供热系统运行调节与控制(基本知识)

供热系统运行调节的基本知识同方股份有限公司一．供暖热负荷及其变化1．供暖建筑热负荷概算公式/1000Q q A =⋅ （1）式中，Q ——供暖设计总热负荷， KW ；A ——供暖建筑物的建筑面积，2m ；q ——供暖建筑面积概算热指标， 2/W m ；指每一平方米供暖建筑面积的设计热负荷。

2．供暖建筑面积概算热指标城市热力网设计规范（CJJ34-2002）的推荐植如表1所示。

采暖热指标推荐植（W/m 2） 表1表中数据适合于‘三北’地区；热指标中已包括约5%的管网热损失。

3．供暖热负荷变化（1）影响热指标的主要因素：热指标与建筑物房屋基本耗热量的关系如下式()/n w q K F t t A =⋅-∑ （2）式中，K ——房屋维护结构传热系数，2/W m ⋅℃；F ——房屋维护结构传热面积，2m ；n t ——室内设计温度，一般取18℃；w t ——室外设计温度，℃。

对于一个现成的要投入运行的供热系统，在供暖期间其K 、F 、t n 和A 是确定的，而室外温度是变化的。

从式（1）、（2）中可看出：在非设计条件下，供暖热负荷Q 随室外温度变化t ,w 而变化，且呈线性关系。

（2）建筑物房屋耗热量还要计算：①房屋通过门、窗的泠风渗透耗热量；②外门开启泠风渗透耗热量；它的大小与室外温度无关，而与风力大小有关。

4．采暖全年耗热量予测 （1）供暖热负荷延续图计算（2）利用供暖期平均温度计算：()()0.0864/z n p n w Q N Q t t t t =⋅⋅-- （3）式中，z Q ——采暖全年耗热量，GJ ；N ——采暖期天数；p t ——采暖期室外平均温度，℃。

二．供暖系统水力工况1．系统水力工况分析的意义（1）定义：供暖系统中流量、压力的分布状况。

供暖系统供热质量的好、坏，与供暖系统水力工况有着密切的联系。

（2）分析水力工况的工具：水压图。

（3）水压图的作用：①确定静水压线的依据；②决定系统连接方式；③合理配置循环水泵、补水泵和加压泵； ④指导初调节，分析失调原因。

2．水压图绘制和使用 （！）管段压力分布的基本概念流体在管道中流动，将引起能量消耗即表现为流体的压力损失，这样，在不同的管段断面，流体的压力值不同。

可用流体力学中的伯努利能量方程式来描述。

图1 总水头线与测压管水头线如图1的某一流体管道，断面1和断面2的伯努利能量方程式为：221211221222p Z g p Z g p ννρρρρ-++=+++∆ Pa （4）或：221122121222p p Z Z H g g g gννρρ-++=+++∆ 2mH O （5） 公式（4）的单位为帕（Pa ），公式（5）的单位为米水柱（mH 2O ）；0.1MPa 等于10mH 2O 、等于1kg/cm 2。

水压图通常用后者表示。

公式中各项的物理意义：等式左边和右边分别表示断面1和断面2的总水头值（H A和H B ）。

其中，Z 称为位置水头，表示流体在该断面相对于基准面（图中的O-O 线）所处的位置高度；P/ρg 称为压力能水头，表示流体在该断面的位置高度Z 时对管壁的静压力（即等于该处开孔，水的喷出高度）；v 2/2g 称为动能水头，表示流体在流速下由流动引起的动能。

图中AB 线称为总水头线，其上各点表示管段上相应各断面处的总水头值；管段上任何两断面之间的压力损失等于这两个断面处流体总水头值之差，如1-2断面的压力损失ΔH 21-可由下式表示：12A B H H H -∆=- 2mH O （6）由于热水供暖管道中流速较小，通常在1-3m/s 之间，动能水头v 2/2g 很小，仅0.05-0.46 mH 2O ，可以忽略，而只考虑位置水头Z 和压力能水头P/ρg ，用C-D 线代替A-B 线表示总水头线，由于它的压力就是用测压管测量显示的液面高度（Z+P/ρg ），故习惯把其称为测压管水头线。

（2）水压图绘制方法利用管道的测压管水头线绘制热水供暖系统水压图，可以很方便地将管道中流体的压力的压力分布作出明晰的分析：①根据测压管水头线和各断面位置高度，可计算各断面流体的压力能水头值P/ρg （mH 2O ），即P/ρg=H-Z （mH 2O ）。

此值即表示该断面上压力表的读数；②根据测压管水头线可计算管段断面之间的压力损失，即：121212C D p p H H H Z Z g g ρρ-⎛⎫⎛⎫∆=-=+-+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 2mH O （7）一般水压图包括如下内容：横坐标表示供热系统的管道单程长度。

纵坐标的下半部分，表示供热系统的纵向标高，包括管网、散热器、循环水泵、地形及建筑物的标高，对于外网，当纵坐标无法将供热系统组成表示清楚时，可在水压图的下部标出供热系统示意图，如图2所示。

纵坐标的上半部分，表示供热系统的总水头或测压管水头线。

图2 热水管网的水压图（3）水压图的应用①确定管道上任何一点的压力；选择连接方式，静压线位置，保证不压坏，不倒空，不汽化②确定用热设备（散热器和换热器）处的压力；③确定用户资用压头；④确定管道比摩阻；⑤确定循环水泵扬程。

3．管网阻力特性（1）基本公式流体在管道中流动必须克服管道阻力，流体产生一定的压力损失。

流体在管道中的压力损失与管道粗细、管网布置形式和流体的流动速度（流量）有关，基本关系如下：2P S G ∆=⋅； Pa （8）或 2HS G ∆=⋅； 2mH O （9）式中，ΔP 、ΔH——分别为以Pa 、mH 2O 为单位的管段压降； G ——管段的体积流量，m 3/h ；S ——管段的阻力特性系数，它的物理意义是通过单位流量管道（或管网）阻力的变化。

当视水的密度ρ（kg/m 3）为常数时，则S 值只是管道直径、长度、绝对粗糙度的函数，即S 的大小只取决于管道的结构。

也就是说，对于一定的管网，其阻力特性系数也固定不变。

S 值用下式计算： 当单位为Pa/（m 3·h 1-）2时：0.259 5.256.8810 ()d KS l l dρ-=⨯+ Pa/（m 3·h 1-）2 （10）当单位为mH 2O/（m 3·h 1-）2时：0.25105.257.0210()d K S l l dρ-=⨯+ mH 2O/（m 3·h 1-）2 （11） （2）管网阻力特性计算：① 串联管段：总阻力特性系数等于各管段阻力特性系数之和，即1231nn ii S S S S S S ==+++=∑ （12）式中，i ——管段编号； n ——串联的管段数。

说明：在串联管段中，串联管段愈多，总阻力特性系数值愈大，各串联管段流量相等，总压降为各管段压降之和。

② 并联管段：总阻力特性系数的平方根倒数等于各管段阻力特性系数的平方根倒数之和，即∑==++++=ni inS S S S S S1321111111 （13）说明：在并联管段中，各并联管段的压降Δp i 与总压降相等，即Δp =Δp i 。

当并联管段的阻力特性系数值增大时，总阻力特性系数值也增大，反之亦然。

③ 有源管段：是指有安装水泵的管段，如下图3所示。

图3 有源管段对于无源管段，流体通过该管段时，流体对外作功，流体本身压力降低，此时阻力特性系数为正值；对于水泵，流体通过水泵时，流体压力增高，说明流体吸收了水泵提供的能量，增强流体的流动，也就是说，水泵的阻力特性系数S p <0，为负值。

水泵的阻力特性系数S p 值为：2p p P S G∆=- Pa/（m 3·h 1-）2 （14）2p p H S G∆=-mH 2O/（m 3·h 1-）2 （15）说明：有源管段的阻力特性系数一定小于同一管段在无源情况下的阻力特性系数，即管段串联水泵后，其阻力特性系数减小，有时甚至成为负值，主要取决于水泵扬程的大小。

水泵扬程愈高，出现负值的可能性愈大。

④ 混水泵连接管段：如图4所示。

特点：●混水泵连接管段与热用户并联；●当混水泵不运行，关闭旁通管AB 段上的阀门时，外网与用户是简单串联，图4 混水泵连接管段此时S APB =∞，则APB 与ARB 的阻力特性系数S AB =S ARB ，说明对热用户未起并联作用；热用户●当旁通管AB 段上的阀门开启，混水泵运行时，将热用户部分回水抽回与外网供水混合降温后送入热用户，混水泵的水流与热用户的水流相反，此时APB 与ARB 并联的总阻力特性系数由下式计算：APBARBABS S S 111-=（16）由公式可知，S AB >S ARB ，说明在管网中混水泵的作用是增大管网的总阻力特性系数，亦即减少管网的总流量。

（2）管网阻力特性线：以流量为横坐标，压降为纵坐标将管段（管网）的阻力特性（公式8或9）用一条抛物线描绘出来的曲线，成为管网阻力特性曲线。

阻力特性系数不同，阻力特性系数也不同。

①不同阻力特性系数的阻力特性曲线图5 管网阻力特性曲线 图6 串联管网阻力特性曲线② 串联管网阻力特性曲线12 S S S =+③ 并联管网阻力特性曲线=+图7 并联管网阻力特性曲线④ 有源管段阻力特性曲线112= p p P S S S S G∆=+-图8 有源管段阻力特性曲线4．水力工况的确定（1）水泵在系统中的工作点① 水泵的特性：水泵样本给出的基本参数：流量Q ，扬程H ，效率η，必需汽蚀余量NPSH 等，这些参数表示水泵性能是由泵厂以常温清水为介质通过试验测得的值。

离心水泵特性如下图所示。

图图9 离心水泵特性曲线□流量；泵的流量是单位时间内泵排出口所输出的液体量。

泵厂用实测数据绘制的流量－扬程Q －H 曲线，用以表示Q －H 的变化关系。

一般Q 用体积流量m 3/h 或L/s 表示。

但在工艺算中还常用重量流量G （kg/h ），两者之间的关系为：/Q G ρ=式中，Q ，——输送温度下流体的体积流量 （m 3/h ） G ——流体的重量流量 （kg/h ）ρ——输送温度下流体的密度 （kg/m 3）。

□扬程：泵的扬程H 是指单位重量液体通过泵获得的能量增量（Pa 或m 水柱）。

泵样本给出的扬程是以水为基准得出的，在任何条件下泵的扬程与流体的密度无关。

而压力与密度有关。

泵的扬程是用来克服下列各项阻力或压头差：① 两端容器液面间距的位差； ② 两端容器液面上压力作用的压头差；③ 泵进出口侧管线、管件、仪表和设备的阻力损失；④ 两端液体出口的速度头差，但此值一般甚小，可忽略不计。

根据用途不同，泵的扬程所要克服的阻力或压头差的内容是不同的。

□功率和效率：① 有效功率：单位时间内对液体所作的功，其计算公式如下0/102N QH ρ= 或 0/367N QH γ=式中：No ——泵的有效功率 kW ； Q ——输送温度下泵的流量 m 3/s ； Q ，——输送温度下泵的流量 m 3/h ； ρ——输送温度下液体的密度 kg/m 3； γ——输送温度下液体的相对容重（相对于水）； H ——扬程 m 。