【摘 要】目前在间连水网中增设微机监控系统已是一项比较成熟的技术，但在直供水网中有效建立微机监控系统，实现管网自动运行调节的工程案例并不多。本文结合荣成市直供水网微机监控系统的工程实例，介绍了直供管网微机监控系统的控制方案、直供站的选址和建设、电动调节阀的选型计算中的特点，并列举了该工程实例所取得的节能效果。
【关键词】直供管网 微机监控系统 节能

1. 概述
荣成市直供热水管网以热电厂为热源，总供热面积达70余万平米。热水网供热型式为直连供热，共有大大小小建筑物约3000多个。主干线可分为东线、中线和西线，管网拓扑结构平面图如图1所示：
实际运行调节表明，该直供水网的特性如下：
1） 建筑物数量多，管网调节难度极大
虽然热水网总供热面积只有70万平米，但直供水网中建筑物总个数即达3000多个，建筑物入口数量更多，运行中需要调节的阀门众多，加之热网大惯性、大耦合、稳定性差等特点，使得管网调节难度很大，技术含量要求高，管理也较为困难。
2） 部分管道管径不合理，导致阀门调节性能差
由于历史形成、供热负荷发展与规划预期发生偏差等各种因素，管网中部分管道管径并不合理。管道管径偏大的阀门，即使阀门关闭到很小，甚至引起水流的哨叫声，仍然无法将流量限制到预期值。而当部分水流动的不利区域中存在管径较小的情况时，即使做出很大努力进行调节，仍然无法将流量增到预期值。
3） 散热器换热性能欠佳，管网供回水温差小、流量大
该直供水网由蒸汽管网逐年改造形成，建筑物中的散热器采用的蒸汽散热器在热水管网中散热性能欠佳，须采用大流量的运行方式方能有效缓解建筑物中垂直失调现象。
2. 问题的提出
由于管网实际情况复杂、建筑物数量众多，这给管网的运行带来了很大的难度。运行人员采用分级调节压力的方法进行管网调节，将管网上阀门分为五级：
1） 一级阀门（首站总供回水阀门）
2） 二级阀门（主干线供回水阀门）
3） 三级阀门（支干线供回水阀门）
4） 四级阀门（小区入口阀门）
5） 五级阀门（建筑入口阀门）
近五年来，管网结构包括供热面积、各级管道管径均未发生较大的变化，故运行人员根据多年来的运行经验，给出了一级至三级阀门（约50余个）的前后压力，每当供热初调节时，先调节这些阀门使其阀后压力达预期值，后根据管网实际运行情况和用户投诉量细调四级、五级阀门。当四级、五级阀门调节无法解决供热不热问题时，再逐次提升阀门调节的级数。
这种运行调节方式虽是一种实际可操作、相对较为简单的运行调节方式，但在实际运行中也凸显了如下几个弊端：
1） 水平失调和垂直失调现象仍较为普遍
热网运行调节没有完全到位，近端回水温度高、温差小而过热，远端回水温度低、温差大而较冷，且垂直失调现象较为严重。根据管网实际运行数据，直供水网管网水平失调度约为18％，水平失调较为严重，而位于管网远端的建筑物由于流量不足，垂直失调的情况也较为严重。［1］
2） 限制了供热管网的进一步发展
当管网结构发生较大变化时，如供热面积大幅度增长、主干线或支干线管径变化时，运行人员所摸索的经验数值将不再适用于新的管网，加之热电联产的热源供热量并不充足，管网水平和垂直失调的现象仍较为严重，这些因素均成为热力公司扩大直供水网供热面积、促进供热管网进一步发展的瓶颈。
3. 微机监控系统
追求热力工况稳定，既不发生水平失调，也不出现垂直失调，使得各供热房间室温均匀一致，是供热系统运行调节的重要目标。在集中供热管网中增设微机监控系统、实施热网均匀性调节控制方法已成为解决管网水平失调、节约一次能源的有效方法，通过微机监控系统，可将管网水平失调度降低到5％以内，节能率可达10％以上。目前在间连水网中增设微机监控系统是一项比较成熟的技术，但在直供水网中有效建立微机监控系统，实现管网自动运行调节的工程案例并不多。
在间供管网中，通过换热站将集中供热系统划分为一次网和二次网系统，一次网和二次网在水力工况上相互独立［2］。微机监控系统则通过热力站一次网供回水管道上的电动调节阀的自动控制实现各热力站供热效果基本相同来保持热力基本平衡。
在直供管网中，可借鉴间供水网微机监控系统的思路，通过建立直供站的方法将系统划分为若干供热区，通过电动调节阀的自动控制保持各供热区之间供热效果基本相同。但如下几个问题需进行重点考虑：
1） 系统基本控制方案问题；
2） 直供站数量、选址和建设问题
3） 电动调节阀的选型问题
本文结合以上三个问题，简单分析了直供管网微机监控系统的特点。
3.1  均匀性调节的基本控制方案和调节方法
由于热网从整体上属于大惯性、长时滞、非线性，且存在耦合的多输入－多输出系统。基于已有的控制方法，直接实现这样一个系统的单回路死循环控制是十分困难的［3］。对于荣成市集中供热系统的管理模式，在近期采用按面积收费时热网应采用均匀性调节。由稳态下的热平衡方程可以得到，散热器向房间传热应与房间向室外的传热量相同，由此可知测各直供监控站点供回水平均温度基本上反映了该直供监控站点所负责建筑的平均室温，如果将各个直供监控站点的供回水平均温度调为一致，则可以近似认为采暖房间的室温是彼此均匀的。可保证各直供监控站点间的均匀供热，避免由于冷热不均、为了保证偏冷用户达到要求而造成过热用户的浪费。
这种均匀调节一般不会导致系统振荡。由于各直供监控站点所带的供热面积不会经常改变，并且各建筑物的负荷主要由外温所决定，因此随外温变化各直供监控站点的热负荷同步升高或降低，各直供监控站点间热负荷之比基本不变。因此，系统一旦调节均匀，就基本能够保持，不需要随温度变化进行调节，系统可以长期稳定运行［4］。
随着外温的变化，为保证供热效果，热源需统一进行调节，这时可以随外温降低而升高供水温度，也可提高总的循环流量。无论采用哪种方式，都是全面地升高或降低各直供监控站点的采暖效果，不会改变其均匀性。只有当个别直供监控站点后管网发生变化，新增添或关闭一些用户，庭院管网做某种调节和转换等，才需要对相应直供监控站点及相邻几个直供监控站点的供水阀进行调节。均匀性调节可将热网的调节与热源的调节分为两个独立环节分别单独进行，相互之间基本互不干扰。
3.2  直供站的数量和选址
在直供水网中，最理想的控制系统是在每个建筑入口设置控制子站，自动实现所有建筑之间的基本热力平衡，系统的节能效果最好，同时可完全取代的运行人员的日常调节工作，但由此带来的问题是投资过大，对荣成直供水网也存在着同样的问题。经技术经济分析，初投资、节能效果均随直供站数量的增加而增加，但系统静态投资回收年限则随直供站数量的增加而有先下降后上升的过程。如下图所示：
如图中所示，在直供站数量约为20－30个时，系统静态投资回收年限最小，而在工程实际中，微机监控系统的直供站数量最终选为28个。各直供站的供热面积大于1万平米，小于5万平米。如此各直供站内建筑数量在5－15个左右，减少了直供站内运行人员的调节工作量。部分直供站选址图如图4所示。
3.3  直供站的建设
为实施管网监控工程，需在管道地面上或者阀门井半地面上建设直供站，该直供站要求能容纳电动调节阀、控制柜体、压力、温度等传感器和变送器，并能比较方便进行设备安装和检修，并具备一定的防水、防尘和防盗的能力，考虑荣成集中供热的实际情况，采用了柜体形式。
3.4  电动调节阀的选择
在集中供热系统的自动控制系统中，电动调节阀是最重要的设备之一，由它们来控制各直供站的温度，电动调节阀的选型不仅会影响系统的投资，而且还会影响控制效果。在选择调节阀口径时须考虑让电动调节阀工作在其调节性能较好的开度范围内，同时保证阀门不发生水击或气蚀。根据供热系统的管网拓扑结构和设计流量进行水力计算，计算出各环路的剩余资用压头，从剩余资用压头中减去站内预留资用压头，余下的剩余资用压头即为需用阀门消耗掉压头。根据此原则可得出电动调节阀口径表如表1所示。
从表中可看出，绝大部分直供站电动调节阀缩径很大，最多的从250缩至65，但也有个别站采用与管道同管径的调节阀。如此通过水力计算选出的电动调节阀既有效减少了投资，同时保证了电动调节阀工作在其调节性能较好的开度范围内进行可靠的工作。
4. 实际运行效果
对于城市集中供热系统通过采用微机监控、调度系统，可以及时、准确地控制和调节热网的运行参数，在满足热网中各用户的室内温度18±2℃的前提下，达到最大限度的节能效果，提高供热系统的供热能力，减少污染物的排放。
在微机监控系统投入运行后，通过对电动调节阀实现了最合理、最及时的调节，从而避免了人工调节在时间上的滞后性和对经验的依赖性。在通过采用微机监控调度系统实现各直供站的热力工况平衡后，获得了15%的扩供能力，消除了大部分低温不热户；通过实现热源的气温补偿调节节能15%以上。
5. 小结
本文结合荣成直供水网微机监控系统的工程实例，介绍了直供管网微机监控系统的控制方案、直供站的选址和建设、电动调节阀的选型计算中的特点，并列举了该工程实例所取得的节能效果.