摘要：現(xiàn)代工程中采用水力平衡調(diào)節(jié)閥及專用智能儀表能有效解決管網(wǎng)水力失調(diào)和熱力失調(diào)問(wèn)題。本文對(duì)吉林省某區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，歸納了存在的問(wèn)題并分析了問(wèn)題產(chǎn)生的原因。在充分考慮區(qū)域內(nèi)建筑物供熱需求基礎(chǔ)之上，提出了熱網(wǎng)改造方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)加強(qiáng)了熱網(wǎng)的熱力平衡和平衡閥的設(shè)置。分析了平衡閥在區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)的基本原理，結(jié)合平衡閥的特點(diǎn)，闡述了供熱系統(tǒng)中平衡閥的選用原則，并通過(guò)加設(shè)平衡閥進(jìn)行了供熱管網(wǎng)的改造，解決了水力失調(diào)問(wèn)題。此項(xiàng)技術(shù)達(dá)到了節(jié)能的目的，其社會(huì)效益和節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)  平衡閥 熱力分析改造

1  引言

    目前，舊有區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，普遍存在著水力工況失調(diào)現(xiàn)象，從而造成了各采暖建筑物之間的室內(nèi)溫度偏差較大，冷熱不均。隨著節(jié)能要求的提高，在區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量愈來(lái)愈重要。水力平衡閥具有截止和節(jié)流的作用并能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)流量，當(dāng)平衡閥按設(shè)計(jì)供熱量調(diào)整到設(shè)計(jì)流量鎖定后，可以使供熱管網(wǎng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的熱力平衡狀態(tài)下運(yùn)行。

    本文對(duì)吉林省某小區(qū)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，歸納了存在問(wèn)題，分析了平衡閥調(diào)節(jié)的基本原理，結(jié)合平衡閥的特點(diǎn)，闡述了供熱系統(tǒng)改造中平衡閥的選用方法，并通過(guò)系統(tǒng)熱力平衡分析和加設(shè)水力平衡調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了熱力管網(wǎng)的改造，解決了熱力失調(diào)問(wèn)題。此項(xiàng)技術(shù)達(dá)到了節(jié)能的目的，其社會(huì)效益和節(jié)能效果顯著。

2  管網(wǎng)系統(tǒng)存在問(wèn)題及分析

2.1  供熱管網(wǎng)現(xiàn)狀

L12

L13

L14

L15

DN200

DN200

DN250

DN150

DN50

DN80

DN80

DN125

DN50

DN50

DN125

DN100

DN200

鍋爐房

 

L2

DN200

DN150

DN150

DN150

DN100

DN80

DN50

L1

L3

L4

L5

L6

L7

L8

DN250

DN80

L9

L10

L11

DN80

圖1 吉林省某區(qū)域熱網(wǎng)示意圖

吉林省某小區(qū)供熱管網(wǎng)集中低溫?zé)崴嵯到y(tǒng)供熱管網(wǎng)形式為低溫?zé)崴峁芫W(wǎng)，設(shè)計(jì)供回水溫度為95℃/70℃，熱源為獨(dú)立鍋爐房，補(bǔ)給水泵定壓，熱網(wǎng)布置如圖1所示。設(shè)計(jì)之初，因?yàn)閰^(qū)域規(guī)模較小（系統(tǒng)總供熱量?jī)H為2223.94kw），供熱系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置必要的調(diào)節(jié)裝置，后經(jīng)多次擴(kuò)建達(dá)到供熱總負(fù)荷6011.24kw。供熱負(fù)荷的成倍增加以及熱水循環(huán)泵運(yùn)行效率的降低，供熱系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，熱力失衡問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。

2.2  供熱管網(wǎng)系統(tǒng)水力平衡分析

2.2.1  管網(wǎng)系統(tǒng)平衡原理

水力工況是指管網(wǎng)系統(tǒng)各點(diǎn)的壓力、流量及壓差。流量與阻力損失的關(guān)系用下式表示^[1]:   

              （1）

式中，ΔP為壓差(即阻力損失)，MPa;  S為管段或者系統(tǒng)的阻抗；Q為管段或系統(tǒng)的體積流量，m³/ h。

水力平衡是指流量的合理分配^[2]。供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，水力工況計(jì)算是在各分支流量為設(shè)計(jì)值的假想情況下進(jìn)行的。由于管材及最高流速的限制，從設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)水力平衡幾乎是不可能的。這勢(shì)必造成始端阻力系數(shù)不能滿足設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)，形成始端流量過(guò)大，末端流量不足的失調(diào)現(xiàn)象。在運(yùn)行工況下，水泵輸出壓力的工作曲線與外網(wǎng)特性曲線交匯形成的。對(duì)于外網(wǎng)特性曲線ΔP=SQ²，一般情況下，由于并聯(lián)的始端支路S值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，造成總S值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，循環(huán)水泵在小揚(yáng)程大流量工況下運(yùn)行，其特點(diǎn)是軸功率大、效率低。

2.2.2  管網(wǎng)系統(tǒng)存在問(wèn)題及原因

在該區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)水泵實(shí)際揚(yáng)程小于額定揚(yáng)程，導(dǎo)致末端缺水，鍋爐阻力大，鍋爐出力不足的情況。在實(shí)際運(yùn)行的主要問(wèn)題是：

①始端支線阻力小、流量大，造成末端流量小，水泵工作點(diǎn)偏移在大流量、小揚(yáng)程、低效率工作區(qū)。

②總循環(huán)水量的加大導(dǎo)致鍋爐、換熱器等阻力加大，水流量增大40% ,阻力會(huì)增加100%。

③流量加大后供回水溫差不可能更大，煤質(zhì)和鼓、引風(fēng)系統(tǒng)不正常也可能造成鍋爐輸出不足。

分析問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因是：

①供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)與鍋爐房設(shè)計(jì)不匹配，外網(wǎng)水力計(jì)算不準(zhǔn)確，各環(huán)路自身又不具備水力調(diào)節(jié)功能，造成供熱管網(wǎng)系統(tǒng)水力失調(diào)。

②原有鍋爐房供熱外網(wǎng)不斷擴(kuò)建，供熱管網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)新的水力失調(diào)現(xiàn)象。

③為了保證遠(yuǎn)離熱源的建筑物室內(nèi)采暖溫度，而加大熱水流量，從而造成近環(huán)路室內(nèi)溫度過(guò)熱、外管網(wǎng)水平失調(diào)，為了保證高層建筑底層室內(nèi)采暖溫度，而加大流量，從而造成頂層室內(nèi)溫度過(guò)熱，室內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)垂直失調(diào)。熱用戶熱量分配不均，管網(wǎng)末端用戶的供熱效果欠佳，水力失調(diào)情況嚴(yán)重。

在該供熱管網(wǎng)系統(tǒng)改造中，水力工況的調(diào)整過(guò)程就是用平衡閥增加始端阻力，使始端支路S值增大至設(shè)計(jì)值，總S值增大至設(shè)計(jì)值。使始末端流量分配均勻合理，循環(huán)水泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能目的，提高供熱質(zhì)量。

3  平衡閥的選用

平衡閥是供熱管網(wǎng)中不可缺少的重要部件，正確、合理地應(yīng)用平衡閥，對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有非常重要的意義。

3.1  平衡閥的選用原則

圖2  SP型平衡閥的K_v值

平衡閥具有造價(jià)低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)支路不多的小型管網(wǎng)也可方便地進(jìn)行水力工況平衡。   閥門(mén)特性曲線決定了閥門(mén)的調(diào)節(jié)性能^{[2] [3]}。由于閥門(mén)理論特性曲線是在定壓差下測(cè)試，而實(shí)際工況只要閥門(mén)開(kāi)度不為1，則閥門(mén)在小開(kāi)度情況下，閥前后壓差大，大開(kāi)度時(shí)閥門(mén)前后壓差小，使閥門(mén)實(shí)際工作曲線向快開(kāi)方向偏移，閥權(quán)度越小其偏移越大。對(duì)具有直線特性的閥門(mén)，由于實(shí)際性能的偏移會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)有效調(diào)節(jié)的開(kāi)度空間變小，因此閥門(mén)的理論性曲線以等百分比特性為好。對(duì)等百分比(對(duì)數(shù))特性曲線閥門(mén)，在閥權(quán)度0.3-0.5時(shí)實(shí)際工作曲線可能接近直線特性^[4]。選用閥門(mén)時(shí)盡量加大閥權(quán)度，以避免閥門(mén)在小開(kāi)度下運(yùn)行。

3.2  平衡閥的選用方法

平衡閥的作用是消除環(huán)路剩余壓頭，限定環(huán)路水流量。為合理地選擇平衡閥的型號(hào)，在設(shè)計(jì)供熱系統(tǒng)時(shí)，仍要進(jìn)行管網(wǎng)水力平衡計(jì)算，在計(jì)算的基礎(chǔ)上按管徑選取平衡閥型號(hào)。

通過(guò)閥門(mén)的流量 G與閥門(mén)前后的壓差△P之間的關(guān)系可以寫(xiě)為下式^[5]:     

                    (2)  

式中K_v即閥門(mén)的流量系數(shù)。對(duì)應(yīng)不同的開(kāi)度有不同的K_v值，K_v值的大小反映了閥門(mén)在某一開(kāi)度的流通能力。圖2為SP系列平衡閥DN32-DN80口徑平衡閥的K_v與開(kāi)度的關(guān)系曲線^[6]。

    在初選平衡閥時(shí)，只要知道所要求的流量及應(yīng)該消耗的壓差，則可通過(guò)式(1)計(jì)算出所選閥門(mén)的流量系數(shù)K_v，再由各種型號(hào)平衡閥的K_v曲線就可查到相應(yīng)的閥門(mén)型號(hào)，并同時(shí)確定開(kāi)度。以吉林省某區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)支路L9為例，由水力計(jì)算結(jié)果（表2）通過(guò)流量G=14.94m³/h, 環(huán)路節(jié)點(diǎn)處提供壓頭124.98kPa, 用戶所需資用壓頭66.97kPa，平衡閥用壓頭58.01kPa，則 ，由圖2可查得與此對(duì)應(yīng)的DN80，DN65,DN50三種口徑的平衡閥開(kāi)度分別為12%，28%，50%，應(yīng)選取DN50，開(kāi)度為50%的平衡閥。選小口徑平衡閥，一方面是可以提高調(diào)節(jié)精度，因?yàn)橄鄬?duì)于同樣的開(kāi)度改變，小口徑閥門(mén)的流量變化較小，另一方面節(jié)省了投資。一般要求所選平衡閥的設(shè)計(jì)開(kāi)度在60%一90%之間，這樣既可在滿足設(shè)計(jì)流量的條件下，所選平衡閥口徑較小，又有一定的調(diào)節(jié)余地。其余用戶平衡閥的選用見(jiàn)表3。

對(duì)原系統(tǒng)改造時(shí)，直接以平衡閥取代原有的截止閥或閘閥，但需要壓降校核計(jì)算以避免平衡閥產(chǎn)生的壓降過(guò)小，造成較大誤差。校核步驟^[7]為按該平衡閥負(fù)擔(dān)的供熱面積計(jì)算出設(shè)計(jì)流量，按管徑求出設(shè)計(jì)流量時(shí)管內(nèi)的流速v，由該型號(hào)的平衡閥全開(kāi)時(shí)的ξ值，按公式ΔP=ξ•ρv²/2，求得壓降值ΔP，如果ΔP＜ 2 kPa-3 kPa，可選用小口徑型號(hào)平衡閥，重新計(jì)算v和ΔP,直到所選平衡閥在設(shè)計(jì)流量時(shí)的壓降ΔP≥2 kPa-3kPa為止。

4 實(shí)例分析

以供熱管網(wǎng)中部主環(huán)路為例，負(fù)擔(dān)“電工室”，“介入科”，“食堂”，“1號(hào)住院樓”，“圖書(shū)館”，“走廊”，“2號(hào)住院樓” ，“車庫(kù)”，“辦公樓”，“吉興餐廳”及“新住院樓”供熱負(fù)荷，供回水總管徑為DN200，其總熱負(fù)荷為2530.5kw。該環(huán)路管網(wǎng)情況復(fù)雜且作用半徑大，長(zhǎng)期以來(lái)熱力失衡嚴(yán)重，沿途用戶供暖冷熱不均，最不利用戶“新住院樓”供熱系統(tǒng)效果較差。

基于上述原因，對(duì)該小區(qū)供熱管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算及分析，采取平衡閥對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行水力平衡調(diào)節(jié)，改善區(qū)域供熱的整體效果。

4.1 計(jì)算條件

①外網(wǎng)各環(huán)路管段管徑及沿程長(zhǎng)度，熱用戶供熱設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。環(huán)路熱用戶供熱負(fù)荷見(jiàn)表1。

表1  環(huán)路用戶采暖熱負(fù)荷

用戶名稱

電工室

車庫(kù)

辦公樓

吉興餐廳

介入科

食堂

走廊

住院樓2

新住院樓

住院樓1

圖書(shū)館

熱負(fù)荷（kw）

17.6

15.4

292.4

39.9

166.7

180.0

49.6

671.9

300.6

769.3

27.1

②各環(huán)路用戶室內(nèi)采暖水系統(tǒng)所需資用壓頭，由該小區(qū)供熱設(shè)計(jì)圖紙及資料獲得，參見(jiàn)表3中“用戶所需資用壓頭”項(xiàng)。

③由于鍋爐及換熱器效率的降低，根據(jù)該系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)供熱供水最高溫度為80℃，最大供回水溫差15～18℃。供熱供回水溫度取80/60℃。

④由于系統(tǒng)運(yùn)行多年管道內(nèi)壁粗糙度增大，擬采用焊接鋼管更新管道，管道內(nèi)壁粗糙度取K=0.5mm。

4.2 管網(wǎng)系統(tǒng)水力計(jì)算^[8][9][10]

環(huán)路負(fù)擔(dān)總熱負(fù)荷為2530.5kw，循環(huán)水量為108.61t/h，其供回水總管管徑為DN200，計(jì)算見(jiàn)表2。

表2  環(huán)路水力計(jì)算表

管段

編號(hào)

流量

（t/h）

管徑

（mm）

流速

（m/s）

單位摩阻

（Pa/m）

管段長(zhǎng)度

（m）

管段摩阻

（kPa）

累計(jì)摩阻

（kPa）

L1

108.6

200

0.92

52.1

52

2.72

2.72

L2

107.8

200

0.89

51.2

44

2.32

5.04

L3

92.9

200

0.78

34.2

176

6.19

11.23

L4

85.2

200

0.73

30.4

91

2.77

14.00

L5

52.1

150

0.86

62.8

133

8.35

22.35

L6

50.9

150

0.84

59.5

71

4.23

26.58

L7

48.23

150

0.79

53.3

70

3.73

30.31

L8

19.34

100

0.74

79.2

164

12.99

主干線1總阻力：43.30

L9

14.94

80

0.82

127.5

54

6.89

6.89

L10

14.28

80

0.77

110.8

82

9.09

15.98

L11

1.71

50

0.27

26.1

38

0.99

16.97

4.3  管網(wǎng)系統(tǒng)平衡閥選用及水力平衡分析

環(huán)路最不利用戶為“新住院樓”，供熱管網(wǎng)沿程阻力損失為43.3kPa，考慮沿程局部阻力為摩阻的10%即4.3 kPa，沿程總阻力為47.6 kPa，“新住院樓”資用壓頭為50 kPa，環(huán)路所需資用壓頭為97.6 kPa，可取值為130 kPa。各用戶入戶管徑及所需資用壓頭不等。環(huán)路水力平衡計(jì)算詳見(jiàn)表3。從水力平衡計(jì)算表3可以看出，近端用戶入戶供水管均設(shè)數(shù)字鎖定平衡閥，閥門(mén)口徑均比相應(yīng)管徑小1-2號(hào)，同時(shí)可以看出各平衡閥的開(kāi)度均較小，尚未達(dá)到開(kāi)度應(yīng)在60～90%的理想范圍。其中電工室、圖書(shū)館及走廊因負(fù)荷較小，平衡閥開(kāi)度小于10%，設(shè)計(jì)考慮就近將其接入臨近用戶室內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)，不設(shè)平衡閥。最不利用戶“新住院樓”入口不設(shè)平衡閥。

表3  環(huán)路水力平衡計(jì)算表

用戶

名稱

用戶流量

（t/h）

環(huán)路提供壓頭（kPa）

用戶所需資用壓頭（kPa）

平衡閥用壓頭（kPa）

入戶管徑

（mm）

平衡閥閥徑（mm）

平衡閥開(kāi)度

（%）

電工室

0.76

127.3

50

77.3

50

32

5（不設(shè)閥）

L9支路

14.94

124.98

66.97

58.01

80

50

50

介入科

7.17

118.79

50

68.79

80

50

30

食堂

7.74

116.02

50

66.02

80

50

30

1號(hào)樓

33.08

107.67

50

57.67

125

80

35

圖書(shū)館

1.17

103.44

50

53.44

40

32

8（不設(shè)閥）

走廊

2.67

99.71

50

49.71

50

32

8（不設(shè)閥）

2號(hào)樓

28.89

86.98

50

36.98

125

80

32

新樓

12.93

50

50

0

100

不設(shè)閥

4.4 供熱管網(wǎng)改造及效果

在2005年采暖季之前，小區(qū)集中供熱管網(wǎng)根據(jù)上述水力平衡方案進(jìn)行了改造。

①對(duì)絕大多數(shù)熱用戶熱力入口處的供水干管均增設(shè)SP型數(shù)字鎖定平衡閥，并將平衡閥設(shè)定在計(jì)算所確定的開(kāi)度，用戶供回水干管上原有手動(dòng)截止閥或閘閥全部滿開(kāi)；

②通過(guò)調(diào)節(jié)換熱站內(nèi)集分水器處各環(huán)路供回水管上的主閥，使環(huán)路的資用壓頭為130 kPa。

　　2005年入冬后，醫(yī)院集中供暖系統(tǒng)投入運(yùn)行，長(zhǎng)期以來(lái)困繞醫(yī)院的熱力失調(diào)問(wèn)題得到了解決。該環(huán)路原供熱效果最差的用戶“新建住院樓”室內(nèi)供熱系統(tǒng)完全正常，該環(huán)路已實(shí)現(xiàn)熱力平衡，其水力平衡已得到體現(xiàn)。

5 總結(jié)

①該供熱管網(wǎng)系統(tǒng)改造后的運(yùn)行效果證明上述水力平衡的計(jì)算及分析結(jié)果是正確可靠的，為今后熱網(wǎng)的平衡積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

②平衡閥是熱力管網(wǎng)平衡的有力工具，借助于平衡閥可以實(shí)現(xiàn)水力平衡的量化。對(duì)于供熱管網(wǎng)系統(tǒng)，平衡閥可裝設(shè)于熱源出口的供水總管、各支干管、用戶入口處及室內(nèi)供暖系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)路上。對(duì)室溫要求較高的建筑，可裝在室內(nèi)供暖系統(tǒng)的各立管上，所裝設(shè)的平衡閥可以代替關(guān)斷閥門(mén)。

③對(duì)于整個(gè)熱力管網(wǎng)而言，單體室內(nèi)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的入戶管徑偏大的情況普遍存在，對(duì)支狀管網(wǎng)的近端用戶尤為嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)及用戶水力平衡的分析，應(yīng)用平衡閥進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)是管網(wǎng)系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)的必要手段。

參考文獻(xiàn)

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