1某供热改造工程简介本供热改造工程位于北京某区的城中村，总供热面积约60 万m2，区域内居民约1 200余户，多为自建砖砌体，围护结构简易，以2层、3层建筑为主，村中街道狭窄，仅能供行人和自行车通过，村中住宅分布密集，地下公共设施线路复杂。原有村中多采用燃煤锅炉自采暖，供热电力负荷有限。由于村中居民居住密集，无法分片区建立二级换热站，只能结合周边的水、电、气条件新建燃气直供热水锅炉房。常规热源站中循环泵的选取方法是通过计算最不利环路资用压头，选择能够满足最不利环路压头损失的循环泵，并且在每个分支用户安装调节阀消耗该分支的剩余压头，以达到系统内各用户之间的水力平衡，而这种改进方案将会增加循环泵运行中的电耗。因此本工程对供热管网如何更加灵活适应热用户需求、如何更加节能等方面提出更高的要求。2改造工程特殊性（1）城中村附近用电负荷未做远期规划、占地紧张、电锅炉和空气源热泵所需电负荷巨大、蓄热电锅炉的蓄热体占地大，因此无煤化热源站的选择排除了电锅炉及热泵方案；（2）由于村中居民居住密集，村中几乎无稍大的空地，因此常规的一级热源站进村后，二级换热站模式无法实现，只能采用直供方式，为热网的设计和调试工作提出更高要求。3改造工程设计中的关键措施3.1采暖区域划分由于该工程直供区域大，最近用户、最远用户与热源站距离大，为便于设计的水力平衡及调试，根据热源站所在位置及各部分水力损失计算，将60 万m2供热区域划分成南、北两个供热面积均等的片区，且两片区的最大水力损失接近。同时又将南北两个片区分别划分成3个区域，共6个片区。锅炉房内4台燃气锅炉中两台满足南区用户供暖负荷，另外两台满足北区用户采暖负荷。南北区供暖主管可相互切换，以确保当一台锅炉停用的时候其他3台能满足整个区域70%的供热负荷。燃气锅炉房出口处设置两台分水缸和两台集水缸，分别对应南、北两个片区，每台分水缸设置3个供水出口、每台集水缸设置3个回水口，进出口均设置阀门，以便对6个片区分别控制供回水压力，减小水力失衡的可能。3.2各干管间的水力平衡改造工程热源站系统图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F001图1某改造工程热源站系统图本工程总供热面积大，虽然将整个供热区域划分成6块，但每个区域面积仍然接近10 万m2供热面积，产生热源距各用户距离不均等的问题，进而导致各干管之间仍存在水力失衡问题。针对以上问题，本工程在距离热源站较近、阻力损失较小的干管及支管上设置动态平衡阀，根据系统工况（压差）变动而自动变化阻力系数，一定的压差范围内，可以有效地控制通过的流量保持一个常值，设定一定的压力差。由于本管网为质调节方式供热，因此流量不会有较大变化，采取动态平衡阀控制干管压差，平衡干管各个分支的阻力损失，防止近端用户抢水，有效避免出现近端热远端冷的情况。3.3系统末端管道泵的引入各条支路经过水力计算后，仍然有部分末端用户的阻力大于其他片区末端用户。热源站内原有的循环泵扬程无法满足该末端用户供热，水压图可能出现如图2所示的情况。为避免末端用户压力不足的情况出现，常规设置需要把站内循环泵扬程提高。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F002图2末端用户未增加管道增压泵前水压图经计算本工程热源站内循环泵扬程选为46 m，最远端用户仍需要20 m扬程。为满足最远端用户的供水管道压头，若单纯提高循环泵扬程，热源站内需要配置至少66 m压头的循环泵。不仅电功率需要从原有的200 kW提高到250 kW，散热器的压力等级也需要整体提高，整个管道的压力等级也需相应地提高。导致一次性初投资及未来运行的成本同时提高，不利于热源站运行的经济性和节能性。为保证系统水力平衡，降低投资及运行成本，本工程在热源站循环泵水压不足的末端设置增压泵，选择占地较小的管道泵，狭窄的街道也能实现增压泵的设置。计算出原热源站循环泵扬程刚好能克服管网阻力、热源站内部阻力及用户侧阻力的点，该点满足的条件如下：△P1=△Pz+△Pw+△Py （1）式中：△P1——热源站内循环泵扬程，m；△Pz——热源站内的阻力损失，m；△Pw——热源站从用户1最后一个用户，该段的管网阻力损失，m；△Py——用户侧阻力，m。设置增压泵的供热网系统如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F003图3设置增压泵的供热网系统图该点前所有用户均视为用户1，而该点后所有用户均视为末端用户2。经计算，原有热源站内循环泵流量可以满足全体用户的供热需求，因此增加泵的主要目的是克服用户2的管网阻力和用户阻力对整个管网系统的影响，故管网内热水流量仍为原热源站循环泵流量Q1。增压泵的理论流量Q1'=Q2，其中Q2为用户2的原设计流量，增压泵的理论扬程为[1]：△P1'=△Pw'+△Py' （2）式中：△Pw'——增加泵到用户2中最后一个用户的管网阻力损失，m；△Py'——用户侧阻力，m。然而实际在泵的选择上有一定富余量，再根据泵的流量、扬程与泵的性能曲线对比，实际选择的增压泵扬程大于计算出的△P1'。调试过程中，为保证用户1和用户2的流量分配，在用户1和用户2之间供、回水管增加联通管，并在联通管前后设置2个动态流量平衡阀，设置动态流量平衡阀1的流量为Q2、设置平衡阀2的流量为增压泵的选型流量Q0'。用户1和用户2之间的供、回水主管设置压差变送器，以保证管网流量的实际运行流量与设计值一致，达到为末端用户增压、维持管网水力平衡的目的。设置增压泵后的热网水压图如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.001.F004图4末端用户增加管道增压泵后水压图3.4混水技术的引用混水供热系统是指将供热网供水与部分回水进行混合，然后把混合后的混合介质再输入供热管路，以满足热用户的用热需求。混水供热系统能使供热网循环流量分配的更均匀，减小末端管网的供热介质流量，进而降低热损失以达到节能效果[2]。本工程中采用末端混水泵的方式，同时兼顾中继泵和混水器功能，并且在供、回水主管设置差压变送器，并选取变频混水泵、支路流量平衡阀，连锁控制防止混水泵上游用户（用户1）被抢水，同时保证末端用户（用户2）的供水压力满足其资用压头。用户2的供水侧流量：G2g=Gg+Gh （3）式中：G2g——用户2的供水流量，kg/h；Gg——高温侧供水流量，kg/h；Gh——混水量，kg/h。混合比：μ=Gh/Gg （4）式中：μ——混水系统混合比。根据热平衡方程式得出：μ=(tg-t2g)/(t2g-th) （5）式中：tg——高温侧供水温度，℃；t2g——用户2的供水温度，℃；th——混水温度，℃。代入数据，得：μ=(95-85)/(85-70)=0.667。再根据水压图计算末端用户2的资用压头为15 m，考虑室内阻力损失及其他，末端增压泵的扬程选取为20 m。实际运行中，本工程设置末端供热系统，除根据现有水压图计算混水泵的最佳安装地点之外，还需要根据实际运行工况，通过供、回水主管设置的差压变送器，通过水泵变频运行控制混水量并保证末端用户（用户2）的供水压力，通过调节平衡阀1、平衡阀2进一步准确地控制回水流量和混水流量，从而增大供热管网的供回水温差，使末端用户不额外增加循环泵负荷的前提下，更多地利用采暖水热量，适应末端用户（用户2）的采暖运行工况，并且不影响用户1的供热[3]。当供、回水主管之间的差压计显示压差过大时，可以通过降低增压泵的运行电流、降低增压泵出口压力，达到节约电能的目的。当回水主管压力高于供水压力，则需调整流量平衡阀1和流量平衡阀2，重新调整供热网平衡维持用户1及其他用户的稳定运行。3.5系统末端增压泵设置的经济性分析及对比本方案中设置末端增压泵的位置比较关键，结合现场实际水泵安装位置及供配电条件，仅需要设置20 m扬程水泵，同时末端增压泵由于引入混水技术，降低增压泵流量，就可以极大程度地降低热源循环泵的电耗，满足最远端用户供热的前提下，降低工程整体造价和运行成本。经过分析对比，热源站内提高循环泵扬程和管网末端设置增压泵的电耗对比。为提高热源站循环泵扬程，循环泵年运行费用240万元，设置末端增压泵，循环泵年运行费用150万元。在供热循环泵的年运行费用上，设置末端增压泵可节约年运行电费的33%，每年可节约电费80万元。4结语（1）近年来，我国鼓励发展燃气锅炉房，城中村供暖改造工程采用燃气锅炉房替代原有燃煤锅炉房，对改善城市环境、优化能源结构有现实意义。根据《京津冀及周边地区2017-2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》的要求，“2+26”城市需要全面完成“以气代煤”“以电代煤”的任务，北京市需完成700个平原村约30万户供热改造工作。本工程积极配合国家及当地能源政策，充分考虑工程所在位置和热源站附近的水、电供给实际情况，在外电紧张情况下，采用燃气锅炉作为热源，不仅可以实现清洁供热，还能有效降低电耗，同时兼具负荷灵活调节的优点，是城中村供热改造中的优选方案。（2）供热用户密集、供热总面积大、不能设置二级换热站是本工程的特点和难点。工程结合以上特点，平均划分供热用户，并在分、集水缸设置阀门，为各供热干管设置第一重调节手段。在各干管的供热分支管上设置动态平衡阀，为各分支设置第二重调节手段。对于末端阻力损失大、热源站循环泵无法克服阻力的用户，设置管道增压泵。以上3种方法分别在热源站、管网及末端用户设置尽可能多且有效的调节手段，确保60 万m2热网水力平衡，用户均能温暖过冬。（3）混水技术与末端增压泵技术相结合，是本工程的亮点。根据水压图结合实际安装位置，计算出末端增压泵的位置，并确定增压泵压头。同时引入混水技术，由供、回水温度及末端用户热负荷，计算出恰当的混水比，从而确定合适的混水泵。该混水系统能有效拉大供热网末端的供、回水温差，充分利用采暖水热量，保证全体用户的有效供暖，提高供热管网输配能力，同时节约了供热管网的运行成本。