北京交通大學 周萬英 劉英武
固安愛能供熱設備有限公司 曹建平
摘 要：本文闡述了目前供暖系統的狀況并進行了工況分析，同時分析了供暖系統存在的問題及造成能源浪費的原因。介紹了自力式流量控制閥的工作原理及其使用后所獲得的經濟效益和社會效益。
一、概述
我校位于北京市海淀區西直門外上園村，截止到2005年底全校供暖面積51萬平方米，安裝2臺1200×104大卡/時熱水燃煤鍋爐。鍋爐房采用一、二次水水熱交換，一次水設計熱媒為130/90℃，二次水設計熱媒為95/70℃，共建6個熱交換站，系統集中供暖調節采用質調方式。
在多年的供暖運行中，一次網給回水的溫差為10-20℃，回水溫度高達80-85℃，接近鍋爐的設計給水溫度，可經過鍋爐升溫后的出水溫度卻只能維持在100-110℃之間，達不到鍋爐設計出口水溫，嚴重影響鍋爐的出力和正常運行，由于一次網系統的水力失調，造成二次網的近端和遠端換熱后的給水溫差達6-7℃，最大達到10℃，造成近端熱用戶室內溫度超過25℃，遠端熱用戶室溫低于16℃的“近熱遠冷”現象。嚴重影響了二次網的供熱。
二、 供暖系統運行工況
供暖系統的循環流量，直接影響供暖質量和供暖效果。供暖流量選擇過大，造成投資和運行成本的增加；循環流量選擇過小，不僅無法保證供暖質量，而且勢必造成更大的浪費。一般設計計算循環流量多按下式計算：
G=Q/C（tg-th）×3.6×a1×a2
式中：
G：計算循環流量，m3/h
Q：設計熱負荷，kw
C：水的比熱，kJ/（kg·℃）
tg、th：設計供回水溫度，℃
a1：散熱損失修正系數，1.05-1.1
a2：補水率修正系數，1.05-1.02
一次網設計水溫，按規范規定供水溫度應取115-130℃，回水溫度應取70-80℃，我校在實際運行中供水溫度最高能達到90-100℃，回水溫度80℃，溫差也達不到規范規定的45-50℃。而在定流量的前提下，供回水的溫差直接影響住戶居室溫度，而熱負荷與溫差相除又直接決定流量的大小。所以與上述公式計算的設計流量差距甚大。
定流量質調的供暖方式，是我校也是當前國內的通用方式，要過度到像北歐一帶的變流量供暖方式，即室內有人時室溫要求達到20-25℃，室內無人時只需維持6-8℃的值班采暖溫度，首先要有足夠容量的熱源和完善的運行調控手段才能做到。而我校的熱源不足，近期得到改善的可能性較小，所以只有利用調控手段才能改善現狀。
1、不平衡
在運行的供熱系統處在“大流量、低水溫、小溫差、高電耗”的狀況。其原因是企圖減輕供熱管網環路之間水力不平衡而造成的供水流量不到位。可是，這種運行狀況并不能使嚴重的水力失調得到緩解，反而加大了水泵耗電量。許多室外供熱管路水力不平衡，流量不到位，靠近熱源的用戶流量過大，室溫過高，開窗降溫，大量熱能流失，遠離熱源的用戶流量不足，室溫過低，“近熱遠冷”的現象較為嚴重。為了提高末端用戶的室溫，一是采取加大循環流量，二是提高供水溫度或供熱量。總之，不是靠增加電耗，就是靠增加熱耗來消除熱力工況失調，掩蓋水力失調的存在。這樣，“冷”用戶滿意了，少數不熱的用戶也有所好轉，但“熱”用戶就更熱了。
造成供熱管網中水力失調的主要原因是由于系統內的阻力分配不當，不能按設計要求參數運行，致使系統內流量分配不均，出現近熱遠冷的不平衡現象。這種情況不是單靠改變管徑、流速和使用普通閥門調節所能解決的。手動調節閥是一種靜態調節的水力平衡元件，在實現供熱管網的平衡調節時，只有順序的重復多次，才能接近平衡，且供熱范圍越大，重復調節的次數越多，當負荷增減變化時又需進行重復調試，每年還必須重新調試。由于這種靜態的平衡元件沒有自動消除供熱系統中剩余壓頭的能力，所以一般只使用于在規模較小，負荷及工況不變的前提下采用。
2、能耗大
循環水泵是集中供暖系統中的重要設備之一，靠它克服沿程阻力，把熱量送到千家萬戶，同時它又是耗電“大戶”。在熱水采暖系統中，循環水泵的工作點，即循環水泵的G-H特性曲線與網路特性曲線的交點。只有在這一點的流量下，水泵所產生的壓頭恰好與網路所需的壓頭相等，泵的工作點才能在效率高的最佳狀態下運行。但是，計算的網路特性曲線與實際的網路特性曲線，由于系統的水力失調，系統的實際流量將大于計算流量，其結果是“設計的”工作點向G-H特性曲線的右方偏移（見下圖）。工作點偏移程度與系統水力失調的大小有關。由于目前許多熱網均處于大流量運行方式，泵的工作點常處在不經濟的工作條件下運行，由于流量與水泵軸功率成三次方的關系，所以大流量的運行方式意味著電能消耗增大，如一般3萬平方米左右建筑面積的供熱系統，循環水泵的電功率在15-30kW之間，若系統循環水量提高1.4倍，水泵電功率則提高2.7倍，達41-82kW供熱采暖網。
三、解決措施：自力式流量控制閥——實現采暖系統管網動態平衡
如果一次網和二次網系統的嚴重水力失調不能從根本上解決，那么隨著供暖面積的增加不僅會造成能源的浪費而且也會使供暖質量不斷下降。經過多次調研，我校選用了固安愛能供熱設備有限公司生產的自力式流量控制閥，以行政校園區為試點，經過將近一個供暖季的實踐證明，一次網系統由于各熱交換站之間流量得到合理分配，使二次網的遠近端溫差減少到0-2℃，從而使末站的熱交換效果接近首站的熱交換效果，供熱效果明顯改善，末端熱用戶室內溫度達到18±2℃。
1、原理
自力式流量控制器是一個多孔板組合的聯動裝置，是目前國內較可靠的動態水力平衡元件。它由一個流量設定可視調節閥，即手動孔板（相當于一個靜態水力平衡元件）和兩個閥瓣及彈簧、膜片組成的動態調節裝置，即自動的可調節孔板（相當于一個動態水力平衡元件）組成。手動可調孔板是用戶根據設計熱負荷的循環流量值，使用專用設備旋轉流量可視調節線，調至所需流量值對準流量刻度線指示值即可。流量一經設定，其值是永衡的，不受供熱系統的壓差、熱負荷等影響。自力式流量控制器中的自動孔板將借助于系統的壓差為動力，自動調整阻力，直到完全消除該系統的剩余壓頭為止，從而確保流量設定值保持不變。所以，無論供熱管網的熱負荷如何變化，只要在用戶熱入口的回水管上水平安裝一臺自力式流量控制器，供熱管網系統便可在動態調節功能的作用下自動實現平衡。
2、安裝
我校在一次網共6個熱交換站的回水干管上全部安裝了自力式流量控制閥。從而實現了6個換熱站間的一次網水力平衡。二次網僅在行政校園區安裝，共4個熱交換站，供暖面積30萬平方米，111個入口，占全校熱入口的51%。我們依據供回水管的管徑和循環流量值，選用等管徑或小一號規格的自力式流量控制閥，水平安裝在熱入口的回水管上。按計算的循環流量值逐個進行調節設定。處在末端的綜合樓和22號學生公寓由于供暖效果不達標，暫時調到最大值。家屬區有21萬平方米，由于資金問題沒有安裝。
3、經濟效益和社會效益
a、供暖運行中實現了量化管理
量化管理就是把熱量、電能等能耗加以量化，把系統中的流量和熱入口單體的循環流量，置于嚴格、精確的控制之下，將熱量隨流量按需分配到熱用戶，從而降低能耗，使管理更加科學合理。實現了各樓的供暖量化管理。即離熱源較近的用戶按單位供暖面積3.1-3.3L/h設定循環水量，離熱源較遠的用戶按單位供暖面積3.4-3.6L/h設定循環水量。經過這將近一個供暖周期的運行實踐，不但有效地改變了原來部分區域供暖不能達標的現象，供熱采暖網還從根本上解決了供暖不平衡問題。
b、節電
在熱水供暖系統中，循環水泵所產生的壓力恰好與網路需要的壓力相等，泵的工作點才能在效率最高的最佳狀態下運行。由于系統水力失調，整個系統均處于大流量的運行方式，泵的工作點常處在不經濟的條件下運行，且為了避免循環水泵在大流量運行過程中出現電機過熱，甚至過載燒壞，操作人員不得不將泵出口閥門關小，讓電機在額定電流下運行，要用這種方式增大泵的出口阻力，限制流量，對供熱管網來說無疑是一種無用的阻力。在管網中安裝自力式流量控制閥，實現動態調節后，管網中的阻力能自動調整，確保水泵在最佳工況下運行。單位面積循環水量減少，電機能耗亦相應下降。
今年供暖后的嚴寒期，我校將自力式流量控制器調好后，一次網和二次網各少開啟一臺循環泵，電機容量分別為37kW和75kW，小時可節省電量112kW/h，一個采暖季節省用電24萬多元的運行費用。
c、節煤
在通常的供熱系統中，近端熱用戶水流量是設計流量的2-3倍，遠端用戶水流量是設計流量的0.2-0.5倍。為了提高末端用戶的室溫，供熱系統采取了增大循環量的方法。但在流量受限制的條件下，則采用提高系統供水溫度和熱源供熱量的方法。這種運行方式是靠增加電耗、熱耗來消除熱力工況的失調掩蓋水力失調的存在。采用自力式流量控制器后，從根本上解決了水力失調問題，各熱用戶的流量均能按設計流量分配，使熱耗降低，從而可節煤，亦可提高供熱能力。
d、假期可控溫
假期期間學生部分宿舍和辦公樓有一個月的時間無人，可將流量調到平時的一半，使室溫保持在不凍的狀態就行了，又可以節約部分熱量。
通過一個冬季的實踐表明，原來末端熱用戶室溫不達標的樓比如綜合樓和22號學生宿舍樓，今年達標了。總的效果雖然比去年有很大的提高，但尚有49%的末端用戶沒有安裝自力式流量控制閥，所以總的循環流量仍大于設計流量，如果每個熱入口都能按設計流量分配，那么全系統的運行工況定能處在最佳，最經濟的狀態。
綜上所述，采暖外網調節是節能降耗并達到標準供熱必要措施，安裝自力式流量控制器是實現這一目的的有效途徑。
固安愛能供熱設備有限公司 曹建平
摘 要：本文闡述了目前供暖系統的狀況并進行了工況分析，同時分析了供暖系統存在的問題及造成能源浪費的原因。介紹了自力式流量控制閥的工作原理及其使用后所獲得的經濟效益和社會效益。
一、概述
我校位于北京市海淀區西直門外上園村，截止到2005年底全校供暖面積51萬平方米，安裝2臺1200×104大卡/時熱水燃煤鍋爐。鍋爐房采用一、二次水水熱交換，一次水設計熱媒為130/90℃，二次水設計熱媒為95/70℃，共建6個熱交換站，系統集中供暖調節采用質調方式。
在多年的供暖運行中，一次網給回水的溫差為10-20℃，回水溫度高達80-85℃，接近鍋爐的設計給水溫度，可經過鍋爐升溫后的出水溫度卻只能維持在100-110℃之間，達不到鍋爐設計出口水溫，嚴重影響鍋爐的出力和正常運行，由于一次網系統的水力失調，造成二次網的近端和遠端換熱后的給水溫差達6-7℃，最大達到10℃，造成近端熱用戶室內溫度超過25℃，遠端熱用戶室溫低于16℃的“近熱遠冷”現象。嚴重影響了二次網的供熱。
二、 供暖系統運行工況
供暖系統的循環流量，直接影響供暖質量和供暖效果。供暖流量選擇過大，造成投資和運行成本的增加；循環流量選擇過小，不僅無法保證供暖質量，而且勢必造成更大的浪費。一般設計計算循環流量多按下式計算：
G=Q/C（tg-th）×3.6×a1×a2
式中：
G：計算循環流量，m3/h
Q：設計熱負荷，kw
C：水的比熱，kJ/（kg·℃）
tg、th：設計供回水溫度，℃
a1：散熱損失修正系數，1.05-1.1
a2：補水率修正系數，1.05-1.02
一次網設計水溫，按規范規定供水溫度應取115-130℃，回水溫度應取70-80℃，我校在實際運行中供水溫度最高能達到90-100℃，回水溫度80℃，溫差也達不到規范規定的45-50℃。而在定流量的前提下，供回水的溫差直接影響住戶居室溫度，而熱負荷與溫差相除又直接決定流量的大小。所以與上述公式計算的設計流量差距甚大。
定流量質調的供暖方式，是我校也是當前國內的通用方式，要過度到像北歐一帶的變流量供暖方式，即室內有人時室溫要求達到20-25℃，室內無人時只需維持6-8℃的值班采暖溫度，首先要有足夠容量的熱源和完善的運行調控手段才能做到。而我校的熱源不足，近期得到改善的可能性較小，所以只有利用調控手段才能改善現狀。
1、不平衡
在運行的供熱系統處在“大流量、低水溫、小溫差、高電耗”的狀況。其原因是企圖減輕供熱管網環路之間水力不平衡而造成的供水流量不到位。可是，這種運行狀況并不能使嚴重的水力失調得到緩解，反而加大了水泵耗電量。許多室外供熱管路水力不平衡，流量不到位，靠近熱源的用戶流量過大，室溫過高，開窗降溫，大量熱能流失，遠離熱源的用戶流量不足，室溫過低，“近熱遠冷”的現象較為嚴重。為了提高末端用戶的室溫，一是采取加大循環流量，二是提高供水溫度或供熱量。總之，不是靠增加電耗，就是靠增加熱耗來消除熱力工況失調，掩蓋水力失調的存在。這樣，“冷”用戶滿意了，少數不熱的用戶也有所好轉，但“熱”用戶就更熱了。
造成供熱管網中水力失調的主要原因是由于系統內的阻力分配不當，不能按設計要求參數運行，致使系統內流量分配不均，出現近熱遠冷的不平衡現象。這種情況不是單靠改變管徑、流速和使用普通閥門調節所能解決的。手動調節閥是一種靜態調節的水力平衡元件，在實現供熱管網的平衡調節時，只有順序的重復多次，才能接近平衡，且供熱范圍越大，重復調節的次數越多，當負荷增減變化時又需進行重復調試，每年還必須重新調試。由于這種靜態的平衡元件沒有自動消除供熱系統中剩余壓頭的能力，所以一般只使用于在規模較小，負荷及工況不變的前提下采用。
2、能耗大
循環水泵是集中供暖系統中的重要設備之一，靠它克服沿程阻力，把熱量送到千家萬戶，同時它又是耗電“大戶”。在熱水采暖系統中，循環水泵的工作點，即循環水泵的G-H特性曲線與網路特性曲線的交點。只有在這一點的流量下，水泵所產生的壓頭恰好與網路所需的壓頭相等，泵的工作點才能在效率高的最佳狀態下運行。但是，計算的網路特性曲線與實際的網路特性曲線，由于系統的水力失調，系統的實際流量將大于計算流量，其結果是“設計的”工作點向G-H特性曲線的右方偏移（見下圖）。工作點偏移程度與系統水力失調的大小有關。由于目前許多熱網均處于大流量運行方式，泵的工作點常處在不經濟的工作條件下運行，由于流量與水泵軸功率成三次方的關系，所以大流量的運行方式意味著電能消耗增大，如一般3萬平方米左右建筑面積的供熱系統，循環水泵的電功率在15-30kW之間，若系統循環水量提高1.4倍，水泵電功率則提高2.7倍，達41-82kW供熱采暖網。
三、解決措施：自力式流量控制閥——實現采暖系統管網動態平衡
如果一次網和二次網系統的嚴重水力失調不能從根本上解決，那么隨著供暖面積的增加不僅會造成能源的浪費而且也會使供暖質量不斷下降。經過多次調研，我校選用了固安愛能供熱設備有限公司生產的自力式流量控制閥，以行政校園區為試點，經過將近一個供暖季的實踐證明，一次網系統由于各熱交換站之間流量得到合理分配，使二次網的遠近端溫差減少到0-2℃，從而使末站的熱交換效果接近首站的熱交換效果，供熱效果明顯改善，末端熱用戶室內溫度達到18±2℃。
1、原理
自力式流量控制器是一個多孔板組合的聯動裝置，是目前國內較可靠的動態水力平衡元件。它由一個流量設定可視調節閥，即手動孔板（相當于一個靜態水力平衡元件）和兩個閥瓣及彈簧、膜片組成的動態調節裝置，即自動的可調節孔板（相當于一個動態水力平衡元件）組成。手動可調孔板是用戶根據設計熱負荷的循環流量值，使用專用設備旋轉流量可視調節線，調至所需流量值對準流量刻度線指示值即可。流量一經設定，其值是永衡的，不受供熱系統的壓差、熱負荷等影響。自力式流量控制器中的自動孔板將借助于系統的壓差為動力，自動調整阻力，直到完全消除該系統的剩余壓頭為止，從而確保流量設定值保持不變。所以，無論供熱管網的熱負荷如何變化，只要在用戶熱入口的回水管上水平安裝一臺自力式流量控制器，供熱管網系統便可在動態調節功能的作用下自動實現平衡。
2、安裝
我校在一次網共6個熱交換站的回水干管上全部安裝了自力式流量控制閥。從而實現了6個換熱站間的一次網水力平衡。二次網僅在行政校園區安裝，共4個熱交換站，供暖面積30萬平方米，111個入口，占全校熱入口的51%。我們依據供回水管的管徑和循環流量值，選用等管徑或小一號規格的自力式流量控制閥，水平安裝在熱入口的回水管上。按計算的循環流量值逐個進行調節設定。處在末端的綜合樓和22號學生公寓由于供暖效果不達標，暫時調到最大值。家屬區有21萬平方米，由于資金問題沒有安裝。
3、經濟效益和社會效益
a、供暖運行中實現了量化管理
量化管理就是把熱量、電能等能耗加以量化，把系統中的流量和熱入口單體的循環流量，置于嚴格、精確的控制之下，將熱量隨流量按需分配到熱用戶，從而降低能耗，使管理更加科學合理。實現了各樓的供暖量化管理。即離熱源較近的用戶按單位供暖面積3.1-3.3L/h設定循環水量，離熱源較遠的用戶按單位供暖面積3.4-3.6L/h設定循環水量。經過這將近一個供暖周期的運行實踐，不但有效地改變了原來部分區域供暖不能達標的現象，供熱采暖網還從根本上解決了供暖不平衡問題。
b、節電
在熱水供暖系統中，循環水泵所產生的壓力恰好與網路需要的壓力相等，泵的工作點才能在效率最高的最佳狀態下運行。由于系統水力失調，整個系統均處于大流量的運行方式，泵的工作點常處在不經濟的條件下運行，且為了避免循環水泵在大流量運行過程中出現電機過熱，甚至過載燒壞，操作人員不得不將泵出口閥門關小，讓電機在額定電流下運行，要用這種方式增大泵的出口阻力，限制流量，對供熱管網來說無疑是一種無用的阻力。在管網中安裝自力式流量控制閥，實現動態調節后，管網中的阻力能自動調整，確保水泵在最佳工況下運行。單位面積循環水量減少，電機能耗亦相應下降。
今年供暖后的嚴寒期，我校將自力式流量控制器調好后，一次網和二次網各少開啟一臺循環泵，電機容量分別為37kW和75kW，小時可節省電量112kW/h，一個采暖季節省用電24萬多元的運行費用。
c、節煤
在通常的供熱系統中，近端熱用戶水流量是設計流量的2-3倍，遠端用戶水流量是設計流量的0.2-0.5倍。為了提高末端用戶的室溫，供熱系統采取了增大循環量的方法。但在流量受限制的條件下，則采用提高系統供水溫度和熱源供熱量的方法。這種運行方式是靠增加電耗、熱耗來消除熱力工況的失調掩蓋水力失調的存在。采用自力式流量控制器后，從根本上解決了水力失調問題，各熱用戶的流量均能按設計流量分配，使熱耗降低，從而可節煤，亦可提高供熱能力。
d、假期可控溫
假期期間學生部分宿舍和辦公樓有一個月的時間無人，可將流量調到平時的一半，使室溫保持在不凍的狀態就行了，又可以節約部分熱量。
通過一個冬季的實踐表明，原來末端熱用戶室溫不達標的樓比如綜合樓和22號學生宿舍樓，今年達標了。總的效果雖然比去年有很大的提高，但尚有49%的末端用戶沒有安裝自力式流量控制閥，所以總的循環流量仍大于設計流量，如果每個熱入口都能按設計流量分配，那么全系統的運行工況定能處在最佳，最經濟的狀態。
綜上所述，采暖外網調節是節能降耗并達到標準供熱必要措施，安裝自力式流量控制器是實現這一目的的有效途徑。
