工程說(shuō)明

1. 概述

榮成市直供熱水管網(wǎng)以熱電廠為熱源，總供熱面積達(dá)70余萬(wàn)平米。熱水網(wǎng)供熱型式為直連供熱，共有大大小小建筑物約3000多個(gè)。主干線可分為東線、中線和西線，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
平面圖如圖1所示：

實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)表明，該直供水網(wǎng)的特性如下：

1） 建筑物數(shù)量多，管網(wǎng)調(diào)節(jié)難度極大

雖然熱水網(wǎng)總供熱面積只有70萬(wàn)平米，但直供水網(wǎng)中建筑物總個(gè)數(shù)即達(dá)3000多個(gè)，建筑物入口數(shù)量更多，運(yùn)行中需要調(diào)節(jié)的閥門(mén)眾多，加之熱網(wǎng)大慣性、大耦合、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，使得管網(wǎng)調(diào)節(jié)難度很大，技術(shù)含量要求高，管理也較為困難。

2） 部分管道管徑不合理，導(dǎo)致閥門(mén)調(diào)節(jié)性能差

由于歷史形成、供熱負(fù)荷發(fā)展與規(guī)劃預(yù)期發(fā)生偏差等各種因素，管網(wǎng)中部分管道管徑并不合理。管道管徑偏大的閥門(mén)，即使閥門(mén)關(guān)閉到很小，甚至引起水流的哨叫聲，仍然無(wú)法將流量限制到預(yù)期值。而當(dāng)部分水流動(dòng)的不利區(qū)域中存在管徑較小的情況時(shí)，即使做出很大努力進(jìn)行調(diào)節(jié)，仍然無(wú)法將流量增到預(yù)期值。

3） 散熱器換熱性能欠佳，管網(wǎng)供回水溫差小、流量大

該直供水網(wǎng)由蒸汽管網(wǎng)逐年改造形成，建筑物中的散熱器采用的蒸汽散熱器在熱水管網(wǎng)中散熱性能欠佳，須采用大流量的運(yùn)行方式方能有效緩解建筑物中垂直失調(diào)現(xiàn)象。

2. 問(wèn)題的提出

由于管網(wǎng)實(shí)際情況復(fù)雜、建筑物數(shù)量眾多，這給管網(wǎng)的運(yùn)行帶來(lái)了很大的難度。運(yùn)行人員采用分級(jí)調(diào)節(jié)壓力的方法進(jìn)行管網(wǎng)調(diào)節(jié)，將管網(wǎng)上閥門(mén)分為五級(jí)：

1） 一級(jí)閥門(mén)（首站總供回水閥門(mén)）

2） 二級(jí)閥門(mén)（主干線供回水閥門(mén)）

3） 三級(jí)閥門(mén)（支干線供回水閥門(mén)）

4） 四級(jí)閥門(mén)（小區(qū)入口閥門(mén)）

5） 五級(jí)閥門(mén)（建筑入口閥門(mén)）

近五年來(lái)，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括供熱面積、各級(jí)管道管徑均未發(fā)生較大的變化，故運(yùn)行人員根據(jù)多年來(lái)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，給出了一級(jí)至三級(jí)閥門(mén)（約50余個(gè)）的前后壓力，每當(dāng)供熱初調(diào)節(jié)時(shí)，先調(diào)節(jié)這些閥門(mén)使其閥后壓力達(dá)預(yù)期值，后根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況和用戶投訴量細(xì)調(diào)四級(jí)、五級(jí)閥門(mén)。當(dāng)四級(jí)、五級(jí)閥門(mén)調(diào)節(jié)無(wú)法解決供熱不熱問(wèn)題時(shí)，再逐次提升閥門(mén)調(diào)節(jié)的級(jí)數(shù)。

這種運(yùn)行調(diào)節(jié)方式雖是一種實(shí)際可操作、相對(duì)較為簡(jiǎn)單的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式，但在實(shí)際運(yùn)行中也凸顯了如下幾個(gè)弊端：

1） 水平失調(diào)和垂直失調(diào)現(xiàn)象仍較為普遍

熱網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)沒(méi)有完全到位，近端回水溫度高、溫差小而過(guò)熱，遠(yuǎn)端回水溫度低、溫差大而較冷，且垂直失調(diào)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，直供水網(wǎng)管網(wǎng)水平失調(diào)度約為18%，水平失調(diào)較為嚴(yán)重，而位于管網(wǎng)遠(yuǎn)端的建筑物由于流量不足，垂直失調(diào)的情況也較為嚴(yán)重。［1］

2） 限制了供熱管網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展

當(dāng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化時(shí)，如供熱面積大幅度增長(zhǎng)、主干線或支干線管徑變化時(shí)，運(yùn)行人員所摸索的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值將不再適用于新的管網(wǎng)，加之熱電聯(lián)產(chǎn)的熱源供熱量并不充足，管網(wǎng)水平和垂直失調(diào)的現(xiàn)象仍較為嚴(yán)重，這些因素均成為熱力公司擴(kuò)大直供水網(wǎng)供熱面積、促進(jìn)供熱管網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

3. 微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

追求熱力工況穩(wěn)定，既不發(fā)生水平失調(diào)，也不出現(xiàn)垂直失調(diào)，使得各供熱房間室溫均勻一致，是供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的重要目標(biāo)。在集中供熱管網(wǎng)中增設(shè)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)施熱網(wǎng)均勻性調(diào)節(jié)控制方法已成為解決管網(wǎng)水平失調(diào)、節(jié)約一次能源的有效方法，通過(guò)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可將管網(wǎng)水平失調(diào)度降低到5%以內(nèi)，節(jié)能率可達(dá)10%以上。目前在間連水網(wǎng)中增設(shè)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，但在直供水網(wǎng)中有效建立微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)自動(dòng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的工程案例并不多。

在間供管網(wǎng)中，通過(guò)換熱站將集中供熱系統(tǒng)劃分為一次網(wǎng)和二次網(wǎng)系統(tǒng)，一次網(wǎng)和二次網(wǎng)在水力工況上相互獨(dú)立［2］。微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)則通過(guò)熱力站一次網(wǎng)供回水管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)各熱力站供熱效果基本相同來(lái)保持熱力基本平衡。

在直供管網(wǎng)中，可借鑒間供水網(wǎng)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的思路，通過(guò)建立直供站的方法將系統(tǒng)劃分為若干供熱區(qū)，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制保持各供熱區(qū)之間供熱效果基本相同。但如下幾個(gè)問(wèn)題需進(jìn)行重點(diǎn)考慮：

1） 系統(tǒng)基本控制方案問(wèn)題；

2） 直供站數(shù)量、選址和建設(shè)問(wèn)題

3） 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選型問(wèn)題

本文結(jié)合以上三個(gè)問(wèn)題，簡(jiǎn)單分析了直供管網(wǎng)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)。

3.1  均勻性調(diào)節(jié)的基本控制方案和調(diào)節(jié)方法

由于熱網(wǎng)從整體上屬于大慣性、長(zhǎng)時(shí)滯、非線性，且存在耦合的多輸入－多輸出系統(tǒng)?；谝延械目刂品椒?，直接實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)的單回路死循環(huán)控制是十分困難的［3］。對(duì)于榮成市集中供熱系統(tǒng)的管理模式，在近期采用按面積收費(fèi)時(shí)熱網(wǎng)應(yīng)采用均勻性調(diào)節(jié)。由穩(wěn)態(tài)下的熱平衡方程可以得到，散熱器向房間傳熱應(yīng)與房間向室外的傳熱量相同，由此可知測(cè)各直供監(jiān)控站點(diǎn)供回水平均溫度基本上反映了該直供監(jiān)控站點(diǎn)所負(fù)責(zé)建筑的平均室溫，如果將各個(gè)直供監(jiān)控站點(diǎn)的供回水平均溫度調(diào)為一致，則可以近似認(rèn)為采暖房間的室溫是彼此均勻的。可保證各直供監(jiān)控站點(diǎn)間的均勻供熱，避免由于冷熱不均、為了保證偏冷用戶達(dá)到要求而造成過(guò)熱用戶的浪費(fèi)。

這種均勻調(diào)節(jié)一般不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。由于各直供監(jiān)控站點(diǎn)所帶的供熱面積不會(huì)經(jīng)常改變，并且各建筑物的負(fù)荷主要由外溫所決定，因此隨外溫變化各直供監(jiān)控站點(diǎn)的熱負(fù)荷同步升高或降低，各直供監(jiān)控站點(diǎn)間熱負(fù)荷之比基本不變。因此，系統(tǒng)一旦調(diào)節(jié)均勻，就基本能夠保持，不需要隨溫度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行［4］。

隨著外溫的變化，為保證供熱效果，熱源需統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)節(jié)，這時(shí)可以隨外溫降低而升高供水溫度，也可提高總的循環(huán)流量。無(wú)論采用哪種方式，都是全面地升高或降低各直供監(jiān)控站點(diǎn)的采暖效果，不會(huì)改變其均勻性。只有當(dāng)個(gè)別直供監(jiān)控站點(diǎn)后管網(wǎng)發(fā)生變化，新增添或關(guān)閉一些用戶，庭院管網(wǎng)做某種調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換等，才需要對(duì)相應(yīng)直供監(jiān)控站點(diǎn)及相鄰幾個(gè)直供監(jiān)控站點(diǎn)的供水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。均勻性調(diào)節(jié)可將熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)與熱源的調(diào)節(jié)分為兩個(gè)獨(dú)立環(huán)節(jié)分別單獨(dú)進(jìn)行，相互之間基本互不干擾。

3.2  直供站的數(shù)量和選址

在直供水網(wǎng)中，最理想的控制系統(tǒng)是在每個(gè)建筑入口設(shè)置控制子站，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)所有建筑之間的基本熱力平衡，系統(tǒng)的節(jié)能效果最好，同時(shí)可完全取代的運(yùn)行人員的日常調(diào)節(jié)工作，但由此帶來(lái)的問(wèn)題是投資過(guò)大，對(duì)榮成直供水網(wǎng)也存在著同樣的問(wèn)題。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，初投資、節(jié)能效果均隨直供站數(shù)量的增加而增加，但系統(tǒng)靜態(tài)投資回收年限則隨直供站數(shù)量的增加而有先下降后上升的過(guò)程。如下圖所示：

如圖中所示，在直供站數(shù)量約為20－30個(gè)時(shí)，系統(tǒng)靜態(tài)投資回收年限最小，而在工程實(shí)際中，微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的直供站數(shù)量最終選為28個(gè)。各直供站的供熱面積大于1萬(wàn)平米，小于5萬(wàn)平米。如此各直供站內(nèi)建筑數(shù)量在5－15個(gè)左右，減少了直供站內(nèi)運(yùn)行人員的調(diào)節(jié)工作量。部分直供站選址圖如圖4所示。

3.3  直供站的建設(shè)

為實(shí)施管網(wǎng)監(jiān)控工程，需在管道地面上或者閥門(mén)井半地面上建設(shè)直供站，該直供站要求能容納電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、控制柜體、壓力、溫度等傳感器和變送器，并能比較方便進(jìn)行設(shè)備安裝和檢修，并具備一定的防水、防塵和防盜的能力，考慮榮成集中供熱的實(shí)際情況，采用了柜體形式。

3.4  電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選擇

在集中供熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是最重要的設(shè)備之一，由它們來(lái)控制各直供站的溫度，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選型不僅會(huì)影響系統(tǒng)的投資，而且還會(huì)影響控制效果。在選擇調(diào)節(jié)閥口徑時(shí)須考慮讓電動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作在其調(diào)節(jié)性能較好的開(kāi)度范圍內(nèi)，同時(shí)保證閥門(mén)不發(fā)生水擊或氣蝕。根據(jù)供熱系統(tǒng)的管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流量進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算出各環(huán)路的剩余資用壓頭，從剩余資用壓頭中減去站內(nèi)預(yù)留資用壓頭，余下的剩余資用壓頭即為需用閥門(mén)消耗掉壓頭。根據(jù)此原則可得出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥口徑表如表1所示。

從表中可看出，絕大部分直供站電動(dòng)調(diào)節(jié)閥縮徑很大，最多的從250縮至65，但也有個(gè)別站采用與管道同管徑的調(diào)節(jié)閥。如此通過(guò)水力計(jì)算選出的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥既有效減少了投資，同時(shí)保證了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作在其調(diào)節(jié)性能較好的開(kāi)度范圍內(nèi)進(jìn)行可靠的工作。

4. 實(shí)際運(yùn)行效果

對(duì)于城市集中供熱系統(tǒng)通過(guò)采用微機(jī)監(jiān)控、調(diào)度系統(tǒng)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地控制和調(diào)節(jié)熱網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，在滿足熱網(wǎng)中各用戶的室內(nèi)溫度18±2℃的前提下，達(dá)到最大限度的節(jié)能效果，提高供熱系統(tǒng)的供熱能力，減少污染物的排放。

在微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)投入運(yùn)行后，通過(guò)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)了最合理、最及時(shí)的調(diào)節(jié)，從而避免了人工調(diào)節(jié)在時(shí)間上的滯后性和對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性。在通過(guò)采用微機(jī)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各直供站的熱力工況平衡后，獲得了15%的擴(kuò)供能力，消除了大部分低溫不熱戶；通過(guò)實(shí)現(xiàn)熱源的氣溫補(bǔ)償調(diào)節(jié)節(jié)能15%以上。

5. 小結(jié)

本文結(jié)合榮成直供水網(wǎng)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工程實(shí)例，介紹了直供管網(wǎng)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制方案、直供站的選址和建設(shè)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選型計(jì)算中的特點(diǎn)，并列舉了該工程實(shí)例所取得的節(jié)能效果.

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