇交点完成的。从水压图上看出：凡水力汇交点，其供水压力最低，回水压力最高，根据这一特点，或调整管路阀门，或调整循环泵转速，使水力汇交点按预定方案运行，这是多热源联网运行中，压力平衡的一项重要功能。 2）实施多点补水多点旁通定压 对于单热源供热系统，一般只有一个补水点，一个定压点；对于多热源联网供热系统，情况比较复杂：最常见的是有几个热源运行，就有几个补水点补水，几个定压点定压；当主热源单独运行时，常因其自身的补水量不足，需要其他热源同时补水定压。因此，多热源联网运行，一个重要特点是多点补水和多点定压。当然，也有特殊情况，当主热源补水量充足时，只主热源单点补水、单点定压的情形。 对于多热源的单点补水、单点定压，其操作方法和单热源的单点补水单点定压基本上没有什么区别。这里主要讨论多点补水和多点定压的情况。在以往多热源联网运行时，往往各热源的分系统循环流量出现过大的不平衡现象（有的热源循环流量过大，有的热源循环流量过小）以及系统倒空、串气现象。这些故障的发生，基本上都是因为多点补水、多点定压的设计不合理或运行操作不当造成的。因此，多点补水与多点定压的正确设计、合理运行对于多热源联网实现流量平衡具有重要意义。 （1）多热源联网系统具有多个恒压点 对于单热源供热系统，具有唯一的恒压点，其位置在最靠近热源的最高建筑物的回水干管连接点上。该恒压点的压力值即静水压线值应等于最高建筑物高度与供水温度相对应的饱和压力之和。对于多热源联网供热系统，由于水力汇交点的存在，实际上以汇交点为界，把多热源供热系统分成了若干个（由热源个数确定）单热源供热系统，这样，原来的最高建筑，现在只属于其中的一个单热源供热系统，而其他的单热源供热系统，将各有一个新的最高建筑。由于每一个单热源供热系统有一个唯一的恒压点，从而导致多热源联网系统有若干个恒压点。虽然各个单热源供热系统都具有相同的静水压线即同值恒压点压力，但在运行过程中，每个分系统都以各自的恒压点为轴心，呈现不同的水压分布（即水压图，见图5.1所示）从图5.1中看出，只主热源（热源1）运行时，水压图为实线（只画出热源1、2之间的水压图），这时的恒压点为O1；当热源1、2同时运行时，水压图由虚线表示，则此时有二个恒压点O1和O2。由此说明，在整个运行季节，随着室外温度的变化，供热系统联网运行的热源数目也随着变化，系统恒压点的数目也跟着变化，导致系统水力工况的变化更加繁杂。在多热源联网供热系统中，了解其具有多个恒压点这一特性，对于正确分析水力工况和正确确定多点补水定压方式显得至关重要。 （2）多点旁通定压 通常人们把供热系统循环水泵的入口点作为系统恒压点，然而这是不对的。只要细致观察循环水泵入口点，在循环泵运行与停止状态下，其压力值不是定值就是证明。基于这种误解，把循环水泵入口点作为系统定压点定压也是不对的。对于供热规模较小，热用户建筑简单的单热源供热系统，上述作法可能不致造成太多故障，但对于多热源联网的供热系统，就必须谨慎处理了。因为由图1可知，在所有热源循环水泵停运状态下，各个循环水泵入口点的压力都相等，即为静水压线值；此时热源1循环水泵入口点压力值由a0表示；当只有热源1（即主热源）启动运行时，该循环泵入口点的压力值降低变为a1；当热源1、2联网运行时，热源1循环水泵入口点的压力变为a2，此时a2压力值大于a1压力值，热源2循环水泵入口点压力为b2，其值低于静水压线值。从这里可以看出：不同的运行工况，各个热源循环水泵入口点的压力值不同，其值，首先决定于该系统恒压点的位置距热源的距离，其次决定于该恒压点至热源回水干线的压力降。对于多热源的联网运行，由于运行的热源数目和恒压点数目、位置以及管网流量分布都是变数，导致各热源循环水泵入口点的压力，随时都是变动的，因此，采用该入口点进行定压点定压，势必造成定压的失真、失控，对系统的安全性形成严重威胁。 5.3变压变流量的变温调节 5.3.1二级网的变压、变流量的变温调节 实现二级网变流量调节，以往通常采用定压差控制。基本方法是在待控制环路上，即热力站或热用户热入口安装差压调节阀。根据设计循环流量，将对应的设计压差作为控制的设定值。在系统运行期间，当实际压差等于设计压差，此时实际运行流量即为待调流量，差压调节阀不做调节；当实际压差与设定压差不一致时，差压调节阀或开大或关小，实现流量的调节。当用户的用热需求发生变化，如利用太阳日照的自由热或自动要求降低室温时，通常恒温阀关小阀门开度，通断阀增加关闭时间和次数，此时系统阻力增加，实际压差大于设定压差，促使差压调节阀关小，保持设定压差，借以调小实际循环流量。 从上述调节过程不难看出，这种方法只能适应用户用热需求主动变化的情形，而不能满足随着气温变化需要进行系统总流量调节的要求。也就是说，这种调节方法，实际上是一种系统总流量维持定流量（质调节）调节下，热用户处进行的一种局部变流量调节。这种调节，根据先前论述，系统总流量的调节只在10%的范围内变化，因此，很难实现热力工况稳定与节电的双重目的。 要实现热力工况稳定和节电效果明显的双重目的，理想的控制决策应采用变压差调节法。图5.2、图5.3给出了热力站系统示意图和变压差变流量控制原理图。设备3为板式换热器或混水均压管，当为前者，则为间接连接系统，若为后者即混水直连系统。从发展趋势考虑，采用分布式变频循环水泵的设计理念，一级网循环泵（设备1）设置在回水干管上，二级网循环泵（设备2）设置在供水管上（当二级网供水温度较高时，也可设置在回水管上）。 1—一级网循环泵；2— 二级网循环泵； 3—板换或混水均压管；4—热用户；5—智能平衡阀 图5.2、热力站供热系统示意图 图5.4 二级网供水温度控制原理图 二级网循环流量的变流量调节，通过二级网循环泵（设备2）的变频调速实现。根据图5.3的控制原理，在实时测试外温的同时，计算出对应的二级网最佳循环流量和系统压差值，该系统压差值即为对应外温下的压差设定值。当实际压差值与设定压差值发生偏离时，通过控制算法，给出二次网循环泵的待调频率，以此改变循环泵转速，实现变流量调节。在调节过程中，随着外温的变化，压差设定值跟着变化，因此称为变压差变流量调节。这和传统的定压差变流量调节有很大的不同，通常定压差变流量调节只适应热用户自身需求变化的局部调节，而无法完成因外温变化需要系统总流量进行集中调节的任务。变压差变流量调节，由于设定压差是可变的，而且其值与待调流量值是相对应的，因此在50-100%的设计流量范围内进行集中调节很容易实现。这种调节方法，在外温不变的时段内，本质上就是定压差变流量调节。此时如果出现实际压差大于设定压差的情况，说明热用户的实际用热需求在减少，控制循环将维持定压差运行，循环泵必然调频减速，达到降低循环流量的目的。此外，还应指出，这种变压差变流量调节，都是通过变速泵实现，而传统的定压差变流量调节则是依靠差压调节阀的节流作用来完成，显而易见，前者的节能效果更好。 热力站集中调节，最终目的是实现供热量的集中调节。上述变压差变流量调节只解决了最佳循环流量的调节，要实现供热量的集中调节，还需要同时完成供、回水温度的调节。由于在特定的循环流量和供水温度下，必有特定的回水温度与之对应，因此，在对循环流量进行集中调节的同时，仅对供水温度进行集中调节，即可实现对系统供热量的调节。根据供热系统的基本阻力结构特性，在进行二级网循环水泵的变频调速时，只能调节二级网的流量变化，而不能改度一、二级网的混 水比值，因而不能改变二级网的供水温度。基于上述分析，为实现二级网供水温度的调节，必须同时对一级网循环水泵进行变频调速，借以改变一、二级网的混水比，（此时为混水直连，对于间接连接，应为一、二级流量比值），达到调节二级网供水温度的目的。图5.4给出了这种调节的原理图：基本思路是根据实测外温，先调节实际循环流量为最佳循环流量，在此基础上，一级网循环水泵变频调速，通过改变一级网循环流量的数值，调节二级网供水温度达到给定值，进而实现系统供热量的调节。 不难看出，对于完善的分布式变频循环水泵的设计方案，完全可以通过水泵的变频调速，实现供热量的调节、控制，可以省掉电动调节阀的安装。但在改造工程或远近期工程衔接建设过程中，往往需要在一级网上同时安装循环水泵和电动调节阀，这时，自动控制器的设计，要能既可进行水泵变频调速又有完成电动调节阀的阀位调节二种功能。、 由于我国供热系统供热规模比较大，每个热力站的供热面积多数都在几万平方米以上，很难在楼道热入口设置变频循环水泵。在这种情况下，我国大多数的供热系统设计方案将是在热力站设置变频循环水泵，在用户热入口安装调节阀。这样，为了适应二级网的变流量的集中调节，原来安装在用户热入口的差压调节阀或自力式平衡阀，必须进行适当改造，才能满足新的功能要求，否则，这些调节阀，只能适应热用户的局部变流量调节而不能应对热力站的集中变流量调节。关于调节阀机械结构的改装方案，在以前的有关文章中曾经介绍过，这里不再赘述。适合集中变流量调节的调节阀最理想的方案是研发智能平衡阀。有关设定压差的变动、调节功能补偿等功能都将由智能平衡阀自身配置的调节器来完成。 5.3.2一级网坚持大温差小流量下的变温变流量调节 在计量技术实施后，随着热用户恒温阀、通断阀和热入口智能平衡阀的调节以及热力站变频水泵的调速，二级网可以实现完整的变流量集中调节和局部调节。在此基础上，一级网最理想的配套调节应该采用大温差小流量的运行方式。 1）大流量小温差的运行违背节能原则 图5.5 热源实施旁通运行的供热系统 图5.5所示，是目前国内广泛采用的一种运行方式。这种运行方式是在热源锅炉供回水母管上设置旁通管，在供水母管和旁能管连接处安装三通调节阀。在运行过程中，锅炉产生的高温热水在气温补偿器的调控下，通过三通调节阀的作用，不断改变供水母管与旁通管回水的混水比，降低一次网的供水温度，达到调节目的。这种运行方式，据说可以消除冷热不均、提高锅炉出力。因而节能效果明显，还被列为节能项目，大力推广。然而，这是一种误导，这种运行方式，本质上是一种变相的大流量小温差的运行方式，是早被列入淘汰之中的落后技术。 该运行方式的基本特点是送入外网（即一级网）的循环流量大于进入锅炉的循环流量，而且在三通调节阀的作用下成定流量（质调节）运行。由于加大了一级网的循环流量，在热用户不做任何调节的情况下，冷热不均现象也能得到缓解，供热效果有改善是不言而喻的。存在冷热不均时，近端热用户流量过大，用户散热器得到充分散热（超量散热约10%左右）；而末端热用户流量过小，散热器得不到充分散热，往往散热量只有最大散热量的50%左右，如果把热用户分散的散热器，看成一个整体的大散热器，则在冷热不均的情况下，用户散热器的总体散热量是不足的。供热系统在稳定运行的工况下，用户的散热量必须与热源的供热量相等，亦即说明在冷热不均的工况下，用户散热器的散热量不足必然导致锅炉的出力不足。在加大一级网循环流量的过程中，整个用户散热器（特别是末端用户散热器）的散热量有了明显提高，必然会引起锅炉出力的增加，这又给人们提供了一个节能的误解。一个供热系统，是否节能，要从系统的总能效比来考查。诚然，上述运行方式，既改善了供热效果，又提高了锅炉出力，这是不可否认的事实。但必须指出，系统循环流量每提高一倍，电功率将增加八倍，凡是采用上述运行方式的供热系统，如果把电耗算在内，进行分析比较，系统总的能效比，显然是得不偿失的。作者在《供热系统运行调节与控制》]一书中对这种大流量运行方式的利弊做过详细分析，给出的结论：这是一种大能耗，低产出的落后技术。现在，这种技术又以一种新的方式得到推荐，无疑是一种技术倒退，应该防止，不再重演。然而，目前仍在坚持这种运行方式的另一理由是，锅炉的设计供水温度高于130℃，为保证管网的安全，不得已而为之。必须指出：锅炉供水温度高于130℃的运行时间，一冬季只有最冷天的有限时日，其他大部分时间都低于130℃，这时，为什么还要采用这种运行方式呢？ 2）适应变流量运行的温度调节 在计量技术实施以后，一级网变流量的集中调节，实际上就是在供热系统整个运行期间，一级网循环流量始终应在等于、小于设计循环流量下运行，这样一级网的输送效率才最高，节电效益才最明显。但在水泵工频的变流量运行时，由于在同一阶段仍为等流量运行，因此，节电效益很有限。现在，采用成熟的变频调速技术，积极推广分布式变频循环水泵设计方案，可以使一级网循环流量在50-100%的设计流量下进行无级变流量调节，节能效果更加明显。为适应这种变流量调节，在热源处的供回水温度调节，必须应有相应的变化。 （1）回水管上的限温控制已经过时 长期以来，人们习惯于在热力站和锅炉运行中，对一次网回水温度进行限温控制，其基本原理是保证热用户散热器的平均温度不能过低，进而消除供热系统的冷热不均。当回水温度过低，散热器平均温度也必然过低，致使用户室温不能达标。此时开大调节阀门，增加系统流量，提高回水温度，导致室温改善；回水温度过高，也因类似原因，关小阀门，降低过高室温，实现热力工况的稳定。实行计量技术后，这种简单、缓慢又过于粗糙的调节手段难以适应复杂多变的运行工况：首先，不同的居民，不同的时段，要求不同的室温标准；其次，不同的采暖方式（散热器采暖、地板辐射采暖、热风采暖等）需要不同的供水温度和不同的循环流量；再者，不同的热用户、不同的热力站，系统运行分式不同，所有上述情况，企图采用单一的回水温度满足各种需求显然是不可能的。因此，温度的调节必须适应新的变化情况。 （2）正确应用变温变流量（质-量并调）调节 对于热源，通常要对图5.6、图5.7形式的供热系统进行运行调节。图5.6是典型的分布式输配供热系统。图5.7是一种过渡性质的供热系统，亦可称为双泵供热系统。图5.7所示的双泵系统，是在传统供热系统的基础上，只对热源进行局部改造而形成的。其中热网循环泵置于回水管上，使其在低温下运行，有利于延长使用寿命。根据多年的实践经验，图5.6、图5.7中的热源循环泵与锅炉的配置均采用一对一设计，哪台锅炉运行，启动哪台热源循环泵。热源循环泵可以定流量工频运行，也可以变频调速，在70-100%的设计流量下运行。这种设计方案，主要的优点是在运行期间锅炉的循环流量波动比较小，有利于稳定燃烧。 图5.6、图5.7设计方案中的另一特点是热源循环泵与热网循环泵之间配置均压管，除了起稳压作用外，主要用于循环流量的调剂，因此，均压管中的水流方向总是由供水管流向回水管。这样，送至外网的热源供水温度始终就是锅炉的出水温度，进而防止了热源处的混水降温，非常有利于热网输送效率的提高。 在实施计量技术后，对于图5.6、图5.7的热源供热系统，比较理想的控制方法是采用变温变流量（即质-量并调）调节。一般设一、二级网的相对流量 注：括号内数据为北京地区参数，其他为哈尔滨地区参数 为防止回水温度过低和水泵转速过低（影响水泵电机的变频效率），在整个运行期间，系统循环流量一般在50-100%设计流量下调节，公式（5.2）中取值0.5即表示此意，5的取值表示+5℃时停止供热。表5.1、图5.8是根据公式（5.1）至 （5.5） 对哈尔滨、北京地区的调节参数的计算结果和以此绘制的温度、流量调节曲线。变流量运行调节与定流量运行调节相比，在同一外温下，前者的供·水温度高于后者，而前者的回水温度低于后者。当室外温度升高时，系统循环流量减小，热用户散热设备平均温度下降，用热量减小，外网回水温度降低，但热源循环水泵入口处的回水温度却升高。根据调节计算，锅炉供水温度要求下降，此时如果锅炉出力不变，则锅炉出水温度势必升高，有违调节要求。这时必须下调锅炉出力，降低锅炉出口水温，进而实现调节目的。根据上述调节原理和计算公式，可研发功能齐全的调节器，使热源达到无人值守的全程 自动控制。 |
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