區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)改造中平衡閥的應(yīng)用分析吉林建筑工程學(xué)院環(huán)境工程系 冉春雨 王春清 摘要：現(xiàn)代工程中采用水力平衡調(diào)節(jié)閥及專用智能儀表能有效解決管網(wǎng)水力失調(diào)和熱力失調(diào)問題。本文對吉林省某區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，歸納了存在的問題并分析了問題產(chǎn)生的原因。在充分考慮區(qū)域內(nèi)建筑物供熱需求基礎(chǔ)之上，提出了熱網(wǎng)改造方案并進(jìn)行設(shè)計，重點加強(qiáng)了熱網(wǎng)的熱力平衡和平衡閥的設(shè)置。分析了平衡閥在區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)的基本原理，結(jié)合平衡閥的特點，闡述了供熱系統(tǒng)中平衡閥的選用原則，并通過加設(shè)平衡閥進(jìn)行了供熱管網(wǎng)的改造，解決了水力失調(diào)問題。此項技術(shù)達(dá)到了節(jié)能的目的，其社會效益和節(jié)能效果顯著。關(guān)鍵詞：區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng) 平衡閥 熱力分析 改造 1 引言 目前，舊有區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，普遍存在著水力工況失調(diào)現(xiàn)象，從而造成了各采暖建筑物之間的室內(nèi)溫度偏差較大，冷熱不均。隨著節(jié)能要求的提高，在區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量愈來愈重要。水力平衡閥具有截止和節(jié)流的作用并能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)流量，當(dāng)平衡閥按設(shè)計供熱量調(diào)整到設(shè)計流量鎖定后，可以使供熱管網(wǎng)系統(tǒng)在設(shè)計工況下保持長期穩(wěn)定的熱力平衡狀態(tài)下運行。 本文對吉林省某小區(qū)供熱管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，歸納了存在問題，分析了平衡閥調(diào)節(jié)的基本原理，結(jié)合平衡閥的特點，闡述了供熱系統(tǒng)改造中平衡閥的選用方法，并通過系統(tǒng)熱力平衡分析和加設(shè)水力平衡調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了熱力管網(wǎng)的改造，解決了熱力失調(diào)問題。此項技術(shù)達(dá)到了節(jié)能的目的，其社會效益和節(jié)能效果顯著。2 管網(wǎng)系統(tǒng)存在問題及分析2.1 供熱管網(wǎng)現(xiàn)狀L12L13L14L15電工室介入科住院樓一圖書館走 廊住院樓 二新住院樓洗衣房DN200DN200DN250DN150DN50DN80DN80DN125DN50DN50DN125DN100DN200鍋爐房食 堂L2DN200DN150DN150DN150DN100DN80DN50L1L3L4車 庫辦公樓吉興餐廳放療科門診綜合樓L5L6L7L8DN250DN80L9L10L11DN80新建大廈圖1 吉林省某區(qū)域熱網(wǎng)示意圖吉林省某小區(qū)供熱管網(wǎng)集中低溫?zé)崴嵯到y(tǒng)供熱管網(wǎng)形式為低溫?zé)崴峁芫W(wǎng)，設(shè)計供回水溫度為95/70，熱源為獨立鍋爐房，補(bǔ)給水泵定壓，熱網(wǎng)布置如圖1所示。設(shè)計之初，因為區(qū)域規(guī)模較小（系統(tǒng)總供熱量僅為2223.94kw），供熱系統(tǒng)沒有設(shè)置必要的調(diào)節(jié)裝置，后經(jīng)多次擴(kuò)建達(dá)到供熱總負(fù)荷6011.24kw。供熱負(fù)荷的成倍增加以及熱水循環(huán)泵運行效率的降低，供熱系統(tǒng)運行效率降低，熱力失衡問題越來越嚴(yán)重。2.2 供熱管網(wǎng)系統(tǒng)水力平衡分析2.2.1 管網(wǎng)系統(tǒng)平衡原理水力工況是指管網(wǎng)系統(tǒng)各點的壓力、流量及壓差。流量與阻力損失的關(guān)系用下式表示1: （1）式中，P為壓差(即阻力損失)，MPa; S為管段或者系統(tǒng)的阻抗；Q為管段或系統(tǒng)的體積流量，m3/ h。水力平衡是指流量的合理分配2。供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，水力工況計算是在各分支流量為設(shè)計值的假想情況下進(jìn)行的。由于管材及最高流速的限制，從設(shè)計上實現(xiàn)水力平衡幾乎是不可能的。這勢必造成始端阻力系數(shù)不能滿足設(shè)計的理想狀態(tài)，形成始端流量過大，末端流量不足的失調(diào)現(xiàn)象。在運行工況下，水泵輸出壓力的工作曲線與外網(wǎng)特性曲線交匯形成的。對于外網(wǎng)特性曲線P=SQ2，一般情況下，由于并聯(lián)的始端支路S值遠(yuǎn)小于設(shè)計值，造成總S值遠(yuǎn)小于設(shè)計值，循環(huán)水泵在小揚程大流量工況下運行，其特點是軸功率大、效率低。2.2.2 管網(wǎng)系統(tǒng)存在問題及原因在該區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中往往會出現(xiàn)水泵實際揚程小于額定揚程，導(dǎo)致末端缺水，鍋爐阻力大，鍋爐出力不足的情況。在實際運行的主要問題是：始端支線阻力小、流量大，造成末端流量小，水泵工作點偏移在大流量、小揚程、低效率工作區(qū)。總循環(huán)水量的加大導(dǎo)致鍋爐、換熱器等阻力加大，水流量增大40% ,阻力會增加100%。流量加大后供回水溫差不可能更大，煤質(zhì)和鼓、引風(fēng)系統(tǒng)不正常也可能造成鍋爐輸出不足。分析問題產(chǎn)生的主要原因是： 供熱管網(wǎng)設(shè)計與鍋爐房設(shè)計不匹配，外網(wǎng)水力計算不準(zhǔn)確，各環(huán)路自身又不具備水力調(diào)節(jié)功能，造成供熱管網(wǎng)系統(tǒng)水力失調(diào)。原有鍋爐房供熱外網(wǎng)不斷擴(kuò)建，供熱管網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)新的水力失調(diào)現(xiàn)象。為了保證遠(yuǎn)離熱源的建筑物室內(nèi)采暖溫度，而加大熱水流量，從而造成近環(huán)路室內(nèi)溫度過熱、外管網(wǎng)水平失調(diào)，為了保證高層建筑底層室內(nèi)采暖溫度，而加大流量，從而造成頂層室內(nèi)溫度過熱，室內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)垂直失調(diào)。熱用戶熱量分配不均，管網(wǎng)末端用戶的供熱效果欠佳，水力失調(diào)情況嚴(yán)重。在該供熱管網(wǎng)系統(tǒng)改造中，水力工況的調(diào)整過程就是用平衡閥增加始端阻力，使始端支路S值增大至設(shè)計值，總S值增大至設(shè)計值。使始末端流量分配均勻合理，循環(huán)水泵在設(shè)計工況下運行，達(dá)到節(jié)能目的，提高供熱質(zhì)量。3 平衡閥的選用平衡閥是供熱管網(wǎng)中不可缺少的重要部件，正確、合理地應(yīng)用平衡閥，對管網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行有非常重要的意義。3.1 平衡閥的選用原則圖2 SP型平衡閥的Kv值 平衡閥具有造價低和使用壽命長等優(yōu)點，對支路不多的小型管網(wǎng)也可方便地進(jìn)行水力工況平衡。 閥門特性曲線決定了閥門的調(diào)節(jié)性能2 3。由于閥門理論特性曲線是在定壓差下測試，而實際工況只要閥門開度不為1，則閥門在小開度情況下，閥前后壓差大，大開度時閥門前后壓差小，使閥門實際工作曲線向快開方向偏移，閥權(quán)度越小其偏移越大。對具有直線特性的閥門，由于實際性能的偏移會導(dǎo)致閥門有效調(diào)節(jié)的開度空間變小，因此閥門的理論性曲線以等百分比特性為好。對等百分比(對數(shù))特性曲線閥門，在閥權(quán)度0.3-0.5時實際工作曲線可能接近直線特性4。選用閥門時盡量加大閥權(quán)度，以避免閥門在小開度下運行。3.2 平衡閥的選用方法平衡閥的作用是消除環(huán)路剩余壓頭，限定環(huán)路水流量。為合理地選擇平衡閥的型號，在設(shè)計供熱系統(tǒng)時，仍要進(jìn)行管網(wǎng)水力平衡計算，在計算的基礎(chǔ)上按管徑選取平衡閥型號。通過閥門的流量 G與閥門前后的壓差P之間的關(guān)系可以寫為下式5: (2) 式中Kv即閥門的流量系數(shù)。對應(yīng)不同的開度有不同的Kv值，Kv值的大小反映了閥門在某一開度的流通能力。圖2為SP系列平衡閥DN32-DN80口徑平衡閥的Kv與開度的關(guān)系曲線6。 在初選平衡閥時，只要知道所要求的流量及應(yīng)該消耗的壓差，則可通過式(1)計算出所選閥門的流量系數(shù)Kv，再由各種型號平衡閥的Kv曲線就可查到相應(yīng)的閥門型號，并同時確定開度。以吉林省某區(qū)域供熱管網(wǎng)系統(tǒng)支路L9為例，由水力計算結(jié)果（表2）通過流量G=14.94m3/h, 環(huán)路節(jié)點處提供壓頭124.98kPa, 用戶所需資用壓頭66.97kPa，平衡閥用壓頭58.01kPa，則，由圖2可查得與此對應(yīng)的DN80，DN65,DN50三種口徑的平衡閥開度分別為12%，28%，50%，應(yīng)選取DN50，開度為50%的平衡閥。選小口徑平衡閥，一方面是可以提高調(diào)節(jié)精度，因為相對于同樣的開度改變，小口徑閥門的流量變化較小，另一方面節(jié)省了投資。一般要求所選平衡閥的設(shè)計開度在60%一90%之間，這樣既可在滿足設(shè)計流量的條件下，所選平衡閥口徑較小，又有一定的調(diào)節(jié)余地。其余用戶平衡閥的選用見表3。對原系統(tǒng)改造時，直接以平衡閥取代原有的截止閥或閘閥，但需要壓降校核計算以避免平衡閥產(chǎn)生的壓降過小，造成較大誤差。校核步驟7為按該平衡閥負(fù)擔(dān)的供熱面積計算出設(shè)計流量，按管徑求出設(shè)計流量時管內(nèi)的流速v，由該型號的平衡閥全開時的值，按公式P=v2/2，求得壓降值P，如果P 2 kPa-3 kPa，可選用小口徑型號平衡閥，重新計算v和P,直到所選平衡閥在設(shè)計流量時的壓降P2 kPa-3kPa為止。4 實例分析以供熱管網(wǎng)中部主環(huán)路為例，負(fù)擔(dān)“電工室”，“介入科”，“食堂”，“1號住院樓”，“圖書館”，“走廊”，“2號住院樓” ，“車庫”，“辦公樓”，“吉興餐廳”及“新住院樓”供熱負(fù)荷，供回水總管徑為DN200，其總熱負(fù)荷為2530.5kw。該環(huán)路管網(wǎng)情況復(fù)雜且作用半徑大，長期以來熱力失衡嚴(yán)重，沿途用戶供暖冷熱不均，最不利用戶“新住院樓”供熱系統(tǒng)效果較差。基于上述原因，對該小區(qū)供熱管網(wǎng)進(jìn)行水力計算及分析，采取平衡閥對管網(wǎng)進(jìn)行水力平衡調(diào)節(jié)，改善區(qū)域供熱的整體效果。4.1 計算條件外網(wǎng)各環(huán)路管段管徑及沿程長度，熱用戶供熱設(shè)計熱負(fù)荷。環(huán)路熱用戶供熱負(fù)荷見表1。表1 環(huán)路用戶采暖熱負(fù)荷用戶名稱電工室車庫辦公樓吉興餐廳介入科食堂走廊住院樓2新住院樓住院樓1圖書館熱負(fù)荷（kw）17.615.4292.439.9166.7180.049.6671.9300.6769.327.1各環(huán)路用戶室內(nèi)采暖水系統(tǒng)所需資用壓頭，由該小區(qū)供熱設(shè)計圖紙及資料獲得，參見表3中“用戶所需資用壓頭”項。由于鍋爐及換熱器效率的降低，根據(jù)該系統(tǒng)運行經(jīng)驗供熱供水最高溫度為80，最大供回水溫差1518。供熱供回水溫度取80/60。由于系統(tǒng)運行多年管道內(nèi)壁粗糙度增大，擬采用焊接鋼管更新管道，管道內(nèi)壁粗糙度取K=0.5mm。4.2 管網(wǎng)系統(tǒng)水力計算8910環(huán)路負(fù)擔(dān)總熱負(fù)荷為2530.5kw，循環(huán)水量為108.61t/h，其供回水總管管徑為DN200，計算見表2。表2 環(huán)路水力計算表管段編號流量（t/h）管徑（mm）流速（m/s）單位摩阻（Pa/m）管段長度（m）管段摩阻（kPa）累計摩阻（kPa）L1108.62000.9252.1522.722.72L2107.82000.8951.2442.325.04L392.92000.7834.21766.1911.23L485.22000.7330.4912.7714.00L552.11500.8662.81338.3522.35L650.91500.8459.5714.2326.58L748.231500.7953.3703.7330.31L819.341000.7479.216412.99主干線1總阻力：43.30L914.94800.82127.5546.896.89L1014.28800.77110.8829.0915.98L111.71500.2726.1380.9916.974.3 管網(wǎng)系統(tǒng)平衡閥選用及水力平衡分析環(huán)路最不利用戶為“新住院樓”，供熱管網(wǎng)沿程阻力損失為43.3kPa，考慮沿程局部阻力為摩阻的10%即4.3 kPa，沿程總阻力為47.6 kPa，“新住院樓”資用壓頭為50 kPa，環(huán)路所需資用壓頭為97.6 kPa，可取值為130 kPa。各用戶入戶管徑及所需資用壓頭不等。環(huán)路水力平衡計算詳見表3。從水力平衡計算表3可以看出，近端用戶入戶供水管均設(shè)數(shù)字鎖定平衡閥，閥門口徑均比相應(yīng)管徑小1-2號，同時可以看出各平衡閥的開度均較小，尚未達(dá)到開度應(yīng)在6090%的理想范圍。其中電工室、圖書館及走廊因負(fù)荷較小，平衡閥開度小于10%，設(shè)計考慮就近將其接入臨近用戶室內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)，不設(shè)平衡閥。最不利用戶“新住院樓”入口不設(shè)平衡閥。表3 環(huán)路水力平衡計算表用戶名稱用戶流量（t/h）環(huán)路提供壓頭（kPa）用戶所需資用壓頭（kPa）平衡閥用壓頭（kPa）入戶管徑（mm）平衡閥閥徑（mm）平衡閥開度（%）電工室0.76127.35077.350325（不設(shè)閥）L9支路14.94124.9866.9758.01805050介入科7.17118.795068.79805030食堂7.74116.025066.028050301號樓33.08107.675057.671258035圖書館1.17103.445053.4440328（不設(shè)閥）走廊2.6799.715049.7150328（不設(shè)閥）2號樓28.8986.985036.981258032新樓12.9350500100不設(shè)閥4.4 供熱管網(wǎng)改造及效果在2005年采暖季之前，小區(qū)集中供熱管網(wǎng)根據(jù)上述水力平衡方案進(jìn)行了改造。對絕大多數(shù)熱用戶熱力入口處的供水干管均增設(shè)SP型數(shù)字鎖定平衡閥，并將平衡閥設(shè)定在計算所確定的開度，用戶供回水干管上原有手動截止閥或閘閥全部滿開；通過調(diào)節(jié)換熱站內(nèi)集分水器處各環(huán)路供回水管上的主閥，使環(huán)路的資用壓頭為130 kPa。2005年入冬后，醫(yī)院集中供暖系統(tǒng)投入運行，長期以來困繞醫(yī)院的熱力失調(diào)問題得到了解決。該環(huán)路原供熱效果最差的用戶“新建住院樓”室內(nèi)供熱系統(tǒng)完全正常，該環(huán)路已實現(xiàn)熱力平衡，其水力平衡已得到體現(xiàn)。5 總結(jié)該供熱管網(wǎng)系統(tǒng)改造后的運行效果證明上述水力平衡的計算及分析結(jié)果是正確可靠的，為今后熱網(wǎng)的平衡積累了一定的經(jīng)驗。平衡閥是熱力管網(wǎng)平衡的有力工具，借助于平衡閥可以實現(xiàn)水力平衡的量化。對于供熱管網(wǎng)系統(tǒng)，平衡閥可裝設(shè)于熱源出口的供水總管、各支干管、用戶入口處及室內(nèi)供暖系統(tǒng)的各個環(huán)路上。對室溫要求較高的建筑，可裝在室內(nèi)供暖系統(tǒng)的各立管上，所裝設(shè)的平衡閥可以代替關(guān)斷閥門。對于整個熱力管網(wǎng)而言，單體室內(nèi)供熱系統(tǒng)設(shè)計的入戶管徑偏大的情況普遍存在，對支狀管網(wǎng)的近端用戶尤為嚴(yán)重。通過對管網(wǎng)系統(tǒng)及用戶水力平衡的分析，應(yīng)用平衡閥進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)是管網(wǎng)系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)的必要手段。參考文獻(xiàn)1 付祥釗流體輸配管網(wǎng)M北京，中國建筑工業(yè)出版社,20012 孟燕,張宏都,王旭東,平衡閥及其應(yīng)用J石油化工設(shè)備,2005,34(5):72-73.3 史登峰,衣惠昌,陶進(jìn).供熱系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的研究與應(yīng)用J暖通空調(diào),1997,(2)