供热一次管网的水力平衡与优化配置

孙浩

（太原市第二热力有限责任公司，山西 太原 030000）

0 引言

2021 年10 月12 日，住房和城乡建设部发布《2020年城市建设统计年鉴》和《2020 年城乡建设统计年鉴》，公布了1981—2020 年全国历年城市集中供热情况以及2000—2020 年全国历年县城集中供热情况。截至2020年底，全国集中供热面积达约122.66 亿m2，较2019 年增长约7.8 亿m2，增长率约6.8%；其中城市集中供热面积达98.82 亿m2，县城集中供热面积达18.57 亿m2，建制镇、乡、镇乡级特殊区域共约5.27 亿m2。

供热管网形式枝状管网和环状管网，枝状管网因结构简单、造价低，应用比较广泛，一般都是在热远处设置1 套主循环泵，克服热源、管网和用户的阻力。因近远端压力相差较大很难通过设计就能达到管网的平衡，一般都要借用管网末端的调节设备，消耗掉多余的压差，达到支线之间的水力平衡[1-2]。为解决水力不平衡的问题，设计和运行中都采用“小温差大流量”的运行模式，使近端室内温度降低，远端室内温度升高，其本质是降低近端供水温度，提高远端供水流量的方法，把近端多余的热量送到远端。当循环流量无限增加的时候，理论上可以使近远端的室温达到一致，消除掉水力不平衡引起的近端热，远端冷的问题。

“小温差大流量”的运行模式也会带来很多弊端，需要增加水泵的循环流量，也要提高热源的供热能力，同时也会造成能耗加大，相应的增加热源、管网及末端散热设备的投资。

1 水力计算的作用

管网的水力计算主要可以解决以下3 个问题：①根据管网的流量和压力损失，确定管网的管径。②根据管网的流量和管道规格，计算出管网的压降。③根据管网的规格和压力损失，计算出管网输送的流量。通过以上的水力计算，还可以确定管路循环水泵的流量和扬程[3]。

水力计算通过仿真模拟进行水力工况的分析，可以通过改变流量、压力、管径、阀门开度等，得到条件变化后的各节点的水力工况参数的变化。其管网的水力计算可以起到以下作用。

（1）优化管网调节。输入运行参数，分析管网中薄弱环节在各种工况下受到的影响；调整运行参数，加强管网的传输能力和传输稳定性，通过对水力工况的分析结果，找到改善水力工况的有效措施，使管网高效运行，服务质量得到进一步提高。

多热源及环网计算，根据负荷的变化，可以确定各个热源投运的方案，既要满足各个热源运行参数的匹配，更要考虑运行的安全性和经济性。

（2）提高运行管理水平。随着管网系统流量的改变，管网的运行参数也会跟着变化，这就是供热系统的动态变化，还有一种情况，当管路中某个分支阻力变化时，会影响其他分支的流量，这就是管网之间的耦合作用，相互干扰，相互影响。如果系统中没有安装适应管路变化的动态调控设备，这种相关干扰的先天问题，是无法解决的，故针对系统运行和调节的特点，需要就地安装适用的调节设备。

根据气象预报及实际负荷等信息，进行供热负荷预测，确定经济合理的运行方案，进行科学的调度运行。

随着室外气温的变化，用户的热负荷也跟着变化，由热负荷确定对应的热源的供回水温度、水流量、供回水压力等，由原来的吃大锅饭的供热模式，转变为按需供热，从而降低运行成本[2]。

（3）提高管网的安全性和可靠性。水力工况采用仿真模拟，可以有效的解决各种工况下水击问题，从而提高管网的可靠性和安全性，避免管网系统出现大的安全事故。

（4）为智慧供热提供基础支持。目前供热行业进入第四代阶段，供热系统采用智慧控制，通过分析历史数据，从而搭建室外气温与热源、热力站及热用户的相关数字模型，在满足供热舒适性的基础上，可以根据室外气温的变化，确定热源和热力站的供热参数。

2 水力平衡分析的基本功能

2.1 新建管网的规划和设计

在新建管网时，可以根据供热面积、建筑类型、经济流速等确定管网的布置及选择合适的管道规格。

2.2 热力管网的运行工况分析及问题诊断

通过管网的水力工况模拟，可以知道管网运行的相关参数，分析不热用户相关管段存在的问题，通过调整运行工况，寻求解决不热问题的最佳方案，从而达到改善管网水力工况，提高供热质量的目的。让供热运行管理有了千里眼和顺风耳，科学合理的去解决运行中的问题。

2.3 制定热网改造方案

在供热系统中经常遇到扩网的问题，如果管网建设初期没有考虑预留，尤其在管网的末端经常出现管网供热能力不足的问题，为解决这一问题，水力工况模拟，通过模拟不同解决方案的水力工况分析，可以制定出经济合理的改造方案，从而降低改造成本。

2.4 提高运行管理水平

根据室外气温及热负荷情况，指定经济合理的供热运行方案，科学合理的指导热源的供热负荷、供热参数，从而科学合理的提高运行管理水平。

2.5 降低能源消耗，节约运行费用

由“看天吃饭”改为“按需供热”实现精细化、精准供热，避免过热浪费，从而有效控制运行成本，节约能源，达到节能减排的目的[4]。

3 工程案例

3.1 工程概况

某市区域集中供热共有热力站32 座，规划供热能力270.72 万m2，实际供热面积156.1 万m2，一网流量约2411t/h，定流量运行。

运行存在的问题：近几年随着不断的扩网，末端出现了不热的现象，为解决末端不热问题，设置一次网回水加压泵加大末端热力站一次网水流量的循环，但仍有供热效果不佳的问题，为了彻底解决问题，今年对一次网系统进行了水力工况分析，解决管网管径不足和一次网回水加压泵优化配置的问题。把传统的“杀富济贫”的硬平衡调节方式改变成“各取所需”的软平衡调节方式，可以实现立竿见影的调节效果。

分布式变频泵技术是针对具有多个管网分支环路的热力站供热系统，在每个分支环路配置循环泵取代一次网集中循环泵的工艺方案。它彻底改变了一次网平衡调节的困难现状，能够较好的解决科学供热、节能供热的基础难题，由原来的阀门节流调节变为分布式变频泵的变频调节，在调节效果和节能上都有明显的作用。

3.2 水力工况分析结果

主要对管网的压力、流量、比摩阻、流速、压差等进行了计算，见表1~表5。模拟热源参数：供热量、流量、标高、水温等都是按照管网实际运行工况进行水力工况分析。

表1 热源信息

表2 管网总体情况

表3 压差最小的10 个站统计

表4 比摩阻最大的10 根管道统计

表5 热力站信息

3.3 一次网回水加压泵选型

循环泵2 用1 备，流量1134m3/h，扬程为63m，热 源厂阻力按20m 考虑，热力站阻力按10m 考虑，热力站资用压差不能完全克服管道阻力时，通过增加一次网回水加压泵客服多余的管道阻力，水力计算结果提供了一次网回水加压泵的扬程，加压泵的流量根据热负荷计算。加压泵选型参数如表6 所示。

表6 一次网回水加压泵选型参数

4 结语

（1）通过水力工况分析可以得出热力站资用压差不满足的，通过增加一次网回水加压泵客服多余的管道阻力，水力计算结果为一次网回水加压泵扬程的选择提供了理论依据。

（2）通过管网比摩阻计算，可以找到管网比摩阻较大的管段，为今后的优化改造提供依据。

（3）实际运行参数计算结果有较大出入时，通过计算结果还能分析出管网中那段管网异常，可能发生堵塞的问题。

（4）经过一个采暖季的运行，证明水力工况分析结果与实际运行吻合，达到了优化配置，指导运行的作用。