供热管网水力平衡计算及分析

供热管网水力平衡计算及分析
1 问题的提出
中南建筑设计院西区(生活区)集中低温热水采暖系统于1991年完成设计及施工，并于当年年底投入运行。

系统运行至今已有十年，大大改善了我院职工的生活条件。

但该热水采暖系统自运行之初起，就存在着热力失衡问题。

后随着用户的增加，管网作用半径的增大，随着燃煤蒸汽锅炉、汽-水换热器、热水循环泵运行效率的降低，也随着采暖系统阀件及沿程管道性能的弱化，采暖系统运行效率降低，热力失衡问题越来越严重，具体表现在管网末端用户的采暖效果越来越差。

为配合我院沿街开发的形势，院西区两栋临街多层住宅拆除，由于采暖用户(以下均指单栋或单元建筑)减少采暖外网须相应调整，此举可部分程度缓解采暖系统效果恶化情况，但热力管网水力失衡问题尚未得到解决。

2 管网水力计算及平衡分析
基于上述原因，我们对院西区采暖热网进行水力计算及分析，拟采取水力平衡阀等技术措施对该采暖热网进行水力平衡，以期改善西区整体采暖效果。

2.1 计算条件
已知条件
(1)外网各环路管段管径及沿程长度，各单位采暖设计热负荷及总设计热负荷。

各环路用户采暖热负荷说“表1”
表一
1,34,7北大28单29单幼儿幼儿用户名称单元单元单元单元单元板元元园南园北
热负荷126.1 126.1 160.0 51.0 33.6 44.1 38.0 70.7 70.7 78.2 (kw) 续表一
3334357,1011,14中南海15,21用户名称 23户中单单元单元单元单元
单元单元热负荷(kw) 55.7 60.9 60.9 155.8 184.7 184.7 527.6 115.0
(2)各环路用户室采暖水系统所需资用压头，由各单体采暖设计图纸及资料获得，参见“表四”及“表五”中“用户所需资用压头”项。

假定条件:
(1)由于锅炉及换热器效率的降低，根据该系统运行经验采暖供水最高温度为80?，最大供回水温差15,18?。

采暖供回水温度取80/60?。

(2)由于系统运行多年外管内壁粗糙度增大，外管内壁粗糙度取K=0.5mm。

2.2 环路外网摩阻计算
1#环路负担总热负荷为1219kw，循环水量为52.8kg/h，其供回水总管管径为DN125，环路外网摩阻计算说“表二”
表二
管段长管段编流量管径流速单位摩阻管段摩阻累计摩阻度号 (t/h) (mm) (m/s) (Pa/m) (Pa/m) (Pa/m) (m)
L1 52.8 125 1.25 171 154 26.30 26.3
L2 47.3 125 1.11 135 134 18.10 44.4
L3 41.9 125 0.99 107 124 13.30 57.7
L4 31.3 125 0.74 60 10 0.60 58.3
L5 26.3 125 0.62 42 26 1.10 59.4
L6 23.3 125 0.55 33 26 0.86 60.3
L7 18.1 100 0.67 66 54 3.56 63.8
L8 13.4 100 0.50 36 20 0.72 64.6
L9 10.8 100 0.41 25 20 0.50 65.1
L10 6.5 50 0.96 330 24 7.90 73.0 L11 10.5 65 0.90 157 20 3.14 60.9
L12 9.07 65 0.70 116 20 2.32 63.2 L13 6.93 65 0.62 80 50 4.00 67.2 2#环路负担总热负荷为897kw，循环水量为22.9kg/h，其供回水总管管径为
DN125，环路外网摩阻计算详“表三”。

表三
管段流公称直管段流管段长管段编单位摩阻管段摩阻累计摩阻量径速度号 (Pa/m) (Pa/m) (Pa/m) (t/h) (mm) (m/s) (m)
L14 38.8 125 0.92 92.4 200 18.48 18.5 L15 22.9 100 0.85 104.8 50
5.24 23.7 L16 22.9 80 1.26 300.4 200 60.0 83.7 L17 15.9 80 0.88 145.3 50 7.27 31.0 L18 7.94 80 0.44 3
6.4 130 4.73 35.7 2.3 环路外网水力平衡分析及平衡措施
2.3.1 1#环路外网水力平衡
1#环路最不利用户为“23户”，其外网沿程摩阻为73.0kpa，考虑沿程局部阻力为摩阻的10%即7.3 kpa，沿程总阻力为80.3 kpa，“23户”资用压头为30 kpa，因此，1#环路所需资用压头为110.3 kpa，，可取值为115 kpa。

各用户之入户管径及所需资用压头不等。

1#环路水力平衡计算详“表四”。

从水力平衡计算表“表四”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一号，同时可以看出各平衡阀的开度均较小，尚未达到开度应在60,90%的
理想范围。

最不利用户“23户”入口不设平衡阀。

表四
用户流环路提供用户所需资平衡阀用入户管平衡阀平衡阀用户名量压头用压头压头径阀径开度称 (t/h) (kpa) (kpa) (kpa) (mm) (mm) (%) 4,6单5.42 83.7 30 53.7 50 40 30 元
1,3单5.42 65.6 30 35.6 50 40 38 元
幼儿园1.90 52.3 20 32.3 40 32 25 南
30单元 3.04 52.3 25 27.3 50 32 35 31单元 30.4 51.7 25 26.7 50 32 37 幼儿园1.64 50.6 20 30.6 40 32 23 北
32单元 3.36 49.7 25 24.7 50 32 42 18户 2.75 46.2 25 21.2 40 32 38 33单元 2.41 46.2 25 21.2 50 40 33 34单元 2.64 45.4 25 20.4 50 40 38 35单元 2.96 44.9 25 19.9 50 40 40 23户 7.79 30.0 30 7.0 50 不设阀 28单元1.44 49.1 25 24.1 50 32 23 29单元 2.11 46.8 25 21.8 50 32 29 北大板
6.88 42.8 30 12.8 50 40 50
2.3.2 2#环路外网水力平衡
2#环路最不利用户为“中南海15,21单元”，其外网沿程摩阻为83.7kpa,考虑沿程局部阻力为摩阻的10%即8.4 kpa,沿程总阻力为91.7 kpa,该用户资用压头为30 kpa,因此，2#环路所需资和压头为121.7 kpa,取值为125 kpa。

各用户之入户管径及所需资用压头不等。

2#环路水力平衡计算详“表五”。

从水力平衡计算表“表五”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一号。

最不利用户“中南海15,21单元”之各单元供回水管为水平同程布置，因此不设平衡阀。

表五
用户流环路提供用户所需平衡阀用入户管平衡阀平衡阀用户名量压头资用压头压头径阀径开度称 (t/h) (kpa) (kpa) (kpa) (mm) (mm) (%) 7,10单
7.95 83.7 30 90 50 40 30 元
11,147.956 65.6 30 85 50 40 38 单元
DN25× 中南海19 15,2122.9 30 30 0 不设阀DN20× 单元 6
2.3.3 3#环路外网水力平衡
3#环路沿程总阻力为5 kpa,用户资用压头为25 kpa,因此，3#环路所需资用压头为30 kpa。

入户管径DN65，而该环路外管管径DN100相对过大，若仅靠调整在换热站内该环路供回水管DN100口径阀门开度难以达到环路所需较低的资用压头，因此建议在其用户“中单公寓”之进水干管设口径DN40数字锁定平衡阀，也可为将来院内发展再增加该环路之用户作准备。

具体的平衡方案是，在换热站内适当关小3#环路供回水总管阀门开度使环路资用压头为50 kpa,用户采用DN40数字锁定平衡阀消耗富裕压头20 kpa,该平衡阀开度设定为42%。

3 供热管网改造及效果在2000年采暖季之前，中南院西区集中供热管网已根据上述水力平衡方案进行了改造。

具体做法是:(1)对绝大多数热用户热力入口处的供水干管均增设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截止阀或闸阀全部满开;(2)通过调节换热站内集分水器处各环路供回水管上的主阀，使1#，2#，3#环路的资用压头分别为115 kpa,125 kpa,50 kpa。

2000年入冬后，院西区集中供暖系统投入运行，长期以来困绕我院的热力失衡问题得到了解决。

例如，1#环路原采暖效果最差的用户“23户”室内采暖系统完全正常，该环路已实现热力平衡，其水力平衡已得到体现。

2#环路除“中南海15,16单元”个别室内立管外，该环路也基本正常。

“中南海”各单元供暖系统为水平同程布置，系统投入运行的头几年各单元属正常，“15,16单元”个别室内立管不热的原因初步分析结果是，部分住户近几年装修时对室内系统改动较大导致水流不畅，部分室内立管上回水失灵无法开启或被杂物堵塞，目前该问题正在整改中。

3#环路“中单公寓”略有过热现象，后经过系统微调完全正常。

4.小结
(1)该供热和网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，为今后热网的平衡积累了一定的经验。

(2)平衡阀是热力管网平衡的有力工具，借助于平衡阀可以实现水力平衡的量化。

(3)对于整个热力管网而言，单体室内采暖系统设计的入户管径偏大的情况普遍存在，对树状管网的近端用户尤为严重，值得我们在今后的设计中注意。