热力管网水力失调的解决方案

解决热力管网水力失调，实现节能增效一、 概况望京新城是北京市现有规划中最大的生活社区，北京城市开发集团在此建设了多处住宅小区。花家地供热厂隶属于城市开发集团的子公司望京实业总公司，担负着望京实业总公司所接物业的供暖工作，是北京市大型集中供热锅炉房之一。花家地供热厂设计供热面积220万平方米，目前供热面积188万平方米，现有换热站16个，最大供热半径2.5公里，属于间供式集中供热，采用定流量、质调节运行方式。近几年，由于供热面积的迅速增加，供热厂的锅炉和一次热力管线都进行了增容改造。一次管线不断延长，与早期设计的管网分布出入较大，使得现有一次管网水力失调比较严重，造成了能源的大量浪费。供热厂是耗能大户，每年消耗煤5万吨左右，电500多万度，水10万吨左右。因此，节能降耗成为我厂一个常抓不懈的主题。一次管网的平衡问题是节能降耗的一个重要环节，它能间接影响煤、水、电的消耗，应引起供热单位的足够重视。我厂于2001年对一次管网进行了改造，基本解决了水力失调的问题，取得了良好的经济效益和社会效益。二、 设备和管网现状1、 热源：6台29MW燃煤热水锅炉，额定供、回水温度150/90，额定压力1.6Mpa。2、 循环水泵4台：参数见表1-1 表1-1循 环 水 泵 参 数台 数G=1000 m3/h，H=72m，N=315kw2G=600 m3/h， H=72m，N=185kw2 3、 一次管网分布情况：见附图1-1三、 一次管网平衡问题的现状和分析每年的供热初期对热力管网水平衡的调节是一项很重要的工作。通过对我厂管网平衡的调节，我发现了调节工作中的几个难点：各热力站没有装流量计，无法确定各热力站的流量，只能依据供、回水温度差做大约的估计。各热力站一次水进、出口阀门为闸阀或蝶阀，这两种阀门主要是起关断作用，用来调节流量很困难，也没有其它调节流量的设备。管网的调节是触一点而动全身，当一个站点的流量被改变时，其它站点均会有所变化，这使调节工作难上加难。供暖初期，由于所需热量较少，管网失调还不明显，但到了严寒期，管网失调已显得十分突出，远端的热力站明显供热能力不足，甚至远端热力站的一次供水温度已接近近端的一次回水温度，造成远端用户裹棉被近端用户开窗户。经过我们多次调节，在近端热力站一次水阀门将要关死的情况下，远端的阀门全开仍然不见效果。为了保证居民的采暖，我们只好多开一台泵，甚至多运行一台锅炉，才能勉强维持远端用户的采暖需求。这样做，一方面以巨大的能源浪费为代价换取微小的供热成果，另一方面加剧了管网的水力失调。下面是对这种情况的简单分析：对于变动水力工况分析，一般有三种方法：解方程的计算法，作图法，定性分析法。因为这个管网比较复杂，计算法和作图法都有一定难度，所以这里采用定性分析法来进行分析。我厂管网采用变频补水定压，定压点为0.35MPa，运行时以两台大泵为主，两台小泵作为备用和调峰。为了分析方便，我们先将热力站个数减少为5个以简化管网，由于是定性分析，这并不影响分析结果。当管网远端流量不足时，采取增加一台600m3/h水泵来弥补远端流量不足的方法。在管网阻力特性不变的情况下，水泵由2台增加为3台，其水泵综合特性曲线如图1-2所示。由图可知，并联水泵增加一台，水泵综合特性曲线由2变为3，工作点由A变为B，总流量由GA增加到GB，扬程由HA上升到HB，即管网的资用压头H增大，总流量G增大。此时管网水压变化如图1-3所示，虚线为变化前的图形，实线为变化后的图形。因为流量G增大，管网压力损失也增大，所以动水压线斜率较原水压线陡。以下为分析的两点结论：（1）由图1-3可以看出，增加一台水泵后，各热力站的资用压头都有所增加，并且有以下的关系：H1-H1H2-H2H3-H3H4-H4H5-H5 （1-1）根据上式可以看出，各热力站资用压头的变化，依热力站从近到远的顺序逐级递减，反映到末端热力站时已十分微弱，而近端则增加的较为明显。（2）根据流体在管道中压力损失的基本计算公式：H = S G2 (mH2O) （1-2）其中： H单位的管段压降 S管段的阻力特性系数，单位为 Pa/(m3,h-1)2 G管段的体积流量，单位为 m3/h可知：H1 = S1 G12 H2 = S2 G22 H3 = S3 G32 H4 = S4 G42 H5 = S5 G52 当阻力特性系数S1、S2、S3、S4、S5均未改变时，各热力站流量G与进出口压力差H的平方根成正比。综合以上两点结论可以看出，增加水泵后，各热力站的一次水流量均增加，增量由近端向远端依次减少。结果是增加的水量绝大部分到了不需增加水量的地方，只有小部分水量到了需要补足的地方。这样就造成了水力失调的进一步恶化，同时也大大增加了能源损失。经过以上分析，我们可以看出，对于一个较大的热力管网，在阻力特性调节无效的情况下，增加水泵来弥补流量不足，将会事倍功半。往往这样还达不到要求，同时还要提高介质温度，在锅炉满负荷时，就必须增加锅炉运行台数，这样就加重了锅炉系统和管网系统的负担。能源和设备对于我们都是宝贵的，这种现状必须改变。四、 管网改造热力管网的改造势在必行，根据公式1-2可知，改变流量G可通过改变H和S来实现。一种方法是在S不变的情况下改变H，即管网不改动只改造水泵。这个方案是不经济的，也不能从根本上改变管网水力失调。另一种方法，H不变只改变S。对于一定的管网，阻力特性系数S与管网的管径、长度、布置形式及阀门开度有关。通过改变管网管径、长度和布置形式来改变S，在施工和经济两方面都是很困难的事，只有通过阀门调节是一个比较可行的方案。现有各热力站的一次水阀门肯定不能满足调节流量的要求，必须加装定流量控制装置。定流量控制装置分为两大类。一类是平衡阀（静态），平衡阀是阻力系数可以手动改变的元件，只进行初次调节，运行中不能自动调节，因此也叫静态平衡阀。静态平衡阀在应用中存在着一些弊端，如：系统增加新用户时，需要重新调整；管网系统工况发生变化时，流量也随之发生变化；有些平衡阀的线性不好，造成流量控制不准。因此，静态平衡阀应用在较大管网中不是很理想。另一类是流量控制阀（或称动态平衡阀，自力式平衡阀），这种阀能够根据系统压力变化自动调整阀门开度，保证流量恒定。阀门安装后，只需按所需流量手动设定即可，不受系统工况和用户增减的影响。根据我厂管网较大的现状，我们研究决定采用流量控制阀。2001年夏季进行了改造，在冬季运行中收到了满意的效果。五、 改造的成效1、一次管网供热效果我厂2000-2001年供暖季供暖面积162万平方米，初、末寒期运行4台29MW热水锅炉，严寒期运行5台，整个供暖季运行2台315kw和1台185kw循环水泵,管网远端勉强达到供暖要求。改造后的2001-2002年供暖季，供暖面积增至188万平方米，初、末寒期运行3台29MW热水锅炉，严寒期运行4台，整个供暖季运行2台315kw循环水泵，供暖质量有了明显改善。为了更好的比较改造效果，我选了七个热力站，把改造前后两个供暖季的一次水温度数据进行了整理，并且通过图表进行了对比。结果如表1-2，表1-3，图1-4，图1-5 所示。表1-2 中的整点温差值为2001年1月1日至10日每天在该点一次水温差值的总平均值，总平均温差为整点温差值的平均值。表 1- 5中数据也是如此，只是时间不同。图 1- 4为改造前各热力站一次水温差图，由图可以看出，各热力站一次水温差相差的 表1-2 平均温差 热力站名称2001年1月1日至10日一次水整点平均温差（）1日至10日总平8点12点14点18点20点24点2点6点均温差（）花家地南站31.633.933.333.133.834.532.832.933.2花家地北站22.622.021.822.022.022.623.223.222.4K4南站19.020.020.020.120.720.620.821.120.3K4北站32.633.132.232.531.930.132.932.332.2A5甲站30.430.430.930.630.531.031.431.230.8A5丙站15.515.615.815.916.115.915.816.415.9K3东站34.432.532.932.633.033.934.134.933.5表1-3 平均温差 热力站名称2002年1月1日至10日一次水整点平均温差（）1日至10日总平8点12点14点18点20点24点2点6点均温差（）花家地南站26.023.924.325.925.525.124.924.925.1花家地北站29.427.527.829.028.728.428.529.028.5K4南站23.121.721.823.322.823.322.823.322.8K4北站28.427.027.526.928.628.528.327.327.8A5甲站28.426.026.228.927.727.428.428.427.7A5丙站31.328.829.129.930.030.430.331.130.1K3东站29.127.727.729.429.028.829.127.928.6 很大，最高相差17.6度，说明管网的水力失调比较严重。图1-5为改造后的温差图，图中各热力站一次水温差相差的较小，最高相差7.3度，说明管网的水力失调已基本消除，较好的解决了一次管网的平衡问题。2、节能增效（1） 节电我厂2001-2002年供暖季，只运行2台315kw循环水泵就达到了满意的效果，减少了1台185kw的水泵。按一个供暖季130天，每度电0.52元计算，可节约电费30万元，仅这一项节约，就基本将改造费用收回，同时还缓解了我厂用电紧张的局面。（2） 节煤我厂2001-2002年供暖季，在供热面