熱網(wǎng)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(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林1320122;2.長(zhǎng)春一汽四環(huán)動(dòng)能有限公司，長(zhǎng)春130011)

評(píng)價(jià)一個(gè)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理的優(yōu)劣，不僅要考慮它在運(yùn)行中的水力穩(wěn)定性，同時(shí)還要考慮其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。盡管目前常規(guī)的集中供熱系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)早已被人們所熟知，但隨著熱網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，以及系統(tǒng)連接復(fù)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(lái)的循環(huán)水泵的能耗問(wèn)題逐漸凸顯出來(lái)。對(duì)此，本文就這一問(wèn)題引進(jìn)了一種新的連接方式——安裝均壓罐的連接方式，并對(duì)此連接方式下的多種連接方案進(jìn)行深入分析。

1 網(wǎng)路水力工況分析

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

式中:S為系統(tǒng)阻力數(shù)，h2/m5。

圖1為5個(gè)熱用戶并聯(lián)組成的常規(guī)供熱系統(tǒng)。其中各干管區(qū)段分別以a－b、b－c、c－d、d－e、e－f表示;包括熱用戶在內(nèi)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(huì)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(shí)不進(jìn)行分支系統(tǒng)的阻力調(diào)整，則會(huì)出現(xiàn)各熱用戶之間嚴(yán)重的水力失調(diào)，從而照成其熱力失調(diào)。水力失調(diào)度可表示為［1］

圖1 常規(guī)供熱系統(tǒng)示意圖

式中:xi，max為水力失調(diào)度;qvi，max、qv，s為每個(gè)熱用戶最大可能的流量和設(shè)計(jì)的流量，m3/h。

為了進(jìn)一步說(shuō)明系統(tǒng)及阻力數(shù)對(duì)各熱用戶水力工況的影響，現(xiàn)以圖1為例并設(shè)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(zhǎng)為4 000 m，每一用戶之間管路總長(zhǎng)均為800 m。當(dāng)主管路比摩阻取為0.01 mH2O/m，熱網(wǎng)循環(huán)水泵站內(nèi)阻為10 mH2O，每個(gè)熱用戶的設(shè)計(jì)流量應(yīng)為50 m3/h，而包括循環(huán)最不利的第1用戶在內(nèi)分系統(tǒng)阻力為5 mH2O，有初調(diào)前熱源及各熱用戶水力失調(diào)度xi計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 初調(diào)前熱源及各熱用戶的水力失調(diào)度xi計(jì)算結(jié)果

表1的計(jì)算結(jié)果證明:當(dāng)為了滿足最末端熱用戶1的熱負(fù)荷需要，如果不進(jìn)行分支系統(tǒng)阻力的合理調(diào)整，將會(huì)因每個(gè)熱用戶的資用壓頭不等而造成各熱用戶水力失調(diào)度從1.61至2.72不等，并最終導(dǎo)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(diào)，一般可采用調(diào)整熱用戶進(jìn)出口閥門(mén)的開(kāi)度將多余壓頭消耗掉以保證每個(gè)熱用戶達(dá)到設(shè)計(jì)工況下的流量。然而，由于種種原因，圖1所示的連接系統(tǒng)將不可避免的出現(xiàn)水力失調(diào)，從而直接影響到良好的供熱。為了避免出現(xiàn)這一狀況，這里引入一種新的連接設(shè)備——均壓罐。其工作原理如圖2所示。

圖2 供熱系統(tǒng)均壓罐連接示意圖

2 均壓罐的工作原理及系統(tǒng)連接方案的擬定

根據(jù)系統(tǒng)能量及質(zhì)量平衡原理［2］

式中:qv，g1、qv，g2、qv，h1、qv，h2為系統(tǒng)一、二級(jí)網(wǎng)路的供、回水流量，m3/h;tg1、tg2、th1、th1為系統(tǒng)一、二級(jí)網(wǎng)路的供、回水溫度，℃;c為循環(huán)水比熱，W/kg·K;ρ為循環(huán)水密度，kg/m3。

從式(3)、(4)可以看出，二級(jí)網(wǎng)中的循環(huán)水流量的變化并不會(huì)影響一級(jí)網(wǎng)中的循環(huán)水流量的變化。這一點(diǎn)說(shuō)明，如果在二級(jí)網(wǎng)中并聯(lián)多用戶時(shí)，其各熱用戶彼此之間的流量變化也會(huì)互不影響。從而克服了系統(tǒng)各熱用戶水力失調(diào)現(xiàn)象，此外，若忽略循環(huán)水的比熱和密度的差異，根據(jù)式(6)、(7)可得一、二級(jí)熱網(wǎng)的循環(huán)水量與其對(duì)應(yīng)的供、回水溫差的關(guān)系:

據(jù)此，這里可對(duì)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(huán)系統(tǒng)，其中均壓管左側(cè)為一次網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)，右側(cè)為二次網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)，其方案分為以下4種連接方式，分別見(jiàn)圖2—圖5所示。與圖1相比，除系統(tǒng)的連接不同外，一、二次熱網(wǎng)循環(huán)水泵站內(nèi)阻均為10 mH2O，其中一次網(wǎng)的主管路經(jīng)濟(jì)比摩阻仍為0.01 mH2O/m，而在二次網(wǎng)中每一熱用戶獨(dú)立成循環(huán)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此時(shí)的各循環(huán)回路經(jīng)濟(jì)比摩阻可取為0.005 mH2O/m。

圖2 系統(tǒng)改造方案1

圖3 系統(tǒng)改造方案2

圖4 系統(tǒng)改造方案3

圖5 系統(tǒng)改造方案4

表2 各方案中組合管段的參數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖3 變工況下水泵多方案運(yùn)行示意圖

表2結(jié)果顯示，在保證設(shè)計(jì)流量下，由于各管段的長(zhǎng)度不同而導(dǎo)致其壓降不同。對(duì)于一級(jí)網(wǎng)路而言，隨著它所承擔(dān)的熱用戶數(shù)的增加和主管路的延長(zhǎng)，盡管一級(jí)網(wǎng)路總循環(huán)水泵所應(yīng)承擔(dān)流量則保持不變，均為250 m3/h，但為抗管路阻力所必須的揚(yáng)程將隨之增加，如方案1至方案4中，它們應(yīng)承擔(dān)的抗阻力必須的揚(yáng)程將從23 mH2O增加到47 mH2O;而對(duì)于二級(jí)網(wǎng)路而言，越遠(yuǎn)離均壓罐的熱用戶其承擔(dān)50 m3/h流量的循環(huán)水泵所必須提供的揚(yáng)程越大，如方案1中的熱用戶4到1，各熱用戶循環(huán)水泵應(yīng)承擔(dān)的抗阻力所必須的揚(yáng)程將從17 mH2O增加到29 mH2O。其它方案的結(jié)果也與此相似。

4 變流量下循環(huán)水泵運(yùn)行

對(duì)于表2中所確定的任一工況點(diǎn)，一般情況下很難找到恰好滿足其要求的循環(huán)水泵。因此，為了適應(yīng)系統(tǒng)的要求，則必須在水泵被選定的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作點(diǎn)的調(diào)整。如圖3所示，當(dāng)管路系統(tǒng)所需總壓降為Δp，但為了滿足這一揚(yáng)程所對(duì)應(yīng)的流量并不是系統(tǒng)所需流量，則為了滿足系統(tǒng)的額定流量qv，0，通?？刹扇∫韵聝煞N調(diào)節(jié)方法。

①節(jié)流法:采取閥門(mén)節(jié)流將管路的特性曲線由gi調(diào)整到g0并交于0點(diǎn)的方法;

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

由于節(jié)流法相對(duì)于調(diào)速法能耗高，故這里不對(duì)其在不同方案下進(jìn)行對(duì)比分析，而只對(duì)其在進(jìn)行調(diào)速法對(duì)比分析。

4 .1水泵及管路特性曲線的表達(dá)形式

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

式中:Hp為水泵的揚(yáng)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(shù)。

4 .2變轉(zhuǎn)速下水泵特性曲線方程的導(dǎo)出

當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速由n0變?yōu)閚i時(shí)，其特性曲線將由(H－qv)0變?yōu)?H－qv)i。關(guān)于這個(gè)特性方程的求取可通過(guò)泵的相似理論并結(jié)合式(6)得到［4］:

關(guān)于ni的確定，可將式(8)與式(1)進(jìn)行聯(lián)立求得:

從式(9)可以看出，泵轉(zhuǎn)速ni不僅與管路阻力數(shù)Si有關(guān)，而且還與系統(tǒng)流量qv有關(guān)。

4 .3變轉(zhuǎn)速下水泵工作點(diǎn)效率及能耗的確定

在圖3中，對(duì)于泵的變轉(zhuǎn)速下的工作點(diǎn)0'所對(duì)應(yīng)的效率同樣可依據(jù)泵的相似理論并結(jié)合式(7)得到:

一旦求得泵該點(diǎn)效率被確定，便可計(jì)算出泵的對(duì)應(yīng)輸出軸功率為

5 算例與運(yùn)行工況分析

為了滿足前面各系統(tǒng)不同聯(lián)接方式下所采取的不同運(yùn)行方式的要求，綜合分析，現(xiàn)將擬定的可適應(yīng)不同運(yùn)行方案的循環(huán)水泵型號(hào)、特性的擬合方程等所需參數(shù)列于表3中。

表3 一、二級(jí)網(wǎng)擬定水泵型號(hào)及應(yīng)用方案

表4 一、二級(jí)網(wǎng)路各方案中的循環(huán)水泵參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5 常規(guī)方案及4種改造方案中循環(huán)水泵能耗比較

表5為表4中循環(huán)水泵能耗相關(guān)數(shù)據(jù)的整合結(jié)果。從表5可以看出，改造方案1的循環(huán)水泵總能耗最小，為16.74 kW，而常規(guī)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(shù)量、不同的供熱規(guī)模下以及循環(huán)水泵選擇的不同，其最優(yōu)方案也會(huì)有所不同。這一點(diǎn)應(yīng)引起人們的注意。

6 小結(jié)

供熱系統(tǒng)產(chǎn)生熱力失調(diào)的原因就在于其水力失調(diào)，如何克服其失調(diào)性一直是業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。盡管人們提出了改進(jìn)方案，但都還不能從根本上解決問(wèn)題。對(duì)此，這里提出的在系統(tǒng)中采用均壓罐代替常規(guī)的表面式換熱器，最重要的是可提高熱網(wǎng)的水力穩(wěn)定性;其次，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理，則在滿足供熱的前提下還能大大降低運(yùn)行能耗。該方案若能得到應(yīng)用并大力推廣，將會(huì)給現(xiàn)有的集中供熱系統(tǒng)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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

［2］李先瑞.供熱空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理、節(jié)能、診斷技術(shù)指南［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2004:657－663.

［3］王朝暉.泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2007，8:116－118.

［4］胡思科，楊吉青.供暖循環(huán)水泵非同步調(diào)速運(yùn)行時(shí)的不合理性分析計(jì)算［J］.暖通空調(diào)，2005，2:108－111.