平衡阀流量调节在二次管线中的应用和效果
平衡阀流量调节在二次管线中的应用和效果
章伟
北京市热力集团有限责任公司
摘要：
本文通过对前三门8号热力站新加区供热系统不同采暖季运行参数、用户室温进行对比分析, 得出该热力站安装二次管线平衡阀不仅可以调节水力平衡, 改变运行工况, 提高供热质量, 而且从长远看, 节能效果、经济效益更佳。
关键词：平衡阀; 实效性; 节能效果; 经济效益;
在热力站运行管理中，二次管线流量调节粗犷已成为改善供热质量的主要障碍。由于缺少科学有效的调控手段，二次供热系统很容易出现流量分配不平衡的问题，主要表现为用户间冷热差异大以及热力站能耗增大。为了响应国家节能减排的号召，满足用户的用热需求，北京市热力对前三门8号热力站新加区二次管线进行了平衡阀改造。本文针对该项目，主要在节能量、经济效益及运行效果等方面进行分析。
前三门8号热力站1978年建成，站内有换热机组3台，供热面积约10.4万m2。站内新加区机组供热1.6万m2，每月耗水量为?，耗热量为?，机组为常规机组，主要由2台额定流量分别为110t/h的MMG160L-Z-42FF300-EZ循环水泵，2台型号为CR3-7A-A-A-E-HQQE的补水泵及两台型号为BR0.6的板式换热器组成。用户端由9个独立建筑组成，分别为长椿街东里19号楼、20号楼、20号楼南、22号楼、24号楼、三庙街居委会、甲14号楼、乙14号楼、丙14号楼，每栋独立建筑供热面积约为700m2，单元数为3或4个，每个单元均有1个户线阀门，可单独关断1个单元的供热系统。用户户线供热系统为上供上回双管系统，每户由单独分支阀门控制。
三庙街甲14号楼、乙14号楼、丙14号楼反映不热的情况较多，最远端的甲14号楼反映最为强烈，用户通过放水等方式保持室温，室内平均温度17℃。2015-2016采暖季、2016-2017采暖季热力站新加区机组均按照一次回水温度45℃运行。运行中存在如下问题：
(1）系统平衡失调，建筑之间冷热不均，造成水泵运行能耗增加（该热力站新加区在2015-2016采暖季中2台循环泵同时运行）；
(2）原有系统中老旧阀门阻力过大，增加水泵能耗；
(3）系统中气体含量过多，影响供热效果；
(4）末端室温不达标，用户常放水导致水耗、热耗增加。
供热管网是一个复杂的水力系统，系统中各环路间水力状况的变化相互影响和制约。因此，在运行管理中，水力平衡的调节非常重要。在热力管网中通常有静态水力失调和动态水力失调两种情况。本次需要改造的小区是老旧小区，水力失衡的现象更多的是体现在静态水力失衡的现象方面。由于系统管道特性阻力数比值与设计比值不一致，从而使系统各用户的实际流量与设计流量不一致，引起水力失调。静态水力失调是系统本身所固有的，它是由于设计、施工、管材等原因导致的。
动态的水力失调主要是体现在带有末端温度装置或设备的供热系统中。末端设备有温度调节装置系统运行时，节能效果会更好，动态水力失调在静态失调之后，动态水力失调实际上是系统运行过程中当某些末端阀门开度改变引起水流量变化时，系统的压力产生波动，其它末端的流量也随之发生改变，引起的水力失调，动态水力失调是在系统运行过程中产生的。
前三门8号热力站新加区水利失衡属于静态失衡，为了防止夏季检修及冬季抢修中产生水力动态失调，考虑采用高技术规格的平衡阀。在流量调节中，为了解决室温不达标问题，必须考虑热负荷的与水力平衡的关系。
不同的地区热指标不同。作为指标规定，北京地区1980年规定为室外温度-1.6℃，室内温度16℃，采暖天数125天，该值为25.2cekg/m2。2004年北京市规委、建委提出的指标为14.65W/m2[1]。
采暖设计热负荷指标是在室外计算温度（-9℃）下，为保证室内计算温度，单位建筑面积在单位时间需要由室内采暖设备供给的热量。室内计算温度、卧室、起居室为18℃，厨房16℃，卫、浴室为22℃。循环水泵的选择、热力站的配备均以这个指标为基础。
一个系统内部热能的输入、输出及热能在系统内部分消耗、分配等都比较均衡，称之为热平衡。通俗地说就是热的明细账。热平衡调节的任务就是要解决冷热不均的问题。
在热水供热系统中，热能的载体为热水。通过管路向用户提供的热量可用下式计算[2]：
G———供水管中热水流量，kg/h;
t2、t1———供水、回水温度，℃。
在热力站提供的二次出入口温度一定的情况下，每个用户得到的热是Q和该用户的热水流量是G密切相关。可以说热平衡的关键是流量的平衡，也就是水力平衡，水力不平衡又称为水力失调。
水在直管内流动时会遇到阻力叫沿程阻力，该阻力同管道长度、管道的直径及管道内表面光洁度有关。可用公式表示[3]：
RL———每米管道在直径为D、流量为G (kg/h）时的阻力又称比摩阻，Pa/m;
L———管道长度，m。
使水流形态发生改变的阻力叫局部阻力。例如：三通、弯头、阀门、除污器等都改变了流体的流动状态。可表示为：
Lj———当量长度，m，相当于沿程若干米管道产生的阻力RL，已知管道直径D、流量G通过手册查出比摩阻及Lj值。
总阻力：
动力设备，如水泵，为克服这些阻力使水在管道内流动产生的动力称之为压头。单位为Pa或者水柱高m (H2O）。换算关系1MPa=106Pa≈100m (H2O) =105mm (H2O) 。
由水泵提供给各用户入口处的压头又称为资用压头。资用压头应当大于系统压头，否则该系统热水流量不足会导致该系统无法正常供热。同样，如果资用压头大大超过系统压头，该系统得到的水量（热量）过多，则造成浪费能源，在这种情况下，要采取技术措施，先调整平衡阀，使该系统得到的压头与需要的尽可能接近。
例如，对于4个独立用户的水力计算方法如图1、表1所示。
图1 热用户管网示意图
目前北京市建筑设计中，每个入口的系统阻力都在50kPa～60kPa之间。为保证最远端用户E的动力需要，水泵最小动力应为：
可以看出，越靠近热源A，资用压头和需要压头之差越大。如果设计不当，很可能造成近端抢水，远端水量不足，按流量关系依次为：QF>QG>QH>QE，形成水力失调。实际中，单靠正确设计在支路设计中把富余的压头平衡掉不太可能。一般选择安装平衡阀解决水力平衡问题。这就对平衡阀有了一定的技术指标的要求。
从管路性能曲线来分析，图2中的曲线是管路的沿程阻力，管道长短不同，沿程阻力也是不同。采用曲线图可以更直接的表达，红色长方形内部分则是用平衡阀来修正的部分。
表1 管网流量计算统计表 下载原表
⊿PAB=52018
图2 管网压力分布图
注：△P超量为偏离量。
另外，从图3中可以看出，部分管道的老化，也会对系统的沿程阻力造成影响。
综上所述，平衡阀选型要求应依据上述计算结果以及现场安装条件进行，力求满足水力平衡的调节要求。
选取平衡阀时，应考虑如下因素：
(1）阀体应采用直流式结构，以减小阻力，最不利回路不大于3kPa，通常状态下为20kPa左右。
(2）阀门进出口带有自密封测量口，与智能仪表连接后，可以测量阀门前后端压差及阀门流量。
图3 管道老化锈蚀程度与沿程阻力的对比图
注：红色长方形内为因管道锈蚀造成的管道比摩阻的变化
(3）阀门开关具有精确的刻度指示，技术人员能够精确地进行水利调节，并可以对阀门开度进行锁定，阀门开度锁定装置可以防止维修人员的误操作。在调试完成后，在确认阀门的现有开度后，通过锁定装置，可以将阀门的开度锁定在该位置。阀门可以正常的关闭，以便系统维护。检修完成后，再次开启阀门时在锁定位置会限制住。这样就不会造成二次静态水力失衡的现象。
(4）具有完全关断功能，阀门应为自平衡设计，启闭不受管道内压力影开关方便。
图4 前三门8号站新加区二次系统平衡阀安装示意图
如图4所示，前三门8号热力站新加区9栋独立建筑二次管线户线井内安装平衡阀27个，做到了该供热系统用户独立支路水力平衡调节全覆盖。
图5中的红线为理想的管道特性曲线，蓝线为前三门8号热力站新加区循环水泵性能曲线，黑线为水泵做功效率曲线（两种电机），红色点为水泵做功功率最高点（80%），黄色的交点为本次平衡调试后，通过平衡阀修正后的水泵运行工况目标值。按照分配流量调节，将使水泵工作流量（系统总流量）接近170m3/h、扬程接近30m。
图5 前三门8号新加区循环水泵的性能曲线示意图（Q-H)
图6 前三门8号新加区循环水泵的性能对比图
从图6中看出，该小区水泵选型参数满足需求，系统水力平衡调节完成后，水泵运行还是有很大的节能空间。图中橙色部分为调节后的运行性能，蓝色部分为调节前的性能曲线。在调节后的正常供热工况中运行，水泵运行方式恢复热力站设计初衷“一用一备”，能够解决调节前的“两用无备”问题。
图7 前三门8号新加区阀门流量与压差曲线图
图7表示阀门调节程度与压差的变化曲线和关系。
图8表示由于水力失衡现象严重，离水泵最近和最远点的流量相差16.6倍。
图8 前三门8号新加区调节前后流量对比示意图
图9 前三门8号新加区调节后流量与最大压差示意图
从图9、表2中参数分析出长椿街东里24号楼是离热力站（热源）最近，三庙街甲14号楼为最不利回路。各单元较所需流量值（目标流量值）十分接近，将最不利回路流量调高，从4t/h调至6t/h，将最近端回路流量应调低，从41.5t/h调至17.6t/h，其他回路按照计算数值调节流量。
安装调节前实际采集的总流量数据为165.2m3/h，安装调节后实际流量为96.2m3/h。流量值降低幅度为42%。
在2015-2016采暖季发现热力站新加区系统水力平衡失调后，于2016-2017采暖季供暖前完成二次管线平衡阀的安装调试工作，并于2016-2017采暖季投入使用。两个采暖季热力站一次回水温度均按照45℃运行，热力站、二次管线等主要设备没有进行更换和调整，换热效率和运行效率变化不大，热量按照两采暖季室外平均温度折算，符合能耗对比条件。
表2 前三门8号新加区流量与室温安装调节前后对比表 下载原表
注：本表中流量为供水流量，室温均为卧室、起居室温度。
折算公式如下：
Q1———折算热量，GJ;
Q———实际计量热量，GJ;
T———当年采暖季室外平均温度，℃。
如表3、图10、图11、图12所示，安装调试后该热力站采暖季耗水量比安装调试前减少了2866t，节能率为58.3%，按照时价9.5元/t计算，水费节约了2.7万元；耗电量比安装调试前减少了147640℃，节能率为46.9%，按照时价（商业电价）1.2元/kWh计算，电费节约了17.7万元；耗热量比安装调试前减少了313GJ，节能率为0.9%，按照时价80元/GJ计算，热费节约了2.5万元。2015-2016采暖季能耗成本为306.1万元，每年能耗成本共计节约22.9万元，成本节约率为7.5%。
表3 前三门8号新加区平衡阀安装调节前后能耗对比表 下载原表
图1 0 前三门8号新加区平衡阀安装调节前后水耗对比图
图1 1 前三门8号新加区平衡阀安装调节前后电耗对比图
图1 2 前三门8号新加区平衡阀安装调节前后热耗对比图
如表2所示，反映不热的情况较多的三庙街甲14号楼、乙14号楼、丙14号楼，用户平均室温从17℃提高至20℃，提高率为17.6%；反映不热情况最为强烈的最远端的甲14号楼，室内平均温度从16℃提高至21℃，提高率为31.3%。用户用热满意度的上升改变了其通过放水等方式保持室温的做法，有利于供热系统的正常运行，促进了新加区用户的热费收缴工作，减少了报修次数与人力成本。
2016-2017采暖季热费收缴相比2015-2016采暖季增加了12.1万元，收费率增长27.4%，维修工由4个减少为2个，人工成本按照5000元/人/月计算，节约人工成本5万元。
根据技术改造资料记载，平衡阀安装调试工程一次性投资额为33万元；每年能耗成本节约22.9万元，人工成本节约5万元，共计每年增加收益27.9万元，按照每年相同工况运行，预计1个采暖季后收回成本，并实现盈利。
根据以上分析不难看出, 前三门8号热力站新加区供热系统在经过平衡阀安装调试后, 从能源成本角度分析, 成本节约率为7.5%;从企业收益角度分析, 热费收益增加了27.4%;从人工成本角度分析, 成本节约率为50%。综上所述, 平衡阀项目节能效果非常明显, 很好地解决了水力失调现象, 供热系统与节能设备匹配良好, 热力站设备运行方式恢复正常且运行稳定。用户满意度的提升, 树立了企业的良好形象, 增加了企业的经济效益和社会效益。
供热系统稳定运行及供热服务提升一直是供热企业的运营关注点。如何为供热系统节省能源成本，实现供热系统节能、环保、可控、可调的运行方式，此项目具有良好的示范作用。供热系统的精确调节势必取代过去人为粗犷的调节方式，成为供热系统未来运行的大趋势。
