中南建筑设计院西区供热管网水力平衡计算

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发布时间:2017年6月17日

提要  

    对中国建筑设计院西区采暖热网进行水力平衡计算及分析,并用水力平衡阀等技术措施对采暖热网进行水力平衡,解决了水力失衡问题,达到较满意的效果,为采暖热网进行水力平衡集累了一定的经验。
  
    关键词  采暖热网 水力平衡 热力平衡 平衡阀

    1.问题的提出
  
  中南建筑设计院西区(生活区)集中低温热水采暖系统于1991年完成设计及施工,并于当年年底投入运行。系统运行至今已有十年,大大改善了我院职工的生活条件。但该热水采暖系统自运行之初起,就存在着热力失衡问题。后随着用户的增加,管网作用半径的增大,随着燃煤蒸汽锅炉、汽-水换热器、热水循环泵运行效率的降低,也随着采暖系统阀件及沿程管道性能的弱化,采暖系统运行效率降低,热力失衡问题越来越严重,具体表现在管网末端用户的采暖效果越来越差。为配合我院沿街开发的形势,院西区两栋临街多层住宅拆除,由于采暖用户(以下均指单栋或单元建筑)减少采暖外网须相应调整,此举可部分程度缓解采暖系统效果恶化情况,但热力管网水力失衡问题尚未得到解决。
  院西区采暖热网布置现状参见"图一"。西区采暖面积约35000m2,冬季总采暖热负荷为2230kw。采暖热源为西区锅炉房及换热站;4t/h燃煤蒸汽锅炉1台;螺旋板式汽-水换热器2台;1000m3/h热水循环泵2台,1有1备,铭牌扬程3.2Mpa;系统由设在"中南海18单元"屋而后高位膨胀水箱定压,换热站内设系统被给水泵。该采暖系统共分3个树状供回水环路。

1

   1#环路为院内中部环路,原负担"1~3单元","4~6单元","幼儿园","29~32单元(50户)","18户"," 33~35单元(36户)"及"23户"采暖负荷,其供加水总管管径为DN125,现增加一个用户"北大板",其负担总热负荷为1219kw。该环路用户多且作用半径长,长期以来热力失衡问题严重,沿途用户供暖冷热不均,最不利用户"23户"室内采暖系统形同虚设,"36户"各单元采暖效果也较差。

    2#环路为院内北部环路,负担"7~10单元","11~14单元","北大板"及"40户"采暖负荷,其代回水总管管径为南部环路,原负担"中单公寓"及"40户"拆除,现仅负担"中单公寓",其热负荷为115kw。
  
    2.管网水力计算及平衡分析
  
  基于上述原因,我们对院西区采暖热网进行水力计算及分析,拟采取水力平衡阀等技术措施对该采暖热网进行水力平衡,以期改善西区整体采暖效果。
  
  2.1 计算条件
  
    已知条件
  
    (1)外网各环路管段管径及沿程长度,各单位采暖设计热负荷及总设计热负荷。各环路用户采暖热负荷说"表1

表一

用户名称
1~3单元
4~7单元
北大板
28单元
29单元
幼儿园南
幼儿园北
单元
单元
单元
热负荷(kw)
126.1
126.1
160.0
51.0
33.6
44.1
38.0
70.7
70.7
78.2

                      续表一

用户名称
33单元
34单元
35单元
23户
7~10单元
11~14单元
中南海15~21单元
中单
热负荷(kw)
55.7
60.9
60.9
155.8
184.7
184.7
527.6
115.0

  (2)各环路用户室采暖水系统所需资用压头,由各单体采暖设计图纸及资料获得,参见"表四"及"表五"中"用户所需资用压头"项。
  假定条件:
  (1)由于锅炉及换热器效率的降低,根据该系统运行经验采暖供水最高温度为80℃,最大供回水温差15~18℃。采暖供回水温度取80/60℃。
  (2)由于系统运行多年外管内壁粗糙度增大,外管内壁粗糙度取K=0.5mm。

  2.2 环路外网摩阻计算
  1#环路负担总热负荷为1219kw,循环水量为52.8kg/h,其供回水总管管径为DN125,环路外网摩阻计算说"表二"

                        表二

管段编号
流量
(t/h)
管径
(mm)
流速
(m/s)
单位摩阻
(Pa/m)
管段长度
(m)
管段摩阻
(Pa/m)
累计摩阻
(Pa/m)
L1
52.8
125
1.25
171
154
26.30
26.3
L2
47.3
125
1.11
135
134
18.10
44.4
L3
41.9
125
0.99
107
124
13.30
57.7
L4
31.3
125
0.74
60
10
0.60
58.3
L5
26.3
125
0.62
42
26
1.10
59.4
L6
23.3
125
0.55
33
26
0.86
60.3
L7
18.1
100
0.67
66
54
3.56
63.8
L8
13.4
100
0.50
36
20
0.72
64.6
L9
10.8
100
0.41
25
20
0.50
65.1
L10
6.5
50
0.96
330
24
7.90
73.0
L11
10.5
65
0.90
157
20
3.14
60.9
L12
9.07
65
0.70
116
20
2.32
63.2
L13
6.93
65
0.62
80
50
4.00
67.2

  2#环路负担总热负荷为897kw,循环水量为22.9kg/h,其供回水总管管径为DN125,环路外网摩阻计算详"表三"

                           表三

管段编号
管段流量
(t/h)
公称直径
(mm)
管段流速
(m/s)
单位摩阻
(Pa/m)
管段长度
(m)
管段摩阻
(Pa/m)
累计摩阻
(Pa/m)
L14
38.8
125
0.92
92.4
200
18.48
18.5
L15
22.9
100
0.85
104.8
50
5.24
23.7
L16
22.9
80
1.26
300.4
200
60.0
83.7
L17
15.9
80
0.88
145.3
50
7.27
31.0
L18
7.94
80
0.44
36.4
130
4.73
35.7

  3#环路目前仅负担单一用户,其设计热负荷为115kw,循环水量为4.95kg/h,其供回水总管管径为DN100,供回水总管长约80m,环路外网摩阻及局部阻力较小,总阻力约为5kpa。
  
  2.3 环路外网水力平衡分析及平衡措施
  2.3.1  1#环路外网水力平衡
  1#环路最不利用户为"23户",其外网沿程摩阻为73.0kpa,考虑沿程局部阻力为摩阻的10%即7.3 kpa,沿程总阻力为80.3 kpa,"23户"资用压头为30 kpa,因此,1#环路所需资用压头为110.3 kpa,,可取值为115 kpa。各用户之入户管径及所需资用压头不等。1#环路水力平衡计算详"表四"。从水力平衡计算表"表四"可以看出,近端用户入户供水管均设数字锁定平衡阀,阀门口径均比相应管径小一号,同时可以看出各平衡阀的开度均较小,尚未达到开度应在60~90%的理想范围。最不利用户"23户"入口不设平衡阀。
  
                           表四

用户名称
用户流量
(t/h)
环路提供压头
(kpa)
用户所需资用压头
(kpa)
平衡阀用压头
(kpa)
入户管径
(mm)
平衡阀阀径
(mm)
平衡阀开度
(%)
4~6单元
5.42
83.7
30
53.7
50
40
30
1~3单元
5.42
65.6
30
35.6
50
40
38
幼儿园南
1.90
52.3
20
32.3
40
32
25
30单元
3.04
52.3
25
27.3
50
32
35
31单元
30.4
51.7
25
26.7
50
32
37
幼儿园北
1.64
50.6
20
30.6
40
32
23
32单元
3.36
49.7
25
24.7
50
32
42
18户
2.75
46.2
25
21.2
40
32
38
33单元
2.41
46.2
25
21.2
50
40
33
34单元
2.64
45.4
25
20.4
50
40
38
35单元
2.96
44.9
25
19.9
50
40
40
23户
7.79
30.0
30
7.0
50
不设阀
28单元
1.44
49.1
25
24.1
50
32
23
29单元
2.11
46.8
25
21.8
50
32
29
北大板
6.88
42.8
30
12.8
50
40
50

  2.3.2  2#环路外网水力平衡
  
  2#环路最不利用户为"中南海15~21单元",其外网沿程摩阻为83.7kpa,考虑沿程局部阻力为摩阻的10%即8.4 kpa,沿程总阻力为91.7 kpa,该用户资用压头为30 kpa,因此,2#环路所需资和压头为121.7 kpa,取值为125 kpa。各用户之入户管径及所需资用压头不等。2#环路水力平衡计算详"表五"。从水力平衡计算表"表五"可以看出,近端用户入户供水管均设数字锁定平衡阀,阀门口径均比相应管径小一号。最不利用户"中南海15~21单元"之各单元供回水管为水平同程布置,因此不设平衡阀。
  
                           表五

用户名称
用户流量
(t/h)
环路提供压头
(kpa)
用户所需资用压头
(kpa)
平衡阀用压头
(kpa)
入户管径
(mm)
平衡阀阀径
(mm)
平衡阀开度
(%)
7~10单元
7.95
83.7
30
90
50
40
30
11~14单元
7.956
65.6
30
85
50
40
38
中南海15~21单元
22.9
30
30
0
DN25× 19
DN20× 6
不设阀
 

  2.3.3 3#环路外网水力平衡
  3#环路沿程总阻力为5 kpa,用户资用压头为25 kpa,因此,3#环路所需资用压头为30 kpa。入户管径DN65,而该环路外管管径DN100相对过大,若仅靠调整在换热站内该环路供回水管DN100口径阀门开度难以达到环路所需较低的资用压头,因此建议在其用户"中单公寓"之进水干管设口径DN40数字锁定平衡阀,也可为将来院内发展再增加该环路之用户作准备。具体的平衡方案是,在换热站内适当关小3#环路供回水总管阀门开度使环路资用压头为50 kpa,用户采用DN40数字锁定平衡阀消耗富裕压头20 kpa,该平衡阀开度设定为42%。
  
3.供热管网改造及效果
  
  在2000年采暖季之前,中南院西区集中供热管网已根据上述水力平衡方案进行了改造。具体做法是:(1)对绝大多数热用户热力入口处的供水干管均增设SP型数字锁定平衡阀,并将平衡阀设定在计算所确定的开度,用户供回水干管上原有手动截止阀或闸阀全部满开;(2)通过调节换热站内集分水器处各环路供回水管上的主阀,使1#,2#,3#环路的资用压头分别为115 kpa,125 kpa,50 kpa。
  2000年入冬后,院西区集中供暖系统投入运行,长期以来困绕我院的热力失衡问题得到了解决。例如,1#环路原采暖效果最差的用户"23户"室内采暖系统完全正常,该环路已实现热力平衡,其水力平衡已得到体现。2#环路除"中南海15~16单元"个别室内立管外,该环路也基本正常。"中南海"各单元供暖系统为水平同程布置,系统投入运行的头几年各单元属正常,"15~16单元"个别室内立管不热的原因初步分析结果是,部分住户近几年装修时对室内系统改动较大导致水流不畅,部分室内立管上回水失灵无法开启或被杂物堵塞,目前该问题正在整改中。3#环路"中单公寓"略有过热现象,后经过系统微调完全正常。
  
4.小结
  
  (1)该供热和网改造后的运行效果证明上述水力平衡的计算及分析结果是正确可靠的,为今后热网的平衡积累了一定的经验。
  (2)平衡阀是热力管网平衡的有力工具,借助于平衡阀可以实现水力平衡的量化。
  (3)对于整个热力管网而言,单体室内采暖系统设计的入户管径偏大的情况普遍存在,对树状管网的近端用户尤为严
重,值得我们在今后的设计中注意。

  
参考文献
  
  1.陆耀庆,主编,供暖通风设计手册,北京,中国建筑工业出版社,1987
  2.曾志诚,主编,城市冷·暖·汽三联供手册,北京,中国建筑工业出版社,1995
  3.符永正等,平衡阀的选用,暖通空调,1998(3)