1. 概述

　　由于管網系統的高度非線性和耦合度，對于區域熱網的水力失調問題的解決比較困難。很多熱網建成后就存在問題，進行一次或多次改造后，往往舊問題剛解決，新問題又來了。即使非常有經驗的專家，對一些老大難問題也感到十分棘手。

　　本項目針對某采油廠社區多年存在的供熱水力不平衡的問題，利用熱力管網仿真優化平臺SimuPipe，通過數學建模手段對現場存在的問題進行了再現。在此基礎上，給出多種可能的改造方案，并從中選擇一種費用最低、施工難度最小的可行方案，進行了成功的改造。不但解決了水力失調問題，而且顯著提高了運行效率，達到了節能減污的效果。

2. 改造前存在的問題

　　社區中心鍋爐房供熱面積約43萬平方米，供熱外網有六條回路，承擔著社區所轄大部分住宅區、機關辦公區、學校、醫院、賓館、以及其他輔助設施供熱供暖任務。隨著建筑群體累年增加，管網不斷擴建，使得供熱管網運行嚴重失衡，表現為熱源近端用戶過熱，而遠端則不熱，最不利環路生活區內個別住戶冬季室內溫度甚至低于10℃，嚴重影響了居民的日常生活。對供熱回路進行全面的水力平衡調整，滿足遠端用戶的供熱需求，是這次改造的基本目標。

　　由于歷史的原因，社區中心鍋爐房采用多年沿襲下來的以中小型燃油鍋爐為主的小區集中供熱模式。近年來受燃油價格因素的影響，供熱鍋爐單臺容量小、熱效率低、能源浪費大的矛盾日益凸現出來。因此，降低燃油消耗，減少供熱成本也是本次改造的目標之一。

3. 曾經實施過的改造方案

　　為了解決水力失調問題，供熱大隊采取了多種方法，均未能取得理想的結果。

3.1 增大循環泵的流量

　　由于供熱管網的水力失調，若干個末端用戶長年不熱，供熱效果非常不理想，甚至于出現管道凍裂的情況。為了改善末端用戶的供熱效果，社區原來采用了增大循環水泵流量的辦法，讓四臺循環泵全負荷運轉，熱源總出口流量達到了2419m3/h，遠遠超出其設計流量1600 m3/h。但是供熱效果還是沒有很好的改善，在全年最冷的時候室內溫度小于10℃。

　　由于系統中的循環流量大于設計值，降低了供回水溫差，這就是通常所說的“大流量小溫差”的運行方式。這一方式間接地導致了集中供熱鍋爐房的低參數運行，影響鍋爐出力，而且使換熱器的換熱效率大幅度降低。

3.2 末端用戶安裝中繼泵

　　對于個別管網末端用戶，在加大循環水泵流量后也沒有改善，社區在末端用戶前加裝了小水泵，以增加末端用戶的流量。雖然末端用戶流量上去了，但是由于水力失調嚴重，流到用戶端的供水溫度較低，供熱效果仍然不是很明顯。但增加中繼泵的方法一般用于管網擴建時循環水泵出力不足時使用，在水力失衡的情況下加裝中繼泵只會使系統水力失調的情況更加嚴重。

3.3 在熱用戶入口處安裝平衡閥

　　在各個支路上或熱用戶入口安裝平衡閥，按照平衡閥的調節方法，根據支路的設計流量，調節平衡閥的開度使其流量達到設計要求。這樣，在運行時各支路的流量就可以達到設計要求。但調節過程互相影響，需反復調節，耗費人力和時間較多，通過人工調節閥門實現管網水力平衡比較困難。

4. 成功的改造方案

　　通過總結，多次改造未能成功的主要原因是方法不當所造成的：基本上是靠專家經驗和定性的分析，而缺乏定量的理論數據。

　　通過采用SimuPipe，對供熱管網系統的拓撲結構及其調節方法進行了研究，對各種運行工況進行了定量分析，快速而準確地得出供熱管網的在各種工況下的運行狀態及運行參數，從而為供熱管網的水力失調找到根源。

　　進一步，在專家和軟件的結合下，對各種可能的方案進行了計算和分析。在短短的幾天時間內，給出了多個可行的改造方案。這些改造方案完全是定量的，而且還能對各方案實施后的效果進行模擬，做到心中有數。

　　最后，通過與用戶協商，根據實際情況最終確定了一個最有方案具體實施。實踐證明，改造效果良好，成功解決了多年困擾社區的一個大問題。

4.1 SimuPipe簡介

　　熱力管網仿真優化平臺SimuPipe是北京大風天利科技有限公司的自主研發的產品，它采用了圖形化的自動建模方法和實時流體網絡算法，可以為熱力管網的新建和改造提供決策與規劃依據，并能為其安全和高效的運行提供分析和保障手段。它可以適用于各種支狀管網和環形管網、單熱源或多熱源管網的熱水或蒸汽管網。下圖所示為SimuPipe的用戶界面：

SimuPipe用戶界面

　　對于新建或改造項目的規劃，可以利用SimuPipe快速地構建多個設想方案，然后很快就可以得到這些方案的設計數據，以及系統投入運行后的靜、動態特性。這樣就可以對各種方案進行定量的比較，為選擇最佳設計方案提供了強有力的證據。

　　對于已存在的實際熱網系統，可以利用SimuPipe對其進行逼真地模擬，以分析在各種工況下的運行狀態和特性，如用戶熱負荷的變化、管道泄漏、天氣變化等，從而為系統的安全和經濟運行提供了指導性的建議。

4.2 熱網改造方案

　　在建立了水力工況數學模型基礎上，通過SimuPipe能夠快速而準確地計算出供熱管網中各管段的流量、壓降及各節點的壓力，通過分析，便可找出供熱管網水力失調的根源，再通過各種調節手段實施調節，以實現供熱管網的水力平衡。

4.2.1 確定供熱管網參數

　　供熱管網參數的確定主要包括：

　　1.每個管道的直徑、長度等設計值或進出口壓降和流量實測值；

　　2.每個熱用戶的供熱面積；

　　3.每個熱用戶的實測供回水壓降和流量；

　　4.循環水泵的運行臺數及其揚程。

4.2.2 仿真模擬供熱管網實際工況

　　對供熱管網的仿真模擬步驟如下：

　　1.在SimuPipe中輸入管網結構圖；

　　2.利用輸入的管道直徑、長度等設計值，或者實測的壓降和流量計算管道阻力系數；

　　3.輸入熱用戶的實測壓降和流量，以計算計算熱用戶阻力系數；

　　4.輸入循環水泵的運行臺數及其揚程。

　　輸入管網的基本信息后，通過運行SimuPipe的仿真模擬計算功能，快速而準確地計算出實際工況下供熱管網中各管段的流量、壓降、各節點的壓力，以及各個熱用戶的流量和供回水壓力。

4.2.3 計算設計水力工況

　　輸入管網的基本信息后，通過運行SimuPipe的設計計算功能，得到：

　　1.每個熱用戶和各個管段的設計流量；

　　2.最不利回路，及其延程阻力損失；

　　3.按照經濟比摩阻，計算管道最佳直徑；

　　得到管網的設計參數后，通過運行SimuPipe的仿真模擬計算功能，計算出設計工況下管網中各管段的流量、壓降，以及各個熱用戶的流量和供回水壓力。

4.2.4 分析管網水力失調原因

　　根據供熱管網實際工況與設計水力工況的計算結果，分析管網水力失調的原因：

　　1.校核循環水泵的揚程是否足夠，能否克服最不利回路的阻力；

　　2.檢查是否存在比摩阻過大或過小的管段；

　　3.檢查各個用戶或管段的實際流量是否與設計流量相符合。

　　通過分析，可以得到以下結論：

　　1.循環水泵的揚程足夠克服最不利回路的阻力，不需要更換水泵；

　　2.有部分管段比摩阻過大，影響了管網流量的分配，需要更換為管徑大一些的管道，管徑的確定可以使用SimuPipe計算得到；

　　3.各個用戶的實際流量與設計流量不相符，近端用戶的實際流量大于設計值，而遠端用戶的實際流量小于設計值，造成了管網的水力失調，這問題可以通過初調節來解決。

4.2.5 初調節

　　本次改造中去掉了熱用戶前端的平衡閥，用自力式流量調節閥代替。在熱用戶入口處或支路上安裝自力式流量調節閥，調整該控制閥的設定旋鈕，使其流量指示達到設計流量的要求。這樣，在運行時各支路的流量基本可以達到設計要求。

　　調節閥的給定流量是通過手工操作進行的，因而不能跟著總流量的變動而自動變化，否則為維持原有的限定流量，會失去調節作用，重新出現冷熱不均的現象。所以為防止出現新的水力失調，在總流量發生大的變化時，需要重新設定調節閥的給定流量，給定流量可以通過SimuPipe計算得到。

4.3 鍋爐房改造方案

4.3.1 確定水泵揚程

　　熱源循環水泵揚程是按照設計工況選擇的，根據管網最不利回路的阻力損失以及熱源內阻，確定循環水泵的揚程是52m。

4.3.2 循環泵采用變頻運行

　　根據熱源總出口流量，確定一臺循環水泵工頻運行，另兩臺變頻運行。采用變頻調速，雖然初投資較大，但流量的可調性和系統的安全性均較好，而且對熱負荷變化的適應性較好，是節能的方案。

4.4 改造效果

　　下圖為滿負荷下最不利回路改造前后的水壓圖對比：最內側為改造前的水壓圖，最遠端的資用壓頭僅為0.4bar，不能滿足供熱需求；最外側為改造設計水壓圖，最遠端的資用壓頭為1bar；中間為改造后實際運行水壓圖，最遠端的資用壓頭為0.8bar，基本滿足需求。

滿負荷下最不利回路改造前后的水壓圖對比

4.4.1 供熱質量明顯改善

　　改造后的供暖期供熱質量比改造前有了明顯的提高，多年不熱的支路末端用戶也有了較好的供熱效果，用戶的滿意率得到很大的提高。整個供暖期不僅沒有出現管道凍裂現象，而且住宅小區用戶室溫全部達到供熱質量標準，居室溫度達到(18+2)C。并且通過水力平衡調節，實現了系統熱力平衡。

4.4.2 供熱能耗明顯下降

　　經過管網熱平衡改造后，整個管網的水力分配基本平衡，達到了一個比較理想的狀態，這樣就不用大流量來解決水力失衡問題。往年4臺供暖循環泵全部滿負荷運行，而改造后一臺供暖循環泵全負荷運行，另兩臺循環泵變頻運行，改造后節省耗電量約30%。由于熱源總出口流量下降了，減少了熱量的損失，實現節省燃料的目的。根據改造前一年供暖季的運行記錄、環境溫度、用戶室內溫度、燃油量等數據，改造后一年供暖季與其他供暖季相比（在外界環境溫度相同、所帶負荷相同的情況下）每天可節省燃油1.6T。

5. 結論

　　從供熱質量和供熱能耗來看，這次供熱系統的水力平衡和節能改造是相當成功的。尤其是采用了SimuPipe軟件進行水力平衡計算，從根本上解決了供熱管網的水力失調問題。SimuPipe是以實時流體網絡算法為分析基礎，對供熱管網各管路的阻力特性數據進行詳細的統計計算，從而保證了水力平衡調試的精度。采用SimuPipe具有經濟實用而且簡單易行的特點，對目前解決供熱管網水力平衡調節問題，具有很大的應用價值。