（水利水电工程专业论文）供热管网的流体网络分析及水力平衡研究.pdf

摘要 供热管网是一个复杂的流体网络系统，它的运行工况受工作条件、环境、时 间、制造和施工等多方面的影响。水力工况失调是供热管网普遍存在的现象，如 何克服水力失调，实现供热管网的水力平衡，提高管网的经济性、安全性和可靠 性，改善供热质量，是供热行业所面临的问题。基于此，本文主要研究了以下几 方面的问题。 首先对供热管网水力失调现象进行了分析。通过对水力失调的表现、影响、 形式、原因的研究，寻找解决水力失调问题的途径和办法，并提出优化治理的原 则。 然后以水力计算为基础，对产生水力失调的水力工况进行理论分析，定性地 分析供热管网水力失调的规律性。利用流体网络及网络图论的有关定理定律，建 立供热管网水力工况的数学模型。 接着对供热管网进行流体网络分析。1 通过供热管网水力工况的数学模型， 分析和计算管网调节工程中系统流量、压力等参数的变化规律。2 运用基本回路 分析法( m k p ) ，推导出供热管网任意管段的压降与该管段流量变化之间的关系。 3 采用平方根法进行计算并编制出基本回路法( m k p ) 程序。 以天津开发区恂园小区北线和东线供热管网为实例，利用所编程序对用户及 系统进行计算。然后，采用模拟分析法进行实际调节。 通过对天津开发区恂园小区的实际应用，证明上述研究工作在理论上和应用 上都有很大意义。 关键词：供热管网，水力失调，流体网络分析，水力平衡 a b s t r a c t t h ep i p en e t w o r ko fh e a t i n gi sac o m p l e xf l u i dn e t w o r ks y s t e m i t so p e r a t i n g c o n d i t i o ni sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r ss u c ha so p e r a t i n gs t a t u s ，e n v i r o n m e n t ，t i m e ， m a n u f a c t u r i n g a n dc o n s t r u c t i o n p r o c e s s ，e t c t h e h y d r a u l i c d i s o r d e r a p p e a r s u b i q u i t o u s l yi n t h ep i p en e t w o r ko fh e a t i n g t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e m ss u c ha st h e o v e r c o m eo ft h eh y d r a u l i cd i s o r d e r , r e a l i z a t i o no ft h eh y d r a u l i cb a l a n c e ，i n c r e a s eo f i t se c o n o m y , s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y , a n da m e l i o r a t i o no f t h eq u a l i t yo f h e a t i n g ，s h o u l d b ec o n s i d e r e di nt h eh e a t i n ge n g i n e e r i n g ，a n dt h i sp a p e rf o c u s e so nt h e s ei s s u e s i nt h ef i r s tp a r t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ep h e n o m e n o no ft h eh y d r a u l i cd i s o r d e ri n t h e p i p en e t w o r ko fh e a t i n g b a s e d o nt h er e s e a r c ho np e r f o r m a n c e ，i n f l u e n c e s ， e x t e r n a ls t y l e sa n di n t e r n a lc a u s e so ft h ep i p en e t w o r ko fh e a t i n g ，i tg i v e ss o l u t i o n st o h y d r a u l i cd i s o r d e r , a n dp r o p o s e sp r i n c i p l e so f o p t i m i z a t i o n t h ef o l l o w i n gp a r to ft h ep a p e rm a k e st h e o r e t i c a la n a l y s i s t ot h e o p e r a t i n g c o n d i t i o no f h y d r a u l i c d i s o r d e r , a n dg i v e s s o m e q u a l i t a t i v e d e f i n i t i o nt ot h e r e g u l a r i t i e s o ft h eh y d r a u l i cd i s o r d e ri nt h ep i p en e t w o r ko fh e a t i n gb a s e do nt h e c a l c u l a t i o no fh y d r a u l i cr e s i s t a n c eb a l a n c e ，t h ep 印e ra l s oe s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c a l m o d e lf o rt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h ep i p en e t w o no fh e a t i n gw i t hr e f e r e n c et o r e l e v a n tt h e o r e m sa n dl a w so ff l u i dn e t w o r ka n dn e t w o r kg r a p ht h e o r y t h et h i r dp a r to ft h ep a p e rg i v e saf l u i dn e t w o r ka n a l y s i st ot h ep i p en e t w o r ko f h e a t i n g t h i sa n a l y s i s c o n s i s t so ft h r e e p a r t s ：1 “，a n a l y z i n g a n dc a l c u l a t i n gt h e m o v e m e n tp r i n c i p l e so fs o m ep a r a m e t e r ss u c ha ss y s t e mf l o wa n ds y s t e mp r e s s u r e w i t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lm e n t i o n e da b o v e ；2 ”，d r a w i n gt h ec o n c l u s i o no ft h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ep r e s s u r ed r o pa ta n yp a r to f t h ep i p e n e t w o r ka n dt h ef l o wo f t h i s p a r tb yt h em e t h o do f ( m k p ) ；3 ”，c a l c u l a t i n gw i t hr o o t s q u a r i n gm e t h o d a n dg i v i n g p r o g r a m o f m k p i nt h ee n d t h ep a p e rt a k e st h ee a s ta n dn o r t hl i n e st h ep i p en e t w o r k o f h e a t i n go f x u n y u a nv i l l a g e ，t i a n j i ne c o n o m i ct e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t a r e aa so n e e x a m p l e ， c a l c u l a t e st h er e l a t i o nb e t w e e nc u s t o m e r sa n ds y s t e mu s i n gt h ep r o g r a m a b o v e m e n t i o n e d a n ds o m ea c t u a la d j u s t m e n t w a sm a d ew i t hm e t h o do fs i m u l a t i o na n a l y s i s w a s a p p l i e di nt h es a m es y s t e m t h r o u g ha p p l i c a t i o ni nt h e s et w oe x a m p l e s ，t h e m e t h o d sa n dp r o g r a m st h ep a p e r c o n e l u d e sa r ep r o v e dt ob ee f f e c t i v ei nb o t ht h e o r y a n d a p p l i c a t i o n k e y w o r d ：t h ep i p en e t w o r k o f h e a t i n g ，h y d r a u l i cd i s o r d e r , a n a l y s i s o ff l u i dn e t w o r k ， h y d r a u l i c b a l a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的况明并表示了谢意。 一躲张 签字同期：夕 ，年，堋盯f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇施 导师签名 签字日期：o ；年，明，r 日 签字日期：勿 第一章绪论 第一章绪论 随着我国国民经济的总体拉动，国家建设正向基础设施建设倾斜。近年 来，集中供热和区域供热得以大力推广，热水供热管网逐渐增多。但供热管 网在运行中普遍存在水力失调的问题，攻克这些技术难关，具有极大的现实 意义。本文以天津经济技术开发区( 简称天津开发区) 的热水供热管网为例， 以网络图论和流体网络结构为基础，通过建立水力工况数学模型，探讨供热 管网水力失调的原因及解决途径。 1 1 问题的提出 热水供热管网简称供热管网( 或管网) ，是集中供热的重要组成部分，其 作用是将热能合理有效地输送至各类热用户( 简称用户) ，是连接热源与用户 的纽带，是保障供热系统的动脉。供热管网不仅量大、面广，而且结构卜分 复杂。 水力工况失调是供热管网普遍存在的现象，它的出现造成近端过热，远 端过冷的状况，不但降低了供热系统的效率而且恶化了供热质量，同时，能 耗和运行费用也大幅度增加，特别是供热面积大、管线距离长、分支节点多， 用户结构复杂的大型管网就显得更为突出。如何实现供热管网的水力平衡， 消除业已失调的运行工况，提高管网的经济性、安全性和可靠性，改善供热 质量，是我们目前所面i 临的问题。 解决供热管网的水力失调，应用水力平衡技术是改善供热系统现状和促 进节能改造的有效途径，它投资少、见效快，具有显著的经济与社会效益。 为此，中国城镇供热技术“十五”规划和2 0 1 0 年设想及全国供热行业 “十五”科技发展课题都将“综合并优化治理供热管网水力失调技术的研 究”列为亟待解决的重点重大技术问题和重点研究课题。 1 2 水力工况分析是研究水力失调现象的基础 供热管网的流体在流动过程中，往往由于多种原因，使网路中某些管段 的流量分配不符合设计值。这种管段( 或用户) 的实际流量与理想流量( 设 计流量) 的不一致性，称为水力失调。 对于一个大的供热系统，供热管网是无法保持设计状态不变的，其状态 是随蔚新用户的增加、原有用户的变动、或某一管段因故停运等一系列相关 因素的变化而不断变化的，这电是产生水力失调的原因所在。在这些相关因 第一章绪论 素不断变化的条件下，管网系统为了始终保证具有良好的供热质量，除了要 随时调整热源的供热量，以适应供热管网的变化外，供热管刚还必须保持具 有良好的水力工况，就需要对管网水力工况进行分析，从中判断整个管网系 统能否可靠、合理、安全的运行。 分析水力工况变化的依据是水力计算。对一个发生水力失调的管网，通 过对水力计算，我们可以确定管网中各管段的压力损失( 压降) 等参数，进 而计算出各节点( 用户) 的压力( 压头) 等。而管网的压力分布又决定着管 网某处的流量值( 也就是说管网系统中流体压力分布反映出管网中流体的流 动规律) ，这样，我们掌握了水力工况变化的规律，就可以分析水力失调的原 因，研究改善管网水力失调状况的方法。 掌握这些规律和分析问题的方法，对供热管网设计和运行管理实践是很 有指导作用的。在设计中考虑哪些原则，来使供热管网失调程度最小和易于 进行系统的初调整；在运行中如何掌握当系统变化时，管网上各管段或用户 的流量以及压力、压差的变化规律；用户安装自动调节装置( 流量调节器、 压力调节器等) 的工作参数和波动范围的确定等问题，都必须首先进行系统 的水力工况分析。 1 3 网络图论在供热管网中的应用 网络图论又称网络拓扑理论，它是依据网络拓扑关系( 线性实体之间、线 性实体与节点之间、节点与节点之间的连结、连通关系) ，并通过考察网络元素 的空间、属性数据，对网络的性能特征进行多方面的分析计算。将供热管网中的 管段抽象成一条线，线与线由节点相连。这样，个供热管网的管网图就转化为 图论中的网络图。而且管道中的水流是有方向的，所以管网图是有向图。 网络图论是网络分析的主要工具，用于供热管网的水力平衡分析，既充分发 挥了图论理论的优势，使计算变得简便、迅捷，又可将管网上的节点，例如某管 段、某用户以及管网上的附件加入计算，使结果更准确、更符合实际，同时还可 以分别对管网上的节点( 或管段) 计算并加以分析，而找出系统出现问题的环节 和薄弱点。 网络图论用于供热管网水力平衡分析，具有以下几个优点： 1 运用网络图论计算时，手工输入的数据量最少，不易出错，且占用内存少， 可以利用微机计算大型复杂的管网。 2 运用网络图论计算过程中，可以不必初始分配流量，这给计算工作带来 很大方便。 3 网络图论适用于各种类型供热管网，如单热源、多热源管网，树状网、 第章绪论 环状网以及混合网等等。 4 网络图论可以很方便地处理各种管网附件。将附件纳入管网计算，计算结 果更加符合实际情况，更准确可靠。 1 4 本文研究的问题 1 4 1 天津开发区供热系统的构成 随着天津开发区的高速发展，与之配套的基础设施建设就显得尤为重要。 到2 0 0 2 年底，供热管网长度已发展到2 0 0 余公里，管网投资近3 亿元。而供 热管网的水力失调问题同样困扰着开发区的供热行业，为此投入了大量的资 金和人力来解决该问题。 f 面简要介绍开发区供热系统的构成( 如图1 一1 ) ，热源：四个锅炉房， 供热能力4 7 5 t h ；供热管网：一次网6 0 公里，二次网近2 0 0 公里；热交换站： 4 0 个：用户：分生活区用户和工业区用户，其中生产用汽1 7 0 t h ，采暖面积 2 5 0 万平米。 开发区的采暖热媒为热水。来源有两种： 一、生活区用户：由锅炉房的热水锅炉直接供出热水，通过热水次网 供应到各热交换站，站内分配后，再通过二次网输送到各用户。 二、工业区用户：由锅炉房供出蒸汽，通过蒸汽一次网供应到各热交换 站，在站内进行汽水换热，再将热水通过二次网输送到各用户。 本文重点研究的就是开发区热水供热管网，包括热水的一次网和二次网， 以恂园站的二次网( 图l 一2 ) 为例研究供热管网的水力失调问题。 恂园站设计供热能力3 5 万米2 ，目前实际供热面积2 1 8 0 8 5 米2 ，按照地 块区分，共有三个独立系统分别供南线、北线和东线采暖。 第一章绪沦 图1 - 1天津开发区供热管网系统图 第一章绪论 图1 - 2 ( a 1恂园小区二次网平面图 图1 - 2 ( b 1恂园d , g - - - - 次网网络图 第一章绪沦 1 4 2 本文的主要内容 供热管网是一个流体网络系统，它的运行工况受工作条件、环境、时间、 制造和施工等多方面的影响，它涉及到网络理论、应用数学、流体动力学、传热 学、热力学、运筹学、计算机等理论或学科。因此“供热管网水力平衡”的研究 是一个系统工程的研究，只有在综合考虑各种因素的情况下才能确保系统的平 衡。本文拟从以下几个方面入手研究供热管网的水力平衡问题。 第二章介绍供热管网中普遍存在的问题一一水力失调。系统地描述了水 力失调的表现、影响、形式、原因以及解决水力失调问题的途径和常用办法， 提出解决水力失调问题须采取综合并优化治理的原则。 第三章以水力计算为基础，分析供热管网的水力特征，找出影响水力特 性曲线的主要因素。近而对产生水力失调的水力工况进行理论分析，并以常 见的水力： 况变化为例，定性地分析供热管网水力失调的规律性。 第四章介绍流体网络的有关定理定律。利用网络的基本概念、基本定律， 推导出管网关联矩阵、基本回路矩阵、支路流量、回路流量、支路压降和节 点压力等多个参数之间的相互关系式，为建立供热管网水力工况数学模型提 供了理论基础。 第五章对供热管网进行流体网络分析。1 建立供热管网水力工况的数学 模型，分析和计算管网调节工程中系统流量、压力等参数的变化规律。2 运 用基本回路分析法( m k p ) ，推导出供热管网任意管段的压降与该管段流量变 化之间的关系，计算出管段( 用户) 的流量。3 采用平方根法进行计算并编 制出基本回路法( b i k p ) 程序。4 利用所编程序对天津经济技术开发区( 简称 天津开发区) 恂园的各用户及系统进行计算 第六章介绍供热管网水力平衡几种常见的调节方法，重点研究模拟分析 法；将灵敏度分析法应用于供热管网，以有效地解决管网调节中最佳调节顺 序和最佳监测参数等问题，采用模拟分析法对天津开发区恂园的管网进行实 例调节。 第二章供热管网的水力失调 第二章供热管网的水力失调 近几年来，我国城镇集中供热，有了迅速发展。随着各种形式供热系统 的兴建，供热管网运行的调节工作显得尤为重要。在供热管网运行中，普遍 存在冷热不均的现象。这种冷热不均的现象，主要是由于供热管网的水力失 调造成的。供热管网的水力平衡十分关键，它决定着系统运行效果的好坏， 一般来说水力平衡的调试 ：作应该是在系统验收运行之前完成，这是系统正 常运行的基本保障，也是节能运行的前提条件。但由于种种原因，水力平衡 难以实现，尽管各种调控设备已应用了很多年，水力失调仍然普遍存在。其 原因首先是人们对这个问题的认识不足，重视不够；其次是现有的调控手段 还有待提高。 2 1 供热管网水力失调 供热管网水力失调是指供热管网中的某些管段( 或用户) 在运行中的实际 运行流量g 。与理想流量g e ，( 设计流量) 的不一致现象。也就是说，供热管网 不能按照管段( 或用户) 所需要的流量( 热量) 分配给各个用户，导致不同 位置用j 的冷热不均的现象。 供热系统水力失调的程度用水力失调度来衡量。水力失调度定义为管段 ( 或用户) 的实际运行流量与设计流量( 理想流量) 的比值，其数学表达式 是： 妒= g 。 ge i 式中西为水力失调度； g 。为实际运行流量( m a h ) ； g 。，为理想流量( 设计流量) ( m a h ) 。 2 1 1 水力失调的表现及影晌 ( 2 1 1 ) 在供热管网中，水力失调主要表现是：各管段流量输配不合理，致使各 个用户的室温冷热不均，靠近热源近端的用户过热，室温高达2 5 以上，用 户被迫- y f 窗散热，使大量热能流失；而远离热源的末端，则常常达不到设计 室温，有的甚至低于l o0 0 ( 我国室温设计要求一般为1 8o c ) ，严重影响了城 镇居民的日常生活和工作。 由于供热管网的水力失调，为了达到供热平衡，常常使系统在大流量、 第二章供热管网的水力失凋 小温差的工况下运行，无法进行整体调控和节能运行。 1 水系统处于大流量、小温差工况，造成水泵的工作点偏离高效区，导 致能量输配效率低。根据对天津经济技术丌发区十个供热小区调查计算，理 论水输送系数平均值为3 6 5 ，但按实际配用水泵的铭牌轴功率计算的水输送系 数只有1 5 8 。民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ( j g j 2 6 8 6 ) 要 求没计选用水泵的铭牌轴功率计算得的水输送系数不应小于0 6 倍理论水输 送系数，即不应小于2 1 9 ( 0 6 3 6 5 ) ，显然达不到标准的要求。 2 锅炉或换热器等热源设备难以达到其额定出力，处于低负荷情况下运 行。据全国房产系统供暖协作网对“三北”地区1 0 个城市房产系统自管锅炉房 抽样调查的资料表明，每t h 锅炉所带供暖面积平均只有4 0 0 8 平米，每t h 锅炉出力所提供的供热面积不到应提供面积的一半。 3 采暖煤耗量指标高。大部分城镇一个采暖季的煤耗为3 2 - - 4 6 k g 标准 煤米2 。折算到锅炉年运行效率及供热管网输送效率只有4 5 左右。以目前能 耗情况与气候条件相近的发达国家相比，我国能耗要高出1 2 倍。现在，水 力失调问题已成为集中供热系统中普遍存在又难以治愈的顽疾。 2 1 2 水力失调的几种形式 21 2 1 根据水力失调度来划分 1 一致失调 当系统各个用户( 或管段) 的水力失调度西分别都大于或小于1 时，称 为一致失调。出现一致失调的情况是各个用户流量都大于，或者都小于设计 流量；前者导致采暖房间过热，浪费能源，后者导致采暖房间达不到设计室 温，影响用户的正常工作和生活。 一致失调又可分为等比失调和不等比失调。当系统各个用户( 管段) 的 水力失调度西分别都相等时，称为等比失调：反之，则为不等比失调。出现 等比失调的情况是各个用户的流量大于或小于规定流量，其比值是相同的； 其导致采暖房间的过热或过冷程度是一样的。可以看出，凡等比失调一定是 一一致失调，而一致失调不一定是等比失调 2 不一致失调 当系统各个用户的水力失调度西有的大于l ，有的小于l 时，称为不致 失调。出现不一致失调的情况是有的用户流量大于设计流量，有的小于设计 流量；前者导致采暖房间过热，后者导致房间过泠。 2 1 22 根据管网系统状态来划分 第章供热管网的水力失调 1 稳态失调 各管段的阻力固定不变的管网系统为稳态系统或静态系统，上述水力失调 是指稳态系统的稳念失调。 2 动态失调 各管段的阻力是可调的系统就是动态系统，动态失调是指动态系统中某些 管段的阻力变化时，也就是这些管段中的调控设备动作时，对其它管段所产生影 响而造成的失调。例如系统实行分户热计量安装温控和热计量设备后，原来的稳 态系统就变为动态系统。如果没有动态调控设备，当某些用户主动调节用热量或 散热器恒温阀自动动作时，就会干扰其它环路的用热量，严重的还会产生振动和 噪音。这种失调弊病不是先天性的，是在各环路的调节过程中产生的，必须采用 动态调控设备加以控制和消除，否则系统将难以正常运行。 值得注意的是，在动态系统中同样也存在稳态失调。假设在短时间内系统 中全部用户都需要较大的流量时，例如室外气温骤降时，或者供水温度不足时， 若不对有利环路的流量加以控制，不利环路将得不到足够的流量，因此，动态系 统也要注意防止稳态失调。要解决水力失调问题首先要了解产生水力失调的原 因。 2 1 3 水力失调的原因 2 1 31 产生水力失调的根本原因 其根本原因是由于在该运行状态下供热管网的阻力特性不能在用户所需要 的流量下实现各用户管段的阻力相等，也就是我们通常所说的阻力才i 平衡。 21 3 2 产生水力失调的客观原因 产生水力失调的客观原因有如下几个方面： 1 、供热管网管道规格的离散性，加上供热管网上各种设施的不规则性，使 系统必须经过人为调节，才能实现水力平衡。在供热管网设计时，通常所遵循的 原则是：满足最不利点所必需的资用压头。这样就会使其它管段( 用户) 的资用 压头都会有不同程度的富裕量。在自然状态下来分配各个管段( 用户) 流量，必 然产生水力失调。 2 、循环水泵选择不当，流量、扬程过大或过小，都会使工作点偏离设计状 态，从而导致水力失调。 3 、系统中用户的增加或减少，即供热管网中用户点( 即管网上的节点数量) 发生变化，要求各管段流量重新分配，从而导致水力失调。 4 、系统中用户用热量的增加或减少，即用户的流量( 即节点流量) 发生变 第二章供热管网的水力失调 化，也要求各管段流量重新分配，导致水力失调。 5 、目前，绝大多数的用户系统是单管顺流式采暖系统，缺少必要的调节设 备，也会导致水力失调。 2 2 解决供热管网水力失调的途径 2 2 1 用附加阻力消除用户剩余的资用压头 在系统设计时，供热管网各个管段的阻力实现平衡( 相等) 实际上是做不到 的。循环水泵的扬程是按照最不利( 阻力最大的) 管段所消耗的阻力来确定。因 而在设计无误时，其它各个环路都存在着或多、或少的剩余压头。这些剩余压头 都要在系统正式运行之日i 通过初调节予以消除，如果不能消除，就会造成水力失 调。 一般情况f ，通过人工调节阀门实现系统阻力平衡是极为困难的，其原因是： 调节过程互相影响，需反复调节。就算耗费大量人力，通过很长时问，对庞大的 供热管网调节到基本平衡。一旦系统中，用户或用户负荷变化时，将会前功尽弃， 必须重新调节。在用户系统安装完善的自动调节设备( 如温控阀，平衡阀等，实 质上是自动改变附加阻力) 到是解决这个问题的一种有效方法。 这种在用户系统中安装自动调节设备来消除剩余压头，使得各个环路实现阻 力平衡的措施，被称为“附加阻力平衡”技术。它的特点是循环水泵具有足够的 流量和扬程，可以减少部分过热用户的热量浪费，以获得节能效果。 2 2 2 用附加压头提高用户不足的资用压头 当系统循环水泵实际扬程不够时，采取附加阻力的方法来调节系统的阻力平 衡是做不到的，除非先更换水泵或部分管道规格。有些处于系统末端的部分用户 不热的原因是供给这些用户的循环流量不够，其实质是入1 3 供回水压差不够。可 以在该管段安装低扬程、小流量的水泵，以提高用户系统的压头。 这种在用户系统人口安装不同规格的小水泵来补足资用压头的欠缺部分，使 各个环路实现阻力平衡的措施，被称为“附加压头平衡”技术。它的特点是除了 具有“附加阻力平衡”技术所能获得的节能效果外，水泵电耗将降低，节能效果 更显著。 2 2 3 解决水力失调常用的设备 2 2 3 1 稳态调控设备： 第二章供热管网的水力火调 稳态调控设备也可称为定阻力设备，包括节流孔板、普通阀门、调节阀、 平衡阀等。它们共同的特点是：通过人工调节设定其开度，匹配各个管段的阻力， 消除剩余压头，即可实现水力平衡。其中，节流孔板的阻力没定后无法调节，而 普通阀门和调节阀的阻力虽然可以调节，却没有定量的手段，所以它们基本无法 使用：平衡阀可以借助其专用仪表定量，通过手动调节来匹配管网系统中各个管 段的阻力，使系统实现水力平衡，但它的调试比较繁琐，管网系统越大，调试也 越困难；当管网系统扩容后，其阻力特性改变，又需重新进行调试：平衡阀的调 节效果因人而异，其系统稳定性也每每不同。因此平衡阀的实用性不能满足使用 要求。 2 2 3 2 动态调控设备： 动态调控设备也可称为自力式变阻力设备，这种设备的品牌很多，其原理相 近，结构多种多样，主要包括自力式流量控制阀、自力式压差控制阀等。它 们能够根据阀门前后( 或系统) 压差的变化自动调节阀门的阻力，保持流量 或压差的恒定，流量或压差还可以随时设定调整。变阻力设备适用于动态系 统中克服动态失调，也可用于稳态系统克服稳态失调。近几年国内开发的动 态调控设备发展迅速，用在稳态系统中克服稳态失调的成功范例很多，但其 实用性、耐久性和可靠性有待改进。 在天津开发区内部分小区供热管网上安装的“恒流量调节阀”就是一种全 新的动态调控设备，一个阀门不仅可以恒定流量，也可恒定压差，而且在恒 定压差的同时仍具有调节和恒定最大流量的功能。它可以用于动态系统或稳 态系统，也可用于动态和稳态混合的系统，还可以配套上阀门执行器，实现 远程自动控制。在性能指标、耐久性、可靠性、外观及内在质量等各个方面 均有较大提高，可以根治水力失调弊病，保证集中供热室外管网实现水力平 衡，初步实现节能运行，为进一步实施其它的节能技术措施提供可靠的保障。 2 3 综合并优化治理供热管网 2 3 1 综合治理系统水力失调的原则 所谓综合治理是指在处理系统水力失调时，应根据系统的实际情况同时或单 独地应用附加阻力技术或附加压头技术以及更换设备( 包括管道和附件) 等措施， 以使技术和经济实现最佳化。这个原则，既可以应用于老系统的改造，也可以应 用于新系统的设计。 在进行老系统改造时，应重新对系统进行校核性水力计算。老系统的管道， 第二章供热管网的水力失调 设备和附件等一般都己齐全，型号，规格，性能均已确定，为准确诊断系统存在 的问题和位置，首先应对现实的供热管网进行校核性水力计算，绘出水压图，然 后根据计算数据和水压图分析问题的原因，最后才能提出行之有效和经济效益好 的技术措施。在设计新系统时，则首先需要优化循环水泵和附加压头水泵的配簧 和选择。 2 3 2 选择综合治理方案的准则 综合治理方案的核心是应用最优化技术，上面已经提到，解决系统水力失 调有多种，既可以单独实施，又可以联合实施，因而在实施前必须对各种技术可 行的方案进行技术经济论证，比较投入和产出，选择最佳方案实施。必须研究最 优方案的技术经济分析方法、选择准则和指标。 选择最佳配置的设备，供热管网中水泵配置的优化，包括循环水泵、中继泵 和终端加压泵的最佳设置和参数配合，使之系统的运行电耗成本最低。这就需要 生产厂家配合研究和生产适合本系统模式要求的具有高效率的水泵系列，如集水 泵、变速和控制( 压力、压差或温度) 的高效节能水泵系列。 第三章供热管网的水力工况分析 第三章供热管网的水力工况分析 供热管网水力 j 况分析的基础是水力计算。水力汁算的主要目的是根据 要求的流量分配，确定管网中各管段的管径和阻力，以求得管网特性曲线， 为匹配管网动力设备准备好条件。进而确定动力设备( 各种水泵) 得型号和 动力消耗；或者根据己定的动力设备，确定保证流量分配的管道设置。 3 1 供热管网水力计算的基本理论依据 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。 其水力计算的基本理论依据是流体力学一元流动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( 也称为沿程阻力) ；另一种是局部阻力。 3 1 1 摩擦阻力计算 计算某一管段的摩擦阻力按下式计算： 气- i l 鲁夸t 当该管段管道材料不变，断面尺寸不变，流体密度和流量也不随流程变化时 = 三d 巫2 = 尺。，z h i ( 3 1 1 ) 式中 为摩擦阻力系数； 为管段长度，m ； d ，为管段管道管径，m l v l 为管段内介质流速，m s ； p 为介质密度，k g m 3 。 r m 为管段单位长度的摩擦阻力，又简称比摩阻，p a m 。 若介质( 热水) 流量g 以k g h 表示，流速v ( m s ) 与流量的关系为： gg ”2 3 6 0 0 7 r d 2 p 2 而丽 3 1 2 4 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 第j 章供热管网的水力工况分析 方便的形式： 耻a 筋圳“筹吲。 ， 式中 为管道摩擦阻力系数； d 。为管道内径，m ； o 为管道内介质流量，k g h ： p 为介质密度，k g m 3 。 3 1 2 局部阻力计算 计算某一管段的局部阻力按下式计算： = f 盟2 ( 3 1 4 ) 式中n 为管段内介质流速，m s ； p 为介质密度，k g m 3 ； f 为管段总的局部阻力系数。 计算局部阻力的关键是确定局部阻力系数f 。对些阀门、弯头、三通等 管件可根据表3 - 1 所给出的局部阻力系数来选取，更多的局部阻力系数可以 根据暖通空调、给排水设计手册中查取。 表3 1局部阻力系数 名称形式 全开d n 4 0 以下1 5 球形( 截止) 阀 d n s 0 以上7 全开d n 4 0 以下85 角阀 d n 5 0 以上39 全开d n 4 0 以下 02 7 闸阀 d n 5 0 以上0 1 8 止回阀2 短的02 6 9 0 。弯头 & 的 o 2 3 1 _ 8 三通 】5 0 6 8 突然扩人d d = 1 205 5 突然缩小d d = l 203 6 管网阻力计算是为了特性曲 线的求取，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。 第三章供热管网的水力一l 况分析 3 2 供热管网水力计算的主要任务 供热管网水力计算的主要任务通常为： ( 1 ) 按已知系统各管段的流量和系统的循环作用压力( 压头) ，确定各管段的管 径： ( 2 ) 按已知系统各管段的流一8 - i ：1 各管段的管径，确定系统所必需的循环作用压 力( 压头) ： ( 3 ) 按已知系统各管段的流量，确定各管段的管径和系统所需循环作用压力 ( 压头) ： ( 4 ) 按已知系统各管段的管径和该管段的允许压降，确定通过该管段的水流 量。 供热管网水力计算从系统的最不利环路开始，即从允许的比摩阻r 。最小的 一个开始计算。由n 个串联管段组成的最不利环路，它的总压力损失为n 个串联 管段压力损失的总合。 口= ( r 。，+ 只) ( 3 2 1 ) 进行第一种情况的水力计算时，可以预先求出最不利循环环路或分支环路的 平均比摩阻r 。，即 。以只 2 可 ( 3 2 2 ) 式中a p f 为最不利循环环路或分支环路的循环作用压力， ，为最不利循环环路或分支环路的管路总长度， n 为摩擦损失占总压力损失的百分数。 根据算出的尺。i 及环路中各管段的流量，利用水力计算图表，可选出最接近 的管径，并求出最不利循环环路或分支环路中各管段的实际压力损失和整个环路 的总压力损失值。 第二种情况的水力计算，常用于校核计算。根据最不利循环环路管段改变后 的流量和已知管段的管径，利用水力计算图表，确定该循环环路各管段的压力损 失以及系统必要的循环作用压力，并校核循环水泵扬程是否满足要求。 第三种情况的水力计算，用在已知各管段的流量，确定管径和水泵型号的情 况。此时选定的r 。值和v 值，常采用经济值，称经济比摩阻或经济速度。 选用多大的r 。值( 或流速v 值) 来选定管径，是一个技术经济问题。如选 用较大的r 。值( v 值) ，则管径可缩小，但系统的压力损失增大，水泵的电能消 笙兰里垡垫笪堕堕查垄：! ：堡坌塑 耗增加。同时，为使各循环环路易于平衡，最不利循环环路的平均比摩阻r 。不 宜选得过大。在设计实践中，r 。】值一般取6 0 1 2 0 p a m 为宜。 第四种情况的水力计算是根据管段的管径d 和该管段允许压降p ，来确定 通过该管段( 例如通过系统的某一位置) 的流量。对已有的供热管网，管段作用 压力已知，校核各管段通过水流量的能力，这也是我们为水力平衡调节，进行水 力计算的任务所在。 3 3 供热管网的水力计算 供热管网的水力计算包括以下三种： ( 1 ) 按已知的介质流量，确定管道的直径，计算压力损失。 ( 2 ) 按已知的介质流量和管道直径，计算管道的压力损失。 ( 3 ) 按已知管道直径和允许压力损失，计算或校核管道中的流量。 根据管网水力计算结果，确定管网循环水泵的流量和扬程。在水力计算基础 上绘出水压图，确定管网与用户的连接方式，选择管网和用户的自控措施，并进 一步对管网共况，即对管网热媒的流量和压力状况进行分析，从而掌握管网中热 媒流动的变化规律。 供热管网中的介质流速通常大于o 5 1 r 2 s ，其流动状况大多处于阻力平方区。 而管网管径又基本大于4 0 r a m ，可以根据希弗林松推荐的关系式来确定摩擦阻力 系数 ： 旯- 0 1 1 陋r ld ( 3 3 1 ) 式中k 为管道内壁绝对粗糙度， 1 ；( 对供热管网，由于介质是热水，取 k = 0 5 1 0 m 。) 将( 3 3 1 ) 式的摩擦阻力系数 值代入( 3 1 3 ) 式，便可以得到供热管 网水力计算的基本公式 耻s 筋枷一s 叭 铲5 吉- 万g 2 面s 洲旷吉- k o 2 5 g 2 慨s z ， 计算管段的局部阻力损失 只：f 擘 管段的总阻力 第= 章供热管网的水力工况分析 只= 只+ 只 = 兰d 盟2f ，+ f 盟2 。 = + 莘引譬 ( 3 3 3 ) 在供热管网计算中，还经常采用当量长度法，也就是将管段的局部阻力损失 折合成相当的摩擦阻力损失。当量长度如通常可用下式求出 卜f 罢= 9 1 d t 2 5 f ( 3 t3 4 ) 式中f 为管段的总局部阻力系数； d 为管段的内径，m ； k 为管道内壁绝对粗糙度，m 。 管段的总阻力 a 只= r 。( ，。+ l 。) 姐s s 圳。8 吉箬g ? ( f ，) pd ：丝掣研 1 0 1 0 d 哆 1 = s i g ? 1 0 k p a 式中r 。为管段单位长度的摩擦阻力，p a m 。 ，为管段长度，m ； 。，为管段局部阻力当量长度，m ； d 为管道内径，m ； g 。为管段内介质流量( 体积流量) ，m 3 h p 为介质密度，k g m 3 ； k 为管段内壁绝对粗糙度，m ； s 。为管段阻力特性系数( 又称阻抗) 定的常数，可表示为 。 7 0 2 k o 2 5 ( f ；十k ) o i 一 1 0 1 0 2 5 ( 3 3 5 ) 1 0 k p a ( m 3 h ) 2 。它是由管段结构确 ( 3 3 6 ) 第三章供热管网的水力工况分析 供热管网中，一个管段的压降是由于该管段的介质流动n j jj b _ 成的，也就是 说，管段的压降与该管段的总阻力是相等的。 即 只= a h 。 由( 3 3 3 ) 式和( 3 3 6 ) 式得 3 4 供热管网的水力特征 3 4 1 水力特性曲线 ( 3 3 7 ) a h 。= s 。研 它表达出管网中压降与流量之间的特定关系，由以横坐标标为流量g 。，纵 坐标为压降h 的直角坐标系图上描点而成为曲线即为管网水力特性曲 线。图3 - 1 表达的就是管网的水力特性曲线。 h i g j 图3 1管网水力特性图 管网水力特性曲线是一条二次抛物线。s 。值越大，则曲线越陡，说明管网 的压力损失也越大。反之亦然。流体力学己阐明，s 。值是一个有因次量，其因 次随压力、流量、流体密度、流通面积等所采用的因次不同而不同。 通过对管网中各部分的阻力计算，就可以得到当某一定的流量通过该系统 时的管网总阻力ap ( 同时得到了压降ah 。) ，通过s i = h c 2 计算出该管段 应：世 寸止，翌研 一 一时 弦等孵 第三章供热管网的水力工况分析 的阻力特性系数s ，值。有了s 值就可计算出任意流量f 管网的总压降。在ah g 平面坐标图卜，得到该管网的水力特性曲线。 3 4 2 影响水力特性曲线的主要因素 供热管网是由许多管段、管件( 包括三通、弯头、阀门等) 及某些设备组 成的。管网中在管径不变的某两截面之间的管路阻力由下式定量计算： 其中 a h ，= s 。g ? 耻监, r c 坐2 d ? 。， 由( 3 3 7 ) 式管网水力特性方程可知，当管网内的流动根据需要达到某 一流量值时，管网阻力的高低取决于管段特性系数( 阻抗) s 值的大小；反之， 当泵所提供的压头一定时，管网系统中流量的大小也取决于管段特性系数( 阻 抗) s ，值的大小。 由( 3 4 i ) 式可知：构成管网水力特性曲线s 值的参数有： 、，。、d 。、p 。其中 取决于流态。供热管网中介质处于阻力平方区， 仅与k d 、有关。在给定管路条件下，若 值可视为常数。可有： s ，= s ( t ，d 。，k ，f ，p ) ( 3 4 2 ) 由( 3 4 2 ) 式知，当管网系统安装完毕，管长、管径、局部阻力系数在 不改变阀门开度的情况下，都已为定数，即s 。值为定值。对某一具体管网内 的压