引言东北地区的区域供暖系统普遍采用大流量小温差的调节方式，该调节方式的供暖成本较高，存在能源浪费现象。曹丽华[1]等采用优化算法中的最小费用法建立热网的数学模型，并利用Matlab软件进行数值模拟分析，得到最优的费用进而使其总费用有所下降，但该研究未考虑单位煤耗费用，无法根据室外温度及时调节流量和供回水温。应用计算机对热网进行优化设计与分析时主要采用给水管网优化中的方法[2]。文中以沈阳某热源厂为研究对象，参照沈阳2019~2020年度锅炉房运行系统记录的数据，提出根据室外温度变化同时调节质量-流量的方法。1沈阳某热源厂运行概况沈阳某热源厂的2台14 MW煤粉锅炉并联运行，总装机容量为28 MW，供热面积约为50 万m2。沈阳某热源厂供暖系统如图1所示。2019~2020年沈阳某热源厂运行记录数据如表1所示。计算供暖室内温度为18 ℃，设计室外温度为-26 ℃，锅炉出水温度为76 ℃，锅炉进水温度为60 ℃。供暖系统采用大流量小温差的调节方式，运行成本较高。由表1可知，当室外温度为-10~5 ℃时，大流量小温差调节方案中用户供回水温度为37.6~67.9 ℃，供回水流量基本保持不变。随着室外温度的升高，用户端所需热量降低，由于缺少科学的调节方案，该情况下系统依然采用大流量供热，循环泵保持满负荷运行，导致大量电能被浪费。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.003.F001图1沈阳某热源厂供暖系统10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.003.T001表12019~2020年沈阳某热源厂运行记录数据室外温度/℃用户端循环流量/(m3/h)用户供水温度/℃用户回水温度/℃锅炉水量/(m3/h)混水泵流量/(m3/h)用户端回锅炉流量/(m3/h)用户端去配送站流量/(m3/h)用户供回水温差/℃锅炉供热量/kJ电耗量/kWh耗煤量/(kg/h)总费用/(元/h)-1044167.950.1436.4133.2303.2138.017.829 325 016108.61050921续表1　2019~2020年沈阳某热源厂运行记录数据10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.003.T002室外温度/℃用户端循环流量/(m3/h)用户供水温度/℃用户回水温度/℃锅炉水量/(m3/h)混水泵流量/(m3/h)用户端回锅炉流量/(m3/h)用户端去配送站流量/(m3/h)用户供回水温差/℃锅炉供热量/kJ电耗量/kWh耗煤量/(kg/h)总费用/(元/h)-944066.949.3418.7128.3290.4150.217.628 138 855108.6980866-844265.748.1402.2123.2279.0163.317.627 028 755108.7930825-744063.947.1374.6118.3256.3184.616.825 173 236108.3852763-643962.946.5360.1115.6244.5195.316.424 198 652107.9793715-544159.644.5321.8110.3211.5229.715.121 624 683108.6730665-444357.643.5298.6106.3192.3250.914.120 064 617108.1700641-343956.943.1285.6101.1184.5255.313.819 190 666107.8620577-243955.342.4266.297.3168.9271.012.917 887 980107.8560529-144053.942.1245.391.9153.4287.211.816 481 821109.1520497044151.940.6227.486.5140.9300.411.315 279 059108.2470457144050.740.2210.180.8129.3311.610.514 119 677108.7420418244049.939.8198.575.6122.9317.710.113 341 205109.6375382344148.738.9186.469.8116.6324.79.812 524 051108.6345357444047.838.7175.567.9107.6333.39.111 791 276108.3316334544046.537.6169.767.6102.1338.58.911 405 065108.63103292同时调节质量-流量供暖方案的数学模型2.1最佳运行参数双管系统运行调节基本公式[3]为：tx=tz+(twj-tz)h¯1n+1+12(tx0+ty0)h¯1-b (1)ty=tz+(twj-tz)h¯1n+1-12(tx0+ty0)h¯1-b (2)twj=tx0+ty02 (3)h¯=tz-tatz-ta0 (4)式中：tx——运行工况供水温度，℃；ty——运行工况回水温度，℃；tz——室内温度，℃；twj——散热器平均温度，℃；h¯——相对热负荷比；n——散热器实验系数[3]，厂家给定值为0.33；tx0——设计工况供水温度，℃；ty0——设计工况回水温度，℃；b——散热设备的特性参数，在湍流光滑区时取0.50，阻力平方区时取0.45；ta——室外温度实际值，℃；ta0——室外温度设计值，℃。质量-流量调节公式为：tx=tz+(twj-tz)h¯0.75+12(tx0+ty0)h¯0.5 (5)ty=tz+(twj-tz)h¯0.75-12(tx0+ty0)h¯0.5 (6)室内管路设计工况和运行工况的水流速应不小于0.25 m/s，供暖系统的雷诺数Re为4 000~10 000，属于湍流光滑区[4]。进出锅炉的水量K1、混水泵流量K2、用户端回锅炉流量K3、用户端去配送站的流量K4分别为：K1=1+tj-tytq-tjK3 (7)K2=tj-tytq-tjK3 (8)K3=K1+tq-txtx-ty (9)K4=K1+tx-tytq-tx (10)式中：tj——锅炉设定进水温度，℃；tq——锅炉设定出水温度，℃；K——用户端循环流量，m3/h。室外温度变化时，供水温度tx、回水温度ty发生变化，用户端回锅炉流量K3、用户端去配送站流量K4、进出锅炉的水量K1、混水泵流量K2均会发生改变，进而实现根据室外温度变化同时调节质量-流量。2.2每小时最小电耗和煤耗总费用每小时煤耗费用Z1为：Z1=QJηQdwy (11)每小时水泵耗电费用Z2为：Z2=13 600∑i=1pIGiHηpinijd (12)煤耗总费用MinF[5]为：MinF=QJηQdwy+13 600∑i=1pIGiHηpinijd (13)式中：J——燃料价格，元/kJ；Q——每小时供热量，kJ；η——供暖效率，由热源效率和热网效率组成；Qdwy——燃料的低位应用基热值，kJ/kg；I——电价，取0.75元/kWh；G——水泵出口流量，m3/h；i——各型号水泵的数量；H——水泵扬程，m；ηp——水泵电机效率，取0.5~0.7；n——泵的类型；jd——各种型号的泵输送热水所消耗的电能，kWh。3不同温度下质量-流量同时调节运行方案与经济分析3.1根据最佳运行费用模型计算的运行数据方案锅炉设定出水温度为76 ℃，锅炉设定进水温度为60 ℃。根据2020~2021年沈阳某小区供暖季的运行记录，当室外温度为-10 ℃时，系统的实际供、回水温度分别为62.0 ℃、50.2 ℃，将该温度视为系统初始设计供、回水温度，测得循环水泵的流量为441.2 m3/h，设定室外温度为-26 ℃，在此基础上进行调节，根据上述参数利用Excel计算得到结果。2020~2021年沈阳某小区供暖季质量-流量同时调节方案的运行数据如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.003.T003表22020~2021年沈阳某小区供暖季质量-流量同时调节方案的运行数据室外温度/℃用户端循环流量/(m3/h)用户供水温度/℃用户回水温度/℃锅炉水量/(m3/h)混水泵流量/(m3/h)用户端回锅炉流量/(m3/h)用户去配送站流量/(m3/h)用户供回水温差/℃锅炉供热量/kJ电耗量/kWh耗煤量/(kg/h)总费用/(元/h)-1044162.150.2325.3123.6201.8239.411.821 863 39499.61 028.0897-942060.949.6296.9116.9179.9240.411.319 949 81193.6978.5853-840159.848.1293.1125.0168.1232.711.719 696 29586.2919.3800-738058.647.2271.1120.5150.6229.911.418 215 94679.2852.5741-636357.546.1258.5120.2138.3224.411.417 367 99175.8790.6689-534456.345.8226.1106.3119.8224.710.515 190 68673.1740.0647-432855.144.4219.3108.3111.0216.910.714 736 72569.5718.3627-331153.943.5202.2102.799.6211.610.413 589 72264.5635.2557-229652.742.1196.2103.692.6203.510.613 183 26261.4575.3506-128151.541.6173.692.980.8199.99.911 667 76460.5535.2474026550.240.6159.287.272.0193.49.610 697 70255.4485.3430125148.939.8142.679.663.0187.79.19 580 60752.2430.5384223747.638.6133.176.256.9179.79.08 943 85850.8415.3370322346.337.6121.270.750.5172.48.78 145 86248.2370.3332421245.236.5115.568.746.8165.78.77 764 01947.4356.2321520444.235.7108.565.443.1161.28.57 291 36845.9330.8299对比表1和表2可知，质量-流量同时调节运行方案依据室外温度调节循环水流量，室外温度逐渐升高时，用户端循环流量、锅炉水量、混水泵流量、用户端回锅炉流量、用户端去配送站流量均呈下降趋势，供暖系统的电耗量、煤耗量、用户供水温度、用户回水温度、水泵的功率也相应下降。3.2经济分析水泵在不同频率下的功率如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.003.T004表3水泵在不同频率下的功率频率/Hz室外温度/℃流量/(m3/h)功率/kWh49.5-1043199.148.5-941193.647.5-839386.246.5-737379.245.5-635675.844.5-533870.143.5-432063.542.5-330554.541.5-229050.440.5-127545.539.5026041.238.5124840.437.5223539.836.5322038.235.5421037.434.5520235.9根据表1和表2绘制沈阳某小区热网系统的电耗量、煤耗量与室外温度的关系曲线。水泵单位时间电耗量随室外温度变化的趋势如图2所示。锅炉单位时间煤耗量随室外温度变化的趋势如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.003.F002图2水泵单位时间电耗量随室外温度变化的趋势10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.003.F003图3锅炉单位时间煤耗量随室外温度变化趋势沈阳某小区2020~2021年供暖季平均煤价为800元/t，电价为0.75元/kWh，计算不同室外温度下，热网的每小时电耗和煤耗总费用。每小时电耗和煤耗总费用随室外温度变化的趋势如图4所示。随着室外温度的不断升高，除了大流量小温差调节方式下的热网电耗外，2种调节方式下热网的单位小时煤耗和电耗及其总费用均下降。室外温度达到0 ℃时，质量-流量调节模式下热网的电耗和煤耗总费用下降幅度较大，与大流量小温差运行模式相比，单位小时内可以节约10~60元，质量-流量调节方式的降费效果更明显。参考锅炉房集控运行记录，总费用平均每小时下降20元，即每天大概节约成本480元，每个供暖季按6个月(180 d)计算，每个供暖季可以节约成本86 400元。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.003.F004图4每小时电耗和煤耗总费用随室外温度变化的趋势4结语文中以沈阳某热源厂热网系统为研究对象，提出根据室外温度变化同时调节质量-流量的供暖方案，分析单位小时内煤耗、电耗以及电耗煤耗总费用的函数图象。结果发现，采用质量-流量同时调节的方式能够节约能源、降低供热成本。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.003.F005