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集中供热热网循环水泵节电70%技术方法

摘要：本文论述了集中供热“质量并调”运行方式使循环水泵节电70%的节能效果以及实现“质量并调”运行方式的调节工具―――自力式阻力平衡阀，并介绍了自力式阻力平衡阀的原理和使用自力式阻力平衡阀进行热网调节的基本过程。
    关键词：质调节、分阶段改变流量的质调节、质量并调、平衡阀、自力式流量控制阀、自力式差压控制阀、自力式阻力平衡阀、初调节、运行调节。
    众所周知，由于供热系统自身的特点，在保证供热质量*佳（室内温度不过高也不过低）的前提下，对于一个既定的供热系统，在不同的室外温度下情况下，都有一个与其对应的*佳的循环流量和*佳温度（温差）。所以，*佳的运行调节方式是“质”和“量”的综合调节，就是在供热运行调节的过程中，根据室外温度的变化，既改变循环流量又改变供水温度。这种质量的并调，一方面达到了*佳的供热效果，另一方面达到了*大限度的降低供热的热耗和电耗。但是，由于“质量并调”的运行方式存在热网平衡上的困难，所以虽然近几年国内不少供热企业在一、二级热网实施循环泵变频调速变流量运行，进行“质”和“量”并调的工程实践项目也较多，但实际运行效果不理想。具体表现是：流量的变化幅度不大，降不下来，运行中的流量多数都是高于设计状态下的计算流量，远远没有达到*佳调节工况的参数状态，循环泵变频调速仅成为解决设备大马拉小车的手段，供热系统节能潜力没有真正挖掘出来。*根本的原因是因为缺乏简便、有效的调节热网平衡的手段，阻碍了“质量并调”运行方法的推广应用。本文将对“质量并调”运行方式的节能效果进行理论上的阐述，并对实现“质量并调”运行方式的管网调节利器―――自力式阻力平衡阀的原理和应用进行简单的介绍。

    1、“质量并调”运行方式的节能效果：
    以吉林省长春市为例，长春市供热期是165天，总计3960小时，根据多家热力公司的数据显示，长春市在设计室外温度下的实际耗热量指标大约是52大卡。参见表一。
    1.1、整个供热期采用不改变流量的质调节方式运行，循环水泵所消耗的流量是100％，循环水泵所消耗的电量是100％。
    1.2、如果采用分阶段改变流量的质调节运行方式，可以将供热期分成三个阶段：初寒期50天，循环流量按80％运行；末寒期50天，循环流量按80％运行；严寒期65天，循环流量按100％运行。
    分阶段改变流量的质调节运行方式实际所耗用的流量与单纯的质调节运行方式所耗用的流量比是：
    （80％*50＋100％*65＋80％*50）／165＝87.9％
    由于循环泵的耗电量与循环泵的流量之间呈三次访的关系，根据公式：
    采用分阶段改变流量的质调节运行方式与单纯质调节运行方式循环泵耗电量的比例分别为：
    初寒期：N1＝51.2％
    严寒期：N1＝100％
    末寒期：N1＝51.2％
    1.3、采用“质量并调”的运行方式时，
    根据室外温度的不同采用不同的循环流量，实际所耗用的流量与单纯的质调节运行方式时耗用的流量比是：
    2606／（3960＊100％）＝65.81％

    根据公式：
    采用“质量并调”的运行方式与单纯质调节运行方式循环泵耗电量的比例为：N1＝（65.81％）3＝28.5％
    从以上的分析可以看出：当采用单纯的质调节运行时，循环泵的耗电量是100％；当采用分阶段改变流量的质调节运行时，循环泵的耗电量是70.4％，节电量是29.6％；当采用“质量并调”的运行方式时，循环水泵的耗电量是28.5％，节电量是71.5％。参见表二。

    虽然，理论计算上和实际工程中会有一些差异，但也足以说明节能效果是很可观的。它的意义不仅在于为热力公司节省了成本，增加了利润，还为国家的节能减排，为地球环境的改善做出了应有的贡献，为造福子孙后代做出了贡献。
    项目质调节分阶段改变流量质调节质量并调
    耗电量100％70．4％28.5％
    节电量100％29.6％71.5％

    2、自力式阻力平衡阀
    目前，用于热网调节的具有可调性的水力元件主要有平衡阀、自力式流量控制阀、自力式压差控制阀。其中，自力式流量控制阀具有恒流量的特性，调节的目标是流量，*适合于质调节的运行方式，缺点是不能应用于“质量并调”的运行方式；自力式差压控制阀是和温控阀配套使用的，��用于热计量系统，热计量系统的特点是用户主动变流量而热力公司被动的变流量系统，目前由于种种原因不能广泛的推广；平衡阀调节的目标是阻力平衡，表现形式是流量平衡，因此，理论上使用平衡阀进行平衡调节的热网系统可以适用于“质量并调”运行方式。但是，由于平衡阀对于大型的管网系统调节能力比较差，平衡效果欠佳，调解过程过于复杂，用户很少使用。
    为了能使“质量并调”这种显著节能的供热运行方式得到广泛的推广，非常需要一种投资不高、节能效果高、平衡效果好的水力调节产品。刘兆军先生从事水力平衡工作多年，经过反复研究，终于发明了一种自力式阻力平衡阀，自力式阻力平衡阀吸取了自力式流量控制阀和平衡阀各自的优点，弥补了各自的缺点，完全适合于“质量并调”的运行方式，适用于各种规模的一次网和二次网。
    要了解自力式阻力平衡阀，先要明确热网的水力特性。

    2.１、热网水力特性公式：
    供热系统中热网上各用户之间总体上来讲都是并联的。由并联网路的特性公式：
    △P=S•V2
    △P=S1•V12=S2•V22=S3•V32=…
    得并联网路V1：V2：V3…=1／：１／：1／…
    式中V1、V2、V3分别表示并联段管1、2、3的流量，m3/h；
    式中S1、S2、S3分别表示并联段管1、2、3阻力系数，Pa/（m3/h）。
    根据上面的基本公式得出以下结论：
    1、对于一个水力元件、管段来讲，只要它的具体结构不发生变化，其所通过的流量的平方和两端的压差呈正比关系。
    2、并联管段中各分支管的阻力状况（即阻力系数S值）不变时，即供热系统中各热用户的阻力系数不变时，网路总流量增加多少倍或减少多少倍，并联管段中各分支管段即供热系统中各热用户的流量也相应增加多少倍或减少多少倍。
    3、当并联管段中任一分支管段的阻力状况（即阻力系数S值）发生变化时，网路总阻力系数必然随着变化，而且网路总流量在各分支管段中的分配比例也相应地发生变化。

    根据上面的公式和结论，可以推导出以下结论：
    当热网中某一点的阻力系数发生变化之后，这一点前面的管段（即热用户），流量将呈不等比例的变化；这一点后面的管段（即热用户），流量将呈等比例的变化。
    根据供热管网的这些水力特性，当一个供热系统采用质量并调的运行调节方式时，循环水泵的变速运行相当于热网总出口的阻力状况（即阻力系数S值）发生了变化，循环泵出口后面的热用户即全部的热用户，其循环流量将等比例的变化。
    热网经初调节达到阻力平衡之后，管网上各支线、各用户阀门不再操作，其开度固定不变（各个热用户环路阻力系数不变），热网总流量再增减变化多少，网上各用户流量也按相同的比例增减变化多少，而不会改变原来的平衡状态。

    2.２、自力式阻力平衡阀的工作原理：
    该产在保留了自力式流量控制阀的自动调节孔板、压差自动平衡机构、手动调节孔板、压力控制反馈管路、设定流量的刻度标尺等结构基础上，增加了锁定装置和压力检测孔。不使用锁定装置时本阀与自力式流量控制阀功能完全相同——具有恒定流量的功能。在热网初调节阶段，锁定装置完全打开，该阀按自力式流量控制阀的调节方法进行调节，热用户的流量很快达到平衡状态，发挥了自力式流量控制阀在热网平衡控制上的优势。然后启动锁定装置，该阀变成了一个具有变流量性能的平衡阀。由于各个热用户平衡了，循环泵再进行变速时，各用户流量将成等比例的变化，依然保持平衡状态。自力式流量控制阀的定流量和平衡法的变流量，两种功能可以根据具体需要进行转换。测压检测孔用来测量阀的进出口压力，并根据定流量状态下的实际流量，计算出相应状态下的阻力和阻力系数，这个性能对于设计人员进行水力平衡工程设计和运行人员分析运行中的压力、流量、阻力情况提供了简便准确的工具。
    2.3、自力式阻力平衡阀的一般应用：如图一，在进行阻力平衡的初调节过程中，先关闭锁定机构，使用自力式阻力平衡阀中恒流量功能，将５个热用户的流量按设计流量调节好，此时，５个热用户的流量是平衡的，在此流量状态下的５个热用户环路的阻力（阻力系数）也是平衡的。此时，使用自力式阻力平衡阀的锁定装置，也就是锁定了的５个热用户在此流量平衡状态下的阻力平衡状态（即５个热用户环路的阻力和阻力系数），由于各个热用户的阻力系数处于一个比较**的平衡状态，那末，当我们改变热网循环泵流量的时候，５个热用户的流量将呈等比例的变化，依然保持平衡状态。
    2.4、自力式阻力平衡阀在热计量系统中的应用：在热计量系统中，人们往往在单体建筑的入口安装自力式差压控制阀，其目的是：**，保证温控阀的正常工作压差不大于0.1Mpa。**，稳定各单体建筑的压差不被其他建筑的流量变化所影响。
    而在实际工程中，热力站的进出口压差很少达到0.2Mpa，除去沿程阻力的消耗，再除去支线、热量表、过滤器等等的阻力消耗，真正作用在温控阀上的压差都小于0.1Mpa。同时，由于温控阀的功能就是自动根据室内温度的变化改变流量，因此，即使单体建筑的流量受其他建筑影响发生改变，而影响了室内温度变化，温控阀也会自动调节，所以，安装自力式差压控制阀的意义已经不大。
    很多热计量工程的实例表明，在热计量系统中，管网的初调节和非热计量系统一样，如果调节不好会造成严重的水力失调。为此，在热计量系统中，往往采用以超生必流量计测定每个管路的流量的同时用自力式差压控制阀进行流量的调节，与非热计量系统中采用自力式流量控制阀（现在应该升级换代为自力式阻力平衡阀）进行流量调节相比，费时费力。因此，如前面所讲，热计量系统是一个用户主动变流量热源被动变流量系统，安装自力式差压控制阀的意义已经不大，建议是否可以用自力式阻力平衡阀取代自力式差压控制阀，这样一来，不管是温控阀对流量的自动调节还是热源对流量的自动调节，都可以轻松的实现并维持热网的平衡，更能方便供热的运行和调节。当然，目前这只是一种推测，还需要实际工程的检验。

    3、结论：
    综上所述，自力式阻力平衡阀既克服了平衡阀在初调节中大型热网难于平衡这一劣势，又克服了自力式流量控制阀调节的热网只能按定流量的质调节方式运行，热网循环泵不能充分节能的缺点，因此我们认为，这种以自力式阻力平衡阀为调节工具，以热网的阻力平衡为目标，以节能效果显著的“质量并调”为运行方式的供热系统，无论在非热计量供热系统还是在热计量供热系统必将得到广泛的应用。

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