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| | 摘要：现代工程中采用水力平衡调节阀及专用智能仪表能有效解决管网水力失调和热力失调问题。本文对吉林省某区域供热管网系统现状进行了分析，归纳了存在的问题并分析了问题产生的原因。在充分考虑区域内建筑物供热需求基础之上，提出了热网改造方案并进行设计，重点加强了热网的热力平衡和平衡阀的设置。分析了平衡阀在区域供热管网系统中调节的基本原理，结合平衡阀的特点，阐述了供热系统中平衡阀的选用原则，并通过加设平衡阀进行了供热管网的改造，解决了水力失调问题。此项技术达到了节能的目的，其社会效益和节能效果显著。
关键词：区域供热管网系统 平衡阀 热力分析改造
1 引言
目前，旧有区域供热管网系统中，普遍存在着水力工况失调现象，从而造成了各采暖建筑物之间的室内温度偏差较大，冷热不均。随着节能要求的提高，在区域供热管网系统中准确调节流量愈来愈重要。水力平衡阀具有截止和节流的作用并能够准确地调节流量，当平衡阀按设计供热量调整到设计流量锁定后，可以使供热管网系统在设计工况下保持长期稳定的热力平衡状态下运行。
本文对吉林省某小区供热管网系统现状进行了分析，归纳了存在问题，分析了平衡阀调节的基本原理，结合平衡阀的特点，阐述了供热系统改造中平衡阀的选用方法，并通过系统热力平衡分析和加设水力平衡调节阀进行了热力管网的改造，解决了热力失调问题。此项技术达到了节能的目的，其社会效益和节能效果显著。
2 管网系统存在问题及分析
2.1 供热管网现状
吉林省某小区供热管网集中低温热水供热系统供热管网形式为低温热水供热管网，设计供回水温度为95℃/70℃，热源为独立锅炉房，补给水泵定压，热网布置如图1所示。设计之初，因为区域规模较小（系统总供热量仅为2223.94kw），供热系统没有设置必要的调节装置，后经多次扩建达到供热总负荷6011.24kw。供热负荷的成倍增加以及热水循环泵运行效率的降低，供热系统运行效率降低，热力失衡问题越来越严重。
2.2 供热管网系统水力平衡分析
2.2.1 管网系统平衡原理
水力工况是指管网系统各点的压力、流量及压差。流量与阻力损失的关系用下式表示[1]:
（1）
式中，ΔP为压差(即阻力损失)，MPa; S为管段或者系统的阻抗；Q为管段或系统的体积流量，m3/ h。
水力平衡是指流量的合理分配[2]。供热管网系统中，水力工况计算是在各分支流量为设计值的假想情况下进行的。由于管材及最高流速的限制，从设计上实现水力平衡几乎是不可能的。这势必造成始端阻力系数不能满足设计的理想状态，形成始端流量过大，末端流量不足的失调现象。在运行工况下，水泵输出压力的工作曲线与外网特性曲线交汇形成的。对于外网特性曲线ΔP=SQ2，一般情况下，由于并联的始端支路S值远小于设计值，造成总S值远小于设计值，循环水泵在小扬程大流量工况下运行，其特点是轴功率大、效率低。
2.2.2 管网系统存在问题及原因
在该区域供热管网系统运行过程中往往会出现水泵实际扬程小于额定扬程，导致末端缺水，锅炉阻力大，锅炉出力不足的情况。在实际运行的主要问题是：
①始端支线阻力小、流量大，造成末端流量小，水泵工作点偏移在大流量、小扬程、低效率工作区。
②总循环水量的加大导致锅炉、换热器等阻力加大，水流量增大40% ,阻力会增加100%。
③流量加大后供回水温差不可能更大，煤质和鼓、引风系统不正常也可能造成锅炉输出不足。
分析问题产生的主要原因是：
①供热管网设计与锅炉房设计不匹配，外网水力计算不准确，各环路自身又不具备水力调节功能，造成供热管网系统水力失调。
②原有锅炉房供热外网不断扩建，供热管网系统出现新的水力失调现象。
③为了保证远离热源的建筑物室内采暖温度，而加大热水流量，从而造成近环路室内温度过热、外管网水平失调，为了保证高层建筑底层室内采暖温度，而加大流量，从而造成顶层室内温度过热，室内管网系统垂直失调。热用户热量分配不均，管网末端用户的供热效果欠佳，水力失调情况严重。
在该供热管网系统改造中，水力工况的调整过程就是用平衡阀增加始端阻力，使始端支路S值增大至设计值，总S值增大至设计值。使始末端流量分配均匀合理，循环水泵在设计工况下运行，达到节能目的，提高供热质量。
3 平衡阀的选用
平衡阀是供热管网中不可缺少的重要部件，正确、合理地应用平衡阀，对管网系统的正常运行有非常重要的意义。
3.1 平衡阀的选用原则
图2 SP型平衡阀的Kv值
平衡阀具有造价低和使用寿命长等优点，对支路不多的小型管网也可方便地进行水力工况平衡。 阀门特性曲线决定了阀门的调节性能[2] [3]。由于阀门理论特性曲线是在定压差下测试，而实际工况只要阀门开度不为1，则阀门在小开度情况下，阀前后压差大，大开度时阀门前后压差小，使阀门实际工作曲线向快开方向偏移，阀权度越小其偏移越大。对具有直线特性的阀门，由于实际性能的偏移会导致阀门有效调节的开度空间变小，因此阀门的理论性曲线以等百分比特性为好。对等百分比(对数)特性曲线阀门，在阀权度0.3-0.5时实际工作曲线可能接近直线特性[4]。选用阀门时尽量加大阀权度，以避免阀门在小开度下运行。
3.2 平衡阀的选用方法
平衡阀的作用是消除环路剩余压头，限定环路水流量。为合理地选择平衡阀的型号，在设计供热系统时，仍要进行管网水力平衡计算，在计算的基础上按管径选取平衡阀型号。
通过阀门的流量 G与阀门前后的压差△P之间的关系可以写为下式[5]:
(2)
式中Kv即阀门的流量系数。对应不同的开度有不同的Kv值，Kv值的大小反映了阀门在某一开度的流通能力。图2为SP系列平衡阀DN32-DN80口径平衡阀的Kv与开度的关系曲线[6]。
在初选平衡阀时，只要知道所要求的流量及应该消耗的压差，则可通过式(1)计算出所选阀门的流量系数Kv，再由各种型号平衡阀的Kv曲线就可查到相应的阀门型号，并同时确定开度。以吉林省某区域供热管网系统支路L9为例，由水力计算结果（表2）通过流量G=14.94m3/h, 环路节点处提供压头124.98kPa, 用户所需资用压头66.97kPa，平衡阀用压头58.01kPa，则 ，由图2可查得与此对应的DN80，DN65,DN50三种口径的平衡阀开度分别为12%，28%，50%，应选取DN50，开度为50%的平衡阀。选小口径平衡阀，一方面是可以提高调节精度，因为相对于同样的开度改变，小口径阀门的流量变化较小，另一方面节省了投资。一般要求所选平衡阀的设计开度在60%一90%之间，这样既可在满足设计流量的条件下，所选平衡阀口径较小，又有一定的调节余地。其余用户平衡阀的选用见表3。
对原系统改造时，直接以平衡阀取代原有的截止阀或闸阀，但需要压降校核计算以避免平衡阀产生的压降过小，造成较大误差。校核步骤[7]为按该平衡阀负担的供热面积计算出设计流量，按管径求出设计流量时管内的流速v，由该型号的平衡阀全开时的ξ值，按公式ΔP=ξ•ρv2/2，求得压降值ΔP，如果ΔP＜ 2 kPa-3 kPa，可选用小口径型号平衡阀，重新计算v和ΔP,直到所选平衡阀在设计流量时的压降ΔP≥2 kPa-3kPa为止。
4 实例分析
以供热管网中部主环路为例，负担“电工室”，“介入科”，“食堂”，“1号住院楼”，“图书馆”，“走廊”，“2号住院楼” ，“车库”，“办公楼”，“吉兴餐厅”及“新住院楼”供热负荷，供回水总管径为DN200，其总热负荷为2530.5kw。该环路管网情况复杂且作用半径大，长期以来热力失衡严重，沿途用户供暖冷热不均，最不利用户“新住院楼”供热系统效果较差。
基于上述原因，对该小区供热管网进行水力计算及分析，采取平衡阀对管网进行水力平衡调节，改善区域供热的整体效果。
4.1 计算条件
①外网各环路管段管径及沿程长度，热用户供热设计热负荷。环路热用户供热负荷见表1。
表1 环路用户采暖热负荷
用户名称 | 电工室 | 车库 | 办公楼 | 吉兴餐厅 | 介入科 | 食堂 | 走廊 | 住院楼2 | 新住院楼 | 住院楼1 | 图书馆 | 热负荷（kw） | 17.6 | 15.4 | 292.4 | 39.9 | 166.7 | 180.0 | 49.6 | 671.9 | 300.6 | 769.3 | 27.1 |
②各环路用户室内采暖水系统所需资用压头，由该小区供热设计图纸及资料获得，参见表3中“用户所需资用压头”项。
③由于锅炉及换热器效率的降低，根据该系统运行经验供热供水最高温度为80℃，最大供回水温差15～18℃。供热供回水温度取80/60℃。
④由于系统运行多年管道内壁粗糙度增大，拟采用焊接钢管更新管道，管道内壁粗糙度取K=0.5mm。
4.2 管网系统水力计算[8][9][10]
环路负担总热负荷为2530.5kw，循环水量为108.61t/h，其供回水总管管径为DN200，计算见表2。
表2 环路水力计算表
管段 编号 | 流量 （t/h） | 管径 （mm） | 流速 （m/s） | 单位摩阻 （Pa/m） | 管段长度 （m） | 管段摩阻 （kPa） | 累计摩阻 （kPa） | L1 | 108.6 | 200 | 0.92 | 52.1 | 52 | 2.72 | 2.72 | L2 | 107.8 | 200 | 0.89 | 51.2 | 44 | 2.32 | 5.04 | L3 | 92.9 | 200 | 0.78 | 34.2 | 176 | 6.19 | 11.23 | L4 | 85.2 | 200 | 0.73 | 30.4 | 91 | 2.77 | 14.00 | L5 | 52.1 | 150 | 0.86 | 62.8 | 133 | 8.35 | 22.35 | L6 | 50.9 | 150 | 0.84 | 59.5 | 71 | 4.23 | 26.58 | L7 | 48.23 | 150 | 0.79 | 53.3 | 70 | 3.73 | 30.31 | L8 | 19.34 | 100 | 0.74 | 79.2 | 164 | 12.99 | 主干线1总阻力：43.30 | L9 | 14.94 | 80 | 0.82 | 127.5 | 54 | 6.89 | 6.89 | L10 | 14.28 | 80 | 0.77 | 110.8 | 82 | 9.09 | 15.98 | L11 | 1.71 | 50 | 0.27 | 26.1 | 38 | 0.99 | 16.97 |
4.3 管网系统平衡阀选用及水力平衡分析
环路最不利用户为“新住院楼”，供热管网沿程阻力损失为43.3kPa，考虑沿程局部阻力为摩阻的10%即4.3 kPa，沿程总阻力为47.6 kPa，“新住院楼”资用压头为50 kPa，环路所需资用压头为97.6 kPa，可取值为130 kPa。各用户入户管径及所需资用压头不等。环路水力平衡计算详见表3。从水力平衡计算表3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1-2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。其中电工室、图书馆及走廊因负荷较小，平衡阀开度小于10%，设计考虑就近将其接入临近用户室内管网系统，不设平衡阀。最不利用户“新住院楼”入口不设平衡阀。
表3 环路水力平衡计算表
用户 名称 | 用户流量 （t/h） | 环路提供压头（kPa） | 用户所需资用压头（kPa） | 平衡阀用压头（kPa） | 入户管径 （mm） | 平衡阀阀径（mm） | 平衡阀开度 （%） | 电工室 | 0.76 | 127.3 | 50 | 77.3 | 50 | 32 | 5（不设阀） | L9支路 | 14.94 | 124.98 | 66.97 | 58.01 | 80 | 50 | 50 | 介入科 | 7.17 | 118.79 | 50 | 68.79 | 80 | 50 | 30 | 食堂 | 7.74 | 116.02 | 50 | 66.02 | 80 | 50 | 30 | 1号楼 | 33.08 | 107.67 | 50 | 57.67 | 125 | 80 | 35 | 图书馆 | 1.17 | 103.44 | 50 | 53.44 | 40 | 32 | 8（不设阀） | 走廊 | 2.67 | 99.71 | 50 | 49.71 | 50 | 32 | 8（不设阀） | 2号楼 | 28.89 | 86.98 | 50 | 36.98 | 125 | 80 | 32 | 新楼 | 12.93 | 50 | 50 | 0 | 100 | 不设阀 |
4.4 供热管网改造及效果
在2005年采暖季之前，小区集中供热管网根据上述水力平衡方案进行了改造。
①对绝大多数热用户热力入口处的供水干管均增设SP型数字锁定平衡阀，并将平衡阀设定在计算所确定的开度，用户供回水干管上原有手动截止阀或闸阀全部满开；
②通过调节换热站内集分水器处各环路供回水管上的主阀，使环路的资用压头为130 kPa。
2005年入冬后，医院集中供暖系统投入运行，长期以来困绕医院的热力失调问题得到了解决。该环路原供热效果最差的用户“新建住院楼”室内供热系统完全正常，该环路已实现热力平衡，其水力平衡已得到体现。
5 总结
①该供热管网系统改造后的运行效果证明上述水力平衡的计算及分析结果是正确可靠的，为今后热网的平衡积累了一定的经验。
②平衡阀是热力管网平衡的有力工具，借助于平衡阀可以实现水力平衡的量化。对于供热管网系统，平衡阀可装设于热源出口的供水总管、各支干管、用户入口处及室内供暖系统的各个环路上。对室温要求较高的建筑，可装在室内供暖系统的各立管上，所装设的平衡阀可以代替关断阀门。
③对于整个热力管网而言，单体室内供热系统设计的入户管径偏大的情况普遍存在，对支状管网的近端用户尤为严重。通过对管网系统及用户水力平衡的分析，应用平衡阀进行管网系统调节是管网系统平衡调节的必要手段。
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