综合并优化治理供热系统水力失调

摘要："综合并优化治理供热系统水力失调"是行业"十、五"科研规划中的一个课题。本文叙述供热系统水力失调及其水力失调原因；提出解决水力失调的两种途径，即"附加阻力平衡"和"附加压头平衡"；分析"附加压头平衡"技术的特点和应用的条件；论证综合治理的优点以及进一步研究的问题。
　　
关键词：供热系统 水力失调 阻力 压头 综合治理 优化

 
1、供热系统水力失调

　　1．1、供热系统水力失调是指热水热网各热力站（或热用户）在运行中的实际流量与规定流量的不一致现象。也就是说，热网不能按用户（热力站或热用户）需要的流量（热量）分配给各个用户，导致不同位置的泠热不均的现象。
　　1．2、供热系统水力失调的程度用水力失调度来衡量。水力失调度定义为热力站（或热用户）的实际流量与规定流量的比值，其数学表达式是：

　　　　　　　　　　　　　 X=G/G0

　　式中，X为水力失调度；G为实际流量（m3/h）；G0为规定流量（m3/h）。
　　1．3、水力失调有三种情况：当系统各个用户的水力失调度分别都大于或小于1时，称为一致失调。出现一致失调的情况是各个用户流量都大于，或者都小于规定流量；前者导致采暖房间过热，浪费能源，后者导致采暖房间达不到舒适标准要求，影响人民生活质量。当系统各个用户的水力失调度有的大于1，有的小于1时，称为不一致失调。出现不一致失调的情况是有的用户流量大于规定流量，有的小于规定流量；前者导致采暖房间过热，后者导致房间过泠。当系统各个用户的水力失调度分别都相等时，称为等比失调。出现等比失调的情况是各个用户的流量大于或小于规定流量，其比值是相同的；其导致采暖房间的过热或过泠程度是一样的。可以看出，凡等比失调一定是一致失调，而一致失调不一定是等比失调。
　　要解决水力失调问题首先要了解产生水力失调的原因。
　　
2、供热系统产生水力失调原因

　　2．1、产生水力失调的根本原因： 是由于在该运行状态下热网特性不能在用户需要的流量下实现各用户环路的阻力相等，也就是我们通常所说的阻力不平衡。
　　2．2、产生水力失调的客观原因：产生水力失调的客观原因很多，仅就其主要而言如下几个方面：
　　2．2．1、热网管道规格的离散性使热网设计不可能在不经过人为调节而实现各个用户环路的水力平衡。在热网设计时，一般是满足最不利用户点所必需的资用压头，而其它用户的资用压头都会有不同程度的富裕量。在这种状态下分配各个用户流量，必然产生水力失调。
　　2．2．2、循环水泵选择不当，流量、压头过大或过小，都会使工作点偏离设计状态而导致水力失调。
　　2．2．3、系统中用户的增加或减少，即网路中用户点的变化，要求网路流量重新分配而导致水力失调。
　　2，2，4、系统中用户用热量的增加或减少，即用户流量要求的变化，也要求网路流量重新分配而导致水力失调。
　　2，2，5、目前，绝大多数的用户系统是单管顺序式采暖系统缺少必要的调节设备，用户系统无法调节，也会导致水力失调。
　　
3、解决供热系统水力失调的两种途径

　　3．1、用附加阻力消除用户剩余的资用压头。在系统设计时，热网各个用户环路的阻力实现平衡（相等）实际上是做不到的。循环水泵压头是按照最不利（阻力最大的）环路所消耗的阻力来确定。因而在设计无误时，其它各个环路都存在着或多、或少的剩余压头。这些剩余压头都要在系统正式运行之前通过初调节予以消除，如果不能消除，就会造成水力失调。
　　一般情况下，通过人工调节阀门实现系统阻力平衡是困难的，其原因是：调节过程互相影响，需反复调节，耗费人力和时间多且不说，真正调节得好是很难的；当系统用户或用户负荷变化时，必须重新调节。在用户系统安装完善的自动调节（如温控阀，平衡阀等，实质上是自动改变附加阻力）设备是解决这个问题的一种有效方法。
　　这种在用户系统中安装自动调节设备来消除剩余压头，使得各个环路实现阻力平衡的措施，可以称为"附加阻力平衡"技术。它的特点是循环水泵具有足够的流量和扬程，可以减少过热部分用户的热量浪费，获得节能效果。
　　3．2、用附加压头提高用户不足的资用压头。当系统循环水泵实际扬程不够时，采取附加阻力的方法来调节系统的阻力平衡是做不到的，除非先更换水泵或部分管道规格。吉林省吉林市热力公司在1999年分析认为，系统末端一些用户不热是循环流量不够，其实质是入口供回水压差不够。于是，试验在效果欠佳的用户系统入口安装格兰富水泵（上海）有限公司生产的具有三挡变速的低扬程、小流量的水泵，提高用户系统的压头。经过二年运行，用户满意，公司赢利，说明技术可行。2000年又在莲花站的四个末端用户安装了加压泵。由于大大改善了供暖效果，用户内室温都超标准值，使平均收费率从2000年的68。52%提高到86。29%，公司当年就获利6万多元。
　　这种在用户系统人口安装不同规格的小水泵来补足资用压头的欠缺部分，使各个环路实现阻力平衡的措施，可以称为"附加压头平衡"技术。它的特点是除了具有"附加阻力平衡"技术所能获得的节能效果外，水泵电耗将降低（下面将论述），节能效果更显著。
　　3．3、应用"附加压头平衡"技术的条件已具备。在系统中某些用户安装加压水泵并不是新技术，过去已有实施，但经常有人告诉我们：用户安装加压水泵存在"抢水"问题，也就是说，安装加压水泵的用户循环水流量增加了，效果变好了；而其前面的没有安装加压水泵用户的循环水流量却明显少了，效果则变坏了。的经验确实如此，论其原因是当时的设备条件不具备，即选择不到低扬程的小水泵，造成附加压头过大，使前面用户相对地减少了资用压头；因此，在没有实施有效调节的情况下就会导致前面用户失调。
　　现在的条件变了，不但有小流量、小扬程、低噪音、免维护水泵，而且还有相应的三挡变速水泵、带变频的可自动调节（流量、温度、压力、压差）的无级变速水泵，有足够多的流量和扬程组合的水泵系列可供选择。只要设计合理，水泵选择正确，初运行时作必要的调整，完全可以避免过去曾出现过的"抢水"问题。例如，吉林莲花站的1#和6#楼同处一支线末端，供热面积接近，分支管路长度不同，安装同一型号水泵；初运行时曾发生"抢水"现象。但通过微调管道泵两侧的阀门，很快就把问题化解。
　　
4、应用"附加压头平衡"技术解决水力失调的优点

　　4．1、不必改动原来的集中供热系统，改造工程量少，投资小。大家知道，在系统末端用户安装加压水泵，旨在提高系统压头，其实质是在管路上增加一个负阻力。因而只要在原管路系统和循环水泵基础上统筹规划，合理设置抹端用户水泵。在一般情况下是可以不必改动原来的集中供热系统而做到各用户环路阻力平衡，解决水力失调。这样做，改造工程量少，投资较小。
　　4．2、节省电耗。大家也清楚地知道，水泵的电耗与流量和扬程之积成正比，与水泵效率成反比。当用附加阻力平衡技术措施时，系统主循环泵的流量是各用户系统流量的总和，当其扬程要满足整个系统阻力要求时，就必须克服最不利用户环路的阻力，即最大的阻力。如果主循环水泵的扬程不够，表现是有些用户资用压头不够。若采用附加压头技术措施，在用户安装合适的加压水泵来补足欠缺的扬程，而它们所在用户的流量与扬程之积的总和却比主循环水泵处的流量与扬程之积小得多。因此，一般地说，应用附加压头平衡技术措施的水泵总电耗要比应用附加阻力平衡技术措施的水泵总电耗少。但是，因为小水泵的效率通常小于大水泵的效率，所以具体节省电耗的数量还取决于安装水泵用户的数量、位置和选择水泵的效率。
　　4．3、举例：某热力站负担八个用户的采暖用热。热力站循环水泵流量240m3/h，扬程250Kpa（25m水柱），站内阻力120Kpa（12m水柱）；用户系统要求循环水量30m3/h，内部阻力5Kpa（5m水柱）。经多次调整，系统后端用户达不到要求的效果。

　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　供热网水力表　　　　 表1

　　分析：对系统进行校核计算，数据列于表1。计算结果，热网阻力122.6Kpa。系统总阻力为120+122.6+50=292.6Kpa。说明该系统后端效果不好的原因是水泵扬程不够。各个用户资用压头和剩余压头数值见表1的后两列。
　　改善措施：从表1可以看到，6，7，8三个用户资用压头不够。解决办法有二种方案，一是更换热力站循环水泵，用不小于300Kpa扬程的水泵取代原来250Kpa扬程的水泵。二是在资用压头不够的用户，即7，8用户(6用户资用压头差的很少，可不考虑)系统分别安装不同附加压头的小水泵。显然，第二种方案投资少（按厂家报价，约为更换循环水泵的10%），水泵电耗比第一方案减少10%（按水泵运行工作点，热力站循环水泵效率取80%，7用户小水泵效率取46%，8用户小水泵效率取52%）。

5、综合并优化治理系统水力失调的优点

　　5．1、综合治理系统水力失调的原则：所谓综合治理是指在处理系统水力失调时，应根据系统的实际情况同时/单独应用附加阻力技术和/或附加压头技术和/或更换设备（包括管道和附件）等措施，以使技术和实现最佳化。这个原则，既可以应用于旧系统的改造，也可以应用于新系统的设计。
　　5．2、旧系统改造时，应对系统进行校核性水力。旧系统是指当前运行的系统，其管道，设备和附件等一般都已齐全；型号，规格，性能均已确定。为准确诊断系统存在的问题和位置，首先应对现实的热网进行校核性水力计算，绘出水压图，然后根据计算数据和水压图分析问题的原因，最后才能提出行之有效和经济效益好的技术措施。第5。3节的举例已经说明，不再复述。
　　5．3、新系统设计时，应优化循环水泵和附加压头水泵的配置和选择。如果在第5，3节的例子是新设计的热网，那么，热力站的循环水泵和用户的加压水泵设置可以有多个方案比较和选择，见表2。

　　　　　　　热力站的循环水泵和用户加压水泵扬程（Kpa）配置方案　　　　 表2

　　热力站的循环水泵和用户加压水泵扬程（Kpa）配置方案不同，系统中水泵总电耗不同，表3列出各方案所配置水泵的总电耗比较（第1方案为100%）。从表3中可看到，第1方案，即没有设置用户加压水泵的总耗电量最大，而设置用户加压水泵的方案，其总耗电量都有不同程度的减少，并且以第4方案的总耗电量为最少。

　　　　　　　　　　　　　　各方案所配置水泵的总电耗比较表 　　　　表3

　　　说明：热力站循环水泵效率取0.8，用户加压水泵取0.45 - 0.55。

6．课题需要进一步研究的问题

　　 上面所述是本课题技术的基本原理，应用方法和实施条件。而本课题的核心是应用最优化技术，需要进一步研究如下的问题：
　　6．1、综合治理方案选择的准则：上面已经提到，解决系统水力失调有多种既可以单独实施，又可以联合实施的技术可行的措施，因而在实施前必须对各种技术可行的方案进行技术经济论证，比较投入和产出，选择最佳方案实施。例如，本文中所举的例子就有几种可行的技术措施，其中有：更换热力站循环水泵后采用附加阻力平衡技术措施消除用户的剩余压头：保留热力站原来循环水泵，采用附加压头平衡技术在用户7或8处设置加压水泵，采用附加阻力平衡技术措施消除前端的部分用户的剩余压头；按水泵总电耗最少配置热力站循环水泵和用户加压水泵，即按照表2中的第4方案配置（热力站循环泵，用户6、7、8加压泵），采用附加阻力平衡技术措施消除前端的部分用户剩余压头。那么，应该采用哪一种？必须研究最优方案的技术经济分析方法、选择准则和指标。
　　6．2、最佳配置的设备：供热系统中水泵配置的优化，包括循环水泵、中继泵和终端加压泵的最佳设置和参数配合，使之系统的运行电耗成本最低。这就需要生产厂家配合研究和生产适合本系统模式要求的具有高效率的水泵系列，如集水泵、变速和控制（压力、压差或温度）的高效节能水泵系列。
　　6．3、建设试验点：按照课题的设想，建设几个有一定规模的不同类型的试验点。通过实际运行和跟踪实测，运行经验和分析数据，以便整理出理论和实际结合的研究成果。