某礦區(qū)長距離輸送機棧橋供暖系統(tǒng)的設計改造

楊靜

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

機電與自動化

某礦區(qū)長距離輸送機棧橋供暖系統(tǒng)的設計改造

楊靜

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

針對礦區(qū)生產系統(tǒng)中長距離輸送機棧橋采暖系統(tǒng)普遍出現(xiàn)的“中間滯留區(qū)”問題進行水力平衡分析，結合實際工程案例給出解決方案，并得出一定的結論。

長距離輸送機棧橋；中間滯留區(qū)；水力平衡

0 引 言

根據(jù)礦區(qū)生產工藝要求和工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標準，工業(yè)場地內經常有人工作、休息或對溫度有一定要求的建筑物內設集中采暖[1]。生產系統(tǒng)中封閉輸送機棧橋通常采用上供下回雙管同程式采暖系統(tǒng)，且系統(tǒng)供、回水接口分別從棧橋兩端所連接建筑物的采暖系統(tǒng)干線引出與接入，此供暖制式在棧橋采暖系統(tǒng)設計中一直沿用至今，是一項比較成熟的設計方法。

近幾年的采暖季，礦區(qū)現(xiàn)場反應長距離輸送機棧橋采暖系統(tǒng)出現(xiàn)中間多組散熱器不熱或中間散熱器結冰的現(xiàn)象導致棧橋室內采暖溫度低于0℃以下，從而引起皮帶上濕煤結冰，與棧橋相連接的轉載點處來煤含有冰塊，對整個工藝流程將會產生不利的影響。以實際工程為例進行實質性分析，并給出解決方案。

1 工程案例

該案例為2年前設計的一個某礦區(qū)地面生產系統(tǒng)輸送機棧橋采暖項目。

1.1 問題提出

去年冬季運行時，現(xiàn)場測出棧橋室內采暖溫度僅4℃左右，夜間室外最冷時室內溫度則低于0℃，反應棧橋采暖系統(tǒng)中間近10組散熱器冰涼，其余散熱器采暖效果都很好。東西兩側建筑物采暖效果均滿足要求。

1.2 工程概況

該輸送機棧橋東西長160 m，東高西低，東西向棧橋兩端高差為35 m，南北寬3.3 m，高2.5 m。采暖設計參數(shù)：采暖熱媒110/70℃高溫水，采暖室外計算溫度-19℃，室內計算溫度8℃[2]。計算得到建筑物采暖熱負荷為70.4 kW。設計采暖系統(tǒng)平面原理如圖1。

該采暖系統(tǒng)工作壓力為0.9 MPa，為上供下回雙管同程式系統(tǒng)，供水干管引自棧橋東側所連接矸石倉倉上采暖供水主干管處，回水干管接至棧橋西側所連接3號轉載站采暖回水主干管處。該系統(tǒng)所耗設備、管材、閥件見表1。

圖1 采暖系統(tǒng)平面原理

表1 主要設備材料

1.3 問題分析

針對采暖系統(tǒng)本身進行初步分析，對于上供下回雙管同程式系統(tǒng)，運行時熱媒溫度及壓力均滿足設計要求，因每組散熱器的供、回水溫度均相同，各組散熱器的散熱效果應該一樣，不應出現(xiàn)兩端熱、中間不熱的現(xiàn)象，中間不熱可能是該區(qū)域的管道或閥件堵塞，于是和現(xiàn)場溝通進行系統(tǒng)調試予以解決問題。

現(xiàn)場技術人員的調試過程：當關小與不熱散熱器相鄰的多組散熱器供、回水支管閥門時，不熱散熱器表面達到了一定熱度，但效果不明顯；當關閉其余散熱器供、回水支管閥門，僅給中間不熱散熱器供、回水時，不熱散熱器升溫，表面很熱，現(xiàn)場調試結果排除了管道閥件堵塞的可能性[3]，則需要通過理論計算分析來解決問題。

對于該同程式系統(tǒng)，管道的連接方法和連接長度完全相同，且散熱器的規(guī)格和長度也完全相同，在水力計算中一些立管的供、回水干管之間的資用壓力很小或為零時，該立管的水流量很小，甚至出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，則會導致系統(tǒng)的水平失調[4]，出現(xiàn)散熱器不熱的現(xiàn)象。故對該采暖系統(tǒng)進行水力計算并繪制水壓圖。

水力計算公式[5]：

式中：△p為計算管段阻力損失，Pa；△pm為計算管段的摩擦阻力損失，Pa；△pj為計算管段的局部阻力損失，Pa；λ為摩擦阻力系數(shù)；d為管道直徑，m；l為管道長度，m；ρ為熱媒密度，kg/m3；v為熱媒在管內流速，m/s；ζ為局部阻力系數(shù)。

在管路的水力計算中，通常把管路中水流量和管徑都沒有改變的一段管子稱為一個計算管段。任何一個熱水供熱系統(tǒng)的管路都是由許多串聯(lián)或并聯(lián)的計算管段組成的。

圖2 是根據(jù)實際采暖熱負荷、實際管長、實際管道附件（閥件及補償器）和實際流量為設計流量時水力計算的結果而繪制的棧橋采暖系統(tǒng)水壓圖示意圖（系統(tǒng)設散熱器45組，立管45根，因系統(tǒng)太大，僅給出水壓圖的示意圖）。采暖系統(tǒng)壓力損失為14.1 kPa。棧橋采暖系統(tǒng)兩端散熱器進出水之間的壓差較大，中間區(qū)域的散熱器處于整個系統(tǒng)的水壓線壓差最不利的位置，即中間區(qū)域立管的資用壓差很小，小到一定程度該壓差不足以克服該立管所帶散熱器、彎頭、三通、閥件及附屬附件的阻力之和，則會出現(xiàn)停滯或回水倒流現(xiàn)象[6]，進而導致該立管所帶散熱器不熱，當室內溫度低于0℃時，便會出現(xiàn)結冰現(xiàn)象。

圖2 運行工況下的水壓圖示意圖

2 解決方案

2.1 系統(tǒng)水力失調原因

同程式采暖系統(tǒng)理想的水壓圖是供、回水水壓線趨于平行，各立管所在環(huán)路的資用壓頭可以達到平衡。結合圖2所示的棧橋采暖系統(tǒng)供、回水水壓曲線走向，分析水力計算過程總結系統(tǒng)中間區(qū)域資用壓差過小或為零的原因如下：

1）棧橋采暖系統(tǒng)并非獨立，供、回水干管分別與兩端相連建筑物的采暖系統(tǒng)相接，如若系統(tǒng)水力不平衡比較難調節(jié)，且3個建筑物之間相互影響。

2）采暖系統(tǒng)太大，160 m長的棧橋采暖系統(tǒng)僅設一個回路，該回路45根立管并聯(lián)45組散熱器，考慮系統(tǒng)循環(huán)水水質因素，為保證長期運行的采暖效果，各立管管徑均取DN20（計算為DN15）,立管管徑的放大不利于各并聯(lián)環(huán)路立管的壓力平衡。

3）采暖系統(tǒng)管路前半部分供水干管的比摩阻較大，供水壓線斜率較陡，而受限于設計習慣（采暖系統(tǒng)中供、回水管徑規(guī)格最小為DN20）使得前半部分回水干管的比摩阻過小，回水壓線斜率頗平；管路后半部分供水干管的比摩阻較小，供水壓線斜率較緩，回水干管的比摩阻較大，回水壓線斜率較陡。采暖系統(tǒng)越大管線越長，中間區(qū)域的供、回水水壓線越靠近，若管徑選擇不合理，則會出現(xiàn)回水壓線高于供水壓線即回流現(xiàn)象。

2.2 系統(tǒng)改造

棧橋室內采暖系統(tǒng)已布置完成，考慮在原有系統(tǒng)上進行必要的改造以滿足室內采暖要求。改造后棧橋內采暖系統(tǒng)平面原理如圖3。

圖3 解決方案采暖系統(tǒng)平面原理

棧橋采暖系統(tǒng)的供、回水干管均與3號轉載站采暖系統(tǒng)的供、回水主干管相接，即同側引出與接入，此時必須做好棧橋采暖系統(tǒng)和3號轉載站采暖系統(tǒng)的水力平衡計算；將1個采暖系統(tǒng)分成3個小系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間為異程布置，系統(tǒng)內為同程布置；各系統(tǒng)內立管串聯(lián)2組散熱器，即增加各立管阻力更易實現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡；通過水力計算，調整供、回水干管管徑以滿足各系統(tǒng)間及系統(tǒng)內各立管的水力平衡要求。改造后系統(tǒng)所耗設備、管材、閥件見表2。

表2 改造后系統(tǒng)主要設備材料

改造前后，系統(tǒng)散熱器數(shù)量不變，考慮到棧橋為有一定傾斜角度的長跨度建筑物，避免熱氣上浮即“煙囪效應”，散熱器布置位置應盡可能靠近棧橋低端；系統(tǒng)管道規(guī)格及布置均發(fā)生較大變化，管道上固定支架及方形伸縮器等附件的數(shù)量及布置均相應地調整；因將散熱器兩組相串，系統(tǒng)立管數(shù)量大大減少，閥門數(shù)量大幅減少。

2.3 改造后系統(tǒng)水力平衡分析

對改造后的棧橋采暖系統(tǒng)進行水力計算，系統(tǒng)一的最不利環(huán)路壓力損失為2 471 Pa，系統(tǒng)二的最不利環(huán)路壓力損失為2 266 Pa，系統(tǒng)三的最不利環(huán)路壓力損失為2 041 Pa，各系統(tǒng)間的供、回水公共管段的比摩阻取值較小，即異程布置的各系統(tǒng)壓力損失所占百分比較大（與公共管段相比），各系統(tǒng)間的水力不平衡率滿足規(guī)范要求，遠小于15%[7]。

因各系統(tǒng)內散熱器、管道布置及設計原則一致，故水壓圖中兩條水壓線的走向一致，兩條水壓線的間距隨著系統(tǒng)實際資用壓頭的大小而等距離增大或減小。各采暖系統(tǒng)水壓圖示意圖如圖4。

水力計算過程中通過調整采暖系統(tǒng)供、回水干管管徑，采暖系統(tǒng)管路前半部分選取供水干管的比摩阻較小，供水壓線斜率較緩，回水干管的比摩阻較大，回水壓線斜率較陡；管路后半部分供水干管的比摩阻較大，供水壓線斜率較陡，回水干管的比摩阻較小，回水壓線斜率較緩，避免了中間區(qū)域的供、回水水壓線越靠近即滯留或者回流現(xiàn)象。

圖4 改造后運行工況下各系統(tǒng)水壓圖示意圖

2.4 改造后運行效果

對棧橋原采暖系統(tǒng)按照如上方案改造后，現(xiàn)場反應去年供暖季中、末期及今年供暖季棧橋采暖系統(tǒng)運行效果達標，可保證室內采暖溫度達到8℃，且室內采暖系統(tǒng)無“中間滯留區(qū)”現(xiàn)象，與棧橋相連接的3號轉載站采暖系統(tǒng)運行效果達標，可保證室內10℃。

3 結論

為保證礦區(qū)生產系統(tǒng)在安全、可靠的環(huán)境下運行，考慮到長距離輸送機棧橋采暖系統(tǒng)的設計有其特殊性，在以后的設計過程中應注意以下幾點：

1）采暖系統(tǒng)盡量獨立，宜由熱網直接提供單獨的熱力入口，若難以實現(xiàn)，與其他建筑采暖系統(tǒng)相連接，務必做好兩建筑物采暖系統(tǒng)的水力平衡計算。

2）采暖系統(tǒng)不宜過大，適當進行環(huán)路劃分，作用半徑盡量控制在50 m左右，這樣可以減小每個采暖環(huán)路的長度和水流量，避免一個大的系統(tǒng)內出現(xiàn)“中間滯留區(qū)”的問題。

3）采暖系統(tǒng)水力計算過程中，供、回水干管管徑的選取尤其重要，反復調整以保證各立管不平衡率控制在規(guī)范要求內。各立管可串聯(lián)多組散熱器盡量增大各立管阻力，更易于水力平衡。

［1］ GB/T 50466—2008.煤炭工業(yè)供熱通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范［S］.

［2］ GB5 0359—2005.煤炭洗選工程設計規(guī)范［S］.

［3］ 周祖東，葉金華.下分雙管同程式采暖系統(tǒng)中的“滯流區(qū)”問題［C］∥第十八屆全國暖通空調制冷學術年會，2012.

［4］ 賀平，孫剛.供熱工程：第4版［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［5］ 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［6］ 曲秋波.分戶計量戶內雙管同程式供暖系統(tǒng)水力失調問題分析［J］.暖通空調，2008（7）：141-142.

［7］ GB 50019—2015.工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范［S］.

【責任編輯：解連江】

Design transformation of heating system of long distance belt conveyor in the mining area

YANG Jing
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

According to the problem of"intermediate retention area"that generally occurs in the heating system of long distance belt conveyor in the mine production system，this article carries on the analysis of hydraulic balance,then gives solutions with the actual engineering case and draws some conclusions.

long distance belt conveyor;intermediate retention area;hydraulic balance

TD528

B

1671－9816（2017）04－0039－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.012

楊靜.某礦區(qū)長距離輸送機棧橋供暖系統(tǒng)的設計改造［J］.露天采礦技術，2017，32（4）：39-42.

2016-11-07

楊 靜（1985—），女，陜西西安人，工程師，碩士，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，現(xiàn)就職于中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司。