室外供熱管網的設計計算

于 海 華

(山西聚仁合人力資源管理有限公司，山西 太原 030002)

為了確定供熱系統的管徑和熱源循環水泵的流量及揚程、分析供熱系統正常運行時的壓力工況、保證系統內各熱用戶有足夠的資用壓頭且系統不發生超壓、汽化、倒空等影響供熱效果的現象以及提高整個供熱系統的水力穩定性，因此對供熱管網的水力計算尤為重要。下面著重介紹某位于有地下水的非濕陷性黃土地區的室外二次供熱管網的水力設計計算。

1 室外供熱管網簡介

本工程為某高等專科學校新校區二次供熱管網設計，工程地點位于山西省太原市。建設場地較為開闊，北高南低，地形為長方形，東西寬807 m，南北寬664 m。新校區共分為四大功能片區。依據規劃，校區劃分為教學區，生活區，訓練及科研交流區，共計14棟單體建筑。根據地質勘測報告，校區內地質條件為有地下水的非濕陷性黃土。總用地面積505 490 m2(約合758.23畝)，校區總建筑面積為188 353.25 m2，其中生活區總建筑面積為58 120.57 m2，中央核心教學區、訓練區、體育運動區、科研交流區總建筑面積為130 232.68 m2，校區內最高建筑的高度為32.4 m，最低建筑的高度為4 m。

本工程熱源為位于生活服務中心的區域鍋爐房提供，熱源供回水溫度為70 ℃～50 ℃，單體采暖形式為散熱器采暖，局部區域采用低溫地板敷設供暖系統采暖，熱源為經混水機組降溫為50 ℃～40 ℃的低溫熱水。區域鍋爐房配備氣候補償器，循環水泵為變頻泵。管網的調節形式采用熱源處集中調節、熱力站及建筑引入口處的局部調節和用熱設備單獨調節三者相結合的聯合調節方式。

2 供熱管網設計

2.1 供熱管網敷設形式

室外供熱管道進行地下敷設時，需滿足以下三點：

1)寒冷地區間斷運行的供熱管道，在運行時，可能會有較大的熱損失或會出現管道結冰凍結的情況；

2)大型公共建筑或街區建筑的供熱管道，管道地上敷設有礙環境美觀的情形；

3)供熱管道地上敷設在經濟投資或在環境的總體規劃設計中，不允許供熱管線地上敷設的工程。

綜合以上三點，本工程供熱管網采用有補償的直埋敷設。

2.2 系統形式

管網形式為閉式雙管系統，由鍋爐房引出，根據供熱區域供暖劃分為兩個分支。為了方便運行及管理、減少金屬耗量及基建投資，本工程采用枝狀敷設至各單體建筑枝狀管網。為了在供熱管網發生故障(損壞)時，迅速消除故障，縮小事故的影響范圍，需在與供熱干管相連接的供熱管路分支處、在與分支管路相連接的較長的供熱支管上裝設閥門，并根據水力平衡計算結果，確定閥門的種類及閥門開啟度。其中分支一(教學訓練區)供暖熱負荷為4 792.2 kW，供熱半徑為811 m，阻力為59 kPa，分支二(生活分支)供熱負荷為2 152 kW，供熱半徑為504 m，阻力為35 kPa。

直埋熱水管道的覆土深度符合現行《城鎮供熱在直埋熱水管道技術規程》關于直埋熱水管道的最小覆土深度的規定，見表1。

表1 熱水管道直埋的覆土最小深度

經結構專業對管道的埋深計算，本工程供熱管道埋深確定為1.7 m。

管材選用無縫鋼管,鋼管材質應不低于GB 231—70國標A3。管道保溫層選用聚氨酯硬質泡沫塑料，保護層為高密度聚乙烯塑料外殼。要求閥門的工作壓力均不小于1.6 MPa。

3 水力設計計算

設計熱水供熱管網，為使系統中各分支的水流量符合設計要求，以保證流進各單體建筑的水流量滿足單體的負荷需求，要對供熱管網做水力計算。水力計算先后分為設計計算及校核計算，包括內容有供熱管網各管段的管徑計算、供熱管網管路系統的壓力損失計算。

3.1 水流量計算

根據各單體提供的單體熱負荷計算結果，確定熱水熱力系統負荷，經計算得到熱水熱力系統水流量。

供熱管網水流量計算原理：

其中，G為供熱管網設計流量，t/h；Q為設計熱負荷，kW；c為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；t1為運行期間管道供水溫度，℃；t2為運行期間管道回水溫度，℃。

3.2 管徑計算

根據管段水流量確定熱水熱力網主干線管徑時，宜采用經濟比摩阻30 Pa/m～70 Pa/m；按管路系統允許壓力降的值計算供熱管網支干線、支線各管段的管徑，管道內熱的水流速的上限值3.5 m/s。供熱管網的支干線按不大于300 Pa/m的比摩阻確定支干線的管段管徑。分支管段管徑計算見表2。

供熱管網計算管段比摩阻計算原理(達西·維斯巴赫公式)：

其中，λ為摩擦阻力系數；d為管段內徑，m；v為管道內介質的流速，m/s；ρ為介質的密度，kg/m3。

λ=f(Re，ε),

其中，Re為雷諾數，辨別流體流動狀態的準則數(當Re<2 320時，流動為層流流動；當Re≥2 320時，流動為紊流流動);γ為熱媒的運動粘滯系數，m2/s；K為管壁的當量絕對粗糙度，m；ε為管壁的相對粗糙度。

表2 分支管段管徑計算表(節選)

3.3 壓力損失計算

1)供熱管網的壓力損失包括沿程損失和局部損失。前者為當沿管道流動的熱水，由于熱水與管壁間及流體分子間的摩擦，損失的能量；或者為熱水在流經管道附件(彎頭，閥門等)時，熱水的流動速度和方向發生改變時，損失的能量。

供熱管網計算管段的壓力損失計算原理：

ΔP=ΔPy+ΔPj=Rl+ΔPj。

其中，ΔP為計算管段的壓力損失，Pa；ΔPy為計算管段的沿程損失，Pa；ΔPj為計算管段的局部損失，Pa；R為每米管長的沿程損失，Pa/m；l為管段長度，m。

2)局部阻力的計算。

工程設計中，避免復雜冗長的計算帶來的大量的工作量，通常采用簡化算法來計算局部阻力，其中當量局部阻力法和當量長度法，是兩種常用的計算簡化算法，本工程計算局部阻力時采用的是當量長度法。

UV757CRT紫外可見分光光度計,上海精科;AUW220D電子天平,SHIMADZU(島津);UHT超高溫瞬時滅菌機,上海科勞機械設備有限公司;300型飲料板式過濾機,廣州市藍垟機械設備有限公司;A-88型組織搗碎機,江蘇省金壇市醫療儀器廠;WZC-300型液體灌裝機,廣州番禺微至包裝設備廠;HH–6數顯恒溫水浴鍋,江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;Labonce-120PS型藥物穩定性試驗箱,北京藍貝石恒溫技術有限公司;WZS1型阿貝折射儀,國營上海光學儀器廠。

當量長度法，當量長度法的基本原理是將管路的局部損失折合為管路的沿程損失來計算。南北分支管段水力計算見表3，表4。

當量長度法的計算原理是當某一管段的總局部阻力系數為∑ζ，設此管段的壓力損失相當于流經此管段ld長度的沿程損失，則:

其中，ld為管段中局部阻力的當量長度，m。

表3 分支管段局部阻力計算表(節選)

3)環路間不平衡率的計算。

熱水供熱系統進行水力平衡計算，并采取措施使各并聯環路之間的壓力損失相差不大于15%。南北分支間環路不平衡率計算見表5，表6。

表4 分支管段水力計算表(節選)

表5 北分支環路間水力平衡試算表

表6 南分支環路間水力平衡試算表

經試算，對不平衡率大于15%的環路通過設置閥門來進行阻力平衡，將支干線回水管的蝶閥改為平衡閥，然后對管網重新進行環路不平衡率計算，計算結果見表7，表8。

表7 北分支環路間水力平衡計算表

表8 南分支環路間水力平衡計算表

各分支環路間不平衡率小于15%，達到水力平衡計算要求。

3.4 熱伸長計算

管道的受熱伸長量計算公式：

ΔL=α(t1-t2)L×1 000。

其中，ΔL為管道的熱伸長量，mm；α為鋼材的線膨脹系數，m/(m·℃)；t1為管道工作循環最高溫度，℃；t2為管道安裝溫度，本工程取5 ℃；L為管道長度，m。

3.5 補償器的設置

管道溫度升高時，由于熱伸長或熱應力而引起管道變形或管道附件破壞，需要在管道上設置用以熱伸長的伸縮器，從而將管壁的應力及作用在閥件或支架上的作用力減小，從而達到保護管道及管道附件的目的。

在工程設計中，應盡量利用供熱管道自身的彎曲管段(如L型或Z型等)進行自然補償。

對自然補償不能滿足對管道熱伸長補償的供熱管段，需設置補償器。本次設計綜合考慮補償能力多少、介質流動阻力大小、占地面積多少、安裝及維修的工作量大小、投資及運行的安全性高低等多方面因素，選用板盒型管道限位式大波紋補償器。選定補償器，需對系統水力計算進行校核。

3.6 固定支架的設置

為了限制供熱管道以及供熱管道的支撐結構有相對位移的管道支架，稱為固定支架。為了保證補償器的正常工作，通過固定支架將供熱管道劃分為若干管段進行分別補償。

1)固定支架及基礎需足夠堅固，以承受熱脹冷縮所引起管道的推力作用；盡量按照固定支架最大允許間距合理布置固定支架，盡量減少固定支架的管架數量，從而優化整個管網的經濟性；

2)固定支架間管道的熱伸長量不得超過固定支架間補償器的允許補償能力；作用在固定支架間的熱應力值不得超過固定支架允許推力；固定支架間距離不宜過大，否則會使供熱管道產生縱向彎曲。

4 結語

對熱水供熱管網的設計，系統形式、敷設形式及水力計算對于熱水供熱管網設計都是至關重要的。對于環狀管網的水力計算應保證所有環線壓力降的代數和為零。合理設計管段的管徑、固定支架及補償器等直接關系到整體項目的投資及運行費用。

參考文獻：

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