熱網補水、定壓系統的設計要求及特點

樊守峰

(西北電力設計院，陜西 西安 710075)

由于熱網循環水系統一方面在正常運行時存在跑冒滴漏現象、事故時還可能會有大量的熱網循環水外漏，熱網補水系統可以根據需求對熱網循環水系統進行適時、適量地補水；另一方面供熱熱水系統內熱媒壓力也必須滿足一定的技術條件方可正常運行，這就要求熱網設計時應配套設計熱網循環水的定壓系統。本文以熱電廠一級熱網循環水系統為例，介紹熱網補水及定壓系統的基本設計要求及特點，探討是否可將熱網補水系統和定壓系統合并為一個系統。

1 熱網循環水補水系統

1.1 熱網循環水補水系統的功能及設計原理

熱網循環水補水(以下簡稱熱網補水)系統的功能：由于熱網循環水系統不嚴密或事故導致熱網循環水管道破裂，將會引起供熱系統熱媒損失進而引起內壓的波動，本系統的功能是根據需要及時地向熱網循環水系統補水，使系統的運行壓力得到穩定。

熱網補水系統的設計原理：通過實時監測熱網循環水泵入口母管的壓力，判斷是否需要對熱網進行補水。當此處測得的壓力低于補水設定值時，則表明熱網循環水系統存在對外泄漏現象，此時通過補水系統及時地向熱網循環水系統補水，使熱網循環水泵入口母管的壓力恢復到補水設定值。

1.2 熱網補水量的計算

一級熱網循環水系統一般為閉式循環系統，依據《城市熱力網設計規范》CJJ34-2002 J216-2002，閉式熱力網補水裝置的流量，不應小于供熱系統循環水流量的2%；事故補水量不應小于供熱系統循環水流量的4%。

1.3 熱網補水系統的構成

熱網首站常見的補水系統一般包括：一臺大氣式熱力除氧器，2×100%的熱網補水泵(運行方式為一運一備)，系統的基本構成見圖1。

圖1 供熱首站補水系統示意圖

2 熱網循環水定壓系統

2.1 熱網循環水定壓系統的功能

由于熱網循環水系統無論是在正常運行或停運狀態，熱網系統內的熱水壓力必須滿足下列基本要求：

(1)熱網循環水系統的最高運行壓力及設計壓力不應超過各熱用戶相關設備及管道系統所能夠承受的極限壓力。

(2)熱網循環水回水管內壓力折算的靜水柱高度不得小于整個系統包括用戶端的最高充水高度，防止系統倒空，破壞系統的正常運行。

(3)當外供熱水的溫度高于當地大氣壓所對應的飽和溫度時，熱水管網任何一點的內壓都不能低于管網沿線對應點實際運行溫度所對應的汽化壓力，以便防止熱水汽化，產生水擊現象。

(4)熱網循環水系統任何一點的內壓都不應低于當地大氣壓，防止吸入空氣導致管道腐蝕。

(5)熱網循環水系統供、回水母管之間要有足夠的壓差，以保證克服市區管網、市區各二級供熱站內管道及設備的流動阻力以及由于布置高度的不同所產生的靜壓。

上述第(1)～(4)條是靠熱網定壓系統來實現的，這也就是熱網定壓系統的基本功能。

在熱網循環水系統的設計階段，為了實現上述基本要求，必須根據熱網首站、市區各二級供熱站的實際布置位置及海拔高度，計算出由供熱首站至各二級供熱站之間的管網沿程阻力、外供熱水最高溫度對應飽和壓力、各二級站與熱網首站之間的海拔高差等，然后繪制熱網循環水系統的水壓圖。

2.2 熱網循環水系統水壓圖

熱網循環水系統水壓圖(見圖2)的橫坐標軸表示供熱首站與二級站之間的管道長度，縱坐標軸表示管道沿程各處的運行壓力，水壓圖一般包括靜態壓力線和動態壓力線。

(1)靜態壓力線：當所有熱網循環水泵停止運行時，熱網循環水系統內的熱水處于靜止狀態，供、回水母管與各二級供熱站內的管道及換熱器相連通，供水管的靜態壓力線和回水管的靜態壓力線合并為一條直線，所以熱網循環水系統的靜態壓力線是一條水平直線，該靜態壓力線對應的壓力數值即為定壓設定值。在確定靜態壓力線的高度位置時必須滿足以下條件：

①靜態壓力線的高度不應超過供熱管網所連接的各用戶系統最低層用熱設備和管道所能承受的極限壓力。

②靜態壓力線的高度不應低于熱網循環水系統的最高充水高度。

③當外供熱水的溫度高于當地大氣壓所對應的飽和溫度時，則靜態壓力線的高度還必須大于其溫度所對應的汽化壓力折算的水柱高度。

(2)動態壓力線：當熱網循環水泵運行時，熱網循環水系統處于動態運行狀態，在熱網循環水泵的作用下，熱網循環水的供水管線和回水管線內的熱水運行壓力不同，因此，供水管線的動態壓力線和回水管線的動態壓力線是不同的兩條線，通過二級供熱站內的管道及換熱器將上述兩條水壓線連接為一條完整的供回水管線動態壓力折線(見圖2)。

圖2 一級網水壓圖

2.3 熱網定壓的原理

熱網循環水系統壓力恒定的點稱為定壓點，從原理上講定壓點可以選擇在熱網循環水系統的任何一點，但為了管理上的方便，故熱網循環水系統的定壓點一般設在供熱首站循環水泵入口母管上，其原理為通過實時監測熱網循環水泵入口母管的壓力，保證熱網循環水泵入口母管壓力恒定在所確定的定壓設定值上。當循環水泵入口母管的壓力高于定壓設定值時，可通過裝在泵出口母管上的安全閥(或電磁泄壓閥)向系統外排水，防止引起熱網循環水系統超壓運行；當循環水泵入口母管的壓力低于定壓設定值時，通過定壓系統向熱網系統內充水，使泵入口母管的壓力恢復到定壓設定值上。

2.4 常見的幾種熱網定壓系統

常見的熱網定壓系統有：高位水箱定壓系統、補給水泵加壓定壓系統及氮氣加壓定壓系統，由于氮氣加壓定壓系統復雜、且增加了一套氮氣系統，故目前較少使用，以下僅介紹高位水箱定壓系統和補給水泵加壓定壓系統

⑴高位水箱定壓系統：

高位水箱定壓是利用安裝在高位處的水箱產生的靜壓頭來將熱網循環水泵入口母管壓力維持在定壓設定值，見圖3。但這種方式受廠房條件、周圍環境等的制約，在大型熱電廠供熱首站內很少使用。

圖3 高位水箱定壓系統示意圖

⑵世面補給水泵加壓定壓系統：這種定壓方式與圖1的示意圖相似，只不過補水泵的揚程按定壓所需壓力值確定。

3 熱網補水系統及定壓系統合并的可行性

由于供熱首站一級網的補水點和定壓點一般均選擇在熱網循環水泵的入口母管上，這就為兩個系統的合并提供了便利條件，二者的區別為補水設定值和定壓設定值在有些情況下可能會不同。因此如果補水設定值和定壓設定值相同，或在熱網補水泵選型時，將補水泵揚程按二者設定值中的較高者來確定，通過一定的控制邏輯完全能夠使兩個系統合二為一。

3.1 補水設定值和定壓設定值的確定

補水設定值的確定：當熱網系統處于正常運行狀態時，因供熱管網及各二級站內的管道及設備的安裝標高及管道長度等均已確定，在一定的熱網水流量下，供熱首站的回水壓力是基本確定的，可將此回水壓力作為補水設定壓力、即補水設定值。

定壓設定值的確定：定壓設定值即為水壓圖上的靜態壓力線對應的壓力數值，它與外供熱水最高溫度、供熱首站與市區各二級供熱站之間的海拔高度、首站及二級站的設備及管道系統所能承受的極限壓力等有關，確定定壓設定值時可按第2.1節的有關條款綜合考慮后確定。

3.2 補水設定值和定壓設定值相同

當熱網補水設定值和定壓設定值相同時，此時靜態壓力線位于水壓圖中熱網首站回水點的壓力點上，即圖2中所示的“靜壓線1”的位置，因此，兩個系統完全可以合并為一個系統，合并后的系統既可滿足補水要求，也可滿足定壓要求。

3.3 補水設定值與定壓設定值不同

當熱網補水設定值和定壓設定值不同時，如果定壓設定值(即圖2的“靜壓線2”)高于補水設定值，若將定壓設定值作為補水設定值，則意味著將熱網的動態壓力線抬高至圖2中所示的虛線位置運行，此時的熱網回水壓力即為定壓設定壓力，這時可按以下兩種情況分別考慮：

(1)如果將定壓設定值作為補水設定值后，不會引起熱網循環水系統的設計壓力提高一個壓力等級(如不會將系統設計壓力由PN1.6升至PN2.5)，且在市區各二級供熱站常用設備及管道系統的極限壓力范圍內，則可將補水設定值按定壓設定值來選取，兩個系統可以合并為一個系統。

(2)如果將定壓設定值作為補水設定值后，使熱網循環水系統的設計壓力提高了一個壓力等級，且超過了市區各二級供熱站常用設備及管道系統的極限壓力范圍，在這種情況下可通過如下的設備選擇及連鎖控制方法實現兩個系統的合并：

①設備選擇要求：將熱網補水泵的揚程按定壓設定值來選擇，同時為熱網補水泵配置變頻調速裝置，則運行時可通過變頻調速裝置使熱網補水泵的出口壓力既滿足正常補水時的設定壓力要求，也可滿足熱網定壓所需的設定壓力要求。

②電源配置要求：由于合并后的系統既要能夠滿足熱網正常運行時的補水要求，也要能夠滿足熱網定壓的要求，為了防止一旦失去廠用電而導致全部熱網循環水泵停運這種情況，故必須為熱網補水泵配置保安電源。

③連鎖控制工況一：當熱網循環水泵處于正常運行狀態時，如果熱網循環水泵入口母管的壓力低于補水設定值，則表明熱網循環水系統發生對外泄漏，此時通過熱網補水系統及時地向熱網補水，使熱網循環水泵入口母管的壓力恢復到補水設定值，從而實現了向系統補水的功能。

④連鎖控制工況二：當首站內的所有熱網循環水泵因突然失電或其他原因而全部突然停運，因熱網補水泵設有保安電源，此時補水泵仍然可運行，且可通過變頻調速裝置，使熱網補水泵出口壓力迅速升高至定壓設定值，向熱網系統充水，使熱網循環水泵入口母管壓力維持在定壓設定壓力值，從而實現了熱網系統定壓之目的。

4 結語

通過上述分析可以看出，供熱首站熱網補水系統和定壓系統完全可以合并為一個系統，我們可以暫將此系統稱為熱網補水定壓系統。由于大型熱電廠的供熱首站一般建在熱電廠范圍內，故供熱首站一般由電力設計單位進行設計，而市區管網及各二級熱力站往往由其它設計單位(如市政設計院)來完成。因此，熱電廠的供熱首站設計人員應與市區管網規劃及設計單位加強溝通，在展開供熱首站設計工作時，應要求市區管網規劃及設計單位提供一級熱網循環水系統的水壓圖，并一起討論確定合理的熱網定壓設定值。

[1]CJJ34-2002 J216-2002，城市熱力網設計規范[S].