供热管网水力平衡调节技术综述

唐志炳 陆王琳 王次成 陆启亮

上海发电设备成套设计研究院有限责任公司

0 引言

随着我国社会和技术的进步，集中热网产业得到了快速的发展，与此同时，人们对供热品质的要求也越来越高，但现阶段我国集中供热产业的发展与人们的需求仍存在严重的不平衡和不匹配问题。一方面，热网规模扩大，但能源结构合理性和能源利用效率并没有随之提高，不仅带来了严重的环境污染问题，而且相比于北欧国家，我国建筑冬季耗热量高出2～3倍[1]。另一方面，随着热网的扩建，系统的可靠性及供热效率不高[2]，水力失衡问题严重，导致用户舒适度差且系统输送能耗高。因此，解决热网的水力失调是提升用户体验和降低系统能耗的关键问题之一，对于居民生活质量的改善、系统运行水平和经济性的提高[3]都具有重要意义。

我国集中供热产业起步较晚，至今发展仅七十年，在设计阶段和运行管理方面仍存在许多问题[4]。2001年前，我国城镇居民供暖大都采用单管垂直串联的系统形式，垂直失调问题严重，供热品质较差[5]；热网调节设备不完善，系统的动态运行过程中水力热力工况分配不均，造成了大量的能源浪费情况。本文介绍了供热系统水力失调的概况及产生的原因，总结了当下设计和运行阶段失衡的诱因，对常用的调节技术进行了阐述和分析，并从管网的调节特性分析、调节设备的优化、水力模型的应用等方面总结了国内外的研究进展，对未来的发展方向进行简要概括。

1 水力失调概况及成因

热网是由热源、换热站、用户及管网系统构成的复杂整体，结构示意图见图1。热源厂、主管网和区域换热站（与主管网换热的部分）组成的整体为供热一次网；区域换热站（与二次管网换热的部分）、二次管网和用户组成的整体为供热二次网。

图1 热网结构示意图

热网的水力失调是指在运行过程中由于某些原因，使用户最终获得的流量与设计流量不一致。通常，可以用它们的比值来表示水力失调度x，如公式（1）所示：

式中:Vm——用户获得的实际流量，m3/h；

Vg——设计流量，m3/h;

水力失调度是衡量水力失调程度的重要参数，x越接近1，实际流量与设计流量越接近，水力失调程度越低，系统越符合预期。通常情况下，水力失调可分为静态失调和动态失调两类，静态失调是指由于设计、施工导致的系统管道阻力与设计值不一致，从而实际流量偏离平衡状态；动态失调则是运行过程中用户热需求根据环境发生改变、对阀门进行调整使系统的阻力分布产生变化，从而导致系统流量的不稳定。水力失调的产生使用户的供暖体验不平衡更加严重，靠近供热源的用户实际流量常常高于设计流量，室内温度过高，距离供热端远的用户获取到的流量低于原设计值，室内温度达不到预期，水力失调直接导致了系统的远近热力失调状况[6]。

通常，可将导致水力失调的原因分为两类。一类是在设计阶段，热网设计原则中规定必须满足最不利环路用户所需的资用压力[7]，因而其他管路必然存在一部分的富裕压力，使流量分配不均，必然导致了某些程度的水力失调，此时需要在管网投入使用前进行初调节；在设备选型时，若循环水泵的型号选取不合理[8]，运行状态偏离设计工况，形成了管路的水力失调。第二类在运行阶段，系统增加了某几个用户或是用户内部得热量的变化，改变了原本系统的特性，使热网进行流量的重新分配，与设计工况偏离；运行期间通过阀门等调节装置对某部分用户进行调整时，由于没有考虑到其他用户情况，也会导致未被调节的用户或设备的水力失衡；在系统进行改扩建时，没有及时对系统整体进行优化和调整，打破了原有的平衡状态。

2 现有水力调节的方法

相应地，根据水力失调的原因不同，可以将现有的调节手段分为初调节和运行调节。初调节是指在管网运行初期，利用某些调节设备和技术[9]，使管网的阻力情况与设计工况一致，各管路流量与设定值相符；运行调节则是由于运行期间用户热负荷改变,或由某些突发情况使管网特性发生改变而需对热源、换热站、热用户进行动态调整[10]。

1）初调节方法

在热网事业发展的初期，对管网流量进行初调节大多通过在管路添加阀门的方式。这种附加阻力的方法能有效地减小室内过热而造成的热量浪费，但大量的能量会通过阀门的节流装置损失掉。

早期的热网系统使用的是截断类阀门（如闸板阀、截止阀），这类快开型阀门不具有调节的功能，无法满足热网水力平衡的要求。随着供热系统规模的不断增大和科技的发展，各类具有调节功能的阀门相继问世，在热网的水力平衡调节中发挥着重要作用。目前，市场上的平衡阀主要分为两类：静态平衡阀和动态平衡阀。静态平衡阀用于初调节中，通过调节阀门开度，使各热用户支路的阻力损失相等，从而达到水力平衡的目的。但是，在一次调节后阀门会锁定，在系统发生变化后，需要重新进行调整。动态平衡阀用于运行调节中，具有一定的抗干扰能力，常用的有动态流量平衡阀和动态压差平衡阀。动态流量平衡阀适用于定流量系统，它可以在一定的压差范围内，根据系统的压力变化（如：个别用户调节或关掉阀门）自动调整其阻力系数，而使通过阀门的流量保持不变；相反，动态压差平衡阀适用于变流量系统，它可以在一定的流量范围内，根据系统的压力变化（如：个别用户调节或关掉阀门），改变管路阻力，消除富余压头，保持阀门两端的压差不变。

在初调节中，通过对阀门开度的调节，改变各管路的阻抗，可以使整个管路阻抗的分布与设计值相同，常见的调节方法有温度调节法、比例调节法和补偿调节法[11]。其中，温度调节法是通过调节阀门来实现各用户室内温度和供回水温度一致的方法。通常，各用户的供水温度较为接近，因此，温度调节法通常将回水总管的温度作为基准值，逐个调节各用户的阀门，使各用户的回水温度保持一致[12]。比例调节法的原理是当用户系统阻力特性系数一定时，系统上游端的调节将引起下游端各用户的流量成比例变化。利用上游端的调节引起下游端各用户的流量一致等比失调的规律，即可实现系统的水力平衡调节。补偿调节法是在调节其他用户的阀门以达到设计流量时，会改变基准用户的水力失调度，因此，需要调整合作阀进行补偿，使基准用户水力失调度保持基本不变的情况下，其他用户也达到设计流量值。

随着计算机技术的发展，越来越多的供热系统将计算机模拟分析的技术引入管网的调节。基于管网的基本节点方程和能量方程，对管网各组成部分的精细化建模[13]，在云平台中模拟阀门、水泵的调节控制，从而更直观地看到调节的效果，也省去了现场调节所造成的大量的能量浪费。模拟分析法在热网运行的实时调控中也有广泛的应用。

2）运行调节方法

传统的管网运行调节通常采用调节管路中的阀门、水泵的变频方式进行。调节阀门开度来适应某些用户侧变化，需要同时兼顾对其他用户的影响，在缓解局部的水力失调时起到了一定的作用[14]，但是，节流损失仍然存在。特别是系统在部分负荷运行时，通过阀门的调节可能带来大量的能量损失。因此，当用户侧负荷改变较大时，通过水泵的变频，整体减小或增大系统的循环流量来响应用户侧的需求，能够最大程度地节约能源。但是，当系统内部流量改变过大时，会加剧水力工况的不稳定性[15]。

传统的热网系统仅在热源处设置总循环泵，如图2（a）所示，此方式使热源、热网和各热力站之间流量耦合关系较强[16]，热源处流量的改变使整个管网其他各处流量均随之变化，加剧了水力调节的难度。而分布式变频泵系统很好地解决了这个问题。图2（b）展示了一次网侧分布式变频泵集中供热系统的具体结构，相比于传统的热网系统，该系统在热源处设置了旁通管，其作用是方便系统控制和保证热源的稳定运行。在满负荷运行的情况下，旁通管内的流量接近0；在部分负荷运行的情况下，旁通管则将多余的流量送回到热源。其次，该系统在各换热站的一次网回水管上设置了一级循环泵，代替阀门进行流量调节[17]。因此，热源侧的热源循环泵只需满足热源侧的运行需求，各换热站的一级循环泵则各自负责其一次网的运行需求，从而解决了热源和热网的强耦合关系。同理，二次网侧的分布式变频泵系统也是在各用户侧回水管上设置二级循环泵，替代原有的二次网集中泵站[18]。此方式虽然增加了水泵台数，但使每台水泵的型号均不会过大，在运行时按需设置，减小了每台水泵的服务范围，缓解了支路阀门调节的压力，节省了大量的运行能耗，并从根本上解决了热源、换热站、热用户流量、压力之间的强耦合关系。

图2 传统热网系统和分布式变频泵系统的一次网侧

3 国内外研究进展

集中供热系统作为能源系统的重要组成部分，不论是国内还是国外，均已有了很快的进展。国内外学者结合计算机的模拟技术和实际的工程案例，在系统的管网特性、水力失调的规律和不同调节方式的优化等方面，都有了更全面的理解，并通过建立管网模型，很大程度上提高了热网的供热效果和节能效率。

明确管网的水力特性和失调规律对于系统的调节而言是基础性工作，已有不少研究人员利用多种技术手段对不同类型的管网作了特性分析。刘成从管网的相对流量和用户水力失调度之间的联系出发，针对单热源枝状网，研究了采用不同的采暖方式时，管网的水力稳定性及用户的水力工况的变化情况，并总结了19种采暖形式下，管网稳定性随系统参数的变化规律[19]。李浩然的研究对象为变流量的供热系统，分析了用户水力失调与系统流量的关系，并确定了不同的变流量运行形式下，系统的流量下限范围[20]。张立勇基于管网的水力计算，首先对水力工况进行了定性分析，并利用图论建立了管网的数学模型，计算得到任意管段流量与压降的规律。对管网调节时用户水力失调规律和管网稳定特性的分析，为实现系统的准确调节和调高系统的水力平衡程度提供了理论基础[21]。

目前，国内外大多数管网仍是依靠阀门和水泵实现对管网的调节，因此水泵和阀门的调节方式和效果依旧是实现水力平衡的关键。THORSEN.JAN ERIC汇总了现阶段引起水力失调的各类因素，并指出利用压差控制阀门来平衡不同管路之间的压力和流量，仍是管网水力调控的关键技术[22]。Ding Mao等提出了“可靠性段”的概念，建立了一种阀门网络模型，并针对单热源网络提出了可靠性设计准则，从设计阶段结合阀门的特性减小水力失衡的可能性[23]。Lipeng Zhang等提出了在每个用户处安装恒温器、散热器阀和自力式压差阀的方法来实现水力平衡和减少供热过剩，其中，散热器阀是流量控制装置，其流量由恒温器控制，自力式压差阀可以避免用户间的相互影响[24]。朴东为和刘兆军结合实际项目中“大流量小温差”的问题，提出了针对性的一种利用阀门来调节水力工况的方法，对于小型的供热一次网提高水力平衡效果明显。分布式变频泵技术自提出以来也有了很大的进展[25]。张娇娇利用数学模型，优化了泵组的配置方案以及零压点位置，通过准确计算各管路的水力工况情况，总结了变频泵的选择规律和系统的设计方法[26]。Jihao Gu等结合电动阀和分布式变频泵的控制方法，并以沈阳热网为案例进行试验，验证了该方法可以降低锅炉出口压力，确保热网的安全运行，并有效减小一次网的水力不平衡。结果还表明，该控制方法的年平均用电量比传统中央循环泵系统少28.52%[27]。孙春华等对于变频泵中均压管的安装位置进行了详细的对比分析，确定了变流量系统中在第一用户处安装均压管能提高水力稳定性[28]。

随着计算机技术的发展，模拟分析法在热网的实际调节中的应用越来越广泛。通过对热网物理模型的建立和运行过程中SCADA数据的收集，实现热网水力工况的提前预测和可视化的调控分析。胡树云等将数据驱动和机理模型结合，并利用机器学习算法建立了热网稳态水力模型，并明确了管路的阻力情况，和真实热网情况相差较小[29]。由世俊等针对调节频繁、范围较大的热网建立了非稳态的水力模型，并构建了非稳态模型的数值求解方法，利用该模型和方法明确了阀门和水泵调节时管道水力工况动态变化特性[30]。Zheng Xuejing等利用两种模型对热网的瞬态水力工况进行分析，并通过改变调节位置和距离分析网络的水力瞬变情况[31]。Aibin Yan等开发了采用分布式变频泵的热网系统的水力模型，为了使模拟结果更接近于实测数据，提出了阻力比新参数来修正原有模型。模拟结果表明，当换热站热需求降低时，随着流量的减少，分布式变频泵热网系统压降会随之降低，而传统中央循环泵系统的压降会升高[32]。

综上所述，在节能环保和提高用户舒适度的双重要求下，集中热网的水力调控理论和方法越来越完善。从对管网运行的特性认识，到阀门和水泵此类调节设备的控制方法完善，从对管网进行稳态建模分析到对各种瞬态水力工况的建模求解，并利用多种机器学习算法，不断提高水力调控的稳定性和准确性。

4 结语

本文总结了引起水力失衡的原因，并对现有的水力调节方法作了介绍。从管网特性认识、调节设备和方法完善、管网建模分析三方面简述了国内外的研究进展。供热系统的水力调控是一个长期且复杂的工作，不论是科研工作者还是工程人员，都必须提高对管网的认识。随着城市的发展和供热面积的扩大，管网的控制必须全方面地考虑，从设计阶段因地制宜，到运行阶段科学的调控，全周期做好管网水力工况检测和调节工作。