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【原创论文七】| 基于动态压差平衡阀和静态平衡阀的供热二次管网水力平衡案例分析

日期: 2019-04-09
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摘要:供热二次管网在实际运行中普遍存在着水力失调问题,如何通过科学调控和管理,消除供热二次网用户间存在的热力水平失调和垂直失调现象,实现按需供热、经济供热、合理供热目的,达到节能减排与用热需求的平衡。本文以实际工程为例,介绍了设计、选型、安装、运行、监控等各环节遇到的问题和解决措施,通过热网监控平台采集实际运行数据进行研究分析,提出相关的改进意见。

关键词:集中供热;水力平衡;按需供热;节能降耗;


1. 引言

水力平衡是指在集中供热管网中各热用户在其他热用户流量改变时保持自身流量不变的能力。大型集中供热管网是一个复杂的流体网络系统,有城市供热面积大、供热管线长、住宅类型众多等特点,供热管网的运行工况受工作条件、环境、时间、制造和施工等多方面的影响。传统的二次网管网通常无法消除单元楼栋之间、高低楼层之间、同层户型之间和远近端之间水力失衡,在实际中普遍存在着用户流量不达标、室温不达标现象、流量偏离设计要求、造成大面积的冷热不均等问题。

2. 二次管网水力失调原因及调节措施

2.1供热管网水力失调问题及原因 

供热管网在实际运行中存在水平方向上和垂直方向上水力失调现象,为了保证远端和高层用户室内温度达标,通常采用提高水泵扬程、增大循环流量、采用人工手动调节楼内入户前端供水阀门开度等办法来增大末端用户的采暖循环水流量,此种漫灌式的粗放调节势必造成“远端较热近端过热、高层不热底层过热”,造成能源浪费。此现象在新建高层住宅中较为常见。

由于楼座距换热站远近不一致,在换热站循环流量一定的情况下,由于近端和远端的管网阻力不同,可能较远端楼座的整体流量低于较近端楼座,导致水平方向上,每栋楼的整体流量不平衡。楼座内由于各层的管网阻力不同,导致各层的资用压差不同,致使流量不同,较高层与较低层的水头压力不一致,在楼座整体流量不变的情况下,导致较高层流量低于较低层流量,造成垂直方向上,每层楼间的流量不平衡。单管串联系统分流旁路管配置不尽合理,造成垂直失调。双管并联系统高低层由于重力压头效应不同,又不合理配置散热面积,造成垂直失调。

在热水供热系统中各热用户的实际流量与设计要求流量之间的不一致的现象,称为用户的“水力失调”。水力失调的程度可以用实际流量与设计要求流量的比值来衡量。

2.2水力平衡常用调节措施

供热管网水力平衡常用的调节装置有两种:动态压差平衡阀和静态平衡阀。

自力式动态压差平衡阀,用压差作用来调节阀门的开度,在流量变化时,保持供回压差恒定。

静态平衡阀是一次性手动调节的,不能够自动地随系统工况变化而变化阻力系数。静态平衡阀作用对象是阻力,达到各个环路的阻力平衡的作用。

通过调节各个分支静态平衡阀,使各户流量稳定后与设计值保持正向同比例偏差, 再对动态压差平衡阀进行调节,同比例消除各户流量偏差值,直到各户流量与设计值相等或接近时为止,偏差通常控制在5%以内。由调节原理知,并联支路的任一支路阻力改变必然引起整个供热管网流量的重新分配,某一支路阀门关小,流量减少时必引起其他支路流量的增大。

3. 楼内水力平衡工程概述

2017年,在济南热电集团所辖顺安苑小区楼内进行了水力平衡改造试点项目,共涉及6栋楼10个单元,共计2249户,实际收费面积为5.8万㎡。本项目在每层热力小室内进行设备安装,即在每层供水立管与分水器之间的供水管上安装一台动态压差平衡阀,每户回水管与集水器之间安装一台静态平衡阀。

3.1改造方案

3.1.1 分户安装静态平衡阀

在每户回水管与集水器之间安装的静态平衡阀,用以控制进入每户的实际流量,流量值根据用户热负荷对每一户的流量需求进行精确设定。 

3.1.2 每层安装差动态平衡阀

在每层供水立管与分水器之间安装的压差动态平衡阀,用以保证每一层的压差不受外界干扰,保持环路内压差恒定,从而提高了静态平衡阀的控制精度,并消除阀门两端压差过大导致的噪音问题。具体安装图如图1所示。

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图1 动态压差平衡阀结合静态平衡阀安装示意图

3.2 设备调试方案

各单元楼层管道试水试压完毕后,方可启动动态压差平衡阀和静态平衡阀的调试工作。

(1)小区楼栋间,以换热站二次供水出站后最近单元为起点,根据楼栋与换热站之间的距离,由近至远进行调试。

(2)单元楼层间,以流量阻力值理论最小楼层为起点,根据楼层分布由低至高进行调试。

(3)阀门开度调节,根据小区楼宇改造项目设计方案提供的分户流量设定值,作为本次调试的参考数据,实际调节后的流量与设计流量偏差控制在±0.02%之间。

4.  管网运行数据分析

选取自2017年11月15日至2018年3月15日,共计121天的本期和2016-2017年同期相关数据作为报告总结依据。

4.1 气温情况

对比本期与同期气温情况,本期平均2.9℃,上个采暖季同期平均4.5℃,本期比同期平均气温低1.6℃。

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图2 室外日平均气温对比图

4.2 换热站热耗情况

4.2.1 耗热量对比

顺安苑小区收费面积为57758m²。对比本期与同期换热站日耗热量(121天),本期平均231GJ/日,同期248GJ/日。日耗热量下降6.8%。本期共计耗热27781GJ,上个采暖季同期共计耗热29844GJ。

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图3日平均耗热量对比图

4.2.2供热单耗对比

根据监控平台历史数据查询,对比本期与同期换热站供热单耗(每平米耗热量/(24×3600)× /天),本期平均单耗46.05w/㎡,上个采暖季同期平均单耗49.29w/㎡,本期较同期单耗降低3.24w/㎡,平均单耗降低6.5%。注:此节能量的计算是在没有考虑 2016-2017和2017-2018 两个采暖季室外平均温度分别为4.5℃、2.9℃的情况下得出的。

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图4 平均单耗对比图

4.3 二次网累计循环量对比

对比本期与同期换热站二次侧瞬时流量,本期平均为260.2t /h,上个采暖季同期为345.6 t/h。本期平均每万㎡循环流量37.43t/h,同期平均每万㎡循环流量49.72t/h,每万㎡循环流量下降24%。

本期二次网累计循环流量750184T,同期1010027T,本期较同期二次网累计循环流量降低259843T,降低26%。本期日平均累计循环量6199T,同期日平均累计循环量8347T,本期较同期日平均累计循环量降低2238T,降低26%。

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图5 二次网累计循环流量对比图

4.4 二次网温差对比

对比本期与同期换热站二次网供/回水温差,1#换热系统本期平均8.5℃,同期6.2℃。2#换热系统本期平均10.4℃,同期7.2℃。

二次网温差1#系统提升37%,2#系统上升44%。

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图6 换热站二次网供回水温差对比图

4.5 换热站电耗情况

统计自11月15日至3月15日共计121天换热站电耗情况,对比本期与同期换热站耗电量,本期29520 度,同期52170 度。本期较上个采暖季同期(121天)节电 22650 度,耗电量下降43 %。

4.6 相同历史气温下,单日运行情况对比

在本期与同期气温数据对比中,12月25日本期气温2.17℃,上个采暖季同期2.17℃,本期与同期当日气温完全相同。

4.6.1 单耗对比

供热单耗本期44.71W/㎡,同期51.96W/㎡,较同期降低7.255W/㎡,下降13.9%。

4.6.2 累积耗热量对比

当日耗热量本期224GJ,同期257GJ,较同期降低33GJ,下降12.8%。

4.6.3 温差对比

1#系统二网供回温差本期8.11℃,同期7.14℃,上升13.5%;2#系统二网供回温差本期9.95℃,同期8.74℃,上升13.8%。

4.6.4 每万平米二次网瞬时循环流量:

本期二次瞬时循环流量为259.019T/h,每万平米循环量为44.85T,同期二次瞬时循环流量为366.262T/h,每万平米循环量为52.71T,下降29.2%。

4.7 水平和垂直水力平衡度改善情况

4.7.1各楼边顶底户水力平衡度对比(水平方向对比)

4.7.1.1 变顶底户水力平衡度散点分布统计

选取小区各单元本期和同期均正常供热的331个“边顶底户”在改造前、改造后的水力平衡度做对比。通过散点图发现,改造后更多户的水力平衡度在“1”附近分布,其水力平衡度平均值为1.05,“过流”或“欠流”现象户数明显减少,水力平衡户增多。而改造前水力平衡度分布不均匀,其水力平衡度平均值为1.66,“过流”或“欠流”现象较多,水力平衡户较少。

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图7 小区边顶底户水力平衡对比图

改造后比改造前水力平衡度均值下降明显,可见其水力平衡得到有效控制。331户中有265户水力平衡度在0.8-1.4之间,水力平衡户达到80%。

4.7.1.2 中间户户水力平衡度散点分布统计

选取小区各单元本期和同期均正常供热的824个“中间户”在改造前、改造后的水力平衡度做对比。通过散点图发现,改造后更多户的水力平衡度在“1”附近分布,其水力平衡度平均值为1.02,“过流”或“欠流”现象户数明显减少,水力平衡户增多。而改造前水力平衡度分布不均匀,其水力平衡度平均值为1.45,“过流”或“欠流”现象较多,水力平衡户较少。

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图8 小区中间户水力平衡对比图

4.7.1.3 水力平衡度数理统计对比

通过数理统计,改造后样本数据的期望是1.13,标准差是0.12,改造前样本数据的期望是1.65,标准差是0.27。改造后楼内达到水力平衡的住户明显增多。对比前后的数据标准差,改造后的数据标准差更小,也就是数据离散程度更小,即改造后过流或欠流的住户明显减少。水力平衡户占多数,水力不平衡户数量占少数大致接近。

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图9 改造后边户水力平衡度统计图

 分别将改造前后水力平衡度数据做拟合计算得出正态分布曲线,通过对比曲线图发现,改造后的正态分布曲线明显“高尖”,改造前的正态分布曲线明显“扁平。经过水力平衡改造,各楼中间户水力平衡度明显提高。水力平衡失调户减少52%。

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图10 改造前后边户水力平衡度分布曲线对比图

4.7.2 单元楼垂直方向水力平衡度分布统计

通过对小区所有单元同层各户水力平衡度进行对比,改造前各层阀门处于全开状态,底层“过流”现象严重,低层水力失调度明显大于高层;而改造后各层供水主管安装动态压差平衡阀,解决了单元楼层上下和顶底户之间在垂直方向上的水力失调问题,平衡了高低楼层供水压差,消除了由层间高度差不同引起的流量分配不均的现象。

动态压差平衡阀平衡单元楼层间的水力分布,保证每层供应所需流量不受入住率高低影响的同时,也保证了被控对象的压差恒定。

换热站分为高区和低区两个机组,现在分机组观测水力平衡度情况。

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图11 改造前后各楼层纵向水力平衡度分布曲线对比图

改造前,由于低层到高层水头压力降低,引起水力平衡度依次降低,顶户流量相对较少。改造后,平衡各个楼层间的水头压力,使各楼层流量相对一致,起到了平衡楼层间流量的作用。改造前楼层间水力平衡度平均1.51,改造后平均1.12,各楼层间水力平衡度提升了34.8%

4.8 顺安苑小区采暖季运行数据总结

4.8.1节省热量

顺安苑楼内主管改造后,本次数据统计为2017年11月15日至2018年3月15日,共计121天。

(1)本期121天共计耗热27781GJ,平均每天耗热231GJ。

(2)同期121天共耗热29844GJ,平均每天耗热248GJ。

2018采暖季较2017采暖季(按121天计算)降低耗热量2063GJ,降低耗热量6.8%。

4.8.2 节省电量

统计日期为11月15日至3月15日

(1)本期121天共计耗电29520度,平均每天耗电 243.96度。

(2)同期120天共计耗电52170度,平均每天耗电 431.15度。

2018采暖季较2017采暖季预计节电 22650 度,耗电量降低43.4%。

5. 工程经济性分析

5.1 水泵运行费用

实施二次管网水力平衡改造后,按照采暖期121天计算,本期已节省电费22650×0.8=18120.00元。

5.2 供热成本减少

实施水力平衡改造后,热量负荷从40–50W/㎡稳定到40W/㎡,可以下降10%左右。按照5%考虑节能量,成本减少120000*26.7*65%*5%=104130.00元。

5.3人工减少

改造前,每年需要人员进行二次网调试,按照两人累积调试四周计算,可以节约人工费200×4×7×2=11200.00元

本项目总投资为519325元,经过水力平衡改造后,每年节省运行费用133450元,本项目静态投资回收期4年。热源节省部分(2063GJ)理论上可以增加供热面积4300平方米,每采暖季可增收采暖费4300×26.7=114810.00元。


6. 结束语

本文采集了大量的供热实际运行数据,对小区所有单元边户、顶户及底户本期和历史同期的水力失调度进行了对比、统计分析,得出以下结论:

(1)在各单元楼层供水主管安装动态压差阀,可有效解决单元楼层上下和顶底户之间在垂直方向上的水力失调问题,稳定高低楼层供回水压差,消除由层高引起的流量不平衡现象。

(2)在入户供水管安装静态平衡阀,解决了单元楼层在水平方向的水力失调问题,均衡同层边角户与中户的流量分配,可以有效拉大了小区二网供回水温差,从而降低热耗和电耗,提高能源的使用效率。

(4)静态平衡阀安装应远离原有分户关断阀门,尽量减少所加装阀门设备与原有设备设施直接受力接触,降低“跑、冒、滴、漏”几率,避免不必要的成本投入。

(5)尽量选择在非供暖季进行设备安装和调试工作,以减少小区用热居民对工程现场的干扰。

全面推行集中供热管网系统水力平衡方案在供热企业中的应用,实现用户按需供热可以最大限度的节约能源,提高热源厂的经济效益和社会效益,对实施国家能源建设和实现可持续发展战略具有重要意义。


7. 参考文献

[1]董绍武.供热运行调节与热平衡的优化途径分析 [J].内蒙古财经学院学报, 2011,( 9) .

[2]贺平,孙刚.供热工程(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1993. 


原论文发表在《区域供热》2018.6期 P81-P88,文章题为《基于动态压差平衡阀和静态平衡阀的供热二次管网水力平衡案例分析》


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