熱網中采用多方案均壓罐連接方式下的工況分析

胡思科，李紅貞，王麗萍，孫曉東

(1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林1320122;2.長春一汽四環動能有限公司，長春130011)

評價一個供熱系統設計與運行管理的優劣，不僅要考慮它在運行中的水力穩定性，同時還要考慮其運行的經濟性。盡管目前常規的集中供熱系統所具有的特點早已被人們所熟知，但隨著熱網規模的擴大，以及系統連接復雜性的提高，其水力的不平衡性以及為滿足熱用戶的用熱需求而帶來的循環水泵的能耗問題逐漸凸顯出來。對此，本文就這一問題引進了一種新的連接方式——安裝均壓罐的連接方式，并對此連接方式下的多種連接方案進行深入分析。

1 網路水力工況分析

對于一個具有多用戶供熱系統，各管段的壓降和流量分配完全取決于系統的連接方式以及各管段阻力的大小，一旦管路系統被確定，這些參數也就被確定。且不論系統的總壓降H與總流量qv，還是分系統的分壓降Hi與分流量qv，i的關系都可表示為

式中:S為系統阻力數，h2/m5。

圖1為5個熱用戶并聯組成的常規供熱系統。其中各干管區段分別以a－b、b－c、c－d、d－e、e－f表示;包括熱用戶在內的各分支管段則分別以a－1－a、b－2－b、c－3－c、d－4－d、e－5－e表示。從該圖中可知，各熱用戶的可資用壓頭會隨著各熱用戶靠近熱源距離的不同而不同，越靠近熱源其可資用壓頭越大，如果此時不進行分支系統的阻力調整，則會出現各熱用戶之間嚴重的水力失調，從而照成其熱力失調。水力失調度可表示為［1］

圖1 常規供熱系統示意圖

式中:xi，max為水力失調度;qvi，max、qv，s為每個熱用戶最大可能的流量和設計的流量，m3/h。

為了進一步說明系統及阻力數對各熱用戶水力工況的影響，現以圖1為例并設定熱源距熱用戶1的距離為2 000 m，且熱源及各熱用戶按等距離分布，則有供、回水管路總長為4 000 m，每一用戶之間管路總長均為800 m。當主管路比摩阻取為0.01 mH2O/m，熱網循環水泵站內阻為10 mH2O，每個熱用戶的設計流量應為50 m3/h，而包括循環最不利的第1用戶在內分系統阻力為5 mH2O，有初調前熱源及各熱用戶水力失調度xi計算結果如表1所示。

表1 初調前熱源及各熱用戶的水力失調度xi計算結果

表1的計算結果證明:當為了滿足最末端熱用戶1的熱負荷需要，如果不進行分支系統阻力的合理調整，將會因每個熱用戶的資用壓頭不等而造成各熱用戶水力失調度從1.61至2.72不等，并最終導致熱源被迫提供的流量增加近一倍。為了避免各熱用戶的水力失調，一般可采用調整熱用戶進出口閥門的開度將多余壓頭消耗掉以保證每個熱用戶達到設計工況下的流量。然而，由于種種原因，圖1所示的連接系統將不可避免的出現水力失調，從而直接影響到良好的供熱。為了避免出現這一狀況，這里引入一種新的連接設備——均壓罐。其工作原理如圖2所示。

圖2 供熱系統均壓罐連接示意圖

2 均壓罐的工作原理及系統連接方案的擬定

根據系統能量及質量平衡原理［2］

式中:qv，g1、qv，g2、qv，h1、qv，h2為系統一、二級網路的供、回水流量，m3/h;tg1、tg2、th1、th1為系統一、二級網路的供、回水溫度，℃;c為循環水比熱，W/kg·K;ρ為循環水密度，kg/m3。

從式(3)、(4)可以看出，二級網中的循環水流量的變化并不會影響一級網中的循環水流量的變化。這一點說明，如果在二級網中并聯多用戶時，其各熱用戶彼此之間的流量變化也會互不影響。從而克服了系統各熱用戶水力失調現象，此外，若忽略循環水的比熱和密度的差異，根據式(6)、(7)可得一、二級熱網的循環水量與其對應的供、回水溫差的關系:

據此，這里可對圖1中的熱用戶采用均壓罐的連接方式，并將其分為一、二次循環系統，其中均壓管左側為一次網循環系統，右側為二次網循環系統，其方案分為以下4種連接方式，分別見圖2—圖5所示。與圖1相比，除系統的連接不同外，一、二次熱網循環水泵站內阻均為10 mH2O，其中一次網的主管路經濟比摩阻仍為0.01 mH2O/m，而在二次網中每一熱用戶獨立成循環，根據設計要求，此時的各循環回路經濟比摩阻可取為0.005 mH2O/m。

圖2 系統改造方案1

圖3 系統改造方案2

圖4 系統改造方案3

圖5 系統改造方案4

表2 各方案中組合管段的參數計算結果

圖3 變工況下水泵多方案運行示意圖

表2結果顯示，在保證設計流量下，由于各管段的長度不同而導致其壓降不同。對于一級網路而言，隨著它所承擔的熱用戶數的增加和主管路的延長，盡管一級網路總循環水泵所應承擔流量則保持不變，均為250 m3/h，但為抗管路阻力所必須的揚程將隨之增加，如方案1至方案4中，它們應承擔的抗阻力必須的揚程將從23 mH2O增加到47 mH2O;而對于二級網路而言，越遠離均壓罐的熱用戶其承擔50 m3/h流量的循環水泵所必須提供的揚程越大，如方案1中的熱用戶4到1，各熱用戶循環水泵應承擔的抗阻力所必須的揚程將從17 mH2O增加到29 mH2O。其它方案的結果也與此相似。

4 變流量下循環水泵運行

對于表2中所確定的任一工況點，一般情況下很難找到恰好滿足其要求的循環水泵。因此，為了適應系統的要求，則必須在水泵被選定的基礎上進行工作點的調整。如圖3所示，當管路系統所需總壓降為Δp，但為了滿足這一揚程所對應的流量并不是系統所需流量，則為了滿足系統的額定流量qv，0，通常可采取以下兩種調節方法。

①節流法:采取閥門節流將管路的特性曲線由gi調整到g0并交于0點的方法;

②調速法:在管路的特性曲線gi不變的條件下改變水泵轉速為ni，并使特性曲線(H－qv)i交于0'點的方法。

由于節流法相對于調速法能耗高，故這里不對其在不同方案下進行對比分析，而只對其在進行調速法對比分析。

4 .1水泵及管路特性曲線的表達形式

對于離心水泵而言，其工頻轉速下的(H－qv)0和η0的特性，常以三項式的形式表示［3］:

式中:Hp為水泵的揚程，mH2O;qv為水泵的流量，m3/h;ηp為水泵的效率，%;A0、A1、A2、B1、B2、B3為水泵的(Hp－qv)0和η0曲線擬合系數。

4 .2變轉速下水泵特性曲線方程的導出

當水泵轉速由n0變為ni時，其特性曲線將由(H－qv)0變為(H－qv)i。關于這個特性方程的求取可通過泵的相似理論并結合式(6)得到［4］:

關于ni的確定，可將式(8)與式(1)進行聯立求得:

從式(9)可以看出，泵轉速ni不僅與管路阻力數Si有關，而且還與系統流量qv有關。

4 .3變轉速下水泵工作點效率及能耗的確定

在圖3中，對于泵的變轉速下的工作點0'所對應的效率同樣可依據泵的相似理論并結合式(7)得到:

一旦求得泵該點效率被確定，便可計算出泵的對應輸出軸功率為

5 算例與運行工況分析

為了滿足前面各系統不同聯接方式下所采取的不同運行方式的要求，綜合分析，現將擬定的可適應不同運行方案的循環水泵型號、特性的擬合方程等所需參數列于表3中。

表3 一、二級網擬定水泵型號及應用方案

表4 一、二級網路各方案中的循環水泵參數計算結果

表5 常規方案及4種改造方案中循環水泵能耗比較

表5為表4中循環水泵能耗相關數據的整合結果。從表5可以看出，改造方案1的循環水泵總能耗最小，為16.74 kW，而常規方案的能耗最大，為26.93 kW，且為改造方案1能耗的1.723倍。但需明確指出，不同的熱用戶數量、不同的供熱規模下以及循環水泵選擇的不同，其最優方案也會有所不同。這一點應引起人們的注意。

6 小結

供熱系統產生熱力失調的原因就在于其水力失調，如何克服其失調性一直是業內人士所關注的焦點問題之一。盡管人們提出了改進方案，但都還不能從根本上解決問題。對此，這里提出的在系統中采用均壓罐代替常規的表面式換熱器，最重要的是可提高熱網的水力穩定性;其次，如果系統設計的合理，則在滿足供熱的前提下還能大大降低運行能耗。該方案若能得到應用并大力推廣，將會給現有的集中供熱系統帶來較大的經濟效益和社會效益。

［1］賀平，孫剛編著.供熱工程［M］.3版.北京:中國建筑工業出版社，1993，11:186.

［2］李先瑞.供熱空調系統運行管理、節能、診斷技術指南［M］.北京:中國電力出版社，2004:657－663.

［3］王朝暉.泵與風機［M］.北京:中國石化出版社，2007，8:116－118.

［4］胡思科，楊吉青.供暖循環水泵非同步調速運行時的不合理性分析計算［J］.暖通空調，2005，2:108－111.