混水直供供热实际运行的特征分析

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     【摘 要】本文主要是对混水直供供热方式在实际应用中的运行特征进行阐述探讨，混水直供供热方式工艺结构简洁、二次网静压定压方式独特-回水阀门定压、运行稳定经济、供热效果良好，重点对混水直供供热方式的运行特征阐述及相对间接供热方式的经济比较分析。0.前 言
     混水直供供热方式在集中供热中发展较慢，其原因主要是早期缺乏热网监控设备的投入以及一次网高温水对水质的要求较高等两大方面。随着供热技术的发展及先进监控设备在供热系统中的应用，在一次网水温不高的情况下（即管网直供与间供的过渡期），混水换热直供方式也慢慢的找到自身的控制方式，同时体现了它独特的二次网系统定压方式--回水阀定压，实现了它经济节能的优越性。本文主要介绍本公司16座热力站实现混水换热直供方式过程中的运行特征及相对间接供热方式的经济性。1.系统概括：
     本公司的供热系统是在热电厂设置换热首站作为热源，以电厂凝汽器及尖峰加热器生产的热水作为介质向一次热网输送热量，然后通过二次热网将热量输送给热用户的系统。系统中二次网回水一部分通过混水循环泵作用混入一次网供水成为二次网供水，另一部分回水作为一次网回水返回一次总网，具体如图1所示。受地势的影响，此供热系统采用了三种混水换热方式：
    a.水泵旁通加压，b.水泵回水加压，c.水泵供水加压；并在一次网供水中远处设中继加压站，在一次网回水上设减压站。
   

a、水泵旁通加压：混水泵设置在混水旁通管路上，利用水泵将二次网的一部分回水加压打入一次网供水中混合加热，形成二次网供水，二次网的另一部分回水作为一次网回水返回一次网回水总管；一次网供回水上设置调节阀，水泵采用变频控制。此供热方式适用于一次网供水的高中压区。
   

  b、水泵回水加压：混水泵设置在二次网回水总管上，利用水泵将二次网回水加压，一部分回水受混水旁通管路上的调节阀或者一次网回水管路上调节阀（视水泵出口到一次网总回水与到二次网供水需增压力相对大小定）支配流入一次网供水混合加热，形成二次网供水，另一部分回水直接返回一次网回水总管；一次网供回水上设置调节阀，水泵采用变频控制。此供热方式适用于一次网供水的高压区且地势低洼处。
     

c、水泵供水加压：混水泵设置在二次网供水总管上，一次网回水调节阀将二次网回水压力调节至满足二次网系统静压，当一次网供水压力高于二次网回水静压时，一次网供水侧电动调节阀在调节流量的同时一次网供水阀后压力与二次网回水静压相持平衡，利用水泵将二次网一部分回水及一次网供水同时吸入混合加热，形成二次网供水，另一部分二次网回水直接返回一次网回水总管；一次网供水（或混水旁通）与一次网回水上设置调节阀，水泵采用变频控制。此供热方式适用于一次网供水的低压区。（当一次网供水压力低于二次网回水静压时，一次网侧的电动调节阀移至混水旁通上，此电动调节阀在调节流量的同时混水旁通阀后压力与一次网供水压力相持平衡）
    2.运行特征：
    受一次网压力区域及地势不同的影响，不同特征的供热区域采用的不同混水直供供热方式，其运行工况与水泵耗电量有所不同，但二次网的定压方式、控制方式及系统稳定性等都具有相同的特征。
 2.1 不同点：
    （1）二次网升压点不同。混水直供的主要特征是节能，一次网与二次网直接连接混合，一次网的流动动能带入二次网中，二次网可以利用一次网的动能作为自身的动能将热水送往各热用户。以上三种供热方式是根据一次网的压力区域以及热力站与主管道分支开口处的相对地势高差而布置的。
     A）旁通加压的混水方式，热力站处在一次网高中压区且热力站房与主管道分支开口处的相对地势高差较小的位置（图2Ⅰ点），从压力分析图中可以看出此处一次网分支供回水压差（30mH2O）足以满足二次网的资用压差，此处混水只需将二次网的部分回水强制混入一次网便可，所以在此供热区域内二次网升压点在混水旁通上；
      B）回水加压的混水方式，热力站处在一次网高中压区且站房与主管道分支开口处的相对地势高差较大的位置（图2Ⅱ点），从压力分析图中可以看出此处一次网分支供回水压差（39mH2O）足以满足二次网的资用压差，但地势相对分支开口处较低，要将分支回水送回主回水管，如果同时满足相对地势高差（9mH2O）、二次网自身防止高端倒空的回水静压、二次网资用压差与此分支回水上的资用压差，且当一次网总回水在该处的就地压力比二次网的静压高时，还需考虑这两者的压力差，经计算用于同时满足这些条件的就地压力已超出二次网散热器最大承受压力，为保证用户系统的安全性，必须将一次网的供水压力降至能满足二次网安全运行的压力，所以需在二次网总回水处设置加压泵对二次网回水进行加压，弥补一次网分支回水返回主管所需压力的不足，同时也将二次网的一部分回水强制混入减压后的一次网供水形成二次网供水（若受地势高差的原因，一次网回水返回需要的压力大于二次网供水压力时，一次网回水上的电动调节阀移至混水旁通管道上控制混水量，此时混水旁通阀后压力与二次网的供水压力相持平衡，在二次网恒流量运行的工况下，二次网资用压差不变，自然二次网的静压也就因为旁通调节阀的调整而相持稳定），所以在此供热区域内其二次网升压点在二次网的回水总管上；
      C）供水加压的混水方式，热力站处在一次网低压区且站房与主管道分支开口处的相对地势高差较小的位置（图2Ⅲ点），从压力分析图中可以看到在一次网供回水本身的资用压差（4mH2O）已不能满足二次网内网阻力，同时热力站地势与分支开口处基本相当，或者热力站地势相对分支开口处过高，一次回水压力不需克服太多的相对地势高差，这样只需用水泵对一次网供水加压，拉大一次网供回水的资用压差，使其满足二次网的内网阻力，同时也将一部分二次网回水吸入加压达到二次网供水压力，在此区域内二次升压点在二次网的供水总管上。受城市地势的影响，还会有热力站处在一次网低压区且站房与主管道分支开口处的相对地势高差较大的位置复杂地势，可以采用稍复杂的混水方式，因本公司的混水供热系统内没有相应的地势及混水方式，在此暂不阐述。2）耗量不同。因二次网升压点不同，相同的二次网流量，水泵的做功不同，所以各混水方式的运行耗电量就不同。假设三个混水方式不同的热力站，运行工况下水泵综合效率均为0.7，且运行参数一样：一次网来水流量为175t/h，经混水加热，混入175t/h的二次网回水，二次网流量为350t/h，二次网运行需要资用压力为0.11MPa。经计算采用旁通加压式的混水方式的热力站小时电耗量为7.5KWh；采用二次供水加压式及二次回水加压式的混水方式的热力站小时电耗量为15KWh；2.2 共同点：
     （1）二次网定压方式均采用一次网分支回水阀门进行定压，也就是前文提到的回水阀定压方式。混水直供供热方式二次网系统也需要定压，因为各供热小区的地势高差不均，要保证二次网系统最高处不倒空，不同的地势高差需要不同的静压力。此三种混水方式均是在各热力站一次网分支回水处设置调节阀通过节流分担一部分一次网分支的资用压差，使二次网资用压力保持在一次网分支压力的较高段，同时满足二网系统的静压。通常一次网供水上的电动调节阀是根据阀门全开且阀门前后压差为0.1MPa时通过的最大流量来选定的，受各热力站地势高差不等的影响，大部分一次网分支供回水的资用压差远远超过二次网的资用压差加上0.1MPa，这样必然造成阀门全开时通过流量过大，在调节二次网供水温度时，会因为阀门关得过小，而造成二次网供水压力不足。因为一次网分支供回水的资用压差（△P1资）需要由分支内部阻力来消耗，若分支内部阻力只有一次网供水的减压阀和电动调节的阻力（△P1供）和二次网供回水的资用压差（△P2资），这样就可以得出三者的关系， 即 △P1资=△P1供+△P2资（1）那么，此时二次网回水压力等于一次网回水压力（如图3C），在二次网资用压差恒定（0.10MPa）的工况下（二次网恒流量控制），当一次网回水压力（0.19MPa）偏低时，此分支供水上的减压阀和电动调节阀需要承担的阻力（△P1供）过大，从而造成二次供水压力（0.29 MPa）不足，即二次网静压不足。为解决二次网静压不足这一问题，需在一次网回水上设置一个调节阀来分担一部分一次网供回水的资用压差。因为一次网分支供回水的资用压差（△P1资）需要由分支内部阻力来消耗，分支内部阻力多了一次回水上调节阀的阻力（△P1回），这样就可以得出四者的关系，即△P1资=△P1供+△P2资+△P1回（2）为保证系统运行稳定，在系统运行过程中△P1资与△P2资通常是恒定的。根据关系式（1-2）得知，可以通过调整△P1回的大小来改变△P1供的大小，从而达到调整二次网供回水压力的目的，也就是二次网定压，如图3AB。从图3AB可以看出，通过调整一次回水的调节阀可以给二次网系统持定不同的静压，而一次主网与二次网的运行工况相对稳定，这就上面所说的回水阀定压方式。在实践中也是这样的，在正常冷热水1：1混合的工况下，受各站地势条件影响，16个混水站中有8个站需关小一次网回水阀门，将压力“憋”到二次网所需要的供水压力；当冷热水混合比大于1：1时，16个混水站均需要关小一次网回水阀门，将压力“憋”到二次网所需要的供水压力。（2）一次网与二次网供回水运行工况可以相对隔开，可以针对二次管网运行工况需要进行调节控制，而一次管网运行工况不存在明显波动，系统稳定。二次网运行工况调整一般是对供水温度与供水压力的调整。a供水压力的调整也就是静压点的调整，主要利用一次网回水处的调节阀进行调节，二次网系统静压点的调整值在一次网分支的资用压力范围内进行（如图3AB），不影响到一次网的其他分支；b供水温度的调整主要是以一次网供水温度质调节为主，调整一二次网的流量比为补充的形式。根据整个大管网的系统特征，混水方式可以有不同的流量混合比，当二次网与一次网的流量比值为2或者2以上时，以调整一二次网的流量比为补充的方式对二次网供水温度进行调节时，一次网的流量变化很小，由此变化流量引起的一次主管网沿程压损基本可以忽略，所以一次网很稳定。
     （3）控制方式相同。a混水泵均参照二次网流量进行变频恒流量控制：根据二次网内网的供热面积及流量调配程度，在保证各楼各单元用户热水循环流通的情况下，通过变频调节水泵出口流量，从而控制二次网的循环流量；b一次网供水侧调节阀参照二次网供水温度进行调节控制：因二次网流量恒定，一次网的流量直接影响二次供水温度，可执行定温控制或温度经验曲线控制等多种控制方式对二次网供水温度进行调节控制；c一次网回水侧调节阀参照二次网所需静压力进行恒压控制：受一次网供水侧调节阀对二次供温的控制调节，二次网的供水压力会跟随发生变化，为保证二次网系统不倒空不超压，一次网回水侧的调节阀需作相应调节以保持二次网的回水压力；d设置超压泄水保护：因为供热系统循环周期比较长，调节阀的调节时间需要延长，当一次网出现异常情况时，设置电磁泄压阀超压泄水实时保护，以保证二次网系统安全性。3.经济分析3.1 初投资费用低因热力站工艺结构上没有换热器，加上它自身独特的定压方式-回水阀门定压，混水热力站节省换热器及变频补水定压方式所需的管件与设备的投资；另外由于设备占地面积少，加上采用无人值守，热力站土建造价明显下降，所以混水直供热力站相对于间接供热造价明显低。假设一个8万平米的混水直供热力站，其初投资相对于间接供热换热站大体估价如下页简表。就本系统05-06年供热面积为105万平米，一共组建16个混水热力站，建站规模平均按8万平米供热能力计算，外网混水直供热力站相对于间接供热热力站节省初投资192万元。3.2 运行成本低
   （1）一次网供热系统流量分配图：
     （2）混水直供与间接供热一次网循环泵用电功率比较：
     （3）混水直供二次管网各热力站水泵用电功率：（一次网水量：二次网水量=1：2）（4）运行电费比较：从以上计算表格看，本混水直供供热系统运行成本在冷热水1：1混合的运行模式下相对于间接供热是经济的。3.3 热损耗较小，维护费用低从直观上看混水直供供热方式没有换热器，相对间接供热方式可减少换热器的散热损失，所以混水直供相对于间接供热热利用率更高；混水直供热力站没有换热器，在检修期间相对间接供热方式节省大量的维护费用，间接供热各小区热力站的换热器通常每隔一两年都需要做定期的除垢清洗，特别是板式换热器流道间隙窄，容易结垢，换热板间严密性要求高，密封垫在拆装过程中容易损坏，这样造成热力站维修成本的增加，经测算平均每年单台换热器维护费用为2500元，16个换热站32台换热器平均年维修费用为8万元。4.结 论：
     通过阐述本公司混水直供供热系统的运行特征及相对间接供热方式的经济比较分析，可以看到通过利用热网监控系统实施无人值守自动监控，可实现与间接供热方式相同的多种控制功能，供热系统稳定，供热效果良好；另外混水直供供热方式工艺结构简洁及二次网静压定压方式独特-回水阀门定压方式，使供热方式在建设初投资、运行费用、维护费等均有优于传统的间接供热方式。本供热系统供热面积为105万平米，实施混水直供供热方式平均散热量0.55GJ/（年·m2），通过采用北京硕人时代热网监控系统，部分站点实施定温控制平均散热量0.4～0.5GJ/（年·m2），供暖期为140天，热力公司单方面考虑，此外网系统相对间接供热方式年运行费用节省35万元，初投资节省192万元，节省维护费用8万元。