中南建筑设计院西区供热管网水力平衡计算及分析

1．问题的提出
　　
　　中南建筑设计院西区（生活区）集中低温热水采暖系统于1991年完成设计及施工，并于当年年底投入运行。系统运行至今已有十年，大大改善了我院职工的生活条件。但该热水采暖系统自运行之初起，就存在着热力失衡问题。后随着用户的增加，管网作用半径的增大，随着燃煤蒸汽锅炉、汽-水换热器、热水循环泵运行效率的降低，也随着采暖系统阀件及沿程管道性能的弱化，采暖系统运行效率降低，热力失衡问题越来越严重，具体表现在管网末端用户的采暖效果越来越差。为配合我院沿街开发的形势，院西区两栋临街多层住宅拆除，由于采暖用户（以下均指单栋或单元建筑）减少采暖外网须相应调整，此举可部分程度缓解采暖系统效果恶化情况，但热力管网水力失衡问题尚未得到解决。
　　院西区采暖热网布置现状参见"图一"。西区采暖面积约35000m²，冬季总采暖热负荷为2230kw。采暖热源为西区锅炉房及换热站；4t/h燃煤蒸汽锅炉1台；螺旋板式汽-水换热器2台；1000m³/h热水循环泵2台，1有1备，铭牌扬程3.2Mpa；系统由设在"中南海18单元"屋而后高位膨胀水箱定压，换热站内设系统被给水泵。该采暖系统共分3个树状供回水环路。
　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图一 中南建筑设计院西区采暖热网示意图
　　
　　1#环路为院内中部环路，原负担"1～3单元"，"4～6单元"，"幼儿园"，"29～32单元（50户）"，"18户"，" 33～35单元（36户）"及"23户"采暖负荷，其供加水总管管径为DN125，现增加一个用户"北大板"，其负担总热负荷为1219kw。该环路用户多且作用半径长，长期以来热力失衡问题严重，沿途用户供暖冷热不均，最不利用户"23户"室内采暖系统形同虚设，"36户"各单元采暖效果也较差。
　　2#环路为院内北部环路，负担"7～10单元"，"11～14单元"，"北大板"及"40户"采暖负荷，其代回水总管管径为南部环路，原负担"中单公寓"及"40户"拆除，现仅负担"中单公寓"，其热负荷为115kw。
　　
2.管网水力计算及平衡分析
　　
　　基于上述原因，我们对院西区采暖热网进行水力计算及分析，拟采取水力平衡阀等技术措施对该采暖热网进行水力平衡，以期改善西区整体采暖效果。
　　
　　2．1 计算条件
　　已知条件
　　（1）外网各环路管段管径及沿程长度，各单位采暖设计热负荷及总设计热负荷。各环路用户采暖热负荷说"表1"

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表一

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　续表一

　　(2)各环路用户室采暖水系统所需资用压头，由各单体采暖设计图纸及资料获得，参见"表四"及"表五"中"用户所需资用压头"项。
　　假定条件：
　　（1）由于锅炉及换热器效率的降低，根据该系统运行经验采暖供水最高温度为80℃，最大供回水温差15～18℃。采暖供回水温度取80/60℃。
　　（2）由于系统运行多年外管内壁粗糙度增大，外管内壁粗糙度取K=0.5mm。

　　2．2　环路外网摩阻计算
　　1#环路负担总热负荷为1219kw，循环水量为52.8kg/h，其供回水总管管径为DN125，环路外网摩阻计算说"表二"

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表二

　　2#环路负担总热负荷为897kw，循环水量为22.9kg/h，其供回水总管管径为DN125，环路外网摩阻计算详"表三"

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表三

　　3#环路目前仅负担单一用户，其设计热负荷为115kw，循环水量为4.95kg/h，其供回水总管管径为DN100，供回水总管长约80m，环路外网摩阻及局部阻力较小，总阻力约为5kpa。
　　
　　2．3 环路外网水力平衡分析及平衡措施
　　2．3．1 　1#环路外网水力平衡
　　1#环路最不利用户为"23户"，其外网沿程摩阻为73.0kpa，考虑沿程局部阻力为摩阻的10%即7.3 kpa，沿程总阻力为80.3 kpa，"23户"资用压头为30 kpa，因此，1#环路所需资用压头为110.3 kpa，，可取值为115 kpa。各用户之入户管径及所需资用压头不等。1#环路水力平衡计算详"表四"。从水力平衡计算表"表四"可以看出，近端用户入户供水管均设数字锁定平衡阀，阀门口径均比相应管径小一号，同时可以看出各平衡阀的开度均较小，尚未达到开度应在60～90%的理想范围。最不利用户"23户"入口不设平衡阀。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表四

　　2.3.2　 2#环路外网水力平衡
　　
　　2#环路最不利用户为"中南海15～21单元"，其外网沿程摩阻为83.7kpa,考虑沿程局部阻力为摩阻的10%即8.4 kpa,沿程总阻力为91.7 kpa,该用户资用压头为30 kpa,因此，2#环路所需资和压头为121.7 kpa,取值为125 kpa。各用户之入户管径及所需资用压头不等。2#环路水力平衡计算详"表五"。从水力平衡计算表"表五"可以看出，近端用户入户供水管均设数字锁定平衡阀，阀门口径均比相应管径小一号。最不利用户"中南海15～21单元"之各单元供回水管为水平同程布置，因此不设平衡阀。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表五

　　2.3.3　3#环路外网水力平衡
　　3#环路沿程总阻力为5 kpa,用户资用压头为25 kpa,因此，3#环路所需资用压头为30 kpa。入户管径DN65，而该环路外管管径DN100相对过大，若仅靠调整在换热站内该环路供回水管DN100口径阀门开度难以达到环路所需较低的资用压头，因此建议在其用户"中单公寓"之进水干管设口径DN40数字锁定平衡阀，也可为将来院内再增加该环路之用户作准备。具体的平衡方案是，在换热站内适当关小3#环路供回水总管阀门开度使环路资用压头为50 kpa,用户采用DN40数字锁定平衡阀消耗富裕压头20 kpa,该平衡阀开度设定为42%。