復(fù)雜循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和Fathom 軟件結(jié)合的分析探討

王玉琴

福陸（中國(guó)）工程建設(shè)有限公司 （上海 201103）

循環(huán)水系統(tǒng)是工藝生產(chǎn)的生命線，用于工藝過程冷（熱）量交換和傳送過程中，主要依靠水泵為動(dòng)力源來推動(dòng)循環(huán)水流動(dòng)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泵的耗電量約2.0×1012kW·h[2]，占全國(guó)發(fā)電量的15%～21%[3]。當(dāng)前，工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)泵能耗占70%以上，運(yùn)行能耗巨大。系統(tǒng)普遍存在能耗較高、效率卻很低的現(xiàn)象[4]。與國(guó)外先進(jìn)水平相比，產(chǎn)品效率低2%～4%[5-6]，系統(tǒng)運(yùn)行效率低近20%[7-8]。因此，如何提高工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)效率是目前工程設(shè)計(jì)亟需研究和解決的問題。

近年來，隨著循環(huán)水系統(tǒng)日益大型化發(fā)展，裝置供水點(diǎn)數(shù)量眾多，每個(gè)供水點(diǎn)所要求的循環(huán)水量以及供水點(diǎn)的高度各異。目前常用的循環(huán)管網(wǎng)設(shè)置是通過水泵水量和閥門的輸配協(xié)同節(jié)能優(yōu)化控制，將冷卻終端的溫度嚴(yán)格控制在設(shè)定的區(qū)間內(nèi)。閥門始終處在大開度位置進(jìn)行實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)水力和熱力平衡，使系統(tǒng)流量與管網(wǎng)阻尼極小化[3]。

針對(duì)大型循環(huán)水系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于工藝設(shè)計(jì)是新的挑戰(zhàn)。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇距離最遠(yuǎn)點(diǎn)作為最不利點(diǎn)，并將各個(gè)裝置所需的冷卻水量簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)流量，采用逆推法和順推法[9]來計(jì)算管段流量和節(jié)點(diǎn)壓力；再算出泵房吸水管路和泵站范圍內(nèi)壓水管路中的水頭損失[10]，疊加后作為選擇水泵的依據(jù)；最后通過各裝置的用水量以及經(jīng)濟(jì)流速來確定管徑。這種方法只適用于單一的供水點(diǎn)或供水點(diǎn)數(shù)量較少的情況，面對(duì)完整的大型循環(huán)水系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)存在2 個(gè)問題：一是最遠(yuǎn)點(diǎn)未必是主控點(diǎn)，二是管網(wǎng)壓降的總體平衡。受上述問題的制約，按照以往方法設(shè)計(jì)的循環(huán)水管網(wǎng)以及所選擇的泵必然存在模糊性和偶然性。設(shè)計(jì)人員為了確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，會(huì)采用增大管徑以及增加循環(huán)水泵的流量和揚(yáng)程的方法，這樣則會(huì)導(dǎo)致工程投資的增加。計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件應(yīng)用的逐漸成熟，使上述問題很好地得到解決，且能夠使設(shè)計(jì)可模擬化、可預(yù)知化，避免設(shè)計(jì)誤區(qū)，掃除設(shè)計(jì)盲點(diǎn)[11]。本研究針對(duì)大型循環(huán)水管網(wǎng)的復(fù)雜性，提出了采用計(jì)算機(jī)軟件Fathom 對(duì)循環(huán)水管的管網(wǎng)進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，并分析了每個(gè)支路之間的相互關(guān)系，詳細(xì)闡述了如何確定最優(yōu)化的循環(huán)水泵揚(yáng)程以及各支路控制閥閥門壓降之間的關(guān)系。該方法為以后日益大型化的循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠的設(shè)計(jì)思路。

1 計(jì)算方法介紹

工業(yè)中常見的閉式循環(huán)水系統(tǒng)主要包括循環(huán)水泵、循環(huán)水系統(tǒng)冷卻器、終端用戶的換熱設(shè)備以及設(shè)備之間的管道系統(tǒng)。下文將介紹循環(huán)水系統(tǒng)中的核心設(shè)備和管件的水力學(xué)計(jì)算方法，為后續(xù)計(jì)算軟件的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1.1 循環(huán)水泵

循環(huán)水泵是循環(huán)水系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。水泵揚(yáng)程的確定在滿足用水需求前提下保證整個(gè)管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。循環(huán)水系統(tǒng)通常選擇離心泵作為循環(huán)泵。

離心泵的性能參數(shù)包括流量、揚(yáng)程、功率、效率以及汽蝕余量（NPAHa）等[12]。泵的揚(yáng)程（He）、效率（η）、軸功率（p）均與泵流量有關(guān)，其關(guān)系可用泵的特性曲線表示。

管路中的泵提供的揚(yáng)程等于管路所要求的壓頭。因此，離心泵實(shí)際工作情況由泵特性和管路特性共同決定。若管路的流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，則離心泵的工作點(diǎn)必同時(shí)滿足管路特性方程和泵特性方程。

兩條曲線的交點(diǎn)即泵的最佳工作點(diǎn)。若流量波動(dòng)，則改變管路特性曲線的位置，使兩條曲線的交點(diǎn)移至適當(dāng)位置，滿足流量調(diào)節(jié)要求。當(dāng)流量大幅度增加時(shí)，可以采用組合泵的方式實(shí)現(xiàn)流量的增加。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法

管道設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足工藝要求和安全生產(chǎn)的前提下，求得最經(jīng)濟(jì)的管徑和最合理的管道壓力降。一般應(yīng)考慮以下原則[13]。

（1）按常用流速推薦表和百米壓力降控制值來初步選擇管徑。

（2）計(jì)算管徑時(shí)，如允許壓力降相同，則小流量選用較低流速；大流量可選用較高流速。黏度較大的流體，管道壓力降較大，應(yīng)選用較低的流速，反之則選用較高的流速。

1.2.1 管徑的確定方法

（1）流速控制法

流速控制法[14]通過控制管道流速來確定管徑的尺寸，一般用于單一管道或者簡(jiǎn)單管網(wǎng)的管徑確定。不可壓縮流體的單相流，流速遵守連續(xù)性方程：

其中：Q 為管道的體積流量，m3/h；W 為管道的質(zhì)量流量，kg/h；ρ為流體密度，kg/m3;d 為管道直徑，m；u 為管道流速，m/s。

（2）阻力控制法

單一管道的阻力降與管徑、流速及摩擦系數(shù)相關(guān)（式5）。復(fù)雜管網(wǎng)管線的阻力降由摩擦阻力降Δpf，靜壓力降ΔpS及速度阻力降ΔpN組成（式6）。

摩擦壓力降采用均適用于層流和湍流的范寧方程式進(jìn)行計(jì)算：

式中：λ 為摩擦系數(shù)，無(wú)因次；L為管道長(zhǎng)度，m；D 為管道內(nèi)直徑，m；∑K 為管件、閥門等阻力系數(shù)之和，無(wú)因次；u為流體平均流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

表1 摩擦系數(shù)、雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的關(guān)系

管道進(jìn)出口高差ΔH 引起的壓降為靜壓力降：

管道或系統(tǒng)的進(jìn)出口管徑變化致使流速增減所產(chǎn)生的壓差即為速度壓力降。速度壓力降可正可負(fù)（見式9）：

式中：u2，u1為出口端、進(jìn)口端流體流速，m/s。

復(fù)雜管網(wǎng)由若干簡(jiǎn)單管網(wǎng)串聯(lián)或者并聯(lián)組成。復(fù)雜管網(wǎng)的阻力降計(jì)算可拆分為多個(gè)簡(jiǎn)單管道的阻力降計(jì)算（式6）。對(duì)于串聯(lián)管道，總管的壓力降是各支管壓力降的總和（式10），通過各管段的流量不變（式11）。

對(duì)于并聯(lián)管道，各支路的壓降相同（式12），總流量是各分支流量的總和（式13）。

復(fù)雜管網(wǎng)壓力降的控制在考慮管道工作壓力基礎(chǔ)上，還要同時(shí)滿足工藝對(duì)管系上、下游壓力的要求。管網(wǎng)的壓力降應(yīng)小于許用管網(wǎng)壓力降。

本研究涉及的循環(huán)水管網(wǎng)由多個(gè)支管串聯(lián)和并聯(lián)組成。在對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，同時(shí)采用流速控制法和壓降控制法，兼具復(fù)雜管網(wǎng)和簡(jiǎn)單管道的壓降分析。借助水力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析，以期更高效快捷地對(duì)復(fù)雜管網(wǎng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

1.2.2 管道流速和壓降限值

初選管徑最重要的參數(shù)是流速和百米管道的壓力降控制值。許用壓力降為流體在一定范圍內(nèi)允許使用的最高壓力降損失數(shù)值。經(jīng)濟(jì)流速和相對(duì)應(yīng)的許用壓力降的數(shù)值是在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐和大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)的基礎(chǔ)上確定的，表2 是水以及黏度相似的流體經(jīng)濟(jì)流速和許用壓力降限值。

表2 流體經(jīng)濟(jì)流速以及允許壓降

2 閉式循環(huán)水系統(tǒng)流程介紹

本研究以新建項(xiàng)目的循環(huán)水系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹采用Fathom 軟件對(duì)復(fù)雜循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，包括泵揚(yáng)程的確定、分支換熱器和控制閥壓降的確定、主管路和支管的管徑確定。

2.1 系統(tǒng)設(shè)備介紹

（1）循環(huán)水泵（P001A，P001B，P001C）

新項(xiàng)目的水泵能力為5 581 m3/h，所有用戶均為連續(xù)操作，水泵考慮定頻泵。水泵采用兩開一備的運(yùn)行模式。

（2）系統(tǒng)換熱器（E002A，E002B，E002C）

管網(wǎng)主管道上的系統(tǒng)換熱器兩開一備，E002A及E002B 承擔(dān)著整體管網(wǎng)的熱量平衡。高溫循環(huán)回水進(jìn)入換熱器，從用戶端吸收的熱量移除后水溫下降，繼續(xù)循環(huán)至下游用戶換熱器端進(jìn)行下一輪熱內(nèi)交換，以此維持整體管網(wǎng)的水溫在恒定范圍內(nèi)。

（3）循環(huán)水系統(tǒng)膨脹罐（V101）

膨脹罐是循環(huán)水系統(tǒng)的最高點(diǎn)，也是定壓點(diǎn)。膨脹罐可以確保零流量時(shí)供水壓力平衡。存在泄露或者終端用戶用水量有變動(dòng)時(shí)，可以由膨脹罐進(jìn)行補(bǔ)水，確保系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。另外一方面，膨脹罐可以消化由于整體氣溫變化而產(chǎn)生的體積波動(dòng)。

2.2 循環(huán)水系統(tǒng)流程

循環(huán)水系統(tǒng)供水水溫為36 ℃，回水水溫為46℃。循環(huán)水經(jīng)過水泵加壓后，流經(jīng)系統(tǒng)主換熱器將溫度降到供水水溫后提供給各支路循環(huán)使用。各支路換熱器的工藝物料側(cè)出口管道設(shè)置溫度變送器，采用工藝物料側(cè)溫度對(duì)循環(huán)水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

循環(huán)水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備和管道參數(shù)如表3 所示。

表3 循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備和管道參數(shù)列表

循環(huán)水系統(tǒng)管道路線如圖1 所示。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)流程

3 用Fathom 軟件進(jìn)行閉式循環(huán)水系統(tǒng)的計(jì)算分析

Fathom 是用于計(jì)算非壓縮流體的復(fù)雜管網(wǎng)以及管道的軟件，采用其對(duì)循環(huán)水管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算的一般步驟遵循圖2。對(duì)于案例中的循環(huán)水管網(wǎng)，首先分別考慮操作情況最為苛刻（高度、管道長(zhǎng)度、流量大?。┑挠脩酎c(diǎn)為主控支路，若計(jì)算結(jié)果不能滿足壓降條件，則下一步考慮操作工況第二苛刻的支路作為主控支路，進(jìn)一步驗(yàn)證壓降的限值，依次類推直至所有支路的管路壓降和調(diào)節(jié)閥處于最合理范圍時(shí)，可確認(rèn)最優(yōu)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的循環(huán)水泵的揚(yáng)程。

圖2 fathom 計(jì)算循環(huán)水管網(wǎng)計(jì)算框圖

（1）最高以及管長(zhǎng)最長(zhǎng)用戶（E107）為主控支路

E107 用戶最高，以其為主控支路，各支路的調(diào)節(jié)閥以及管道百米壓降趨勢(shì)如圖3 所示。從圖3 可以看出，滿足主控路調(diào)節(jié)閥壓降為全網(wǎng)最低的條件，但是E107 主路的管道百米壓降超出了管道百米壓降限值。循環(huán)泵的揚(yáng)程H≈161 m，過高（如圖5 所示），不符合選泵要求。從表3 可查得，E107 管道直徑為2.54 cm（1 英吋）時(shí)，流速為2.2 m/s，但此時(shí)百米壓降過大，因此需擴(kuò)大管道尺寸，如圖4 所示。擴(kuò)大管徑后百米壓降相應(yīng)下降到合理的壓力范圍內(nèi)，且泵的揚(yáng)程也處在較為合理的水平（見圖5）。

圖3 E107 為主控路2.54 cm 下的各調(diào)節(jié)閥壓降分布

圖4 E107 為主控路5.08 cm 下的各調(diào)節(jié)閥壓降分布

圖5 E107 為主控路不同管道尺寸的循環(huán)泵揚(yáng)程結(jié)算結(jié)果對(duì)比

（2）流量最大用戶（E102）為主控支路

將流量最大用戶E102 作為主控支路，T102-1的設(shè)計(jì)壓降定為調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)最低允許壓降70 kPa。從圖6 可見，各支路調(diào)節(jié)閥的壓降均比70 kPa 低，最低值（E107 支路調(diào)節(jié)閥）達(dá)到27 kPa。說明在E102 主路設(shè)定下，除了主控路的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力較好，其他支路調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能均較差，甚至不能達(dá)到流量調(diào)節(jié)的目的。圖7 顯示E102 作為主路時(shí)，循環(huán)泵的揚(yáng)程偏低，原因在于E102 支路的管長(zhǎng)較短，管道摩擦阻力降低，導(dǎo)致管網(wǎng)總阻力降偏低。此時(shí)最終得到的泵揚(yáng)程偏低，其余支路上調(diào)節(jié)閥壓降也隨之偏低，調(diào)節(jié)性能差。雖然揚(yáng)程相較于E107 主路時(shí)有所下降，但其余各支路的流量調(diào)節(jié)將失去原有的調(diào)節(jié)能力，不適用于實(shí)際的運(yùn)行操作。

圖6 E102 為主控支路各調(diào)節(jié)閥壓降分布

圖7 E102 為主控路下的循環(huán)泵揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果

（3）各支路作為主控支路的對(duì)比分析

將各個(gè)支路作為主控得到的揚(yáng)程、功率以及調(diào)節(jié)閥最低壓降進(jìn)行對(duì)比分析，如表4 所示。

表4 各支路為主控時(shí)相應(yīng)計(jì)算參數(shù)對(duì)比

由以上計(jì)算可見，將E107 作為主控支路時(shí)循環(huán)泵揚(yáng)程最高，系統(tǒng)的大部分能量并未得到很好的利用。從表中選擇僅次于E107 的工況E106 進(jìn)行計(jì)算，調(diào)節(jié)閥壓降和管路壓降分布見圖8。從圖中可以看出只有支路E107 的調(diào)節(jié)閥壓降低于70 kPa。此時(shí)可以適當(dāng)擴(kuò)大E107 支路的管徑，降低管損，提高調(diào)節(jié)閥壓降得到較為理想的管網(wǎng)壓降分布（見圖9）。對(duì)比圖8 和圖9 可見，通過調(diào)整，系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的壓降均在較合理的范圍內(nèi)。此時(shí)循環(huán)泵的揚(yáng)程為35 m，功率為666 kW，詳細(xì)泵參數(shù)見圖10。同時(shí)得到各支路的流量、管徑、百米壓降等參數(shù)，如表5 所示。

表5 E106 為主控時(shí)相應(yīng)計(jì)算參數(shù)對(duì)比

圖8 E106 主控支路各調(diào)節(jié)閥壓降分布

圖9 E106 支路調(diào)整后各調(diào)節(jié)閥壓降分布

圖10 E106 為主控路下的循環(huán)泵揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

采用水力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)大型復(fù)雜循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行管網(wǎng)計(jì)算，得到最優(yōu)的主控支路設(shè)定方案：

（1）對(duì)于完整復(fù)雜循環(huán)水管網(wǎng)系統(tǒng)，位置高度、管道長(zhǎng)度以及流量大小并不能作為主控點(diǎn)的主要判斷依據(jù)，應(yīng)考慮相應(yīng)工況下管道和管網(wǎng)的壓降，結(jié)合每個(gè)分支調(diào)節(jié)閥的可操作壓降進(jìn)行總體分析。

（2）確定主控支路時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整小流量用戶的管徑、降低管道摩擦阻力降、增加支路調(diào)節(jié)閥的壓降，提高調(diào)節(jié)性能，使管網(wǎng)的壓降平衡達(dá)到最優(yōu)，能源的分配最為合理。

（3）循環(huán)水泵的揚(yáng)程和功率需要結(jié)合整體管網(wǎng)的壓降進(jìn)行綜合分析，從中找到二者的平衡點(diǎn)，選擇最優(yōu)方案。