热网中采用多方案均压罐连接方式下的工况分析

胡思科，李红贞，王丽萍，孙晓东

(1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林1320122;2.长春一汽四环动能有限公司，长春130011)

评价一个供热系统设计与运行管理的优劣，不仅要考虑它在运行中的水力稳定性，同时还要考虑其运行的经济性。尽管目前常规的集中供热系统所具有的特点早已被人们所熟知，但随着热网规模的扩大，以及系统连接复杂性的提高，其水力的不平衡性以及为满足热用户的用热需求而带来的循环水泵的能耗问题逐渐凸显出来。对此，本文就这一问题引进了一种新的连接方式——安装均压罐的连接方式，并对此连接方式下的多种连接方案进行深入分析。

1 网路水力工况分析

对于一个具有多用户供热系统，各管段的压降和流量分配完全取决于系统的连接方式以及各管段阻力的大小，一旦管路系统被确定，这些参数也就被确定。且不论系统的总压降H与总流量qv，还是分系统的分压降Hi与分流量qv，i的关系都可表示为

式中:S为系统阻力数，h2/m5。

图1为5个热用户并联组成的常规供热系统。其中各干管区段分别以a－b、b－c、c－d、d－e、e－f表示;包括热用户在内的各分支管段则分别以a－1－a、b－2－b、c－3－c、d－4－d、e－5－e表示。从该图中可知，各热用户的可资用压头会随着各热用户靠近热源距离的不同而不同，越靠近热源其可资用压头越大，如果此时不进行分支系统的阻力调整，则会出现各热用户之间严重的水力失调，从而照成其热力失调。水力失调度可表示为［1］

图1 常规供热系统示意图

式中:xi，max为水力失调度;qvi，max、qv，s为每个热用户最大可能的流量和设计的流量，m3/h。

为了进一步说明系统及阻力数对各热用户水力工况的影响，现以图1为例并设定热源距热用户1的距离为2 000 m，且热源及各热用户按等距离分布，则有供、回水管路总长为4 000 m，每一用户之间管路总长均为800 m。当主管路比摩阻取为0.01 mH2O/m，热网循环水泵站内阻为10 mH2O，每个热用户的设计流量应为50 m3/h，而包括循环最不利的第1用户在内分系统阻力为5 mH2O，有初调前热源及各热用户水力失调度xi计算结果如表1所示。

表1 初调前热源及各热用户的水力失调度xi计算结果

表1的计算结果证明:当为了满足最末端热用户1的热负荷需要，如果不进行分支系统阻力的合理调整，将会因每个热用户的资用压头不等而造成各热用户水力失调度从1.61至2.72不等，并最终导致热源被迫提供的流量增加近一倍。为了避免各热用户的水力失调，一般可采用调整热用户进出口阀门的开度将多余压头消耗掉以保证每个热用户达到设计工况下的流量。然而，由于种种原因，图1所示的连接系统将不可避免的出现水力失调，从而直接影响到良好的供热。为了避免出现这一状况，这里引入一种新的连接设备——均压罐。其工作原理如图2所示。

图2 供热系统均压罐连接示意图

2 均压罐的工作原理及系统连接方案的拟定

根据系统能量及质量平衡原理［2］

式中:qv，g1、qv，g2、qv，h1、qv，h2为系统一、二级网路的供、回水流量，m3/h;tg1、tg2、th1、th1为系统一、二级网路的供、回水温度，℃;c为循环水比热，W/kg·K;ρ为循环水密度，kg/m3。

从式(3)、(4)可以看出，二级网中的循环水流量的变化并不会影响一级网中的循环水流量的变化。这一点说明，如果在二级网中并联多用户时，其各热用户彼此之间的流量变化也会互不影响。从而克服了系统各热用户水力失调现象，此外，若忽略循环水的比热和密度的差异，根据式(6)、(7)可得一、二级热网的循环水量与其对应的供、回水温差的关系:

据此，这里可对图1中的热用户采用均压罐的连接方式，并将其分为一、二次循环系统，其中均压管左侧为一次网循环系统，右侧为二次网循环系统，其方案分为以下4种连接方式，分别见图2—图5所示。与图1相比，除系统的连接不同外，一、二次热网循环水泵站内阻均为10 mH2O，其中一次网的主管路经济比摩阻仍为0.01 mH2O/m，而在二次网中每一热用户独立成循环，根据设计要求，此时的各循环回路经济比摩阻可取为0.005 mH2O/m。

图2 系统改造方案1

图3 系统改造方案2

图4 系统改造方案3

图5 系统改造方案4

表2 各方案中组合管段的参数计算结果

图3 变工况下水泵多方案运行示意图

表2结果显示，在保证设计流量下，由于各管段的长度不同而导致其压降不同。对于一级网路而言，随着它所承担的热用户数的增加和主管路的延长，尽管一级网路总循环水泵所应承担流量则保持不变，均为250 m3/h，但为抗管路阻力所必须的扬程将随之增加，如方案1至方案4中，它们应承担的抗阻力必须的扬程将从23 mH2O增加到47 mH2O;而对于二级网路而言，越远离均压罐的热用户其承担50 m3/h流量的循环水泵所必须提供的扬程越大，如方案1中的热用户4到1，各热用户循环水泵应承担的抗阻力所必须的扬程将从17 mH2O增加到29 mH2O。其它方案的结果也与此相似。

4 变流量下循环水泵运行

对于表2中所确定的任一工况点，一般情况下很难找到恰好满足其要求的循环水泵。因此，为了适应系统的要求，则必须在水泵被选定的基础上进行工作点的调整。如图3所示，当管路系统所需总压降为Δp，但为了满足这一扬程所对应的流量并不是系统所需流量，则为了满足系统的额定流量qv，0，通常可采取以下两种调节方法。

①节流法:采取阀门节流将管路的特性曲线由gi调整到g0并交于0点的方法;

②调速法:在管路的特性曲线gi不变的条件下改变水泵转速为ni，并使特性曲线(H－qv)i交于0'点的方法。

由于节流法相对于调速法能耗高，故这里不对其在不同方案下进行对比分析，而只对其在进行调速法对比分析。

4 .1水泵及管路特性曲线的表达形式

对于离心水泵而言，其工频转速下的(H－qv)0和η0的特性，常以三项式的形式表示［3］:

式中:Hp为水泵的扬程，mH2O;qv为水泵的流量，m3/h;ηp为水泵的效率，%;A0、A1、A2、B1、B2、B3为水泵的(Hp－qv)0和η0曲线拟合系数。

4 .2变转速下水泵特性曲线方程的导出

当水泵转速由n0变为ni时，其特性曲线将由(H－qv)0变为(H－qv)i。关于这个特性方程的求取可通过泵的相似理论并结合式(6)得到［4］:

关于ni的确定，可将式(8)与式(1)进行联立求得:

从式(9)可以看出，泵转速ni不仅与管路阻力数Si有关，而且还与系统流量qv有关。

4 .3变转速下水泵工作点效率及能耗的确定

在图3中，对于泵的变转速下的工作点0'所对应的效率同样可依据泵的相似理论并结合式(7)得到:

一旦求得泵该点效率被确定，便可计算出泵的对应输出轴功率为

5 算例与运行工况分析

为了满足前面各系统不同联接方式下所采取的不同运行方式的要求，综合分析，现将拟定的可适应不同运行方案的循环水泵型号、特性的拟合方程等所需参数列于表3中。

表3 一、二级网拟定水泵型号及应用方案

表4 一、二级网路各方案中的循环水泵参数计算结果

表5 常规方案及4种改造方案中循环水泵能耗比较

表5为表4中循环水泵能耗相关数据的整合结果。从表5可以看出，改造方案1的循环水泵总能耗最小，为16.74 kW，而常规方案的能耗最大，为26.93 kW，且为改造方案1能耗的1.723倍。但需明确指出，不同的热用户数量、不同的供热规模下以及循环水泵选择的不同，其最优方案也会有所不同。这一点应引起人们的注意。

6 小结

供热系统产生热力失调的原因就在于其水力失调，如何克服其失调性一直是业内人士所关注的焦点问题之一。尽管人们提出了改进方案，但都还不能从根本上解决问题。对此，这里提出的在系统中采用均压罐代替常规的表面式换热器，最重要的是可提高热网的水力稳定性;其次，如果系统设计的合理，则在满足供热的前提下还能大大降低运行能耗。该方案若能得到应用并大力推广，将会给现有的集中供热系统带来较大的经济效益和社会效益。

［1］贺平，孙刚编著.供热工程［M］.3版.北京:中国建筑工业出版社，1993，11:186.

［2］李先瑞.供热空调系统运行管理、节能、诊断技术指南［M］.北京:中国电力出版社，2004:657－663.

［3］王朝晖.泵与风机［M］.北京:中国石化出版社，2007，8:116－118.

［4］胡思科，杨吉青.供暖循环水泵非同步调速运行时的不合理性分析计算［J］.暖通空调，2005，2:108－111.