淺談供熱管網(wǎng)水力平衡

王 婷

目前,國(guó)家對(duì)節(jié)能問題越來越重視,供熱系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行受到更多的關(guān)注,但是,實(shí)際生活中由于設(shè)計(jì)、施工、調(diào)節(jié)不當(dāng),引起室外供熱管網(wǎng)失調(diào)的現(xiàn)象仍然存在。為了保證供熱效果,不少供熱單位,簡(jiǎn)單地采用增大熱源,增大水泵流量、揚(yáng)程,“大流量,小溫差”運(yùn)行方式來保證供熱效果,不僅造成投資的浪費(fèi),更造成了能源的很大浪費(fèi),通常情況下,供熱量約浪費(fèi)35%[1,2]。事實(shí)上如果設(shè)計(jì)合理,調(diào)節(jié)得當(dāng),上述現(xiàn)象完全可以解決。

1 水力失調(diào)和水力平衡的概念

在熱水供熱系統(tǒng)中各熱用戶的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)要求流量之間的不一致性稱為該用戶的水力失調(diào)。水力失調(diào)的程度可以用實(shí)際流量與設(shè)計(jì)要求流量的比值X來衡量,X稱水力失調(diào)度。

其中,QS為用戶的實(shí)際流量;QJ為用戶的設(shè)計(jì)要求流量。

水力平衡是指網(wǎng)路中各個(gè)熱用戶在其他熱用戶流量改變時(shí)保持本身流量不變的能力,通常用熱用戶的水力穩(wěn)定性系數(shù)r來表示。

其中,QJ為用戶的設(shè)計(jì)要求流量;Qmax為用戶出現(xiàn)的最大流量。

2 供熱管網(wǎng)水力失調(diào)的原因

一方面,為了節(jié)約投資,供熱管網(wǎng)一般采用異程式枝狀管網(wǎng),在異程管網(wǎng)中各個(gè)環(huán)路的路程不同、阻力不同。這種方式使得熱水流經(jīng)近端用戶的路程短,而流經(jīng)遠(yuǎn)端用戶的路程長(zhǎng),使得近端用戶作用壓差大,而遠(yuǎn)端用戶作用壓差小,這種管網(wǎng)如果設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)不合理就會(huì)造成近端用戶流量遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)流量,遠(yuǎn)端用戶流量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)流量,造成近熱遠(yuǎn)冷的現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)水力平衡,就必須要加裝平衡裝置并進(jìn)行水力平衡調(diào)試。

另一方面,即使在水力平衡計(jì)算和管路布置能夠滿足水力平衡要求的情況下,設(shè)計(jì)中計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際狀況的誤差、施工的缺陷以及設(shè)備的故障等原因都會(huì)造成各環(huán)路、用戶系統(tǒng)流量與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生偏差,這些因素也是造成水力失調(diào)的重要原因。

3 供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)的原理

3.1 水力工況的基本公式

供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)就是通過調(diào)節(jié)管路的阻力使各用戶的流量最接近于設(shè)計(jì)流量。對(duì)于簡(jiǎn)單管路來說,壓力降和阻力數(shù)流量之間有下列關(guān)系:

其中,ΔP為管段兩端的壓力(全壓)差;G為流經(jīng)該管段的流量;S為該管段的阻力數(shù),只與管段的材料、長(zhǎng)度、管徑、內(nèi)壁粗糙度及局部阻力有關(guān),與流量無(wú)關(guān)。

可見,作用壓力一定情況下,管路阻力數(shù)與流量的平方成反比。對(duì)于供熱管網(wǎng)來說,各用戶之間是并聯(lián)關(guān)系,存在如下流量分配關(guān)系[3]:

阻力數(shù)S大的支管其流量小,阻力數(shù)S小的支管其流量大。由于設(shè)計(jì)時(shí)受管道規(guī)格、流速等的限制,各并聯(lián)支路之間所需流量與支路阻力數(shù)之間難以達(dá)到上述關(guān)系,必然使有些支路流量大于所需流量,有些支路流量小于所需流量,出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象,從而導(dǎo)致冷熱不勻現(xiàn)象。所以,供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是調(diào)節(jié)各支路阻力,使各支路所需流量與阻力數(shù)之間滿足上述關(guān)系。

為了調(diào)節(jié)各支路的阻力數(shù),在各分支處必須安裝性能可靠、調(diào)節(jié)方便的適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)裝置,來實(shí)現(xiàn)上述目的。

3.2 系統(tǒng)水壓圖

異程系統(tǒng)和同程系統(tǒng)原理圖見圖1,圖2。

調(diào)試原理:用附加阻力消除用戶剩余的資用壓頭:加裝平衡閥,進(jìn)行系統(tǒng)初調(diào)節(jié)和運(yùn)行調(diào)節(jié)以消除用戶剩余的資用壓頭。

4 供熱管網(wǎng)水力平衡常用調(diào)節(jié)裝置

4.1 平衡閥

平衡閥[3]是一次性手動(dòng)調(diào)節(jié)的,不能夠自動(dòng)地隨系統(tǒng)工況變化而變化阻力系數(shù),所以稱靜態(tài)平衡閥。平衡閥作用對(duì)象是阻力,能夠起到手動(dòng)可調(diào)孔板的作用來平衡管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力,達(dá)到各個(gè)環(huán)路的阻力平衡的作用。

4.2 自力式流量控制閥

自力式流量控制閥[3]又稱作定流量閥或稱作最大流量限制器。從機(jī)理上看,在一定的工作差壓范圍內(nèi),它可以有效地控制通過的流量。當(dāng)閥門前后的壓差增大時(shí),通過閥門的自動(dòng)關(guān)小動(dòng)作,保持流量不增大;反之,當(dāng)壓差減小時(shí),閥門自動(dòng)開大,以保持流量恒定。自力式流量控制閥作用對(duì)象是流量。

4.3 自力式壓差控制閥

自力式壓差控制閥上帶有測(cè)壓導(dǎo)管,可測(cè)出控制點(diǎn)之間的壓差。當(dāng)被控介質(zhì)流量改變時(shí),將導(dǎo)致自力閥芯的上下移動(dòng),使自力閥芯與閥座在一個(gè)新的位置產(chǎn)生平衡,改變了自力閥的流通截面積和流量系數(shù),但壓差值不變。

5 供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)方法

1)動(dòng)態(tài)平衡閥調(diào)節(jié)法。供熱管網(wǎng)中使用的動(dòng)態(tài)平衡法分為自力式流量控制閥和自力式壓差控制閥。自力式流量控制閥作用對(duì)象是流量,能夠保持流量恒定,所以使用自力式流量控制閥的關(guān)鍵是設(shè)定流量的確定,設(shè)定流量可根據(jù)供熱系統(tǒng)總循環(huán)量和各建筑的熱負(fù)荷分別計(jì)算出各建筑的相應(yīng)流量,這種方法簡(jiǎn)便易行,適用于定流量系統(tǒng),不適用于變流量系統(tǒng)。自力式壓差控制閥作用對(duì)象是壓差,可以使供回水壓差維持在設(shè)定壓差值附近,設(shè)定壓差可取設(shè)計(jì)流量下該分支處的供回水壓差,主要適應(yīng)變流量系統(tǒng),調(diào)試簡(jiǎn)單,但必須準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)壓降。

2)利用簡(jiǎn)易快速法與溫度調(diào)節(jié)法相結(jié)合來進(jìn)行調(diào)節(jié)。由調(diào)節(jié)原理知,并聯(lián)支路的任一支路阻力改變必然引起整個(gè)供熱管網(wǎng)流量的重新分配,某一支路閥門關(guān)小,流量減少時(shí)必引起其他支路流量的增大。簡(jiǎn)易快速法[1]就利用了這個(gè)原理。

在進(jìn)行初調(diào)節(jié)前,系統(tǒng)的閥門處于全開狀態(tài),初調(diào)節(jié)應(yīng)在關(guān)小閥門的過程中進(jìn)行。

用上述調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)后,在供熱階段可采用溫度調(diào)節(jié)法進(jìn)一步調(diào)節(jié)。溫度調(diào)節(jié)法的原理步驟如下:

由于建筑室內(nèi)溫度與供回水平均溫度之間存在簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)供回水平均溫度相同時(shí),室內(nèi)溫度必然相等。所以,溫度調(diào)節(jié)法[1]就是通過調(diào)節(jié)各用戶流量,使各熱用戶的供、回水平均溫度達(dá)到一致,從而實(shí)現(xiàn)各熱用戶室內(nèi)溫度彼此相同的目的。由于供熱管網(wǎng)中各用戶的供水溫度一般相等,可采用回水溫度調(diào)節(jié)法來簡(jiǎn)化操作。回水溫度法可采用如下操作方法:以各用戶回水溫度的平均值或粗略的以熱源的總回水溫度作為基準(zhǔn)溫度,然后逐個(gè)調(diào)節(jié)各個(gè)分支的閥門,當(dāng)某分支的回水溫度高于基準(zhǔn)溫度時(shí),關(guān)小閥門,反之,開大閥門,使該分支的回水溫度等于基準(zhǔn)溫度。

6 結(jié)語(yǔ)

供熱系統(tǒng)的水力平衡調(diào)試的前提條件是具備正常的供熱系統(tǒng)、適用的調(diào)試裝置和正確的調(diào)試方法。供熱管網(wǎng)的水力平衡調(diào)試是一項(xiàng)專業(yè)性強(qiáng),技術(shù)要求非常高的綜合性工作,既需要準(zhǔn)確的計(jì)算,也需要有一定實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員去分析解決調(diào)試過程中遇到的一些問題。隨著我們對(duì)管網(wǎng)水力平衡調(diào)試工作的重視和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的不斷積累,達(dá)到管網(wǎng)的水力平衡是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

[1]石兆玉.供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)與控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1994.

[2]江 億.我國(guó)供熱節(jié)能中的問題和解決途徑[J].暖通空調(diào),2006,36(3):37-41.

[3]徐光備.供熱計(jì)量技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.