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最新5热水供热系统的水力工况汇总
5热水供热系统的水力工况
五热水供热系统的水力工况
在热水供热系统运行过程中,往往由于种种原因,使网路的流量分配不符合各热用户要求的计算流量,因而造成各热用户的供热量不符合要求。
热水供热系统中各热用户的实际流量与要求的流量之间的不—致性,称为该热用户的水力失调。
它的水力失调程度可用实际流量与规定流量的比值来衡量,即,
x=Vs/Vg(10-1)
式中X——水力失调度,
Vs——热用户的实际流量,
Vg——该热用户的规定流量。
引起热水供热系统水力失调的原因是多方面的。
如开始网路运行时没有很好地进行初调节,热用户的用热量要求发生变化等等。
这些情况是难以避免的。
由于热水供热系统是一个具有许多并联环路的管路系统,各环路之间的水力工况相互影响,系统中任何一个热用户的流量发生变化,必然会引起其它热用户的流量发生变化,也就是在各热用户之间流量重新分配,引起了水力失调。
本章着重阐述热水供热系统水力工况的计算方法,分析热水供热系统水力工况变化的规律和对系统水力失调的影响,并研究改善系统水力失调状况的方法。
掌握这些规律和分析问题的方法,对热水供热系统设计和运行管理都很有指导作用。
例如:
在设计中应考虑哪些原则使系统的水力失调程度较小(或使系统的水力稳定性高)和易于进行系统的初调节,在运行中如何掌握系统水力工况变化时,热水网路上各热用户的流量及其压力,压差的变化规律,用户引入口自动调节装置(流量调节器,压力调节器等)的工作参数和波动范围的确定等问题,都必须分析系统的水力工况。
第一节热水网路水力工况计算的基本原理
在室外热水网路中,水的流动状态大多处于阻力平方区。
因此,流体的压降与流量关系服从二次幂规律。
它可用下式表示:
△P=R(l+ld)=sV2Pa(10-2)
式中△P——网路计算管段的压降,Pa;
V——网路计算管段的水流量,m3/h;
s——网路计算管段的阻力数,Pa/(m3/h)2,它代表管段通过1m3/h水流量时的压降;
R——网路计算管段的比摩阻,Pa/m:
l、ld——网路计算管段的长度和局部阻力当量长度,m。
如将式(9-2)代人式(10-2),可得:
(10-3)
由式(10-3)可见,在已知水温参数下,网路各管段的阻力数s只和管段的管径d、长度l、管壁内壁当量绝对粗糙度K、以及管段局部阻力当量长度ld的大小有关,亦即网路各管段的阻力数s仅取决于管段本身,它不随流量变化。
任何热水网路都是由许多串联管段和并联管段组成。
串联管段和并联管段总阻力数的确定方法,在本书第四章中已阐述,只是计算单位不同,可见式(4-32),(4-35)和式(4-37)。
在串联管段中,串联管段的总阻力数为各串联管段阻力数之和:
Sch=s1+s2+s3+...(10-4)
式中Sch——串联管段的总阻力数;
s1、s2、s3——各串联管段的阻力数。
在并联管段中,并联管段的总通导数为各并联管段通导数之和:
ab=a1+a2+a3+...(10-5)
即
(10-6)
(10-7)
式中ab、Sb——并联管段的总通导数和总阻力数;
a1、a2、a3——各并联管段的通导数;
s1、s2、s3——各并联管段的阻力数;
V1、V2、V3——各并联管段的水流量。
根据上述并联管段和串联管段各阻力数的计算方法,可以逐步算出整个热水网路的总阻力数Szh值。
再利用图解法或计算法,可进一步确定循环水泵的工作点,求出热源输出的总流量。
图解法:
根据△P=Szh.V2,可绘出热水网路的水力特性曲线,它表示出热水网路循环水泵流量V及其压降△P的相互关系(见图10-1的曲线1)。
根据水泵样本,绘出水泵的特性曲线(△P—G曲线,见图10-1的曲线2)。
这两条曲线的交点A即水泵的工作点,亦即确定了网路的总流量和总压降。
计算法,计算法的实质是将水泵的特性曲线用△P=f(V)的函数式表示出来,然后根据已知的热水网路水力特性曲线△P=SzhV2公式,两个公式联合求解,得出循环水泵工作点的△P和V值。
水泵的特性曲线,通常可用下列函数式表示:
△P=a+bV十cV2+dV3+...(10-8)
式中a、b、c、d——根据水泵的特性曲线数据拟合的函数式中的数值。
当热水网路的任一管段的阻力数,在运行期间发生了变化(如调整用户阀门,接入新用户等等),则必然使热水网路的总阻力1S值改变,工作点A的位置随之改变(如改到图10-1曲线3的B点位置),热水网路的水力工况也就改变了。
不仅网路总流量和总压降变化,而且由千分支管段的阻力数变化,也要引起流量分配的变化。
如要定量地算出网路正常水力工况改变后的流量再分配,其计算步骤如下,
(1)根据正常水力工况下的流量和压降,求出网路各管段和用户系统的阻力数;
(2)根据热水网路中管段的连接方式,利用求串联管段和并联管段总阻力数的计算公式[见式(10—4),式(10—5)],逐步地求出正常水力工况改变后整个系统的总阻力数;
(3)得出整个系统的总阻力数后,可以利用上述的图解法,画出网路的特性曲线,与网路循环水泵的特性曲线相交,求出新的工作点。
或可利用上述计算法求解确定新的工作点的△P和V值。
当水泵特性曲线较平缓时,也可近似视为△P不变,利用下式求出水力工况变化后的网路总流量V':
(10-9)
式中V'——网路水力工况变化后的总流量,m3/h;
△P——网路循环水泵的扬程,设水力工况变化前后的扬程不变,Pa;
S'zh——网路水力工况改变后的总阻力数,Pa/(m3/h)2。
(4)顺次按各并联管段流量分配的计算方法(见式10—7)分配流量,求出网路各管段及各用户在正常工况改变后的流量。
第二节热水网路水力工况的分析和计算
根据上述水力工况计算的基本原理,就可分析和计算热水网路的流量分配,研究它的水力失调状况。
对于整个网路系统来说,各热用户的水力失调状况是多种多样的。
当网路中各热用户的水力失调度x都大于1(或都小于1)时,称为一致失调。
一致失调又可分为等比失调和不等比失调。
所有热用户的水力失调度x值都相等的水力失调状况,称为等比失调。
热用户的水力失调度,值不相等的水力失调状况,称为不等比失调。
当网路中各热用户的水力失调度有的大于1,有的小于1的水力失调状况,则为不一致失调。
当网路各管段和各热用户的阻力数已知时,也可以用求出各用户占总流量的比例方法,来分析网路水力工况变化的规律。
如一热水网路系统有几个用户,如图10—2所示,干线各管段的阻力数以sⅠ、sⅡ、sⅢ...sN表示,支线与用户的阻力数以s1、s2、s3...sn表示。
网路总流量为V。
用户流量以V1、V2、V3...Vn表示。
利用总阻力数的概念,用户1处的△PAA,可用下式确定
(10-10)
式中S1-n——热用户1分支点的网路总阻力数(用户1到用户n的总阻力数)。
由式(10-10),可得出用户1占总流量的比例,即相对流量比
(10-11)
对用户2,同理,△PBB可用下式表示
(10-12)
式中S2-n——热用户分支点的网路总阻力数(用户2到用户n的总阻力数)。
从另一分析来看,用户1分支点处的△PAA也可写成
或
(10-13)
式中SⅡ-n=sn+S2-n——热用户1之后的网路总阻力数(注意:
不包括用户1及其分支线)。
式(10-12)与式(10-13)两式相除,可得:
则
(10-14)
根据上述推算,可以得出第m个用户的相对流量比为
(10—15)
由式(10-15)可以得出如下结论:
(1)各用户的相对流量比仅取决于网路各管段和用户的阻力数,而与网路流量无关。
(2)第d个用户与第m个用户(m>d)之间的流量比,仅取决于用户d和用户d以后(按水流动方向)各管段和用户的阻力数,而与用户d以前各管段和用户的阻力数无关。
因为,如假定d=4,m=7,则从式(10-15)可得
(10-16)
下面再以几种常见的水力工况变化情况为例,根据上述的基本原理,并利用水压图,定性地分析水力失调的规律性。
如图10-3(a)所示为一个带有五个热用户的热水网路。
假定各热用户的流量已调整到规定的数值。
如改变阀门A、B、C的开启度,网路中各热用户将产生水力失调。
同时,水压图也将发生变化。
1.当阀门A节流(阀门关小)时的水力工况当阀门A节流时,网路的总阻力数增大,总流量V将减少(为便于分析起见,假定网路循环水泵的扬程是不变的)。
由于热用户1至5的网路干管和用户分支管的阻力数无改变,因而根据式(10-16)的推论可以肯定,各热用户的流量分配比例也不变,即都按同一比例减少,网路产生一致的等比失调。
网路的水压图将如图10-3(b)所示。
图中实线为正常工况下的水压曲线,虚线为阀门A节流后的水压曲线。
由于各管段流量均减少,因而虚线的水压曲线比原水压曲线变得较平缓
一些。
各热用户的流量是按同一比例减少的。
因而,各热用户的作用压差也是按相同的比例减少。
2.当阀门B节流时的水力工况当阀门B节流时,网路的总阻力数增加,总流量V将减少。
供水管和回水管水压线将变得平缓一些,并且供水管水压线将在B点出现一个急剧的下降,变化后的水压图将成为图10-3(c)虚线所示。
水力工况的这个变化,对于阀门月以后的用户3、4、5,相当于本身阻力数未变而总的作用压力却减少了。
根据式(10-16)的推论,它们的流量也是按相同的比例减少,这些用户的作用压力也按同样比例减少。
因此,将出现一致的等比失调。
对于阀门B以前的用户1、2,根据式(10-16)推论,可以看出用户流量将按不同的比例增加,它们的作用压差都有增加但比例不同,这些用户将出现不等比的一致失调。
对于全部用户来说,既然流量有增有减,那么整个网路的水力工况就发生了不一致失调。
3.当阀门C关闭(热用户3停止工作)时的水力工况阀门C关闭后,网路的总阻力数将增加,总流量V将减少。
从热源到用户3之间的供水和回水管的水压线将变得平缓一些,但因假定网路水泵的扬程并无改变,所以在用户3处供回水管之间的压差将会增加,用户3处的作用压差增加相当于用户4和5的总作用压差增加,因而使用户4和5的流量按相同的比例增加,并使用户3以后的供水管和回水管的水压线变得陡峭一些。
变化后的水压线将成为图10-3(d)所示的样子。
根据式(10-16)的推论,从图10-3(d)的水压图可以看出,在整个网路中,除用户3以外的所有热用户的作用压差和流量都会增加,出现一致失调,对于用户3后面的用户4和5,将是等比的一致失调,对于用户3前面的热用户1和2,将是不等比的一致失调。
4.热水网路未进行初调节的水力工况由于网路近端热用户的作用压差很大,在选择用户分支管路的管径时,又受到管道内热媒流速和管径规格的限制,其剩余作用压差在用户分支管路上难以全部消除,如网路未进行初调节,前端热用户的实际阻力数远小于设计规定值,网路总阻力数比设计的总阻力数小,网路的总流量增加。
位于网路前端的热用户,其实际流量比规定流量大得多。
网路干管前部的水压曲线,将变得较陡,而位于网路后部的热用户,其作用压头和流量将小于设计值,网路干管后部的水压曲线将变得平缓些(图10-3(e)中虚线)。
由此可见,热水网路投入运行时,必须很好地进行初调节。
在热水网路运行时,由于种种原因,有些热用户或热力站的作用压头会出现低于设计值,用户或热力站的流量不足。
在此情况下,用户或热力站往往要求增设加压泵(加压泵可设在供水管或回水管上)。
下面定性地分析,在用户增设加压泵后,整个网路水力工况变化的状况。
图10-4中的实线表示在用户3处未增设加压泵时的动水压曲线。
假设用户3来增设回水加压泵2时作用压头为△PBE,低于设计要求。
在用户3回水管上增没的加压泵2运行时,可以视为在热用户3及其支线上(管段BE)增加丁一个阻力数为负值的管段,其负值的大小与水泵工作的扬程和流量有关。
由于在热用户3上的阻力数减小,在所有其它管段和热用户来采用调节措施,阻力数不变的情况下,整个网路的总阻力数S值必然相应减少。
为分析方便,假设网路循环水泵1的扬程为定值,则热网总流量必然适当增加。
热用户3前的干线AB和EF的流量增大,动水压曲线变陡,用户1和2的资用压头减少,呈非等比失调。
热用户3后面的热用户4和5的作用压头减少,呈等比失调。
整个网路干线的动水压曲线如图10-4的虚线AB'C'D'E'F所示。
热用户3由于回水加压泵的作用,其压力损失△PB'E"增加,流量增大。
由此可见,在用户处装设加压泵,能够起到增加该用户流量的作用,但同时会加大热网总循环水量和前端干线的压力损失,而且其它热用户的资用压头和循环水量将相应减少,甚至使原来流量符合要求的用户反而流量不足。
因此,在网路运行实践中,不应只从本位出发,任意在用户处增没加压泵,必须有整体观念,仔细分析整个网路水力工况的影响后才能采用。
[例题10-11网路在正常工况时水压图和各热用户的流量如图10-5所示。
如关闭热用户3,试求其它各热用户的流量及其水力失调程度。
[解]1.根据正常工况下的流量和压降,求网路干管(包括供,回水管)和各热用户的阻力数s。
如对用户5。
已知其流量l00m3/h,压力损失为10×104Pa,根据式(10-2)
同样可求得网路干管和各热用户的阻力数s值,见表10-1。
2.计算水力工况改变后网路的总阻力数S
(1)求热用户3之后的网路总阻力数
(2)求热用户2之后的网路总阻力数(热用户3关闭,下同)
网路干管
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
压力损失△P(Pa)
流量V(m3/h)
阻力A数s(Pa/(m3/h)2
10×104
600
0.4
10×104
400
0.625
10×104
300
1.11
10×104
200
2.5
10×104
100
10
热用户
1
2
3
4
6
压力损失△P(Pa)
流量V(m3/h)
阻力数s(Pa/(m3/h)2)
50×104
100
50
40×104
100
50
—
—
—
20×104
100
20
10×104
100
10
(3)求热用户2分支点的网路总阻力数S2-5。
热用户2与热用户2之后的网路并联,故总阻力数S2-5可由式(10-6)求得:
(4)求热用户1之后的网路总阻力数Sn-5。
同理,Sn-5=S2-5+sn=4.016+0.625=4.641
(5)求热用户1分支点的网路总阻力数S1-5,同理
(6)最后确定网路的总阻力数S
S=S1-5+s1=2.732+0.4=3.132
3.求网路在工况变动后的总流量V。
假定网路循环水泵的扬程不变△P=60×104Pa,
则
4.根据各并联管段流量分配比例的计算公式(10-7),求各热用户的流量。
(1)求热用户1的流量
(2)求热用户2的流量
(3)求热用户4,5的流量V4、V5
热用户3之后的网路各管段阻力数不变。
因此,在水力工况变化后各管段的流量均按
同一比例变化。
干管Ⅳ的水力失调度x值为:
x=(437.7-102-106.3)/200=229.4/200=1.147
因此,热用户4、5的流量分别为,
V4=1.147×100=114.7m3/h
V5=1.147×100=114.7m3/h
其计算结果列于表10—2。
表10-2
热用户
1
2
3
4
5
正常工况时流量(m3/h)
工况变动后流量(m3/h)
水力失调皮x
正常工况时用户的作用压差△P(Pa)
工况变动后用户的作用压差△P(Pa)
100
102
1.02
50×104
62.34×104
100
106.3
1.063
40×104
45.29×104
100
0
0
30×104
39.45×104
100
114.7
1.147
20×104
26.3×104
100
114.7
1.147
10×104
13.14×104
5.确定工况变动后各用户的作用压差当网路水力工况变化后,热用户2的作用压差应等于热源出口的作用压差减去干线工的压力损失,即:
同理,可计算出各热用户的作用压差,其计算结果列于表10—2。
图10-5中虚线表示水力工况变化后的各用户的作用压差变化图。
计算例题说明,只要热网各管段及各热用户的阻力数为已知值,则可以通过计算方法,确定网路的水力工况——各管段和各热用户的流量以及相应的作用压头,但计算极为繁琐。
近年来,网路计算理论的不断完善和电子计算机技术的高度发展,使得这类计算问题容易得到解决。
因此,利用计算机分‘析热水网路水力工况,并以此来指导网路进行初调节,甚至配合微机监控系统,对热水网路实现遥控等技术,在国内也得到了应用。
第三节热水网路的水力稳定性
为了探讨影响热水网路水力失调程度的因素并研究改善网路水力失调状况的方法,在本节中着重讨论热水网路水力稳定性问题。
所谓水力稳定性就是指网路中各个热用户在其它热用户流量改变时保持本身流量不变的能力。
通常用热用户的规定流量Vg和工况变动后可能达到的最大流量Vmax的比值y来衡量网路的水力稳定性。
即
(10-17)
式中y——热用户的水力稳定性系数;
Vg——热用户的规定流量;
Vmax——热用户可能出现的最大流量;
xmax——工况变动后热用户可能出现的最大水力失调度,按式(10-2),
热用户的规定流量按下式算出:
(10-18)
式中△Py——热用户在正常工况下的作用压差,Pa;
Sy——热用户系统及用户支管的总阻力数,Pa/(m3/h)2。
一个热用户的可能的最大流量出现在其它用户全部关断时。
这时,网路干管中的流量很小,阻力损失接近于零;因而热源出门的作用压差可认为是全部作用在这个用户上。
由此可得,
(10-19)
式中△Pr——热源出口的作用压差,Pa。
△Pr可以近似地认为等于网路正常工况下的网路干管的压力损失△Pw和这个用户在正常工况下的压力损失△Py之和,亦即
△Pr=△Pw+△Py
因此,这个用户可能的最大流量计算式可以改写为,
(10-20)
于是,它的水力稳定性就是
(10-21)
由式(10-21)可见,水力稳定性y的极限值是1和0。
在△Pw=0时(理论上,网路干管直径为无限大),y=1。
此时,这个热用户的水力失调度xmax=1,即无论工况如何变化都不会使它水力失调,因而它的水力稳定性最好。
在这种情况下的这个结论,对于这网路上的每个用户都成立,所以也可以说,在这种情况下任何热用户流量的变化,都不会引起其它热用户流量的变化。
当△Py=0或△Pw=∞时(理论上,用户系统管径无限大或网路干管管径无限小),y=0。
此时,热用户的最大水力失调度xmax=∞,水力稳定性最差,任何其它用户流量的改变,其改变的流量将全部转移到达个用户去。
实际上热水网路的管径不可能为无限小或无限大。
热水网路的水力稳定性系数y总在0和1之间。
因此,当水力工况变化时,任何热用户流量改变时,它的一部分流量将转移到其它热用户中去。
如以例题10-1为例,热用户3关闭后,其流量从100m3/h减到0,其中一部分流量(37.7m3/h)转移到其它热用户去,而整个网路的流量减少了62.3m3/h。
提高热水网路水力稳定性的主要方法是相对地减小网路干管的压降,或相对地增大用户系统的压降。
为了减少网路干管的压降,就需要适当增大网路干管的管径,即在进行网路水力计算时,选用较小的比摩阻R值。
适当地增大靠近热源的网路干管的直径,对提高网路的水力稳定性来说,其效果更为显著。
为了增大用户系统的压降,可以采用水喷射器,调压板、安装高阻力小管径阀门等措施。
在运行时应合理地进行网路的初调整和运行调节,应尽可能将网路干管上的所有阀门开大,而把剩余的作用压差消耗在用户系统上。
对于供热质量要求高的系统,可在各用户引入口处安置必要的自动调节装置(如流量调节器等),以保证各热用户的流量恒定,不受其它热用户的影响。
安装流量调节器以保证流量恒定的方法,实质上就是改变用户系统总阻力数Sy,以适应变化工况下用户作用压差的变化,从而保证流量恒定。
提高热力网路水力稳定性,使得供热系统正常运行,可以节约无效的热能和电能消耗,便于系统初调整和运行调节。
因此,在热水供热系统设计中,必须在关心节省造价的同时,对提高系统的水力稳定性问题给予充分重视。
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