赵一峰1，杨旭2，程芳真3
（1.胜利石油管理局临盘社区，山东 临盘 251507；2.北京恒和大风软件技术有限公司，北京 100086；3.清华大学热能工程系，北京 100084）

中图分类号：TU995 文献标识码：B

1. 引言

1.1 概述
随着我国国民经济的总体拉动，国家建设正向基础设施建设倾斜。近年来，集中供热和区域供热得以大力推广，热水供热管网逐渐增多。但供热管网在运行中普遍存在水力失调的问题，造成近端过热、远端过冷的状况。这不但降低了供热系统的效率，而且恶化了供热质量，使得供热系统能耗和运行费用大幅度增加。如何实现供热管网的水力平衡，消除业已失调的运行工况，提高管网的经济性、安全性和可靠性，改善供热质量，是我们目前所面临的一个严峻问题。
由于管网系统的高度非线性和耦合度，对于区域热网的水力失调问题的解决比较困难。很多热网建成后就存在问题，进行一次或多次改造后，往往旧问题刚解决，新问题又来了。即使非常有经验的专家，对一些老大难问题也感到十分棘手。
1.2 水力失调的原因
供热管网水力失调是指供热管网中的某些管段在运行中的实际运行流量与设计流量的不一致现象。也就是说，供热管网不能按照管段所需要的流量分配给各个用户，导致不同位置用户的冷热不均的现象。产生水力失调的根本原因是供热管网存在阻力不平衡，导致不平衡的原因有以下几个方面：
1.2.1 设计导致的失调
在供热管网设计时，通常所遵循的原则是满足最不利点所必需的资用压头。这样就会使其它管段的资用压头都会有不同程度的富裕量。在自然状态下来分配各个管段流量，必然产生水力失调。另外，在设计计算过程中，管道、散热器和水泵选型都会有一定的放大系数，也加剧了这种不平衡。
1.2.2 运行导致的失调
系统中用户用热量发生变化时，要求各管段流量重新分配，从而导致水力失调。另外，由于目前绝大多数的用户系统是单管顺流式采暖系统，缺少必要的调节设备，也会导致水力失调。
1.2.3 改造导致的失调
在热网需要扩大供热范围和供热负荷时，需要对热网进行必要的扩建和改造，从而导致水力失调。
1.3 解决水力失调的途径
1.3.1 更换大流量、高扬程循环水泵
随着热网半径的不断扩大，热网的水力失调现象将会加剧。许多运行管理者和设计者通常采用更换大流量、高扬程循环水泵的方法来增大末端环路的流量，以缓解管网的水力失调状况。这种方法虽然可以缓解末端用户不热的问题，但会带来近端热用户过热的问题。而且由于小温差运行，热量浪费严重，运行成本很高。
1.3.2 在热用户入口处增加中继泵
热网末端一些热用户不热是因循环流量不够，其实质是供回水压头不足。于是，在效果欠佳的热用户入口安装供水加压泵，提高热用户的压头，可以作为一种解决办法。它的特点是降低了循环水泵的能耗，对于供热半径大的热网节能效果更显著。
采用这种方法也存在一定的缺点：如果没有实施有效的调节，这些加压水泵会存在“抢水”问题，即安装加压水泵的用户循环水流量增加了，而其前面的没有安装加压水泵用户的循环水流量却明显减少了。有时甚至为解决局部问题，导致整体出现更多问题的现象。
1.3.3 用附加阻力消除用户剩余的资用压头
在系统设计时，热网各个用户环路的阻力实现完全的平衡是很难做到的。为了消除剩余压头，可以采用附加阻力设备的办法进行解决。
1.3.4 水力平衡计算
在热源产热量与管网负荷相匹配的前提下，解决管网的热力失调现象应从整个管网的水力平衡计算入手，对各并联支路的流量重新进行分配，使之所载热量与各支路的热负荷相适应，从而达到改善管网热力失调现象的目的。在系统设计时通过水力平衡计算匹配管网阻力是克服水力失调的理想方法。
1.4 本文主要工作
本文针对胜利油田临盘采油厂多年存在的问题，利用热网仿真与分析软件SimuPipe，通过数学建模手段对现场存在的问题进行了再现。在此基础上，给出多种可能的改造方案，并从中选择一种费用最低、施工难度最小的可行方案，进行了成功的改造。不但解决了水力失调问题，而且显著提高了运行效率，达到了节能减污的效果。

2. 临盘社区热网状况

2.1 改造前存在的问题
临盘社区中心锅炉房供热面积约43万平方米，供热外网有六条回路，承担着社区所辖大部分住宅区、机关办公区、学校、医院、宾馆、以及其他辅助设施供热供暖任务。随着建筑群体累年增加，管网不断扩建，使得供热管网运行严重失衡，表现为热源近端用户过热，而远端则不热，最不利环路生活区内个别住户冬季室内温度甚至低于10℃，严重影响了居民的日常生活。对供热回路进行全面的水力平衡调整，满足远端用户的供热需求，是这次改造的基本目标。
临盘社区中心锅炉房所属为胜利油田矿区，由于历史的原因，锅炉房采用多年沿袭下来的以中小型燃油锅炉为主的小区集中供热模式。近年来受燃油价格因素的影响，供热锅炉单台容量小、热效率低、能源浪费大的矛盾日益凸现出来。因此，降低燃油消耗，减少供热成本也是本次改造的目标之一。
2.2 曾经实施过的改造方案
为了解决水力失调问题，临盘供热大队采取了多种方法，均未能取得理想的结果。
2.2.1 增大循环泵的流量
由于供热管网的水力失调，若干个末端用户长年不热，供热效果非常不理想，甚至于出现管道冻裂的情况。为了改善末端用户的供热效果，社区原来采用了增大循环水泵流量的办法，让四台循环泵全负荷运转，热源总出口流量达到了2419m3/h，远远超出其设计流量1600 m3/h。但是供热效果还是没有很好的改善，在全年最冷的时候室内温度小于10℃。
由于系统中的循环流量大于设计值，降低了供回水温差，这就是通常所说的“大流量小温差”的运行方式。这一方式间接地导致了集中供热锅炉房的低参数运行，影响锅炉出力，而且使换热器的换热效率大幅度降低。
2.2.2 末端用户安装中继泵
对于个别管网末端用户，在加大循环水泵流量后也没有改善，社区在末端用户前加装了小水泵，以增加末端用户的流量。虽然末端用户流量上去了，但是由于水力失调严重，流到用户端的供水温度较低，供热效果仍然不是很明显。但增加中继泵的方法一般用于管网扩建时循环水泵出力不足时使用，在水力失衡的情况下加装中继泵只会使系统水力失调的情况更加严重。
2.2.3 在热用户入口处安装平衡阀
在各个支路上或热用户入口安装平衡阀，按照平衡阀的调节方法，根据支路的设计流量，调节平衡阀的开度使其流量达到设计要求。这样，在运行时各支路的流量就可以达到设计要求。但调节过程互相影响，需反复调节，耗费人力和时间较多，通过人工调节阀门实现管网水力平衡比较困难。

3. 成功的改造方案

通过总结，多次改造未能成功的主要原因是方法不当所造成的：基本上是靠专家经验和定性的分析，而缺乏定量的理论数据。
通过采用先进的定量仿真和分析软件SimuPipe，对供热管网系统的拓扑结构及其调节方法进行了研究，对各种运行工况进行了定量分析，快速而准确地得出供热管网的在各种工况下的运行状态及运行参数，从而为供热管网的水力失调找到根源。
进一步，在专家和软件的结合下，对各种可能的方案进行了计算和分析。在短短的几天时间内，给出了多个可行的改造方案。这些改造方案完全是定量的，而且还能对各方案实施后的效果进行模拟，做到心中有数。
最后，通过与用户协商，根据实际情况最终确定了一个最有方案具体实施。实践证明，改造效果良好，成功解决了多年困扰社区的一个大问题。
3.1 SimuPipe简介
SimuPipe采用了图形化的自动建模方法和实时流体网络算法，可以为热力管网的新建和改造提供决策与规划依据，并能为其安全和高效的运行提供分析和保障手段。它可以适用于各种支状管网和环形管网、单热源或多热源管网的热水或蒸汽管网。
对于新建或改造项目的规划，可以利用SimuPipe快速地构建多个设想方案，然后很快就可以得到这些方案的设计数据，以及系统投入运行后的静、动态特性。这样就可以对各种方案进行定量的比较，为选择最佳设计方案提供了强有力的证据。
对于已存在的实际热网系统，可以利用SimuPipe对其进行逼真地模拟，以分析在各种工况下的运行状态和特性，如用户热负荷的变化、管道泄漏、天气变化等，从而为系统的安全和经济运行提供了指导性的建议。
SimuPipe主要包含设计功能和仿真模拟计算功能：
3.1.1 设计功能
由热源和热用户的参数，自动确定管网设计流量；
按照经济比摩阻，计算管道直径；
确定环网的水力交汇点；
确定最不利环路；
在多热源的情况下，确定各个热源的供热范围；
绘制任一管段的水压图；
数据统计与报表输出。
3.1.2 仿真模拟计算功能
热网设计或改造时，根据管网结构、管道的长度与直径、粗糙度、局部阻力等，分析设计工况及其他工况下的管网压力流量分布，判断管网方案的合理性；
热用户负荷变化对其他热用户或热源的影响；
热源参数降低，热用户的参数是否满足要求；
热负荷增加，管网输送能力是否足够；
泵、阀门状态变化时，相关区域运行参数的变化；
关键点对相关区域供热的影响；
供水流量、工作压力、水位对换热效果的影响；
根据环境温度的变化，计算热力站控制系统的设定值。
3.2 热网改造方案
在建立了水力工况数学模型基础上，通过热网仿真模拟软件SimuPipe能够快速而准确地计算出供热管网中各管段的流量、压降及各节点的压力，通过分析，便可找出供热管网水力失调的根源，再通过各种调节手段实施调节，以实现供热管网的水力平衡。
3.2.1 确定供热管网参数
供热管网参数的确定主要包括：
每个管道的直径、长度等设计值或进出口压降和流量实测值；
每个热用户的供热面积；
每个热用户的实测供回水压降和流量；
循环水泵的运行台数及其扬程。
3.2.2 仿真模拟供热管网实际工况
对供热管网的仿真模拟步骤如下：
在SimuPipe中输入管网结构图；
利用输入的管道直径、长度等设计值，或者实测的压降和流量计算管道阻力系数；
输入热用户的实测压降和流量，以计算计算热用户阻力系数；
输入循环水泵的运行台数及其扬程。
输入管网的基本信息后，通过运行SimuPipe的仿真模拟计算功能，快速而准确地计算出实际工况下供热管网中各管段的流量、压降、各节点的压力，以及各个热用户的流量和供回水压力。
3.2.3 计算设计水力工况
输入管网的基本信息后，通过运行SimuPipe的设计计算功能，得到：
每个热用户和各个管段的设计流量；
最不利回路，及其延程阻力损失；
按照经济比摩阻，计算管道最佳直径；
得到管网的设计参数后，通过运行SimuPipe的仿真模拟计算功能，计算出设计工况下管网中各管段的流量、压降，以及各个热用户的流量和供回水压力。
3.2.4 分析管网水力失调原因
根据供热管网实际工况与设计水力工况的计算结果，分析管网水力失调的原因：
校核循环水泵的扬程是否足够，能否克服最不利回路的阻力；
检查是否存在比摩阻过大或过小的管段；
检查各个用户或管段的实际流量是否与设计流量相符合。
通过分析，可以得到以下结论：
循环水泵的扬程足够克服最不利回路的阻力，不需要更换水泵；
有部分管段比摩阻过大，影响了管网流量的分配，需要更换为管径大一些的管道，管径的确定可以使用SimuPipe计算得到；
各个用户的实际流量与设计流量不相符，近端用户的实际流量大于设计值，而远端用户的实际流量小于设计值，造成了管网的水力失调，这问题可以通过初调节来解决。
3.2.5 初调节
本次改造中去掉了热用户前端的平衡阀，用自力式流量调节阀代替。在热用户入口处或支路上安装自力式流量调节阀，调整该控制阀的设定旋钮，使其流量指示达到设计流量的要求。这样，在运行时各支路的流量基本可以达到设计要求。
调节阀的给定流量是通过手工操作进行的，因而不能跟着总流量的变动而自动变化，否则为维持原有的限定流量，会失去调节作用，重新出现冷热不均的现象。所以为防止出现新的水力失调，在总流量发生大的变化时，需要重新设定调节阀的给定流量，给定流量可以通过SimuPipe计算得到。
3.3 锅炉房改造方案
3.3.1 确定水泵扬程
热源循环水泵扬程是按照设计工况选择的，根据管网最不利回路的阻力损失以及热源内阻，确定循环水泵的扬程是52m。
3.3.2 循环泵采用变频运行
根据热源总出口流量，确定一台循环水泵工频运行，另两台变频运行。采用变频调速，虽然初投资较大，但流量的可调性和系统的安全性均较好，而且对热负荷变化的适应性较好，是节能的方案。
3.4 改造效果
3.4.1 供热质量明显改善
2004-2005年供暖期供热质量比2003-2004年供暖期有了明显的提高，多年不热的支路末端用户也有了较好的供热效果，用户的满意率得到很大的提高。整个供暖期不仅没有出现管道冻裂现象，而且住宅小区用户室温全部达到供热质量标准，居室温度达到(18+2)C。并且通过水力平衡调节，实现了系统热力平衡。
3.4.2 供热能耗明显下降
经过管网热平衡改造后，整个管网的水力分配基本平衡，达到了一个比较理想的状态，这样就不用大流量来解决水力失衡问题。往年4台供暖循环泵全部满负荷运行，而改造后一台供暖循环泵全负荷运行，另两台循环泵变频运行，改造后节省耗电量约30%。由于热源总出口流量下降了，减少了热量的损失，实现节省燃料的目的。根据2003-2004供暖季的运行记录、环境温度、用户室内温度、燃油量等数据，2004-2005供暖季与其他供暖季相比（在外界环境温度相同、所带负荷相同的情况下）每天可节省燃油1.6T。

4. 结论

从供热质量和供热能耗来看，这次供热系统的水力平衡和节能改造是相当成功的。尤其是采用了SimuPipe软件进行水力平衡计算，从根本上解决了供热管网的水力失调问题。SimuPipe是以实时流体网络算法为分析基础，对供热管网各管路的阻力特性数据进行详细的统计计算，从而保证了水力平衡调试的精度。采用SimuPipe具有经济实用而且简单易行的特点，对目前解决供热管网水力平衡调节问题，具有很大的应用价值。