基于供熱調(diào)節(jié)方式的混水直連模式的適用性

晉娜娜，田琦，王美萍，孫玉峰

（1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024；2.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原030024）

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加深，集中供熱規(guī)模的逐步擴(kuò)大，相應(yīng)給供熱企業(yè)提出了更高的要求，熱力供應(yīng)在保證品質(zhì)的同時(shí)更要謀求供熱的經(jīng)濟(jì)性.混水直連供熱系統(tǒng)因其運(yùn)行穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能空間大等優(yōu)點(diǎn)，在供熱領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用［1－12］.混水直連供熱系統(tǒng)能否發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵是混水方式的正確選擇，混水方式的選擇又與一、二次網(wǎng)的水力工況息息相關(guān).因此，供熱系統(tǒng)在變工況時(shí)的水力工況分析是選擇混水直連方式的重要依據(jù)，只有正確選擇混水直連供熱系統(tǒng)的混水方式，才能使其發(fā)揮出最大的節(jié)能潛力.目前，大部分文獻(xiàn)在混水直連供熱系統(tǒng)的應(yīng)用中關(guān)于混水方式的選擇，都沒有綜合考慮供熱系統(tǒng)所選的供熱調(diào)節(jié)方式，故存在一定的局限性.文獻(xiàn)［5］只依據(jù)管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行了靜態(tài)的選用；文獻(xiàn)［7－8］只是單純地按照建筑是高層或多層以及供暖小區(qū)所處的地勢(shì)高低來選擇混水方式，沒有考慮管網(wǎng)壓力大小；文獻(xiàn)［9－10］雖然提出要按照管網(wǎng)水壓圖來進(jìn)行設(shè)計(jì)，但沒有綜合考慮系統(tǒng)所選用的供熱調(diào)節(jié)方式來進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析和選用.本文針對(duì)目前較常用的質(zhì)調(diào)節(jié)及分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，對(duì)混水方式的選擇進(jìn)行分析研究.

圖1 混水直連供熱系統(tǒng)通用示意圖Fig.1 General schematic drawing of mixing water direct heating system

1 水力工況的基本計(jì)算公式

根據(jù)電學(xué)的基爾霍夫電壓電流定律，可對(duì)圖1混水系統(tǒng)的流量、壓力建立如下基本關(guān)系［13－14］，即

式（1）～（4）中：G1，G2，Gw分別為一、二次網(wǎng)和混水旁通管的流量；ΔH1，ΔH2，ΔHw分別為一、二次網(wǎng)和混水旁通管的管段壓力降；P1，P2，Pw分別為一、二次網(wǎng)和混水旁通管的混水裝置的揚(yáng)程；P1g，P1h，P2g，P2h分別為一、二次網(wǎng)設(shè)計(jì)工況的供、回水壓力；P′1g，P′1h，P′2g，P′2h分別為一、二次網(wǎng)在分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)后的供、回水壓力.

2 混水直連系統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓力特性分析

混水泵連接方式需要根據(jù)供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方式，并分析整個(gè)采暖季的水力工況來確定，以保證任何時(shí)候系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.

2.1 一、二次網(wǎng)均采用質(zhì)調(diào)節(jié)

該調(diào)節(jié)方式的供熱系統(tǒng)在運(yùn)行過程中只改變供、回水溫度，其流量不改變，管網(wǎng)的壓降也不變，因而一、二次網(wǎng)的壓力不變.在設(shè)計(jì)工況下選擇的混水連接方式，在整個(gè)采暖期間都滿足系統(tǒng)要求.

2.2 一、二次網(wǎng)均采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)

該調(diào)節(jié)方式因流量的改變，管網(wǎng)壓力也相應(yīng)的改變.在調(diào)節(jié)時(shí)，混水比不變，則一、二次網(wǎng)的壓力變化情況可由式（3），（4），以及ΔH1＝P1g－P1h，ΔH2＝P2g－P2h來確定.

供熱調(diào)節(jié)之前的一、二次網(wǎng)供水壓力為

而供熱調(diào)節(jié)之后的一、二次網(wǎng)供水壓力則為

由此，十八大后的這兩個(gè)“一號(hào)文件”將新時(shí)代“三農(nóng)”工作所處的歷史方位日益勾勒清晰，對(duì)進(jìn)一步解放思想，穩(wěn)中求進(jìn)，改革創(chuàng)新，堅(jiān)決破除體制機(jī)制弊端，堅(jiān)持農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地位不動(dòng)搖，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)取得新進(jìn)展提出了要求，也為新時(shí)代“三農(nóng)”工作由“補(bǔ)短腿、補(bǔ)短板”向“強(qiáng)美富”發(fā)展舉好旗定好向，為改革創(chuàng)新再出發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二次網(wǎng)的回水壓力即為二次網(wǎng)定壓壓力.在實(shí)際工程中，混水旁通管可以設(shè)計(jì)得很短，設(shè)計(jì)時(shí)選取較小的比摩阻，適當(dāng)選用較大的管徑，使其壓降很小，即ΔHw趨近于0［14］.

由式（5），（6）可得一、二次網(wǎng)調(diào)節(jié)之前和調(diào)節(jié)之后的供水壓力之間的關(guān)系為

對(duì)于混水直連供熱系統(tǒng)來說，要求在進(jìn)行分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，一、二次網(wǎng)調(diào)節(jié)后的供、回水壓力也要滿足所選混水方式的壓力要求.

2.3 混水形式的壓力分析

根據(jù)混水泵安裝位置的不同，可以將混合水直連供熱系統(tǒng)分為以下3種基本形式［10］.

2.3.1 混水泵置于二次網(wǎng)供水管 這種情況應(yīng)用條件是二次網(wǎng)所需的供水壓力在一次網(wǎng)以上，二次網(wǎng)的回水壓力大于一次網(wǎng)的回水壓力.在設(shè)計(jì)工況P1g＜P2g，P1h＜P2h的條件下，分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)后P2h不變，P′1h減小，故P2h＞P′1h.由式（7）可知，P′1g始終小于P′2g.所以，根據(jù)設(shè)計(jì)工況的一、二次網(wǎng)供、回水壓力，選用混水泵置于二次網(wǎng)供水管的混水方式，其在分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)的整個(gè)調(diào)節(jié)過程中都適用.

2.3.2 混水泵置于混水旁通管 這種情況應(yīng)用條件是二次網(wǎng)所需的供水壓力小于一次網(wǎng)供水壓力，且二次網(wǎng)供水壓力經(jīng)由系統(tǒng)阻力消耗后仍比一次網(wǎng)回水壓力高.在設(shè)計(jì)工況P1g＞P2g，P1h＜P2h的條件下，分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)后P2h不變，P′1h減小，故P2h＞P′1h.由式（7）可知有

因此，在設(shè)計(jì)工況P1g＞P2g，P1h＞P2h的條件下，一、二次網(wǎng)的供水壓力變化有如下2種情況.1）［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＞P2h－P′1h，原混水方式仍適用.2）［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＜P2h－P′1h，原混水方式不適用，需在二次網(wǎng)供水上增設(shè)混水泵.

由于一次網(wǎng)供、回水壓力在供熱調(diào)節(jié)后的不確定性，在具體選用混水方式時(shí)，需畫出供熱系統(tǒng)在各個(gè)調(diào)節(jié)階段的水壓圖；然后與調(diào)節(jié)后的二次網(wǎng)供、回水壓力比對(duì)，并參考上述兩種情況進(jìn)行相應(yīng)的操作.

2.3.3 混水泵置于二次網(wǎng)回水管 這種情況應(yīng)用條件是當(dāng)一次網(wǎng)的供水壓力大于二次網(wǎng)供水壓力，一、二次網(wǎng)在混合水供熱后，使得二次網(wǎng)的回水壓力不足，不能靠自身流回一次網(wǎng)系統(tǒng)中.在設(shè)計(jì)工況P1g＞P2g，P1h＞P2h，分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)后，一、二次網(wǎng)的供、回水壓力如式（7）所示，由此可知，調(diào)節(jié)后的一次網(wǎng)供水壓力與調(diào)節(jié)后的回水壓力以及設(shè)計(jì)工況下的供、回水壓力有關(guān).由于二次網(wǎng)的回水壓力為二次網(wǎng)的定壓壓力，故調(diào)節(jié)后的二次網(wǎng)供水壓力僅與設(shè)計(jì)工況的供、回水壓力有關(guān)，即已知二次網(wǎng)設(shè)計(jì)工況的供、回水壓力，則可知調(diào)節(jié)后的供、回水壓力.

由式（8）可知，分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)之后，在設(shè)計(jì)工況P1g＞P2g，P1h＞P2h的條件下，一、二次網(wǎng)的供、回水壓力變化有如下4種情況.1）P′1h＞P2h，［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＞P2h－P′1h，原混水方式仍適用.2）P′1h＞P2h［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＜P2h－P′1h，原混水方式不適用，需在二次網(wǎng)供水管及回水管上增設(shè)混水泵.3）P′1h＜P2h，［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＞P2h－P′1h，原混水方式不適用，需在旁通管上增設(shè)混水泵.4）P′1h＜P2h，［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＜P2h－P′1h，原混水方式不適用，需在二次網(wǎng)供水管上增設(shè)混水泵.

由于一次網(wǎng)供、回水壓力在供熱調(diào)節(jié)之后的不確定性，在具體選用混水方式時(shí)，需畫出供熱系統(tǒng)在各個(gè)階段的水壓圖；然后與調(diào)節(jié)后的二次網(wǎng)供、回水壓力比對(duì)，參考上述4種情況進(jìn)行相應(yīng)的操作.

圖2 供熱系統(tǒng)圖Fig.2 Heating system diagram

3 實(shí)例驗(yàn)證

某單熱源枝狀供熱管網(wǎng)（圖2），該供熱系統(tǒng)含5個(gè)二級(jí)熱力站，二級(jí)熱力站設(shè)計(jì)采用混水換熱方式，每個(gè)熱力站的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為6.976MW，一次網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為115，55℃，二次網(wǎng)設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為80，55℃.每個(gè)二級(jí)站用戶一次側(cè)設(shè)計(jì)流量為100m3·h－1，總流量為500m3·h－1.一次網(wǎng)系統(tǒng)的定壓為274.4kPa，每個(gè)二級(jí)站用戶二次側(cè)的定壓分別為313.6，303.8，313.6，392.0，392.0kPa.

各個(gè)熱力站在分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，每個(gè)階段的供、回水壓力的水力計(jì)算值，如表1所示.由表1可知：按照設(shè)計(jì)工況選擇的混水方式，其在分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的變化情況與前面理論分析結(jié)果完全相符，且每個(gè)二級(jí)熱力站的混水連接方式如圖2所示.

表1 供熱調(diào)節(jié)時(shí)一、二次網(wǎng)供、回水壓力情況Tab.1 Pressure of supply and return water when in heating regulation kPa

4 結(jié)論

通過理論分析及實(shí)例驗(yàn)證，可以得到以下4點(diǎn)主要結(jié)論.

1）混水直連供熱系統(tǒng)在選用混水方式時(shí)，不能僅以設(shè)計(jì)工況為依據(jù)來選擇，還要根據(jù)選用的具體供熱調(diào)節(jié)方式來進(jìn)行動(dòng)態(tài)的綜合分析和選用.

2）如果供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式選用質(zhì)調(diào)節(jié)，則按照設(shè)計(jì)工況選擇的混水方式在整個(gè)質(zhì)調(diào)節(jié)過程中都能滿足系統(tǒng)要求.

3）如果供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式選用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，那么根據(jù)設(shè)計(jì)工況的一、二次網(wǎng)供、回水壓力，選用混水泵置于二次網(wǎng)供水管.這種混水方式在分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)的整個(gè)供熱調(diào)節(jié)過程中都適用；而選用混水泵置于二次網(wǎng)回水管及混水泵置于旁通管的混水方式，由于一次網(wǎng)供、回水壓力在供熱調(diào)節(jié)之后的不確定性，在具體選用混水方式時(shí)，需畫出供熱系統(tǒng)在各個(gè)調(diào)節(jié)階段的水壓圖，并參照相應(yīng)的具體情況做相應(yīng)的操作.

4）在分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)過程中，一次網(wǎng)調(diào)節(jié)后的供、回水壓力之間是一次線性關(guān)系，已知設(shè)計(jì)工況及二次網(wǎng)定壓，便可知二次網(wǎng)調(diào)節(jié)后的供水壓力大小.

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