摘 要：介紹了直接式供熱系統的2種形式，對單純直連和混水直連2種連接方式進行了分析，提出大混合比混水直連方式是一種優化節能設計方案，并介紹了這一方式的運行調節方法。
關鍵詞：熱電廠；供熱系統；混水直連；節能；大混合比
Abstract：After introducing some kinds of directly connecting heat supply systems the authors mainly analyze the simple direct connecting system and the water mixing directly connecting heat supply systems and believe that high mixing ratio is better than watermixing directly connecting heat supply so highly mixing directly connecting heat supply system is one kind of optimized energy saving system. The regulating method of this system is also introduced.
Keywords：cogeneration power plant;heat supply system;water mixing directly connect；energy saving;high mixing ratio?
河北熱電有限責任公司擔負著石家莊東市區集中供熱的重任，現外供0.98 MPa蒸汽，額定能力為820 t/h。供熱管線總長度達174 km，輸送汽能力1 400t/h。截止到2003年底，各類熱用戶達到518個，供熱面積突破1 400萬m2，占全市集中供熱面積的40%左右，常年工業熱負荷600 t/h，占全市工業熱負荷的70%以上。
隨著集中供熱事業的飛速發展，給供熱企業提出了更高的要求。熱力供應不但要保證量足，而且要保證品質，同時更要謀求供熱的經濟性。下面對單純直連和混水直連2種連接方式進行分析，提出優化節能設計方案及運行調節方法。?
1直接式供熱系統的形式
1.1單純直連
單純直連是指一級網供水直接進入熱用戶而不進行混水的連接方式，該方式可分為3種形式。
a. 直接連接熱網熱水直接進入用戶系統。一般要在熱力入口處設置簡單的計量儀表(壓力表、溫度計等)，安裝關斷閥門和調節閥門。熱力入口通常設置于地下檢查井中，每個用戶設1處或多處入口，數目較多且維護調節不方便，因此適用于小規模的供熱系統。
b. 熱力站設分、集水器的直接連接在熱網與熱用戶之間設置多個熱力站，每一個熱力站供應1個居民小區或幾個熱用戶。熱力站內設有分水器、集水器、除污器、測量儀表、分配閥門、監控裝置等，相對于方式a而言，操作環境好，可集中地對幾個用戶進行調節，管理維護方便，適合于大型的直供式系統。
c. 熱力站設加壓泵的直接連接在熱力站內的一級網供水管或回水管上安裝水泵，用以提高該熱力站的一級網供回水壓差，滿足用戶系統的需用壓差。此種形式適用于熱網末端或個別阻力損失較大的用戶系統。
1.2混水直連
混水直連是指一級網供水在進入用戶系統之前進行混水的直接連接，該方式可分為2種形式。
1.2.1熱力站設旁通混水泵的直接連接?在熱力站內一級網供回水管之間的旁通管上安裝水泵，抽引回水壓入供水管，混合后再進入二級網路。此種方式提高了一級網供回水溫差，縮小了一級網的設計管徑，降低了一級網的建設費用。混合比μ的計算公式如下：
μ＝Gh/Gw
G=Gh+Gw (2)?
以上2式中，Gh為混水量，Gw為一級網循環水量，G為二級網循環水量。單位均為t/h。
1.2.2熱力站設加壓混水泵的直接連接
在熱力站一級網供水管上設置水泵，同時將泵吸入口處的供水管與用戶系統的回水管連通，使得該泵同時抽引一級網供水與用戶系統的部分回水，具有加壓與混水2種功能。此種形式主要用在以旁通混水泵形式為主的混水直連供熱系統中的那些一級網供回水壓差低于用戶系統需用壓差的熱力站。?
2單純直連方式與混水直連方式的比較
2.1供回水溫差的比較
單純直連方式(后文所提單純直連方式均指設分、集水器的直接連接)，熱網供水直接進入熱用戶，不進行混水，因此要求一級網溫差與用戶系統設計溫差相等或接近；混水直連方式(后文所提混水直連方式均指熱力站設旁通混水泵的直接連接)，一級網供回水溫差大于用戶系統設計溫差，通過熱力站的混水泵進行混水，滿足二級網的循環流量，并達到熱網的設計溫差，滿足用戶系統的需要。
2.2輸配電耗的比較
單純直連方式熱介質循環動力完全來自熱源循環泵；混水直連方式則不同，一部分熱介質的循環動力來自熱源循環泵，一部分熱介質(混合水)的則來自混水泵。
2.2.1水泵功率的比較
假設現有2個供熱系統，供熱面積相同，用戶系統設計溫差相同，一級網阻力損失相等，分別采取單純直連和混水直連2種形式。下面分析比較這2種形式的水泵功率。
水循環動力消耗P的計算公式為：
式中，P1為熱源處動力消耗，P2為熱網處動力消耗，P3為用戶系統動力消耗。單位均為kW。
?
式中Hd1、Hd2、Hd3——單純直連方式熱源、熱網和熱用戶的阻力損失；
Gd1、Gd2、Gd3——單純直連方式熱源、熱網和熱用戶的循環流量；
Hh1、Hh2、Hh3——混水直連方式熱源、熱網和熱用戶的阻力損失；
Gh1、Gh2、Gh3——混水直連方式熱源、熱網和熱用戶的循環流量。
由水泵功率P與G和H的乘積成正比（見公式(6)）可以判斷出：Pd1>Ph1、Pd2>Ph2、Pd3=Ph3，因此推出Pd>Ph，即單純直連方式下的循環泵總功率大于混水直連方式的水泵總功率(循環泵與混水泵功率之和)。
2.2.22種連接方式的定量分析
熱源循環泵揚程計算公式為：
式中，H 為循環泵揚程，H1為熱源內部阻力損失，H2為熱網阻力損失，H3為用戶系統阻力損失。單位均為Pa。
混水泵揚程計算公式為：
式中，P為水泵軸功率，kW；ρ為流體的密度，kg／m3；G為水泵流量，t／h；η為水泵效率，％。
單純直連方式循環泵軸功率為：
以上2式中ρ、η可看作相等，則：Pd/Ph=GHd/(GwHh+GhH3)。
由公式(1)、(2)與公式(8)推出：Pd/Ph=(1+μ)Hd/(Hh+μH3)，μ為混合比。
a. 假設2種連接方式熱網H?2相等，設定單位沿程損失R=4Pa/m，H1=20 Pa，H2=Rm(1+α) (α為局部阻力當量長度百分數，%)，H3=5 Pa，計算Pd/Ph，結果見表1。
b. 假設單純直連供熱系統熱網管徑不變，熱負荷不變，而將其改為混水直連方式，則H1=20Pa，計算Pd/Ph，結果見表1。
由表1可知，混水直連方式比單純直連方式的電耗大大減少，所需循環泵功率小。
2.3投資費用的比較
?
式中K——管道當量絕對粗糙度；
R——單位沿程損失，Pa／m，設為定值；
G——管段的流量，t／h；
ρ——水的密度，kg／m3；?
D——管子的內徑，mm。
計算Dd/Dh，結果見表2。
單純直連方式與混水直連方式相比，在輸送相同的熱量，熱網選取同一經濟比摩阻的情況下，前者的管徑要大于后者，因此單純直連方式供熱系統的熱網建設投資費用較大。
2.4供熱能力的比較
單純直連方式與混水直連方式相比，在管徑相同，經濟比摩阻相同的情況下，后者輸送的熱量大于前者，因此混水直連方式供熱系統在同樣的熱網管徑下可帶較大供熱面積，比單純直連方式供熱系統具有更大的供熱能力。輸送熱量比(若用戶熱指標相同，熱量比等于供熱面積比)Qh／Qd=1+μ，對比見表2。
2.5建議
從以上對比分析可以總結出以下3個具有實用價值的建議。
a. 新建直接式供熱系統應采取混水直連供熱方式。例如：一新建直接式供熱系統，面積一定，熱網主干線Lm=3 km，經濟比摩阻R=40 Pa／m，用戶系統設計溫差已定，連接形式有2種方案：方案1為混水直連方式，μ=1.0；方案2為單純直連方式。兩者相比，方案1相對于方案2可節約水泵運行電耗45.7％；而方案2的熱網管徑卻比方案1的要大1.3倍，方案1相對于方案2可節省管網建設費用約20％(估算)。
b. 規模較大的原有單純直連方式的供熱系統宜改造為混水直連方式的供熱系統。例如：一原有單純直連方式的供熱系統，供熱面積一定，熱網主干線Lm=3 km，熱網管徑一定，用戶系統設計溫差不變，將其改為混水直連方式，μ=1.0。改造后水泵運行電耗相對于改造前降低66.3％；改造后熱網具有增加1倍供熱面積的潛力。
c. 混水直連供熱系統宜采用較大的混合比。由表1、表2可以看出混水直連供熱系統的水泵電耗、管網投資費用將隨混合比的增大而減少；供熱能力則隨混合比的增大而增大。?
3直接式供熱系統的運行調節
直接式供熱系統的運行調節問題，在設計方案合理的情況下也很方便。經過多年的探索和改進，認為下列方法比較實用。
3.1應用自力式流量控制器
自力式流量控制器具有自動消除剩余壓差、進行動態調節的功能。通過在一級網水管上安裝自力式流量控制器可以有效地解決熱網水力失調問題。將自力式流量控制器安裝于一級網供水管上，既可以起到熱網平衡作用，又能使近端用戶不發生超壓問題。
3.2利用便攜式超聲波流量計進行熱網細調節
運行期開始后，利用便攜式超聲波流量計對每1個熱力站的實際循環流量進行細調節，保證各個熱力站在設計工況下運行。在調節的同時，可利用便攜式超聲波流量計對每一個熱力站的失水情況進行調查，先測查整個熱力站是否失水，若有失水現象，再逐一地對每一個環路進行搜索，利用這種方法，新華供熱公司有效地控制住了熱網的失水率，收到了顯著的經濟效益。
3.3混水泵的選擇
采用混水直連方式的供熱系統，首先要根據熱網的整體運行方案確定混水直連方式的混合比。然后利用混合比與各個用戶系統的設計循環流量計算出每個熱力站的混水量，混水量Gh=μG/(1+μ)；混水泵揚程理論上等于用戶系統阻力損失。混水泵可單臺設置，因為即使混水泵發生故障，停止運行，一級網循環水量仍可維持用戶系統的供熱運行。混水泵出口要安裝逆止閥，防止突然停泵時發生倒流現象。?
4結束語
直連式供熱系統投資省、運行費用低、系統簡單、維護方便，在一定規模的供熱系統中還會長期存在，然而不同的直連設計方案，卻存在著巨大的能耗差別。以上論述證明：混水直連方式相對于單純直連方式而言是一種優化節能設計方案，在某些方面甚至優于間連式供熱系統。
關鍵詞：熱電廠；供熱系統；混水直連；節能；大混合比
Abstract：After introducing some kinds of directly connecting heat supply systems the authors mainly analyze the simple direct connecting system and the water mixing directly connecting heat supply systems and believe that high mixing ratio is better than watermixing directly connecting heat supply so highly mixing directly connecting heat supply system is one kind of optimized energy saving system. The regulating method of this system is also introduced.
Keywords：cogeneration power plant;heat supply system;water mixing directly connect；energy saving;high mixing ratio?
河北熱電有限責任公司擔負著石家莊東市區集中供熱的重任，現外供0.98 MPa蒸汽，額定能力為820 t/h。供熱管線總長度達174 km，輸送汽能力1 400t/h。截止到2003年底，各類熱用戶達到518個，供熱面積突破1 400萬m2，占全市集中供熱面積的40%左右，常年工業熱負荷600 t/h，占全市工業熱負荷的70%以上。
隨著集中供熱事業的飛速發展，給供熱企業提出了更高的要求。熱力供應不但要保證量足，而且要保證品質，同時更要謀求供熱的經濟性。下面對單純直連和混水直連2種連接方式進行分析，提出優化節能設計方案及運行調節方法。?
1直接式供熱系統的形式
1.1單純直連
單純直連是指一級網供水直接進入熱用戶而不進行混水的連接方式，該方式可分為3種形式。
a. 直接連接熱網熱水直接進入用戶系統。一般要在熱力入口處設置簡單的計量儀表(壓力表、溫度計等)，安裝關斷閥門和調節閥門。熱力入口通常設置于地下檢查井中，每個用戶設1處或多處入口，數目較多且維護調節不方便，因此適用于小規模的供熱系統。
b. 熱力站設分、集水器的直接連接在熱網與熱用戶之間設置多個熱力站，每一個熱力站供應1個居民小區或幾個熱用戶。熱力站內設有分水器、集水器、除污器、測量儀表、分配閥門、監控裝置等，相對于方式a而言，操作環境好，可集中地對幾個用戶進行調節，管理維護方便，適合于大型的直供式系統。
c. 熱力站設加壓泵的直接連接在熱力站內的一級網供水管或回水管上安裝水泵，用以提高該熱力站的一級網供回水壓差，滿足用戶系統的需用壓差。此種形式適用于熱網末端或個別阻力損失較大的用戶系統。
1.2混水直連
混水直連是指一級網供水在進入用戶系統之前進行混水的直接連接，該方式可分為2種形式。
1.2.1熱力站設旁通混水泵的直接連接?在熱力站內一級網供回水管之間的旁通管上安裝水泵，抽引回水壓入供水管，混合后再進入二級網路。此種方式提高了一級網供回水溫差，縮小了一級網的設計管徑，降低了一級網的建設費用。混合比μ的計算公式如下：
μ＝Gh/Gw
G=Gh+Gw (2)?
以上2式中，Gh為混水量，Gw為一級網循環水量，G為二級網循環水量。單位均為t/h。
1.2.2熱力站設加壓混水泵的直接連接
在熱力站一級網供水管上設置水泵，同時將泵吸入口處的供水管與用戶系統的回水管連通，使得該泵同時抽引一級網供水與用戶系統的部分回水，具有加壓與混水2種功能。此種形式主要用在以旁通混水泵形式為主的混水直連供熱系統中的那些一級網供回水壓差低于用戶系統需用壓差的熱力站。?
2單純直連方式與混水直連方式的比較
2.1供回水溫差的比較
單純直連方式(后文所提單純直連方式均指設分、集水器的直接連接)，熱網供水直接進入熱用戶，不進行混水，因此要求一級網溫差與用戶系統設計溫差相等或接近；混水直連方式(后文所提混水直連方式均指熱力站設旁通混水泵的直接連接)，一級網供回水溫差大于用戶系統設計溫差，通過熱力站的混水泵進行混水，滿足二級網的循環流量，并達到熱網的設計溫差，滿足用戶系統的需要。
2.2輸配電耗的比較
單純直連方式熱介質循環動力完全來自熱源循環泵；混水直連方式則不同，一部分熱介質的循環動力來自熱源循環泵，一部分熱介質(混合水)的則來自混水泵。
2.2.1水泵功率的比較
假設現有2個供熱系統，供熱面積相同，用戶系統設計溫差相同，一級網阻力損失相等，分別采取單純直連和混水直連2種形式。下面分析比較這2種形式的水泵功率。
水循環動力消耗P的計算公式為：
式中，P1為熱源處動力消耗，P2為熱網處動力消耗，P3為用戶系統動力消耗。單位均為kW。
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式中Hd1、Hd2、Hd3——單純直連方式熱源、熱網和熱用戶的阻力損失；
Gd1、Gd2、Gd3——單純直連方式熱源、熱網和熱用戶的循環流量；
Hh1、Hh2、Hh3——混水直連方式熱源、熱網和熱用戶的阻力損失；
Gh1、Gh2、Gh3——混水直連方式熱源、熱網和熱用戶的循環流量。
由水泵功率P與G和H的乘積成正比（見公式(6)）可以判斷出：Pd1>Ph1、Pd2>Ph2、Pd3=Ph3，因此推出Pd>Ph，即單純直連方式下的循環泵總功率大于混水直連方式的水泵總功率(循環泵與混水泵功率之和)。
2.2.22種連接方式的定量分析
熱源循環泵揚程計算公式為：
式中，H 為循環泵揚程，H1為熱源內部阻力損失，H2為熱網阻力損失，H3為用戶系統阻力損失。單位均為Pa。
混水泵揚程計算公式為：
式中，P為水泵軸功率，kW；ρ為流體的密度，kg／m3；G為水泵流量，t／h；η為水泵效率，％。
單純直連方式循環泵軸功率為：
以上2式中ρ、η可看作相等，則：Pd/Ph=GHd/(GwHh+GhH3)。
由公式(1)、(2)與公式(8)推出：Pd/Ph=(1+μ)Hd/(Hh+μH3)，μ為混合比。
a. 假設2種連接方式熱網H?2相等，設定單位沿程損失R=4Pa/m，H1=20 Pa，H2=Rm(1+α) (α為局部阻力當量長度百分數，%)，H3=5 Pa，計算Pd/Ph，結果見表1。
b. 假設單純直連供熱系統熱網管徑不變，熱負荷不變，而將其改為混水直連方式，則H1=20Pa，計算Pd/Ph，結果見表1。
由表1可知，混水直連方式比單純直連方式的電耗大大減少，所需循環泵功率小。
2.3投資費用的比較
?
式中K——管道當量絕對粗糙度；
R——單位沿程損失，Pa／m，設為定值；
G——管段的流量，t／h；
ρ——水的密度，kg／m3；?
D——管子的內徑，mm。
計算Dd/Dh，結果見表2。
單純直連方式與混水直連方式相比，在輸送相同的熱量，熱網選取同一經濟比摩阻的情況下，前者的管徑要大于后者，因此單純直連方式供熱系統的熱網建設投資費用較大。
2.4供熱能力的比較
單純直連方式與混水直連方式相比，在管徑相同，經濟比摩阻相同的情況下，后者輸送的熱量大于前者，因此混水直連方式供熱系統在同樣的熱網管徑下可帶較大供熱面積，比單純直連方式供熱系統具有更大的供熱能力。輸送熱量比(若用戶熱指標相同，熱量比等于供熱面積比)Qh／Qd=1+μ，對比見表2。
2.5建議
從以上對比分析可以總結出以下3個具有實用價值的建議。
a. 新建直接式供熱系統應采取混水直連供熱方式。例如：一新建直接式供熱系統，面積一定，熱網主干線Lm=3 km，經濟比摩阻R=40 Pa／m，用戶系統設計溫差已定，連接形式有2種方案：方案1為混水直連方式，μ=1.0；方案2為單純直連方式。兩者相比，方案1相對于方案2可節約水泵運行電耗45.7％；而方案2的熱網管徑卻比方案1的要大1.3倍，方案1相對于方案2可節省管網建設費用約20％(估算)。
b. 規模較大的原有單純直連方式的供熱系統宜改造為混水直連方式的供熱系統。例如：一原有單純直連方式的供熱系統，供熱面積一定，熱網主干線Lm=3 km，熱網管徑一定，用戶系統設計溫差不變，將其改為混水直連方式，μ=1.0。改造后水泵運行電耗相對于改造前降低66.3％；改造后熱網具有增加1倍供熱面積的潛力。
c. 混水直連供熱系統宜采用較大的混合比。由表1、表2可以看出混水直連供熱系統的水泵電耗、管網投資費用將隨混合比的增大而減少；供熱能力則隨混合比的增大而增大。?
3直接式供熱系統的運行調節
直接式供熱系統的運行調節問題，在設計方案合理的情況下也很方便。經過多年的探索和改進，認為下列方法比較實用。
3.1應用自力式流量控制器
自力式流量控制器具有自動消除剩余壓差、進行動態調節的功能。通過在一級網水管上安裝自力式流量控制器可以有效地解決熱網水力失調問題。將自力式流量控制器安裝于一級網供水管上，既可以起到熱網平衡作用，又能使近端用戶不發生超壓問題。
3.2利用便攜式超聲波流量計進行熱網細調節
運行期開始后，利用便攜式超聲波流量計對每1個熱力站的實際循環流量進行細調節，保證各個熱力站在設計工況下運行。在調節的同時，可利用便攜式超聲波流量計對每一個熱力站的失水情況進行調查，先測查整個熱力站是否失水，若有失水現象，再逐一地對每一個環路進行搜索，利用這種方法，新華供熱公司有效地控制住了熱網的失水率，收到了顯著的經濟效益。
3.3混水泵的選擇
采用混水直連方式的供熱系統，首先要根據熱網的整體運行方案確定混水直連方式的混合比。然后利用混合比與各個用戶系統的設計循環流量計算出每個熱力站的混水量，混水量Gh=μG/(1+μ)；混水泵揚程理論上等于用戶系統阻力損失。混水泵可單臺設置，因為即使混水泵發生故障，停止運行，一級網循環水量仍可維持用戶系統的供熱運行。混水泵出口要安裝逆止閥，防止突然停泵時發生倒流現象。?
4結束語
直連式供熱系統投資省、運行費用低、系統簡單、維護方便，在一定規模的供熱系統中還會長期存在，然而不同的直連設計方案，卻存在著巨大的能耗差別。以上論述證明：混水直連方式相對于單純直連方式而言是一種優化節能設計方案，在某些方面甚至優于間連式供熱系統。
