直供混输供热系统的稳态运行

【摘 要】直供混输供热系统流程简单、操作方便、换热效率高、维护费用低，但调节难度大，系统经常处于不稳定状态，本文从几个方面给出了解决问题的办法，探讨其“稳态”运行的途径。
【关键词】直供混输 “稳态”运行 调节阀 平衡阀

近几年，由于“低碳经济”的提出，供热节能形式日趋严峻，集中供热直供混输系统又受到人们的青睐，但由于其固有的不足，应用范围受到了限制。随着工业控制技术在民用领域的应用，直供混输供热系统存在的问题可以通过自控手段加以解决，实现“稳态”运行。
1、直供混输供热系统稳态运行的提出
1.1 什么是直供混输供热系统
热力站是集中供热网络向热用户供热的场所，起着调节共享热用户的热媒参数、热能转换和计量的作用。热力站按照热交换方式（或一级网与二级网连接方式）不同分两种，一种是间接换热站，一级网通过换热器与二级网间接连接；一种是直供混输站，一级热网通过混水器、混水泵等与二级热网直接连接。直供混输系统基本形式（见图1）：一级网供水与二级网回水混合降温后，经水泵加压输送至二级供水管网，由二级供水管网将热量输送致热用户，二级网回水一部分经水泵加压后与一级网供水混合，另一部分输送回热源厂。直供混输供热系统在传质的同时实现传热，换热是通过传质来实现的，没有传质就没有传热。
1.2 直供混输供热系统的优点：
直供混输系统优点：直接混水换热，换热效率高，热损失小；一级网回水温度低，沿程热损失小；可利用热源厂一级网供水压力向用户供热，减少动力输出，耗电少；工艺流程简单，操作步骤少，设备及设备种类少，建设投资少。
1.3 影响直供混输供热系统的不足：
一次网与二次网互相影响问题
一级网与二级网直接相连，整个系统中任何部位任何一项参数变化都会波及网上所有系统，系统运行稳定性差，经常会出现系统超压或倒空现象，使系统处于不稳定状态，为保持系统稳定，需人为增加调节频次（见图2）。
a、当电厂供水压力Pg升高时，系统阻力不变情况下，水泵吸入口压力Pg1、Pg2、Pg3、Pg4升高，同时水泵出口压力Ph1、Ph2、Ph3、Ph4升高，引起热用户供水压力升高，当超出散热器等设备承压能力时，引起爆片。反之，当电厂供水压力降低时，极易引起资用压头不足，系统倒空不热。
b、当一级网流量F1增加时，二级网流量也相应增加，大流量运行，电能消耗大。反之，流量降低，末端流量不足，引起不热。
c、当一个热力站进行调解时，如热力站1增加流量时（如系统失水或面积增加，需要增加流量），一级网流量不变情况下，其它站流量必然减少。而如热力站1减少流量时（如系统检修关闭支线阀），一级网流量不变情况下，其它站流量必然增加。
d、当一个热力站突然停电，一级网回水会突然回座至各个热力站，通过热力站将压力传至用户，由于其压力较高，会与供水形成撞击，造成爆片。
小周期温度调解问题
某热源或某热力站流量、压力参数有较大变化时，其他热力站参数会明显波动，所以在调一个热力站时，其他站也必须随之循环调整，这就使调平衡的时间过长，手动很难适时根据天气变化按需调节。而整个取暖季是一天天缓慢变冷又逐渐转暖的平稳降温和升温过程。在166天的取暖季里，每天的平均温度变化基本小于1℃。而每天气温的变化则高达10℃左右（严寒地区更大些）。抓住以往被经常忽视的小周期，根据昼夜温差变化调解供热温度是非常必要的。相比较而言，由初寒、严寒、末寒构成的大周期，相对于每一天的供热，节能潜力反而处于次要位置。供暖期的大部分时间段，环境平均气温变化是不大的，因此一个取暖季可看作由多个相邻稳定的天气区间和突发的寒、暖流区间组成。粗调的供热方式是：在连续多天气温变化不大时，以每天的夜间低气温为需求，数天恒定供热。尤其在热网不平衡情况下，热源被迫升温，由此又叠加了一块供热增幅，这种“漫灌”方式，必将造成大量的能源浪费。
垂直与水平失调问题
供热不平衡、水力失调是供暖系统固有的特性，混输系统的失调尤为严重，尤其是规模大的热力站，首段流量过大、过热，末端资用压头不足、不热现象严重。
街区水锤问题
如果热源线半径长，一级回水压力会很高，停电等故障停回水泵时，存在倒流水锤的安全风险；会出现超压爆片现象，给用户造成损失。
1.4 “稳态”运行的提出
“稳态”运行是相对于不稳定运行状态而提出的概念，是指系统参数由波动被稳定的过程，对于直供混输供热系统而言，就是利用自动控制手段消除其不稳定因素的过程。
2、直供混输供热系统稳态运行的方法
随着生产技术不断发展，供热设备越来越先进，控制手段也越来越先进，直供混输供热系统存在的问题完全能够通过自控手段得到解决，实现自动化稳态运行，弥补系统先天的不足，充分发挥其间供系统不可代替的优势，满足供热企业节能降耗的愿望。
2.1 一次网与二次网互相影响控制策略
控制理念：采用定流量质调节的自控调节方式，恒定二次网流量，这样，无论一级网流量压力如何波动，二级管网都不受影响，系统运行稳定性提高。
控制策略：见图3，水泵电机安装变频器，利用变频器适时调节二次网供回水压力，使其差值恒定。
控制原理：给定二级网供回水压力（即供水泵出口、回水泵入口压力），由街区循环泵定压控制装置（变频控制系统）完成循环泵出口定压控制，当循环泵出口压力测量值偏离给定值时，循环泵定压控制装置发出调节信号改变变频器转速自动进行定压控制，从而固定供回水压力差，同时恒定流量。完成质调节的恒流量控制。
安全保障：可在泵出口安装电磁式泄压装置，当水泵出口压力高于上限值时，泄压电磁阀自动开启泄压，保证系统安全运行。
2.2 小周期控制策略
控制理念：根据气温变化，适时自动调节二级网供水温度。
控制策略：安装温控系统，利用电动调节阀自动调节二级网供水温度，实现适时调温。
控制原理：温控系统实时采集室外温度，plc系统计算出对应供水温度需求值，并将控制指令发给电动阀，电动调节阀接受实时的供水温度信号后，通过改变其开度，改变一级网流量，调节二级网供水温度，实现精细化调节，真正做到按需供热。
某大型企业控制图如图4。
2.3 垂直与水平失控制策略
控制理念：降低首端用户资用压头，减少流量，增加末端用户流量。
控制对策：在管网截断井、进户井内配置比较先进的调节设备，解决管网阻力平衡问题，如利用自立式流量/压差控制器也称换向阀解决失调问题。
目前国内供热行业在管网上应用的主要有自力式流量控制器、自力式差压控制器、自力式流量/差压控制器三种调节装置。其中自力式流量控制器是利用液体自身能量自动保持设定流量恒定的阀门，适用于管网定流量系统；自力式差压控制器是利用液体自身能量自动保持设定压差恒定的阀门，适用于管网变流量系统；自力式流量/差压控制器兼备上述二种阀门功能。目前这些控制阀在国内部分供热区域应用，应用效果较好，基本上解决了管网的水力失调问题，改善了系统的水力工况。
实例：某大型企业街区供热管网采用定流量质调节运行方式，考虑今后供热用户将逐步实行热计量收费，管网的运行方式也逐步由定流量系统转变为变流量系统运行，为适应这种发展趋势，选用了自力式流量/差压控制器，该产品装有一个换向阀，用户可根据自己的需要调节换向阀，使流量和差压控制功能互相转换。
控制原理：在作为自力式流量控制器使用时，根据调节阀水力特性方程：ΔP=KVS*G2，其中：
ΔP——为控制器手动孔板前后压差；
KVS——手动孔板的流量系数；
G——供暖设定的流量。
从该公式中可知，当所需流量一定时（即通过手动扳手在控制器流量刻度线上确定所需流量），KVS也是一个定值（手动孔板开度不变），则ΔP保持不变。当系统管道上压力发生变化时，使通过控制器流量发生变化时，自动可调孔板通过膜片和片动装置的联动自调作用使ΔP恢复到原来状态，从而保证设定的流量恒定。
2.4 街区水锤控制策略
在热力站一级回水管道上加装回水压力自动调节装置，如电动调节阀，当电厂压力波动时，通过电动调节阀调节电厂回水管道压力保证街区管网压力稳定，并始终不高于用户散热器的承压能力，防止水倒流造成水锤，确保系统安全稳定运行。
3、结语
3.1 某大型企业通过对直供混输系统的系列改造，实现了“稳态”运行与节能，热耗由0.58吉焦/平方米降到0.50吉焦/平方米，节能效果显著。
3.2 直供混输供热系统可能存在的一次网与二次网互相影响问题，街区供水垂直与水平失调问题，街区供水流量、压力、温度调整困难问题可以通过自动控制手段加以解决，并可实现远程控制及无人值守。
3.3 本文探索的一些直供混输供热问题，是某大型企业自管住宅供热系统改造的应用总结，对供热企业具有普遍指导意义。