（市政工程专业论文）多热源环状管网水力工况的实验研究与仿真.pdf

太原理工大学硕七研究生学位论文 多热源环状管网水力工况的实验研究与仿真 摘要 随着国民经济和集中供热技术水平的不断提高，集中供热 的规模不断扩大。国内的许多城市中，一个城区往往同时存在 多个供热系统，甚至同时存在多个热电联产的集中供热系统， 但各个热源却独立运行，不能发挥几个热源联合供热的互补性。 多热源环状管网作为几个热源联合供热的一种管网形式，由于 供热的理论与技术尚未成熟，同时对环网可靠性、经济性的研 究工作不多，因此还没有得到广泛的认可与应用，但多热源环 状管网必是集中供热发展的趋势之一。 从工程的角度出发，以应用于实际为目的，本课题详细给 出了多热源环状管网工程设计的方法。 搭建了实验台。运用物理实验的方法，研究了多热源环状 管网的运行工况，验证了多热源环状管网的可行性，共总结出 了多热源环状管网初调节与运行调节的方法，指出初调节在管 网运行稳定性方面起着重要的作用。 m a t l a b s i m u l i n k 是一个可以简单而方便的进行建模、 仿真和分析的软件。应用m a t l a b ，s i m u l i n k 构件了物理实验 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 的仿真模型，对物理实验的各个工况进行了仿真，并将仿真数 据与物理实验数据进行比较，得出了仿真模型的合理性，从而 说明利用仿真技术可以实现实验无法模拟的大型管网水力工况 的分析研究。 以临汾市多热源环状管网为例，运用仿真技术，详细的阐 述了多热源环状管网的具体设计过程，进一步说明多热源环状 管网的可行性。 可靠性与经济性是衡量供热系统的重要标准。多热源环状 管网比单热源枝状管网具有较高的可靠性，而在初投资方面， 多热源环状管网比单热源枝状管网具有较低的初投资。从而进 一步说明多热源环状管网经济合理，运行安全可靠。 关键词：多热源，环状管网，水力工况，实验，仿真 太原理工大学硕士研究生学位论文 h y d r a u l i cc o n d i t l 0 n s e x p e r i m 匣n t a ls t u d ya n ds i m l ，a t i o n o fr i n g s h a p e dh e a r - s u p p l yn e t w o r k w i t hm u i j i h e a ts o u r c e s a b s t r a c t t h es c a l eo fc e n t r a l h e a t - s u p p l ys y s t e mi sa l w a y se n l a r g i n g a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fe c o n o m ya n dh e a t i n gt e c h n i q u e i nm a n y c i t i e s ，o n ec i t yh a sm u l t i - h e a t s y s t e m ，s om u c ha sm u l t i h e a t s o u r c e sw i t h t h e r m o e l e c t r i c i t yc o m b i n e b u te v e r y s o u r c e i n d e p e n d e n t l yr u n sw i t h o u tm u t u a lb e n e f i t a sas o r to fn e t w o r k f o r m ，r i n g - s h a p e dn e t w o r kw i t hm u l t i h e a ts o u r c e si s n tw i d e l y a p p l i e da n dr e c o g n i z e db e c a u s ei t st h e o r ya n dt e c h n o l o g yd o e s n t m a t u r e a n di t s r e l i a b i l i t ya n de c o n o m yi s n ta d m i t t e d b u t r i n g 。s h a p e dn e t w o r kw i t hm u l t i h e a ts o u r c e si sd e v e l o p m e n t a lt r e n d o f h e a t i n g b a s e do ne n g i n e e r i n ga n dp r a c t i c a l i t y , p r e s e n t sd e s i g nm e a n s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n dp r i n c i p i ao f r i n g - s h a p e dn e t w o r kw i t hm u l t i - h e a ts o u r c e s t h et h e s i ss e t su pe x p e r i m e n t ，s t u d i e sh y d r a u l i cc o n d i t i o n so f r i n g s h a p e dn e t w o r kw i t hm u l t i h e a ts o u r c e s ，v a l i d a t e si t sf e a s i b i l i t y , a n ds u m su p e l e m e n t a r yr e g u l a t i o na n do p e r a t i n gr e g u l a t i o nm e t h o d b yp h y s i c a le x p e r i m e n t a n dt h e t h e s i sp o i n t st h a te l e m e n t a r y r e g u l a t i o nh a sm a i nf u n c t i o no f h y d r a u l i cs t a b i l i t y m a t l a b s i m u l i n ki sas o f t w a r ew h i c hc a ns i m p l ym o d e l ， s i m u l a t ea n da n a l y z e t h et h e s i ss e t su ps i m u l a t em o d e lo f p h y s i c a l e x p e r i m e n t ，s i m u l a t e s i t s h y d r a u l i cc o n d i t i o n s ，a n dv a l i d a t e s r a t i o n a l i t yo fs i m u l a t em o d e lb yc o m p a r i n gs i m u l a t e d a t aw i t h e x p e r i m e n t a ld a t a t h er a t i o n a l i t ys h o w ss i m u l a t et e c h n o l o g yc a n a n a l y z eh y d r a u l i cc o n d i t i o n so fl a r g e - s c a l en e t w o r k t a k i n ge x a m p l ef o rr i n g - s h a p e dn e t w o r ko fl i n f e n ，t h ep a p e r u s e ss i m u l a t et e c h n o l o g yt oe x p o u n dt h ed e s i g np r o c e s s ，v a l i d a t e s i t sf e a s i b i l i t y r e l i a b i l i t ya n de c o n o m ya r et h ei m p o r t a n ts t a n d a r do fh e a t i n g s y s t e m c o m p a r e dw i t ht r e e s h a p e dn e t w o r k ，r i n g s h a p e dn e t w o r k w i t hm u l t i - h e a ts o u r c e sh a ss t r o n gr e l i a b i l i t ya n ds a v i n gi n v e s t m e n t i ts h o w st h a t r i n g - s h a p e dn e t w o r kh a sr e l i a b i l i t y , e c o n o m ya n d i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 r a t i o n a l i t y k e yw o r d s ： m u l t i - h e a t s o u r c e s ，r i n g s h a p e dh e a t s u p p l y n e t w o r k ，h y d r a u l i cc o n d i t i o n ，e x p e r i m e n t ，s i m u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 集中供热是指由集中热源所产生的蒸汽、热水。通过管网供给一个 城市或部分区域生产、采暖和生活所需的热量的方式。我国城市集中供热 是在7 0 年代末、8 0 年代初改革开放巨大动力的推动下得以迅速发展，它 对节约能源和保护环境发挥了重要的作用。我国城市供热主要分布在“三 北”( 东北、华北、西北) 1 3 个省、市、自治区，及山东、河南两省，长 江中下游的江苏、浙江、安徽等省也逐步采用集中供热。集中供热的普及 率逐年增大，到2 0 1 5 年城市集中供热普及率在2 0 0 0 年2 5 的基础上提高 1 5 2 0 ，使供热普及率达到4 0 以上【2 】。 目前，集中供热主要采用单热源枝状管网的布置形式。这种系统形式 主要存在如下的缺点：1 ) 管网供热的可扩展能力差。对于一个供热系统， 随着其热用户负荷逐年的扩大，技状管网无法满足后期负荷的不断增加。 2 ) 系统安全可靠性差。系统采用单热源运行，当热源发生故障时，整个 管网都处于瘫痪状态；当管网主干线某管段发生故障时，其后部用户均不 能正常运行；3 ) 经济性较差。在供热初期和末期，热源的供热量不能得 到充分利用，从而浪费了许多能量，经济性较差。 同时，随着集中供热技术水平的不断提高，集中供热的规模不断扩大。 目前在国内的许多城市中，一个城区往往同时存在多个供热系统，甚至同 时存在多个热电联产的集中供热系统，这些系统大多是单独承担一个区域 的集中供熟，单独运行，互不连接。有的城市虽然也把管网联在一起，但 在供热时又都用阀门断开，分别运行。这样，使各个热源失去了互补性， 太原理工大学硕士研究生学位论文 同时在供热初期和末期，热源的供热量不能得到充分利用，不但造成了能 源和设备的浪费，而且多个热源同时在低效率下运行，也加重了城市的污 染。 针对上述情况，集中供热逐步采用大型热源联网运行的供热方案。多 热源环状管网就是其中一种值得推荐的供热形式。 多熟源环状管网可以实现当其中热源发生事故，停止或减少对外供 热时，其它热源能将一部分热量分配给故障热源所带的热用户，从而提高 了系统的可靠性。 对多热源环状管网进行研究分析，解决的技术问题是；多热源环网的 设计方法与环网的运行调节。 1 2 课题研究的目的 1 ) 分析多热源环状管网的可行性 虽然多热源环状管网己成为大规模集中供热发展的趋势，但由于技 术、经济、社会等各方面的因素影响，其还没有得到广泛的认可。多热源 环状管网的可行性仍需进一步进行研究分析。本课题在认真学习、研究、 总结前人在该领域内的研究成果的基础上，运用物理实验的方法验证了多 热源环状管网的可行性，分析了环网的平衡率、事故保证率；运用合理而 简便的仿真方法，模拟了物理实验的管网，并得出了与物理实验相同的结 论。同时，利用此仿真方法模拟了大规模环状管网即临汾市多热源环状管 网，从而对多热源环状管网的可行性作了进一步的研究分析，并总结出多 热源环状管网的设计步骤、布置方式以及调节方法等，以指导工程实际应 用。 2 ) 分析多热源环状管网的可靠性 多热源环状管网优于枝状管网的优点之一就在于环网较高的可靠性。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 随着经济与科技的进一步发展，人类对物质文化生活的要求也越来越高。 “热”将作为商品成为人类的消费品，人类对“热”的要求也越来越高， 例如对“热”的稳定性要求、“热”的可控性要求、热的可靠性要求等。 而可靠性将是对“热”需求的最基本保证。本课题从环网系统和环网可靠 性指标两方面分析了环状管网的可靠性，指出多热源环状管网与单热源枝 状管网相比具有较高的可靠性。 3 ) 分析多热源环状管网的经济性 能源作为制约国民经济、社会发展和人民生活水平提高的重要因素已 引起各国社会的高度重视。节约能源、合理利用能源已成为世界各国不约 而同追求的目标。对大型工程，一般要进行经济性分析，从而确定最节能 的实施方案。本课题对多热源环状管网进行经济性分析，并与同规模的枝 状管网进行比较分析，从而充分说明环网是大型集中供热的一种优选管网 布置方式。 1 3 多热源环状管网研究现状 多热源环状管网是城市集中供热大型热源联网运行模式中的一种供 热模式。城市大型热源联网运行模式目前正受到越来越广泛的重视，它不 仅可以极大地提高供热的安全性，同时还能显著降低能耗。在国家大力提 倡热电厂供热的形式下，联网运行还可以有效地保证热电厂平稳高效地生 产热能和电能，从而产生显著的经济效益、社会效益和节能效益。 制约我国城市大型热源间联网运行的主要因素是：对以何种方式实现 联网运行以及联网后如何运行操作，没有系统和深入的论述，实践中缺乏 理论方面的指导；设计、运行和调节等方面的复杂性阻碍了它的推广应用： 对联网运行的经济性、可靠性还没有较为肯定的结论。而联网运行的供热 管网的流量合理分配问题、水力平衡问题是能否成功应用联网运行的重要 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 内容，对联网运行的可行性具有决定性作用，另外，大型热源联网运行的 经济性、可靠性以及实际运行调节的复杂性也需要给予同样的重视。 大型热源联网运行模式有联络管式供热管网、串联热源供热管网、多 热源( 并联) 环状管网三种形式。联络管式供热管网是在单一热源供热管 网的基础上，在管网间邻近处设置联络管而构成的。这是最早提出的一种 联络形式，并且在我国的一些城市得到应用。串联热源供热管网是供水首 先由供热能力最大的热源送出，流向热源二，并在热源二附近的用户处截 止，沿程管径逐步缩小；回水从热源一附近的用户开始，回水管径沿程逐 步增大；同样热源二向热源三的方向供水，其回水至热源三，回水三向回 水一的方向供水，回水最后返回热源一。这样，热网中的三个热源通过相 互间加热回水被串连起来。而多热源( 并联) 环状管网正是本文研究的供 热管网形式【3 。 在我国应用大型热源联网运行的城市有北京、沈阳、牡丹江、唐山、 哈尔滨、佳木斯等，它们是在进行供热系统可行性研究和设计中，采用了 热电厂与锅炉房联网供热的方案，热源之间的主干线互相联通或成环状布 置。北京市在丹麦咨询公司的帮助下，制定了2 0 0 0 年后全市联网运行的 方案，将四个大型热电厂、一个燃煤供热厂、一个燃油尖峰供热厂六个热 源，总供热能力3 4 0 0 m w 组成一个系统联合供热，设定了系统的定压点和 补水设施，电厂循环水泵与中继泵均为变速泵，并采用计算机监控系统实 现优化运行 4 】。牡丹江市热力公司在新华供热区采用了枝状管网的双热源 同时运行的供热方式，经过几年的运行实践，已总结出了一套运行调节方 法，使系统运行平稳、正常，而且解决了热用户逐年扩大的问题。在铁南 供热区的环状管网系统投运初期是单热源运行，现在已实现了双热源的同 时运行方式。经过了几年的运行实践，已充分显示出了这种系统的特点， 并完善了它的运行调节方法，同时也找出了运行中容易出现的一些特殊问 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 题及解决办法【5 】。包头市昆区集中供热系统在枝状管网供热效果差的情况 下，将联络管上的切断阀全部打开，变昆区集中供热枝状干线管网为环状 干线管网。改善了热网的水力工况，增加了热网的可调性，达到了较好的 供热效果l 6 l 。 在国外大型热源联网运行得到了广泛的发展。丹麦哥本哈根热网联接 九个热源，是当前欧洲最大的热网，由三个热力公司经营，其热源同时包 括了热电厂、垃圾焚烧厂和尖峰锅炉房，按顺序投入和撤出，以保证整个 系统的经济性。挪威奥斯路的热网、波兰w o r e t a wm p e c 和波兹南p e c 热网也是多热源联网。它们的共同特点是：热电厂负责基底负荷，常年运 行：气( 油) 锅炉房调峰，调峰热源有较多的备用富裕量：循环水泵变频 调速运行。原西柏林集中供热系统，已建成一个包括7 个热电厂在内的联 合管网运行系统| 7 1 1 1 。 随着科学技术的进步帮城市供热的迅速发展，热网的规模不断扩大， 自动化水平不断提高，大型热源联网运行是城市集中供热的一个发展趋 势。目前，国内在多热源联网运行的理论及技术方面也取得了可喜的进展。 哈尔滨建筑工程学院贺平教授1 2 1 4 i i 对多热源联合供热系统管网的供热方 案及其设计特点、设计原则与方法、供热工况、调节曲线等做了系列的研 究与报道。清华大学1 1 卜”】对多热源供热管网做了优化设计、水力优化、稳 定性等方面的研究。同时，许多热力公司、设计单位对多热源联网供热系 统做了理论与实际相结合的研究1 8 4 1 。 多热源环状管网作为大型热源联网运行的一种模式，同样得到一定的 研究与发展。但多热源环状管网供热系统的理论与技术仍尚未成熟。国内 外的学者和工程技术人员就多热源环状管网的设计原则、水力工况、稳定 性、可靠性、经济性等方面的研究所做的工作却不多。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4m a t l a b 计算机仿真在课题中的作用 m a t l a b 是由c l e v em o l e r 博士构思开发的矩阵实验室，随着其的不 断发展，m a t l a b 不只停留在工程计算的功能上了，它把计算、可视化、 程序设计融合到了一个简单易用的交互式工作环境中。在这里可以实现工 程计算、算法研究、符号运算、建模和仿真、原型开发、数据分析及可视 化等功能。而仿真技术正是m a t l a b 的一种强大的功能，利用m a t l a b 的仿真技术，可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题，利用 它可以预演或再现系统的运动规律或运动过程，剥用它可以对无法直接进 行实验的系统进行仿真实验研究，从而可节约大量的资源和费用”t7 1 。 本课题正是利用m a t l a b 仿真的强大功能，对实验模型进行仿真， 并比较了实验模型数据与仿真模型数据，得出仿真完全符合实际规律的结 论，从而确定了仿真的可信性。再进一步对无法利用实验进行研究的大型 多热源环状管网进行仿真，详细分析了大型环网的具体设计过程，进一步 指导环网的实际运行及调节。 1 5 本文研究的主要内容 多热源环状管网是一种复杂的供热管网形式。目前，这种供热系统的 理论和技术尚未成熟，需要对此进行进一步的研究与分析。本文应用实验 与仿真技术相结合的方法，对环状管网的可行性做了详细的分析，总结了 其设计步骤、布置原则、调节方法等，并对多热源环状管网的可靠性和经 济性也做了一定的分析。 在阐述了本课题的意义和目的之后，分析了多热源环状管网的现状， 指出多热源环状管网是大型热源联网运行模式中的一种供热模式，是城市 集中供热的一个发展趋势。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章是多热源环状管网的理论部分，详细介绍了多热源环状管网的 几个概念、系统组成、热源选择、管网布置、环网水压图绘制、系统定压 方式、环网运行工况、环网设计步骤。 第三章是多热源环状管网的实验部分。应用实验模型，对管网的可行 性作了全方位的研究：详细研究了多热源环状管网在设计工况和事故工况 下的水力工况，并分析了管网的事故保证率、用户的平衡度，总结了多热 源环状管网的调节方法。 第四章是运用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱构建了实验模型，对实验 的设计工况、事故工况进行了仿真，并比较了实验数据与仿真数据，得出 仿真模型具有可信性的结论。m a t l a b s i m u l i n k 仿真的使用，有利于 对大型多热源环状管网水力工况的详细分析，从而指导环网的实际运行。 第五章是从临汾市现状出发，与仿真技术相结合，详细阐述多热源环 状管网的具体设计过程。运用m a t l a b ，s i m u l 赋k 工具箱构建了临汾市 环状管网的系统模型，模拟了临汾市环网设计工况下的水力工况，并绘制 了相应的水压图。 第六章是多热源环状管网的可靠性和经济性研究。从系统的角度和供 热系统可靠性指标两个方面出发，与单热源枝状管网相比较，对多热源环 状管网的可靠性做了详细的分柝。同时，与同规模的枝状管网相比，作了 初投资方面的定性经济分析。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章多热源环状管网 与单热源枝状管网相比，多热源环状管网作为一种新型的管网布置形 式，有其特定的布置原则与方法拉4 1 。本章详细介绍了多热源环状管网的 几个概念、系统组成、热源选择、管网布置、环网水压图的绘制、系统定 压方式、环网运行工况、环网设计步骤。 2 1 概念 l 子系统 子系统是指在某一运行工况下，人为的把热源与其所带的热用户划分 为一个独立的系统，称为多热源环状管网的子系统。运行工况不同，子系 统的划分方式不同，且子系统的数量等于热源的运行数量。 2 水力平衡点 多热源环状管网水力工况的显著特征是环网中存在水力交汇点，即压 力平衡点。该水力交汇点两侧流体压力相等，处于静止状态。多热源环状 管网人为确定水力平衡点，且水力平衡点的数量等于热源的运行数量。水 力平衡点的确定是多热源环状管网水力计算的重要内容。 3 平衡管段 平衡管段是指该管段两侧流体压力相等，存在水力平衡点。 4 供、回水入网压力 供水入网压力是指供热热源的供水管与环网主干线相接点的供水压 力。回水入网压力是指供热热源的回水管与环网主干线相接点的回水压 力。在多热源环状管网中，为防止回水入网压力相差太大，造成某个热源 回水不利，要求各个热源回水入网压力相同或回水入网压力在某个范围内 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 波动。 5 环网水压图 水压图是描述热网水压分布的基本工具。多热源环状管网采用极坐标 的形式绘制环网的水压图。 2 2 系统组成 1 热源 多热源环状管网热源为四个或四个以上的并联热源，它们均为基本热 源。多热源环状管网不设置调峰热源。热电厂与锅炉房均可作为基本热源。 热源应尽可能分布在热负荷中心，且最大热源的供热能力不大于管网总供 热能力的3 0 。 2 热网 对于多热源环状管网，热网主干线必为环状管网，而支干线可以是环 状形式也可以是枝状形式，应根据实际情况确定。热源入网前装设入网调 节阀，入网后两侧的主干线必须安装调节阀，以调节两侧流量，实现管网 的阻力平衡。主干线的分支需安装分支调节阀，以消耗用户多余的压差， 实现管网的平衡。 3 热力站 多热源环状管网的热力站应尽量靠近供热区域热负荷的中心，可以设 在单独建筑内，也可以利用旧建筑物的底层或地下室。 2 3 热源选择 热源的合理选择是多热源环状管网设计的重要内容。多热源环网熟源 的选择需遵循以下原则： l 热源应尽可能分布在热负荷中心，热源两侧所带热用户应力求对称 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 布置，以减小循环水泵的扬程； 2 系统中最大热源的供热能力不大于管网总供热能力的3 0 ，这是提 高系统可靠性和事故保证率的先决条件； 3 多热源环状管网的热源数应等于或大于四个； 4 并网热源供热参数相同，即各个热源供水温度相同、回水温度相同； 5 热源设计 1 ) 系统定压 定压点位置一般选择在循环水泵吸入口处，特殊情况也可选择在其它 位置。系统定压点压力根据各热源可能所带最远用户与热源的地形地貌情 况确定。定压点压力可以相同，也可以不同，但定压点压力值不能相差太 大； 2 ) 回水入网压力的确定 各热源回水入网压力须相同或在设定范围内( 设定范围应不大于5 米 水柱) 波动。通过环网水力计算，比较各热源的计算回水入网压力，确定 合理的设定回水入网压力或入网压力范围； 3 ) 循环水泵选择 热源循环水泵流量为热源所带用户的流量之和；扬程为：设计工况下， 系统最不利环路的管网阻力损失( 包括环网主干线管网损失和分支到热用 户的阻力损失) 、用户内部损失、热源内部损失、热源与其入网点之间管 段的阻力损失之和。 4 ) 事故工况加压泵选择 按相邻热源事故工况水力计算结果选择事故工况的加压泵。加压泵与 循环水泵串联安装，其流量与循环水泵相同，扬程为事故工况最不利环路 阻力损失与设计工况最不利环路阻力损失之差。若计算出的加压泵扬程较 小，造成选型时无法选出合适的加压泵，则该热源不设加压泵，循环水泵 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 的扬程按事故工况最不利环路阻力损失确定。 2 4 管网布置 多热源环状管网与单热源枝状管网相比，有其特定的布置原则。多热 源环状管网的布置需遵循以下原魁： 1 环网穿越负荷中心； 2 各热源两侧管路同径，大热源与小热源相邻管段可变径，此管段管 径与小热源管路同径； 3 管网平均比摩阻应控制在3 0 3 5 p a m ，事故工况下平均比摩阻控制 在3 5 4 0p a m ； 4 热源在环网上供热距离一般不大于2 0 0 0 米，最大3 0 0 0 米； 5 阀门的设置 热源入网前，需在入网前供回水干线上安装调节阎与关断阀，且当热 源停运对，入网前关断阀必须处于关断状态；热源入网后，需在其两侧的 主干线供回水上安装调节阀与分段阀；环网的平衡管段( 指设计工况下) 必须设置分段阀；环网热源入口至平衡点间设若干分段阀，其间距控制在 1 0 0 0 米左右，以增加管网的可靠性：管网主干线的供回水分支管线上应安 装调节阀与关断阀。 2 5 环网水压图绘制 管网水压图既是热水网路设计和运行的重要工具，也是研究供热系统 水压分布的重要工具。对于多热源环状管网，水压图同样具有十分重要的 作用。 2 5 1 多热源环状管网水力工况的基本要求 多热源环状管网水力工况的基本要求 3 5 - 3 6 如下： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 保证热用户有足够的资用压头； 如果多热源环状管网提供的资用压头不足，难以克服热用户即热力站 的阻力，系统就不能正常运行。对于多热源环状管网，各个热源所对应的 循环水泵分别克服其相应的最不利环路的管道阻力，并应留有3 5 米的 富裕压力。 2 保证不超压； 系统工作压力不应超过该供热系统供热管道、用热设备及其管道构件 的承压能力。 3 保证整个管网系统不倒空； 要求管网各点的压力能水头不能出现负压，当管道中出现负压( 即出 现真空) 时，管道中流体溶有的各种气体逸出，就会形成空气隔层，造成 水与空气的分离。对于运行中的管网，会发生流体断流，破坏系统的正常 循环；对于停止运行的管网，水不能完全充满管道，项部存有空气。在上 述l 清况下，供热系统难以排除空气，必然影喻供热效果。此外，亩于空气 从水中逸出，造成电化学反应，还会加快管道的腐蚀。由于系统的顶部水 压最小，所以只要满足系统顶部的水压要求，即可保证整个供热系统不会 倒空。 4 保证系统不汽化： 要求管网不汽化，即要保证管网各处的水压均要大于相应水温的饱和 压力。管网出现汽化，形成水、蒸汽混流，容易造成水击现象，应避免。 最容易发生汽化的位置，在系统的顶部，所以只要满足系统顶部的水压要 求，就可保证整个供热系统不汽化。 2 5 2 多热源环状管网水压图 由于多热源环状管网有多个热源，多个定压点，利用传统的水压图绘 制方式，不能明显的反映环网压力情况，不能较好的反映环网的水力平衡 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 点，故采用极坐标形式来绘制多热源环网的水压图。 利用极坐标绘制的水压图，极距代表环网压力的大小，角度或弧度代 表环网管道长度，相同角度代表管道长度相同。水压图的具体绘制步骤如 下： 1 建立极坐标系 建立极坐标系时，需做如下工作： 1 ) 确定管长0 点 以此0 点为基准，管道长度按逆时针方向增加； 2 ) 确定合理的管长刻度单位 多热源环网主干线总长度除以3 6 0 度的数值为单位角度所代表的管道 长度，根据环网主干线的实际长度与单位角度所代表的管道长度确定合理 的管长刻度单位，例如：以1 0 0 米或5 0 0 米为管长的刻度单位； 3 ) 标出管长刻度与环网的等距离线 等距离线表示该线上任一点到管长0 点的距离相同： 4 ) 确定极点的压力值与环网压力刻度单位 极点压力值可以为正，也可以为负，也可以是压力0 点，应根据环网 的实际压力情况，确定合理的极点压力值与环网压力刻度单位。 5 ) 标出压力刻度与环网的等压力线 等压力线表示该线上任一点压力相同，等压力线为同心圆。 2 确定热源入网位置。 任设一热源入网位置为管长0 点，根据热源入网位置的相对管长确定 其它热源的入网位置。 3 在同一运行工况下，根据环网水力计算的结果对每个子系统按以下 步骤进行： 1 ) 绘制静水压线 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 静水压线是网路循环水泵停止工作时，网路上各点的测压管水头的连 接线。静水压线的高度必须满足保证供热系统不倒空、不汽化的技术要求。 选定的静水压线位置靠系统所采用的定压方式来保证。目前在国内的热水 系统中，最常用的定压方式是采用补给水泵定压。 2 ) 绘制主干线回水管动水压线 在网路循环水泵运转时，网路回水管各点的测压管水头的连接线，称 为回水管动水压线。根据环网水力计算结果，按各管段的实际压力损失， 确定回水管动水压线。回水管动水压线的位置，应满足下列技术要求：回 水管动水压线应保证供热系统不倒空和管网上任何一点的压力不应低于5 米水柱的要求。回水管动水压线不应超过供热系统用热设备及其管道构件 的承压能力。 3 ) 绘制主干线供水管动水压线 在网路循环水泵运转时，网路供水管各点的测压管水头的连接线，称 为供水管动水压线。根据环网水力计算结果，按各管段的实际压力损失， 确定供水管动水压线。供水管动水压线的位露，应满足下列技术要求：供 热系统中任何一点都不出现汽化：在网路上任何一处热力站的供回水管之 间的资用压差，应能满足热力站所要求的资用压力。 至此，水压图的绘制结束。极坐标绘制的水压图，可以清楚的反映热 用户的资用压差，环网水力平衡点的压力、位置等。 2 6 系统定压方式 维持恒压点压力恒定不变是供热系统正常运行的基础前提。所谓定压 点即为热水网系统压力恒定不变( 或在给定范围内变化) 之点，也就是定 压装置与热水网的连接点。定压点的具体位置一般设在热网循环水泵的吸 入侧( 在特殊情况下也可以在其它位置) ，可在除污器前或后。热水网的 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 定压方式和种类很多，但从原理上可归纳为四大类：利用补给水的原有压 力定压，利用开式膨胀水箱水位定压，利用水泵定压和利用气体定压。 定压方式11 3 5 - 3 6 的确定是多热源环形管网设计的重要内容。在多热源 环状管网中。有四个或四个以上的热源，各个热源有其相应的循环水泵， 有其相应的定压点。各个定压点定压方式的选择可根据具体情况确定。 目前工程中使用最为普遍的一种定压方式是利用补水泵定压系统，它 适用于各种规模、各种水温、各种地形的热网定压系统。补水泵定压方式 有多种系统，目前常用的有以下两种： l 用电接点压力表控制补水泵的定压系统 这是个补水泵间歇工作的定压系统。补水泵的运行靠电接点压力表表 盘上的触点开关控制，当系统失水时，热网回水压力降低到定压点给定最 低压力值时，电接点压力表控制补水泵运行向系统补水，当回水压力上升 到定压点给定最高压力值时，补水泵停止工作，这样一来，补水泵在电接 点压力表控制下间歇工作，保持热网循环水泵入口处压力在给定最低压力 值到给定最高压力值之间。通常取二者之间的波动范围为5 米左右，此值 过大会使热网的供水压力过高，过小又会使电接点压力表触点开关动作过 于频繁。 用电接点压力表控制朴水泵的定压系统是最为简单、可靠的朴水泵定 压系统。其缺点是热网定压点总在一定范围内波动，补水泵问歇工作，不 宜于水压要求稳定的热网系统定压。 2 变频调速补水定压系统 其工作原理如下：安装在定压点处的压力传感器感测到补水泵出口压 力值( 即供热系统定压点的值) 后，反馈回变频控制柜，与给定压力比较， 控制变频器调节电动机转速，使补水泵流量随之变化。当补水泵出口压力 低于给定压力值时，供电频率增加，电动机转速提高，水泵流量增大；反 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 之，流量则减小；如果超过给定压力值，则自动停机。这样，通过变化水 泵流量的方法可保证热网系统压力不变，自动定压补水。若系统超j 巨，则 靠安全阀泄水，安全阀开阀压力为定压点压力再加o 0 5m p a ( 5 米水柱) 。 该定压系统有如下特点：运行管理方便，达到设定压力自动停机，低 于设定压力自动开机补水，不需专人管理；与常用补水泵相比节约电能； 具有过压、过流、欠压、过载、短路、过热保护和故障音响及灯光报警信 号。 2 7 环网的运行工况 多热源环状管网的运行工况有： 1 环网在设计工况下正常运行： 2 环网在某一热源故障工况下运行 3 环网在某管段故障工况下运行。 2 8 多热源环网设计步骤 多热源环状管网与枝状管网的设计步骤有许多相似之处，但与枝状管 网相比，又有许多不同之处。具体步骤如下： 1 收集资料 首先充分并全面了解供热地形全貌，热用户近期负荷与规划负荷的分 布情况及其性质。 2 确定供热整体方案 确定热源的分布情况、热源的供热能力、热源的供热范围、热源供热 方式、供热介质及供热参数等。 3 确定环网主干线路径 环网主干线力求穿越热负荷中心。根据工程要求及当地条件确定环网 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 主干线路径，明确热源、主干线、热用户的相对关系，并进一步画出管网 平面图。管网平面图应包括各热源供热参数、介质参数、各管段自然长度、 热用户负荷分布等。 4 环网水力计算 热网水力计算在供热热网设计、运行、调节中占有极为重要的意义。 如果水力计算有问题，必然发生流量分配不均，系统发生水力失调，供热 效果不佳等问题。合理的水力计算能够提供以下管网资料：确定热网建设 的基本投资、管材耗量和基本工程量；规定循环水泵和补水泵的特性、泵 的数量和泵的布置；阐明热网和热用户系统的工作条件，选择用户装置与 热网的连接方式；为热网和热用户引入口选择调节装置：拟定运行工况。 多热源环状管网中水力平衡点的确定是多热源环状管网水力计算的 重要内容。应明确各个运行工况下环网的子系统划分，确定环网的水力平 衡点。 ( 1 ) 管网水力计算理论基础【3 5 q 8 】 供热管网设置了循环水泵，靠水泵动力克服循环流动阻力，维持循环。 其水力计算的基础理论依据是流体力学连续性方程和能量方程。动力设备 ( 水泵) 提供的压力等于管网总阻力，管段阻力是构成管网阻力的基本单 元。流体力学已经揭示，管段中的流体流动阻力有两种，一种是摩擦阻力 ( 也称沿程阻力) ，另一种是局部阻力，两种阻力之和为管道总阻力。 1 ) 管道摩擦阻力损失 计算某一管段的摩擦阻力按下式计算： 耻l 。鲁譬硪 当该管段管道材料不变，断面尺寸不变， 变化时， 1 7 ( 2 1 ) 流体密度和流量也不随流程 太原理工大学硕士研究生学位论文 r = 手譬扣蹦 ( 2 - ：) 式中九为摩擦阻力系数： l i 为管段长度，m ： d i 为管段管道管径，m ： v i 为管段内介质流速，m s ； p 为介质密度，k g m 3 。 r r n 为管段单位长度的摩擦阻力，又简称比摩阻，p a m 。 在实际工程中，单位长度管道摩擦阻力( 比摩阻) 计算式可以变换为以 下方便的形式： r 沪6 2 5 1 0 。8 兰嬖p a m ( 2 _ 3 ) pd ，一 式中 为管道摩擦阻力系数； d i 为管道内径，m ： g 为管道内介质流量，k g h ： p 为介质密度，k g m 3 。 其中枷m ( 玎5 式中j c 为表面粗糙度，m m 。 2 ) 管道局部阻力损失 卸。；f 掣 ( 2 _ 4 ) 式中 e 为管段局部阻力系数之和； u 为管内介质流速，m s 。 为了简化计算，引进所谓当量长度概念。计算局部阻力损失时，把局 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 部阻力损失化成长度损失的形式来计算，所以将公式2 - 4 改写为 卸，= a h l 。f ( 2 5 ) 式中l 。l 为局部阻力当量长度，m 。 在进行估算时，局部阻力当量长度乙d 可按管道实际长度百分比计算， 即： l 。，= 础 ( 2 - 6 ) 式中口表示局部阻力与沿程阻力的比值。 3 ) 管道总阻力损失 a p = 曲l ( 1 + 饼) = 。 ( 2 7 ) 式中l 。表示计算管道总当量长度。 管网阻力计算是水力计算的主体，也是水力计算的重点所在。水力计 算中，各种计算公式和基础数据的选取，应遵循相关规范、标准的规定。 没有规定的，则可从相关设计手册和资料中查取。 ( 2 ) 管网水力计算步骤 1 ) 多热源环状管网子系统的划分 在设计工况下，将热源与其所带的热用户划分为一个独立的子系统。 这样多热源环状管网可划分为几个独立的子系统，子系统的数量与热源的 运行数量相同。 2 ) 确定各子系统的定压压力 定压压力的选取应保证管网不倒空、不汽化、不超压的技术要求。定 压点压力可以相同，也可以不同，但定压点压力值不能相差太大。 3 ) 管网主干线管径的确定 通过流量与比摩阻确定主干线管段管径，应遵循各热源两侧管路同 径，大热源与小热源相邻管段可变径，且管径与小热源管路同径的原则。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 ) 系统阻力损失的计算 对子系统按照枝状管网水力计算的方法进行水力计算，确定各子系统 的最不利环路的管网阻力损失。 5 ) 设定热源回水入网压力 比较各子系统的回水入网压力，确定环状管网的设定回水入网压力的 大小或压力波动范围( 压力波动范围应不大于5 米水柱) 。 6 ) 确定环网水力平衡点的压力 多热源环状管网的水力平衡点数量与热源的运行数量相同，且人为确 定水力平衡点及平衡点的供回水压力。比较各个系统的末端压力，以末端 压力最高的压力为准，依次调整其它热源的末端压力，从而人为调出环网 的水力平衡点，并相应确定入网后供回水调节阀所应调节的压力大小。 7 ) 确定各热源循环水泵 热源循环水泵的流量为热源所带用户的流量之和；扬程为：了系统最 不利环路的管网阻力损失( 包括环网主干线管网损失和分支到热用户的阻 力损失) 、用户内部损失、热源内部损失、热源与其入网点之间管段的阻 力损失之和。 8 ) 画出设计工况下整个管网的水压图 9 ) 热源事故工况水力计算及水压图 重复上述步骤，对各热源分别处于事故工况的情况进行一一的计算。 并按相邻热源处于事故工况的最不利环路的阻力损失确定各热源的加压 泵，即：加压泵的流量与该热源的流量相同，扬程为事故工况最不利环路 阻力损失与设计工况最不利环路阻力损失之差。 l o ) 管段事故工况水力计算及水压图 分析典型管段处于事故工况的水力工况，并画出水压图。 5 根据水力计算的数据及水压图，确定多热源环状管网的压力等级、 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 管径、管道壁厚等。 6 根据各种工况的水压图，确定系统初调节的方法、运行调节的方法， 以指导系统的实际运行，做到对系统的运行调节心中有数。 上述为多热源环状管网的基础理论部分。与技状管网相比较，多热源 环网存在水力平衡点，水力平衡点的确定是环网设计的重要内容，只有调 出环网设定的水力平衡点，才能满足热用户的热负荷，使环网达到预期的 供热效果。 2 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章多热源环状管网物理实验 3 1 物理实验模型介绍 物理实验模型的搭建采用p p r 管材，阀门采用球阀，管道、热用户、 热源的阻力利用阀门来模拟。管道的连接方式采用热熔方式。由于实验条 件有限，采用大扬程的循环水泵，不加设加压泵，通过调节热源入网前调 节阀来实现适合的供水入网压力，以克服管网阻力。物理实验模型中环网 有四个热源与十二个热用户，热源、用户、阀门的具体布置情况如图3 1 所示。物理实验模型在设计工况下，总流量为1 6 0 0 l h ，其它两种运行工 况分别为：总流量为1 8 0 0 l h 与1 4 0 0 l h ，热源一、三流量分别占总流量 的3 0 ，热源二、四流量分别占总流量的2 0 。 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 - 1 实验模型 e x p e r i m e n t a lm o d el 太原理工大学硕士研究生学位论文 说明： 1s i 表示第i 个热源，y i 表示第i 个用户： 2v i g 表示第i 个热源入网前供水阀门( 起关断与调节的作用) ，v i h 表示第i 个热源入网前回水阀门( 起关断与调节的作用) ； 3v i j g 表示第i 个热源第j 个分支供水阀门( 起关断与调节的作用) ， v i j h 表示第i 个热源第j 个分支回水阀门( 起关断与调节的作用) ： 4t i g 表示第i 个用户供水阀门( 起关断与调节的作用) ，t i h 表示第i 个用户回水阀门( 起关断与调节的作用) ： 5r i 表示模拟第i 管段阻力的阀门。在设计流量下，r 1 消耗o 2 米水 柱，r 2 消耗o 1 米水柱，“消耗0 2 米水柱，r 5 消耗o - 2 米水柱， r 7 消耗o 1 米水柱，r 8 消