某小区供热管网中平衡阀的改造应用分析

发布时间:2011-11-07  点击数:3062

    在热水管网的设计中,设计者要根据各用户的用热负荷确定各管段的设计流量和管径。由于外网流量大,增大和缩小一个管径,比摩阻变化较大,供热管网又多为闭式双管异程式系统,并联环路阻力损失及不易平衡。为了解决并联管路不平衡问题,常常使用调节阀来控制流量。但在实际运行中很难达到预期的调节效果,其原因是供热区域内建筑规模不断扩大,使系统的运行调节和管理更为复杂。

    伴随着新用户的增加,旧有供热管网系统普遍存在着水力失调的现象,造成各供暖建筑物之间的室内温度偏差较大,冷热不均,仅靠调节阀不能起到对整个管网各管段、各用户流量的调控作用。因而当一部分用户的实际流量与设计流量不符,即产生了水力失调,致使许多用户室温达不到设计要求。

    为了解决水力失调问题,许多设计人员和运行管理人员往往采用加大锅炉容量和循环水泵流量的方法,用“水涨船高”的方式来解决部分用户供热量不足的矛盾,即采用“大流量小温差”的供热方式。这样做虽然可解决部分用户供热量不足的问题,但会使许多用户的供热量偏大,室内过热,既增大了系统投资,又浪费了大量的热能和电能,增加了供暖设备的投资费用和运行费用,据有关资料统计,这种运行方式使系统投资增加20%以上,浪费热能15%~20%,多耗电能30%以上。

    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。笔者对某小区供热系统存在的问题进行分析,并通过系统水力平衡分析和加设调节装置进行了供热管网的改造,解决了水力失调的问题,达到了节能的目的。

一、小区集中供热系统现状

    某住宅小区供热管网规划总建筑面积59403m2,供暖热负荷4158.21kW。分前后两期供暖,一期供暖面积34500m2,供暖热负荷2414.5kW,以供暖锅炉房Ⅰ为独立热源,供暖形式为低温热水枝状供热管网,设计供回水温度为95℃/70℃,采用补给水泵定压,系统始建于20世纪80年代;二期供暖面积23891m2,供暖热负荷1672.37kW,以供暖锅炉房Ⅱ为独立热源,供暖形式与参数与一期锅炉房相同,系统建于20世纪90年代。热网布置如图1所示。

图1 原供热管网平面布置图

    进入21世纪,该市能源结构进行了大规模调整,新建两大城市集中热源中心,取消分散小型锅炉房,进行两级管网供热,一级管网采用130℃/70℃高温热水送抵各小区换热站,小区换热站二级管网采用80℃/60℃低温热水送至热用户。本小区一、二期并网在原热源锅炉房Ⅰ旧址改建的换热站,改造原主干线,按各用户用热情况重新核定热负荷,设计确定主干线各管段管径,翻出原管道,重新下管。为了节约投资,缩短工期,不影响小区现有景观,并经计算核定,原管线分支线各管段管径均能满足用户需要,所以分支线管径基本未动。另新增供热面积5000m2,位于管网末端。热网布置现状如图2所示。

图2 改造后供热管网平面布置图

二、水力失调原因分析

    供热管网改造之前,因为各热源供热规模较小,供热参数较高,供热系统没有设置必要的调节装置,自投入运行以来,供热效果一直较好。改造以来,由于供热面积成倍增加,供热半径也成倍增加,虽然改造之初,供热管网进行了必要的设计,主干线各管段管径均采用单位比摩阻接近30Pa/m的较大管径,但在管网运行过程中近热远冷的水力失调现象越来越突出。分析原因有二,其一,位于供热管网主干线前端的1#、2#、3#、9#、10#、11#、12#等用户管网提供的资用压力远大于用户的压力损失(20~30kPa),这样必然造成这些用户的实际运行流量超过这些用户的设计流量,必然引起这些用户过热。其二,原锅炉房Ⅱ所辖用户,改造后均位于管网末端,这些用户热负荷均较大,且新增5000m2新建建筑,加之分支线运行年限较长,管道内沿程阻力和局部阻力状况均有改变,造成末端用户资用压力不足,供热量偏小,用户实际流量低于额定流量。针对于此,亟需对该小区管网系统进行必要的调节手段。

三、管网水力平衡设计

    1、计算条件

    1)已知条件:

    ①外网各环路管径及沿程长度,各热用户设计热负荷及总设计热负荷,各环路用户热负荷见表1。

表1 各环路用户热负荷(kW)


    ②各环路用户室内供暖系统所需资用压头,可由小区供热设计图纸资料获得,因资料不全,可按20~30kPa考虑。

    2)设计条件:

    ①由于用户所需热量由换热器提供,考虑换热器的换热能力和工作效率,该系统热水供水最高温度为80℃,最大供回水温差为20℃,因此,热水供回水温度取80℃/60℃。

    ②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,取管道内壁粗糙度K=0.5mm。

    2、管网系统水力计算

    环路负担总热负荷4158.21kW,总循环水量为178.80t/h,主干线各管段管径、压力损失均按水力计算基本原理确定,主干线(N1~N5)单位长度经济比摩阻取30~70Pa/m,详见水力计算表2;分支线(L1~L10)各管段管径均按原设计图纸考虑,并进行各管段压力损失的校核计算,结果也详见表2分支线。

表2 改造后环路水力计算

    3、管网系统平衡设计及水力平衡分析

    A、管网系统平衡方式的设计

    随着节能要求的提高,在供热系统中准确调节流量愈来愈重要。以往,在液体管路系统中,主要依靠装设节流孔板,闸阀截止阀来平衡管道系统阻力和调节流量。节流孔板的孔径是根据设计工况计算确定的,当系统运行偏离设计工况时,节流孔板无法进行相应调整,起不到应有的调节作用。闸阀、截止阀的调节性能较差,不宜作为调节调节阀用,只宜作为关断阀门用。

    为了改善供热管网系统的调节功能,改造中采用性能优良的调节阀取代现在仍被广泛采用的节流孔板及闸阀、截止阀。国内市场上有很多性能较好的调节阀,在这些调节阀中,平衡阀因其较为完备的调节功能和良好的性能,正在被越来越多的设计人员及用户接受和重视。

    平衡阀有如下几个特点

    ①直线形流量特征,即在阀门前后压差不变的情况下,流量与开度呈线性关系;

    ②有精确的开度指示;

    ③有开度锁定装置,非管理人员不能改变开度;

    ④阀体上有两个测压小孔与智能仪表用软管连接,可以很方便地显示阀门前后的压差及流量。

    这些特点使得平衡阀的造型与其他阀门不同。闸阀、截止阀及没有开度指示的调节阀造型相对简单,口径与管径一致即可,平衡阀则需根据流量及所消耗的压差选择口径(与管径可以不一致),同时需确定开度。

    通过阀门的流量G与阀门前后的压差△P有如下关系:

    

    式中:Kv为阀门的流量系数。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下的流通能力。如统一规定G的单位为m3/h,△P的单位为105Pa,Kv的单位为0.00316m3(/h.Pa 0.5),则Kv在数值上的含义就是阀门前后压差为105Pa时通过阀门的流量,不同阀门在不同开度下的流通能力可依次来比较。图3为DN32、DN40、DN50、DN65、DN80五种口径SP型平衡阀的Kv与开度的关系曲线。

图3 SP型平衡阀的Kv值

    只要知道所要求的流量及应消耗的压差,就可通过式(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曲线可查到相应的阀门型号,并同时确定开度。如L2支路,由水力计算结果(见表2)知通过流量G=12.4m3/h,由换热站出口设计循环作用压头为80kPa,N1、N2管段管路阻力损失为6.56kPa,则主干线在L2环路节点处提供的资用压头为71.44kPa,依表2,L2支路的管路阻力损失3.26kPa,2#住宅预留资用压头30kPa,则L2支路总损失33.26kPa。这样主干线在L2支路处提供的资用压力远大于L2支路总损失,如不采取有效措施节流降压,必然要引起该用户流量增加,用户发生过热现象。在L2支路上加设平衡阀,起到节流降压作用,平衡阀消耗压头应为两者之差,即△P=71.44-33.26=38.18kPa,由式(1)计算确定Kv=20.08×0.00316m3/(h.Pa0.5),由图3可查得与此值对应的DN80、DN65、DN50、DN40四种口径的平衡阀,开度分别为12%、28%、46%、83%,应选取DN40的平衡阀,开度为83%。选小口径平衡阀,一方面可以提高调节精度,因为相对于同样的开度改变,小口径阀门的流量变化较小;另一方面可节省投资。一般要求所选平衡阀的设计开度在60%~90%之间,这样既可在满足设计流量的条件下使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。

表3各环路水力平衡计算

    B、环路外网水力平衡分析及平衡阀选用

    最不利环路由换热站出口经N1-N2-N3-N4-N5-L10-L10`-14#住宅,供热管网沿程总阻力为30kPa,14#住宅所需资用压头50kPa,因此,最不利环路所需资用压头(即换热站出口设计循环作用压头)为80kPa。各用户入口管径及所需资用压头均按原设计确定。从表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,同时可以看出,各平衡阀的开度均不同,近端用户平衡阀开度较小,远端用户平衡阀开度较大,对于14#住宅和新建住宅,由于用户所需资用压力较大,通过计算确定外网剩余压力较小,可不设平衡阀。

四、供热管网改造效果

    在2008年供暖季之前,根据上述水力平衡方案对小区集中供热管网进行了改造:

    1、绝大多数用户热力入口处的供水干管上均增设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闸阀或截止阀全部满开;

    2、调节换热站内集、分水器处主阀门,使供热外网资用压头控制在80kPa。

    2008年入冬后,小区集中供暖系统投入运行,到目前为止,几年来困扰该小区的水力失调问题基本得到了解决。由于分支管网均为旧管线,表2、表3计算值均按理论计算确定,实际运行中,个别管线内壁粗糙度和局部阻力情况略有变化,引起管路沿程损失和局部损失增加,通过微调平衡阀开度解决了个别用户过冷、过热现象。

五、结论

    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,为今后其他小区热网的改造积累了一定的经验。

    2、实现系统静态平衡的完整理念,首先合理布置环路,根据水力平衡的原则选择管径,在严格进行水力平衡计算的基础上,对不能达到水力平衡的环路,才需根据此环路入口处许用压头,与该环路实际阻力之差配置平衡阀或采取其他调节剩余压头的措施。不应采用配置平衡阀的方法来代替环路的合理设计和水力平衡计算。

    3、在供热管网改造的实践过程中,笔者发现建设单位原有供热管网设计是合理的,但随着20多年的不断发展,建筑规模、形式不断变化,新旧建筑共存,建筑节能设计所采用的标准不同,在整个供热区域中各建筑设计负荷偏差很大。热源位置、管网形式受小区地形限制,改造前末端用户,改造后可能成为始端用户,用户入口管径偏大,常用的水力平衡方法在小区供热改造中难以实现,因此配置平衡阀是实现这种特定系统的定量调节的有效手段。

    4、对于整个热力管网而言,室内供热系统入户管径设计偏大的情况普遍存在,对枝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。