大高差集中供熱工程中旁通管定壓方式的應用

孫移漢，何凱

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

通過某2×350MW熱電廠集中供熱管網工程實例，對比了在管網一側采用補水泵定壓和旁通管定壓兩種定壓方式下的系統運行原理和最不利環路的水壓圖，分析總結了旁通管定壓的特點，其可以降低供熱系統運行時的動壓曲線，升高或降低管網系統的動水壓線，靈活調節管網系統的運行壓力。

1 工程簡介

本工程供熱主熱源為某公司2×350MW自備電廠首站提供的130/70℃高溫熱水，供熱主管道自某公司自備電廠首站引出，沿途經過公路、丘陵地帶，穿越鐵路、國道、黃河，中途經過1號隔壓站，最終到達2號隔壓站，管線總長度為16448m×2。熱源分別經隔壓站隔壓換熱后向1號區域和2號區域提供120/60℃的高溫熱水。本工程設計工況下近期供熱面積為680萬m2，供熱負荷為342MW；中期供熱面積為800萬m2，供熱負荷為395MW；遠期供熱面積為1200萬m2，供熱負荷為534MW。

2 管網系統

2.1 系統路由及參數

本工程中將電廠首站引出的管網定義為零次側管網，零次側管網設計壓力為2.5Mpa，設計溫度為130/70℃的高溫熱水；隔壓站二次側管網定義為一次側管網，一次側管網設計壓力為1.0Mpa，設計溫度為120/60℃的熱水；二次側管網向各用熱社區、單位、樓宇換熱站二次側管網，可根據不同用戶采暖系統形式提供80/55℃或50/40℃的低溫熱水。供熱管道材料統一采用Q235B鋼，管徑≥DN250mm的管道采用螺旋縫焊接鋼管，管徑＜DN250mm的管道采用無縫鋼管。本工程管線敷設路由簡圖見下圖1。

圖1 管線敷設路由簡圖

2.2 熱力網型式

供熱管網將采用三級制型式，熱電廠至隔壓站為零次側管網，隔壓站至熱力站為一次側管網，熱力站至戶內供暖系統為第三級管網。零次側熱力管網及隔壓站設計壓力采用2.5MPa，一次側熱力管網及熱力站設計壓力采用1.0MPa，二次側熱力網及室內供暖系統設計壓力根據具體工程確定[1-2]。供熱管網型式簡圖見下圖2。

圖2 供熱管網型式簡圖

3 管網系統水力計算

3.1 系統高程分析及靜水壓線的確定

本工程管網單程輸送距離為16448米，管網系統最低點位于2號隔壓站，其原始高程為1178米，最高點位于中途丘陵地帶，其原始高程為1280米，地形高差102米，由于供熱區域管網壓力等級較低，因此供熱主管網分別在1號區域和2號區域設置1號隔壓站和2號隔壓站。只要能夠保證系統最高點不汽化，整個管網系統就是安全可靠的，因此附加2~5米的安全裕量，確定供熱系統靜水壓力為1.2MPa，靜水壓線為120米。

3.2 水力計算

管網水力根據以下公式計算：

式中：ΔP——管段的總阻力損失，Pa；

R——每米管長的沿程損失，Pa/m；

L——管道長度，m；

Ld——局部阻力當量長度，m；

λ——管段的摩擦系數；

d——管道內徑，m；

v——熱媒在管內的流速，m/s；

ρ——熱媒的密度，kg/m3

水力計算過程中的其他參數按以下數據取值，管網供、回水溫度為130℃/70℃；管道內壁當量粗糙度K=0.5mm；主干線比摩阻小于等于30Pa/m；全線彎頭共計38個，三通2個，分流三通局部阻力系數取3.0，旁流三通局部阻力系數取2.0，彎頭取1.0；控制經濟比摩阻不大于30Pa/m，管內介質流速不大于2.0m/s；管線末端隔壓站供回水壓差取10mH2O；供熱首站壓力損失取10mH2O。

3.3 水力計算結果

通過以上計算公式結合其他參數計算得到的水力計算結果如下表1所示。

表1 水力計算表

由以上水力計算表可以看出，零次側管網在設計溫差下，近、中、遠期循環流量分別為4896m3/h、5661m3/h、7654m3/h。在近期管網運行溫差40℃、中期45℃、遠期60℃時，循環流量分別為7344m3/h、7548m3/h、7654m3/h，管網總阻力分別為835+100+100=1035kPa、882+100+100=1082kPa、907+100+100=1107kPa。零次側管網最不利環路供回水管阻力損失：零次側管網最不利環路單程長度為16448m，供回水管阻力損失為：907kPa，單位長度的平均阻力損失為25.11Pa/m。

供熱首站及最末端熱力站阻力損失：供熱首站的阻力損失取100kPa；最末端熱力站的站內阻力損失取100kPa。故總阻力損失為：H＝907＋100＋100＝1107kPa。

3.4 定壓方式的選擇

目前國內集中供熱系統中常見的定壓方式有補給水泵定壓、旁通管定壓、氮氣定壓、空氣囊定壓、蒸汽定壓等，其中補給水泵定壓是最常見的一種定壓方式。本工程一次側供熱管網在正常運行時會損失一部分水量，發生故障時還會有額外的水量損失。為保證一次側供熱管網的正常運行，補充一次側供熱管網在運行過程中各種形式的失水，同時保證供熱系統最高點不汽化、不倒空，最低點不超過換熱設備允許的承壓能力，因此需在本工程主熱源（供熱首站）設置一次側供熱管網補水定壓系統。

3.4.1 補給水泵定壓

補給水泵連續補水定壓方式，定壓點設在網路循環水泵的吸人端。利用壓力調節閥保持定壓點恒定的壓力，其運行示意圖見下圖3。

圖3 補給水泵定壓示意圖

圖3 中壓力調節閥多采用直接作用式壓力調節閥。當網路加熱膨脹，或網路漏水量小于補給水量以及其他原因使定壓點的壓力升高時，作用在調節閥膜室上的壓力增大，克服重錘所產生的壓力后，閥芯流動截面減少，補給水量減少，直到閥后壓力等于定壓點控制的壓力值為止。相反過程的作用原理相同，同樣可使閥孔流動截面增大，增加補給水量，以維持定壓點的壓力[3-4]。

補給水泵間歇補水定壓方式要比連續補水定壓方式少耗一些電能，設備簡單。但其動水壓曲線上下波動，不如連續補水方式穩定。間歇補水定壓方式宜使用在系統規模不大、供水溫度不高、系統漏水量較小的供熱糸統中；對于系統規模較大、供水溫度較高的供熱系統，應采用連續補水定壓方式。這兩種補水定壓方式，其定壓點都設在網路循環水泵的吸人端。網路運行時，動水壓曲線都比靜水壓曲線高。對大型的熱水供熱系統，為了適當地降低網路的運行壓力和便于調節網路的壓力工況，可采用定壓點設在旁通管的連續補水定壓方式。

3.4.2 旁通管定壓

在熱源的供、回水干管之間連接一根旁通管，利用補給水泵使旁通管保持符合靜水壓線要求的壓力。利用旁通管定壓點連續補水定壓方式，對調節系統的運行壓力具有較大的靈活性。旁通管補水定壓方式同樣可以采用連續和間歇兩種定壓方式。其運行示意圖見下圖4。

圖4 旁通管定壓示意圖

3.5 本工程不同定壓方式下的最不利環路水壓圖

本工程中將定壓點設在循環水泵吸入口時，供熱管網最高點絕對高程為1278m，最低點絕對高程為1178m，靜水壓線絕對高程為1298m，靜水壓線相對高程為120m，動水壓線最高點絕對高程為1298+110=1408m。采用補水泵變頻定壓和采用旁通管定壓時的水壓圖分別見下圖5、圖6。

圖5 采用補水泵變頻定壓時的最不利環路水壓圖

圖6 采用旁通管定壓時的最不利環路水壓圖

上圖7為本工程通過旁通管定壓時的系統原理圖，圖7中I點為定壓點，圖6中j-j為靜壓線。當I點壓力偏低時，壓力訊號傳至補水調節閥2，使閥門開大，增加向管網內的補水量，當I點壓力偏高時補水調節閥門關小，向管網內的補水量減小。當補水調節閥2全關時，由于某種原因系統內壓力不斷升高（水溫升高），這時從I點來的壓力訊號使泄水調節閥3打開放水，使系統的壓力恢復到定壓點的壓力，閥門3才會關上。當循環水泵停止運行時，整個管網系統壓力下降，閥3全閉，閥2全開，又使整個系統維持在穩定的定壓線上[5-6]。通過對比分析上述兩種不同定壓方式下的水壓圖和分析旁通管定壓時的調節過程可知，通過旁通管4補水定壓的方法，可以降低供熱系統運行時動壓曲線，同時調節旁通管4上的兩個調節閥門的開度，可以使管網系統的動水壓線升高或降低，對調節系統的運行壓力，有較大的靈活性。采用旁通閥定壓方式后管網系統工作壓力為1.85MPa，管網設計壓力等級為2.5MPa。

圖7 本工程采用旁通管定壓時的系統原理圖

4 結語

（1）定壓方式的不同直接關系到供熱系統的運行安全，尤其在大型大高差集中供熱系統中其作用更為顯著，同時供熱系統要保證不超壓、不倒空、不汽化，因此在設計大型大高差集中供熱管網系統時，選擇正確的定壓方式至關重要。

（2）大型集中供熱工程中，一般供熱管線路由較長，同時地形高差較大，熱媒溫度較高，采用最為常見的循環水泵入口定壓的方式很難同時保證供熱系統不超壓、不汽化，而采用旁通管定壓時，其能夠降低供熱系統運行時動壓曲線，使管網系統的動水壓線升高或降低，對調節系統的運行壓力，有較大的靈活性。

（3）相比于其他定壓方式，通過旁通管定壓不僅可以穩定系統壓力，同時還兼具了調節供熱系統運行壓力的功能，但在供熱系統實際運行過程中，供熱系統的調節應隨著室外環境參數的變化而變化，因此要制定正確的調節策略來保證系統的安全可靠。