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供热运行调节及热网平衡浅谈

发表日期:2010-11-22 | 发布人:不详 | 阅读次数:2614

    

供热运行调节及热网平衡浅谈
    据相关资料显示,我国建筑采暖能耗为同纬度发达国家建筑采暖能耗的3倍左右,采暖能耗浪费是巨大的。这里有现实的问题,更有历史的原因,不仅涉及建筑墙体节能,更涉及供热系统技术装备水平、管理水平,以及供热收费体制等社会政策方面的因素。
下面本人仅从供热运行调节及热网平衡控制方面对供热节能做简单的分析。
一、热负荷
大家知道,建筑物采暖热负荷同室外气温、湿度、风向、风速、太阳辐照等因素有关,而其中室外气温起着决定性作用,因此在理论上,把热负荷只看作是室外温度的函数,即Q=f(tw)=K•F(tn-tW)。
供热过程就是维持建筑物室内气温适宜人们工作、生活,维持建筑物得热与失热始终处于一个动态的平衡这样一个过程。
即有热平衡方程式:
 Q=KF(tn-tw)=G•C(tg-th)•ρ/3600(1)
Q-热负荷W;K-建筑物传热系数W/m2•℃;F-建筑物外表面积㎡;tn-室内气温℃;tW-室外气温℃;C-水的比热J/kg•℃;G-采暖循环水流量m3/h;tg-供水温度℃;th-回水温度℃;ρ-水的密度kg/m3。
二、供热节能
现在我们仅从热网与热用户方面来探讨一下供热节能问题。
热网总能耗包括两部分:一是供热量;二是输送热量所消耗的电能。
在目前按供热面积收费的体制下,热网节能主要有以下几个途径。
1、尽可能减少总供热量
热网总热负荷随着室外气温变化而变化,每一时刻为满足采暖建筑的基本采暖要求(设计室温18℃)所供总热量,为最小值,即总供热恰好等于基本的总需求。供小于需则供热不达标,供大于需,则用户过热室温过高,用户散热加大,造成热能浪费。因此在供热运行中,需适时地对热网进行调节,以便使供求热量保持平衡,且始终维持在最小值。
2、热量分配应均衡
在热量分配上,力求热网上各用户室温均衡,避免因热网的水平失衡,用户垂直失衡,而造成用户冷热不均现象。也就避免了为使冷的用户达标,而致使热的用户超温,造成热能浪费问题。热网的平衡是热网节能的前提基础,是进行供热调节的前提条件。
不同的供热调节方式,需要不同的热网平衡技术。
3、热量输送电耗尽可能节省
热量的输送是一个消耗电能的过程,所耗有效功率
Ne=V•△P•ρ•g/3600(2)
可见热量输送所消耗有效功率Ne同流量V成正比,同系统阻力△p成正比。式中Ne-有效功率W;V-循环水流量m3/h;△p-系统阻力m;ρ-水密度kg/m3;g-常数N/Kg。
另由热水网路的水力特性可知,
△P=S•V2(3)
将(3)式代入(2)式可得:
N=S•V3•ρ•g/3600(4)
由(4)式可见有效功率Ne只同流量V的立方成正比,其它为常数(S值在热网阀门不操作时也为常数),减少热网流量V将极大降低电耗。
当热网采用水泵调速改变流量运行时(4)式也可从水泵相似理论获得(证明从略)。
热网循环水流量是否可以降低呢?由热平衡方程Q=KF(tn-tW)=G•C•(tg-th)•ρ/3600可知,当室外温度tw一定时,建筑物耗热Q为一定值,即供热量G•C•(tg-th)•ρ/3600为一定值,此时可以通过增大(tg-th),以此来降低热网循环流量G,从而降低输热电耗。G变化应遵循供热调节理论中关于流量G的变化规律。
三、供热调节
散热器供暖系统供热调节的基本公式:
Q=Q/Qj=K•F•(tn-tw)/K•F•(tn-twj)=Ks•Fs•(tp-tn)/Ksj•Fs•(tpj-tn)=G•C•(tg-th)•ρ/3600/Gj•C•(tgj-thj)•ρ/3600
即Q=Q/Qj=(tn-tw)/(tn-twj)=(tg+th-2tn)1+B/(tgj+thj-2tn)1+B=G•(tg-th)•/Gj•(tgj-thj)
式中 Q-相对热量比;
 Fs-用户系统内散热器的散热面积,m2;
Ks,Ksj-散热器的供热系数,W/m2•℃;
tp,tpj-散热器内载热介质的平均温度,℃;
B-为常数,与散热器构造有关。
其它同前(上面符号中有角标“j”者表示在室外计算温度下的数值,没有角标“j”者则表示在任意室外温度下的数值)。
由此方程可知:(1)当室外温度tw变化时,热网上各用户楼需求热量及热网总需求热量都按同一比例变化。
(2)用户的耗热量Q随着用户室内温度tn的升高而增加,当室内温度tn等于设计的18℃时的耗热量,应为建筑物的基本耗热量,即为保证建筑物供热质量下的最少耗热量。
从热网与热用户整体关系角度来讨论热量的供求调节关系,供热调节共有质调节、量调节、分阶段改变流量的质调节和间歇调节共四种。把上述供热调节方法作为补充条件,代入供热调节的基本方程式就可得到各调节方法的调节公式(公式省略)。
1、质调节-常用于热水网。循环水流量保持不变而只改变供水温度。适用于一、二级热网,为目前国内普遍采用的调节方法。缺点只节热,不节电;热网远、近端用户温度有时间差。优点,水力工程稳定,热网易实现自动化调节。
2、量调节-常用于水热网,也可用于汽热网。保持供水温度不变,而只改变循环水流量。只适用于一级热网,且因目前热网平衡控制方面存在很大困难,所以国内应用实例鲜见。二级热网采用量调节在技术上更难实现,其一是因为二级热网也存在平衡控制方面的困难;其二是随着室外气温升高,网路水流量迅速地减少,常常会使室内供暖系统产生严重的竖向热力失调。量调节的优点,既节热,又节电;另因流量在管道中变化是以压力变化来实现的,水又是不可压缩的,传递速度非常快,因而此种调节可消除热网远近两端在调节上的时间差,达到调节上的同步。
因为收费体制的不同,北欧国家在热网量调节方面的调节控制目标同我国是完全不同的,在此就不详述了。
3、分阶段改变流量的质调节-就是把整个供热期按室外温度的高低分几个阶段,在热负荷较大时采用较大流量,在热负荷较小时采用较小流量,一般流量变化不超过3-4个阶段,而在每一个阶段内是采用保持流量不变的质调节。适用于一、二级热网,应用状况在数量上仅次于质调节,其优缺点介于质调节和量调节之间。
即在每一个阶段内,水力工况稳定,热网远近端用户温度存在时间差。在热网平衡控制上较量调节稍易实现,比质调节稍难。流量变化不连续,只分几段,故节热同时只部分节电。
4、间歇调节-蒸汽热网和热水热网都可以采用这种调节方式。它不改变网络的循环水量和供水温度,而只减少每天的供热时间。它只能作为一种辅助调节措施,在室外气温较高的供暖初期和末期使用。适用于一、二级热网。它同上述三种调节方式不冲突。
5、热水供暖系统的最佳调节工况-质和量的综合调节。
上述四种调节方法,都是从热网与热用户整体关系的角度来讨论热量的供求调节关系。它只能保证用户整体在某一室外温度下的耗热量,因而也只能保证用户整体的平均室内温度等于设计值,却不能保证用户内各个房间的室内温度都符合设计值。从单个用户楼室内采暖系统角度来考虑,供热调节不仅应满足用户整体在某一室外温度下的耗热量,保证用户整体的平均室内温度等设计值,而且应保证用户每个房间的室内温度都等于设计值,即随着室外温度tw的变化,不但热网总热负荷与各用户楼的热负荷按相同的比例进行变化,而且应使用户每个房间的散热设备的放热量也按相同的比例变化。由此可得出热水供暖系统的最佳调节工况,公式如下(证明从略):
双管系统G=G/Gj=Q1/3=(tn-tw/tn-twj)1/3
tg=tn+(1/2)•(tgj+thj-2tn)•(tn-tw/tn-twj)1/1+B+(1/2)•(tgj-thj)•(tn-tw/tn-twj)2/3
th=tn+(1/2)•(tgj+thj-2tn)•(tn-tw/tn-twj)1/1+B-(1/2)•(tgj-thj)•(tn-tw/tn-twj)2/3
单管系统G=G/Gj=QB/1+B=(tn-tw/tn-twj)B/1+B
tg=tn+(tgj-tn)•(tn-tw/tn-twj)1/1+B
th=tn+(thj-tn)•(tn-tw/tn-twj)1/1+B
由公式可见,不论是单管还是双管热水供暖系统,其最佳调节工况均是质和量的综合调节。随着室外气温tw的升高,不但应降低供水温度tg,而且还应该逐步减少网路的循环水流量G。同一供热系统中,热网循环水总流量与各用户楼及用户各房间的循环水流量的变化比例是一致的。(假定同一供热系统中,各用户楼室内采暖系统的型式完全相同)。对于二级热水网来讲,此法供热质量最好,同时既节电又节热,也是最节能的调节方法。
因为此种调节方法流量的变化也是连续的同量调节一样,也存在热网平衡控制上的困难,所以虽然近几年国内供热行业在二级热网实施循环泵变频调速变流量运行,进行质和量并调的工程实践项目也较多,但效果不理想。流量的变化幅度不大,降不下来,运行中流量多数都是始终高于设计状态下的计算流量,远远没有达到最佳调节工况的参数状态,而仅成为解决设备大马拉小车的手段,节能潜力远远没有挖掘出来。在供热设备与热网负荷匹配,同时热网也平衡的理想状况下,二级热网循环泵变频调速的节电效益是很高的(可参见本人在1998年第10期《节能》杂志上发表的《供热循环泵变频节能的经济分析》一文)。正是因为热网的不平衡,导致二级热网循环泵变频调速变流量运行节能效益不高,极大地阻碍了此项节能技术的推广应用和质量并调的这一节能的调节方法的应用。
四、热网水力特性
热网上各用户之间总体上来讲都是并联的。由并联网路的热网:
△P=S1•V12=S2•V22=S3•V32=…
得并联网路V1:V2:V3:…=1■:   1/■:1/■:…
式中V1、V2、V3分别表示并联段管1、2、3的流量,m3/h;
式中S1、S2、S3分别表示并联段管1、2、3阻力系数,Pa/(m3/h)2。
由上式可知:1、并联管段中各分支管的阻力状况(即阻力系数S值)不变时,网路总流量增加多少倍或减少多少倍,并联管段中各分支管段的流量也相应增加多少倍或减少多少倍。
2、当并联管段中任一分支管段的阻力状况(即阻力系数S值)发生变化时,网路总阻力系数必然随着变化,而且网路总流量在各分支管段中的分配比例也相应地发生变化。
热网的这一水力特性,恰好满足了热网量调节及质和量的综合调节时水流量变化及水流量分配的需要--同一热网上,当室外温度tw变化时,热网总流量及网上各用户流量都按同一比例变化,且总流量在各用户中的流量分配比例不变。
也就是当热网平衡后,网上各用户阀门不再操作,其开度固定不变(阻力系数不变),随着室外温度tw变化,热网总流量再增减变化多少,网上各用户流量也按相同的比例增减变化多少,只要热网总流量满足了总热负荷变化的需要,那么热网上各用户流量也都能满足其各自的需要(假定同一热网上各用户楼室内采暖系统型式相同),而不需要再重新对热网平衡调节、对水流量分配比例重新进行调整。热网始终是平衡的,热网总流量地各用户中的流量分配比例始终保持不变。
五、热网的平衡技术及产品
目前国内热网平衡技术产品主要有以下几种:
1、手动调节阀或普通关断阀门
两产品结构原理相同,皆为单一手动调节孔板,不同的开度对应不同的阻力系数,只是手动调节阀比普通关断阀线性好。调节时,每调节任一用户阀门,由于并联用户间的相互耦合作用,全网总流量、各用户流量及分配比例均发生改变,产生振荡。因此说其调节性能很差,热网很难平衡,但价格低,且无安装条件要求,可应用于一、二级热网,为目前国内热网最广泛采用的平衡控制产品。热网平衡后,各阀门开度固定不变,阻力系数不变,可进行恒定流量的质调节运行,也可进行变流量(含质量并调)调节运行。
2、平衡阀
结构同手动调节阀基本相同,也为单一的手动调节孔板,只是在本阀进出口各有一测压孔。调节时,也存在着各用户间流量的相互耦合作用,但调节时要求边调节边测压,测压数据通过专用的仪器及软件来处理,计算出各阀门的开度,来调节全网各用户阀门。操作复杂,且需专用仪器设备和专业技术人员,故应用不多,安装条件要求不高,可用于一、二级网。热网平衡后,各阀门开度不变,即阻力系数不变,热网可进行恒流量的质调节运行,也可以采用变流量(含质量并调)调节运行。
3、自力式流量控制阀(器)及差压式流量控制阀
  二者结构、原理相近。自力式流量控制阀是由手动孔板、自动孔板、自动调节机构、压力控制(反馈)管路及流量设定刻度标尺等主要部分构成。其原理根据用户设计流量,调整手动孔板开度至流量设定刻度标尺数值,阀前后压差改变时,由压力控制管路反馈压差变化信号到自动调节机构,依靠压差动力使自动调节机构自动调节自动孔板开度,从而维持手动调节孔板前后压差不变,进而达到恒定流量的目的。可避免热网各用户间的相互耦合作用及产生的流量振荡,各用户安装此阀的热网可一次调节即告平衡。具有操作简单、方便、快捷、稳定、可靠的特点;无安装条件要求;价格高于平衡阀;适用于一、二级热网。安此阀的热网平衡后,只能采用恒定流量的质调节运行,而不能采用变流量调节运行(含质量并调调节)。受运行调节方式的限制其推广不普遍,应用普及程度大于平衡阀但远远小于手动调节阀。
4、热网微机控制平衡技术
国内热网微机控制系统从控制策略上划分大体有二种:
一种为热网上各热力站单独控制,换热站根据测出的室外温度tw,调整一次侧的电动调节阀门,以改变流过水一水热交换器的一次侧水流量。从而使二次侧热交换器出口水温tg,达到设定值tgset。从原理上讲,只要给出合理的室外温度tw与二次网供水温度tg之间的关系式,设计好电动调节阀门的调节算法,是能够使用户侧采暖建筑达到要求的。但从整个热网看,由于各换热站与热网皆为并联联接,换热站之间存在相互的耦合作用,某一个站阀门有动作,其余的换热站的电动阀门都将随之动作,总热网及各站将产生较长时间振荡现象,尤其是当外温tw变化较大,热负荷变化较大,而热源调整又不及时的时候,这种振荡会非常严重甚至系统不能工作。因安装条件要求高,造价高,因此只能用于一次网,且由于有上述缺陷,故应用不多。
另一种为热网上各热力站采用均匀性调节,对各个热力站供水阀门的调节是以各个热力站彼此间供热效果相同为目标,实行中央控制,即通过计算机网络将各热力站的现场控制机连在一起,测量出各热力站二次网侧供回水温度,计算全网调均匀后的供回水平均温度值,将此值送到各热力站作为设定值进行具体的调节。这种均匀调节一般不会导致系统振荡。随着室外气温的变化,各换热站热负荷同步升高或降低,各换热站之间热负荷分配比例及水流量分配比例基本不变。因此系统一旦调匀,就基本能够保持。不需随温度变化进行调节,阀门动作不频繁。
此种热网平衡控制系统,需要在室外温度变化时,对热源统一进行调节,可以采用质调节,也可以采用量调节。同样因为安装条件要求高,造价高,而只能用于一次网,因此应用也不广泛,国内热网也只有几例。
5、双功能自力式流量控制阀
从前述的四种热网平衡控制技术及其产品比较来看均匀性调节的热网微机控制系统对热网的平衡控制能力很强,热源可以进行质调节,也可以采用量调节,但造价太高,且只能用于一次网。
而同样具有很强的热网平衡能力的自力式流量控制阀(器)造价同微机系统相比却要便宜得多,且简单,操作、维护也方便、快捷,安装条件不受限制,既可用于一次网也可用于二次网。但采用此种平衡技术的热网只能采用恒定流量的质调节运行,不能采用量调节运行,热网节能潜力没有得到最大程度挖掘。反过来,循环泵采用调速变流量运行调节技术的热网也不能用此产品,因此此产品的应用也受到极大限制。
平衡阀具有热网平衡能力,热网可以采用质调节,也可用量调节。但需要专用仪器设备和专业技术人员来操作,很复杂,不易普及。用手动调节阀及普通阀门平衡控制的热网可以采用质调节,也可采用量调节。但此类阀平衡能力很差,热网很难平衡,也使得运行调节变得不可能。
因此说,国内热网需要一种同时具有自力式流量控制阀和手动调节阀功能的产品。综合两种产品各自的优点,抑制其各自的缺点,使一个好的热网的平衡控制技术与循环泵调速变流量调节运行技术能同时应用于同一热网之中,组成一个稳定、可靠、经济、节能的供热系统。由此本人研制出了双功能自力式流量控制阀--这一热网平衡的新产品(已获得国家专利)。
该产品在保留了自力式流量控制阀的自动调节孔板、自动调节机构、手动调节孔板、压力控制(反馈)管路、流量设定的刻度标尺等全部结构基础上,增加了一套锁闭装置。打开锁闭装置则本阀同自力式流量控制阀功能完全相同--具有恒定流量的功能。关闭锁闭装置,则锁闭了本阀中的自动调节机构,自动调节孔板将不再随本阀前后压差变化而自动调节开度,使本阀变成了一个固定开度的阀门(孔板)-具有变流量的功能。且两种功能切换自如。
本产品在热网的应用中,其功能是分两个阶段实现的。在热网运行初期,这一热网的平衡调节阶段,打开热网上全部的本阀的锁闭装置,本阀按自力式流量控制阀的工作原理进行工作,具有恒定流量的功能。即当本阀手动调节门流量设定后,本阀随其两端压差变化依靠压差动力自动调控自动孔板门开度,维持手动调节孔板门前后压差不变,维持流量恒定;消除热网上各用户间的相互耦合作用;能方便、快捷、可靠、自动地平衡热网流量;可一次调节即告平衡,发挥了自力式流量控制阀在热网平衡控制上的优势。当热网平衡后,关闭热网上全部的本阀的锁闭装置,从而也就锁定了本阀的自动调节孔板开度,使其变成了固定开度的孔板阀门,其通过流量将随两端的压差变化而变化,实现变流量功能;满足了各用户流量随采暖负荷变化而成等比例变化的要求;发挥了变流量调节运行方式的节能优势;克服了采用此调节运行方式的热网原来只能用手动调节阀进行平衡控制,热网难于平衡这一劣势;也克服了原来采用自力式流量控制阀平衡的热网只能按恒定流量的质调节方式运行,热网不能充分节能的劣势。
本阀正好满足了热网在不同时期的不同需要,适应了热网的特性,使一个好的热网平衡控制技术与变流量运行调节技术能有机地结合在一起,取长补短,优势互补,组成了一个稳定、可靠、经济、节能的供热系统。上述两项技术的结合,也相互扩大了其各自的应用范围,使其应用更加广泛。
六、结论
1、从前述分析可以看出,一次网采用量调节、二次网采用供暖系统最佳调节工况-质和量的综合调节,热网运行最为经济节能,既节热又节电,且供热质量最好。
2、双功能自力式流量控制阀具有自力式流量控制阀恒定流量和手动调节阀变流量这双重功能,综合两产品各自的优点,抑制其各自的缺点,使一个好的热网平衡控制技术-自力式流量控制阀技术与一个最为经济节能的热网运行调节技术-循环泵调速变流量运行调节技术能有机的结合在一起,同时应用于同一热网之中,取长补短,优势互补,组成了一个最为稳定、可靠、经济、节能的供热系统。双功能自力式流量控制阀的应用,使热网的量调节(含质和量的综合调节)变得可行。

参考文献

[1]供热工程,哈尔滨建筑工程学院等
[2]北京:中国建筑工业出版社,1985年12月第二版
[3]泵与风机,郭立君,水力电力出版社,1986年12月第一版

 

 
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