CN101661678B - 水力工况实验及分析装置 - Google Patents

Abstract

一种水力工况实验及分析装置，目的是移动灵活、操作和观察方便、定压点和定压方式均有多种选择、运行温度可调，能准确监测管网和用户的流量、压力和温度，较全面反映热网水力工况变化情况并可对管网进行定量分析；本发明包括热源区、用户区和支架，热源区包括水箱、补水泵、循环泵、模拟锅炉、过滤器、控制箱和流量调节阀门；水箱、补水泵、循环泵、模拟锅炉、控制箱安装在悬吊的固定台架上；用户区包括多个用户和连接管路，每个用户按水流方向依次设有压力表、流量计、测温套管、散热器、测温套管、冷风阀和压力表，不同用户在水平方向上等高或存在高层差，或者在一个垂直方向上高、低布置，或混合布置；热源区和用户区通过供、回水干管连接。

Description

水力工况实验及分析装置

技术领域

本发明涉及热水供热管网的水力工况实验及分析装置。

背景技术

热水供热管网在运行过程中用户流量偏离设计值、冷热不均等直接影响供热质量和系统运行经济性的水力失调问题普遍存在，其原因有水泵出力与管路通流能力不匹配，设计中只注意到最不利点的资用压头，初调节不彻底，用户用热量发生变化等。现有用于热水供热管网的水力工况实验及分析装置普遍采用高位水箱定压、测压管测压、用户等高水平布置、冷态运行等。因测压管较长、刻度尺安装定位存在偏差以及实验者受身高限制使读数误差大，难以满足实验精度要求，而且实验装置高度高，占据空间大，移动不方便；用户等高水平布置不能体现垂直用户和存在高层差的水平用户的水力工况变化情况；冷态下运行不能体现水温变化及用户散热量变化对水力工况的影响；采用高位水箱定压不易控制液位，容易出现溢流，环境中灰尘也易通过高位水箱进入管网，堵塞管路，污染系统，而目前中型以上热水供热管网最常使用的是补水泵定压，现有技术无法体现。改变水力工况后，只装有测压管的实验装置仅能体现水压变化情况，进行定性分析，同时装有用户流量计的可以进行水力失调度定量分析，但对整个供热管网及泵的工作点变化情况无法进行定量分析。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种移动灵活、操作和观察方便、定压点和定压方式均有多种选择、运行温度可调，能准确监测管网和用户的流量、压力和温度，较全面反映热网水力工况变化情况并可利用实验数据对管网进行定量分析的水力工况实验及分析装置。

本发明包括热源区、用户区和支架。支架包括竖梁、横梁、台面支撑架、台面、固定台架。竖梁为两根方钢，每根方钢下部垂直焊接一根槽钢，每根槽钢的两端各安装一个带卡锁的平顶万向轮。横梁为角钢焊接成的矩形方框，沿竖直方向与竖梁用螺栓连接在一起。台面支撑架宽度边中点固定在竖梁上，另有四根加强筋用螺栓将台面支撑架与竖梁连接在一起。横梁与台面支撑架的上部齐平。台面固定在台面支撑架上，台面上开有穿管用圆孔。固定台架悬吊安装在横梁和台面支撑架的下部，固定台架采用万能角钢做成，用于放置水箱、泵、模拟锅炉、控制箱和管道。万能角钢之间以及万能角钢与横梁、台面支撑架之间采用螺栓连接。

热源区布置在台面下方。热源区包括水箱、补水泵、循环泵、模拟锅炉、过滤器、控制箱和流量调节阀门；水箱、补水泵、循环泵、模拟锅炉和控制箱安装在固定台架上，补水泵安装在水箱下面，循环泵安装在补水泵下面；水箱采用透明材料制成，外部沿竖直方向装有刻度尺，顶部开有两个圆孔，分别与注水管和排水管相连，底部安装一个接头，通过装有注水阀的管路与补水泵进水口相连；补水泵出口管路经三通分成两路，一路与供水干管相连，一路与回水干管相连，每一路上均安装有一个补水阀；与循环泵进口连接的管路为回水干管，与循环泵出口连接的管路为供水干管，回水干管上按水流方向依次装有阀门、压力表、止回阀、冷风阀、压力表、泄水阀和过滤器。泄水阀安装在回水干管的最底部，过滤器安装在循环泵入口处；循环泵至模拟锅炉间的供水干管上装有压力表和给水阀；模拟锅炉包括炉体和端盖，模拟锅炉进水口设在炉体一端底部，与其对应的顶部设有冷风阀，出水口设在炉体另一端顶部，模拟锅炉出水口端略高于进水口端，炉体端口邻近出水口，炉体端口与端盖用法兰连接；在端盖上安装有两根电热棒和一根热电偶，电热棒通过交流接触器与温控器相连，热电偶与温控器直接连接；温控器、补水泵、循环泵与开关组相连，通过开关组控制温控器、补水泵和循环泵的工作状态。温控器、交流接触器、泵与模拟锅炉的开关组装在控制箱里面，温控器显示屏、状态灯、保险管、开关按钮固定在控制箱面板上。水箱、循环泵、补水泵、模拟锅炉、压力表、止回阀、过滤器以及阀门之间通过弯头、三通、内丝、管路连接，连接处采用生料带密封，泵的进、出水口与管路用柔性耐高温塑料软管连接，连接处用管箍束紧。

用户区包括多个用户和连接管路。用户布置在台面上方。每个用户按水流方向依次设有压力表、流量计、测温套管、散热器、测温套管、冷风阀和压力表；压力表和流量计安装在垂直管路上，散热器、测温套管和冷风阀安装在有一定坡度的水平管路上，冷风阀设在每个用户的最高点处；测温套管供插入电子测温计探头来测量散热器的进、出水温度；散热器为带肋片的铜管，褶皱形肋片呈螺旋状环绕并焊接在铜管外部；不同用户在水平方向上等高或存在高层差，或者在一个垂直方向上高、低布置，或混合布置，便于实验和分析。或者说，不同用户组合成不同用户系统，在水平方向上等高或存在高层差的多个用户组合成水平用户系统；在一个垂直方向上高、低布置的多个用户组合成垂直用户系统；水平用户系统和垂直用户系统构成混合用户系统。连接管路包括供、回水干管、旁路管和供、回水支管。供、回水干管和旁路管均布置在台面下方，供、回水支管一端与用户的垂直管路相连，一端与供水或回水干管相连，所有用户与旁路管并联在该区的供、回水干管之间。旁路管上装有压力表和旁路阀，在压力表前引出一根装有排水阀的排水管接入水箱，沿水流方向在旁路管末端通过三通并联水平安装两根回水干管，其中一根回水干管与各回水支管相连后与另一根回水干管分别连接到另一个三通上，再经一个接压力表的三通引出一根回水干管。供、回水干管上装有阀门，沿水流方向临近第一根供水支管的供水干管上装有压力表；热源区和用户区通过供、回水干管连接。

本发明适用于热水供热管网水力工况的教学和实验研究。本发明加装有热态运行设施件和控制器，使系统运行温度可在当前水温至90℃范围内设定及控制，而且升温速度快，实验准备时间短，散热器具有良好的散热性能，随外部模拟环境变化响应速度快，测温方式简便快捷，可以体现水温变化和用户散热量变化对水力工况的影响。用户系统分为水平用户系统、垂直用户系统和混合用户系统，能够直观体现垂直失调和存在高层差的水平失调；可以根据实验需要设定同程式、异程式和混合式三种管网系统；采用补水泵定压，系统密封性好；利用流量、压力和温度测量仪器仪表测得的数据可以定量分析水力稳定性、水力失调度，绘制水压图，根据管网已知结构尺寸可以计算整个热水网路的总阻力数，根据流量和压降关系可以绘制热水网路的水力特性曲线，结合泵的性能曲线可确定泵的工作点，从而使学生和实训人员更加全面深入地认识热网水力工况调节和变化特点，掌握热网水力工况计算分析方法。装置结构紧凑、拆装简单，部件布置合理，整体移动灵活，操作和观察方便。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明水循环系统图；

图3是本发明模拟锅炉结构示意图；

图4是本发明支架结构示意图；

图5是混合式等高水平用户系统热态运行正常工况水压图；

图6是混合式等高水平用户系统热态运行变化工况水压图；

图7是同程式存在高层差的水平用户系统热态运行正常工况水压图；

图8是同程式存在高层差的水平用户系统热态运行变化工况水压图；

图9是异程式垂直用户系统冷态运行正常工况水压图；

图10是异程式垂直用户系统冷态运行变化工况水压图。

图中：1.冷风阀，2.测温套管，3.散热器，4.压力表，5.流量计，6.回水干管，7.供水干管，8.温控器，9.控制箱，10.导线，11.模拟锅炉，12.止回阀，13.给水阀，14.回水补水阀，15.供水补水阀，16.补水泵，17.循环泵，18.过滤器，19.泄水阀，20.注水阀，21.刻度尺，22.水箱，23.注水管，24.排水阀，25.排水管，26.旁路管，27.旁路阀，28.模拟锅炉出水口，29.法兰，30.热电偶，31.电热棒，32.模拟锅炉入水口，33.加强筋，34.台面支撑架，35.横梁，36.平顶万向轮，37.竖梁。

字母A、B、C、D、E、F表示不同用户；字母d、e、f、g、h、i、j、m均为阀门。

具体实施方式

槽钢选用600×100×4mm，槽钢底部两端各焊接一块厚5mm的钢板，钢板上打孔，每个平顶万向轮36用四条螺栓安装在钢板上。在槽钢中心位置焊接40×40×2.5mm方钢。固定台架采用40×40×2mm万能角钢用螺栓连接而成。横梁35和台面支撑架34采用40×40×3mm角钢焊接成。台面采用防水、耐高温、韧性好的环氧树脂板，打的孔径能使管子刚好穿过，孔的位置与每根供、回水支管对齐。加强筋33为两端扁平的φ10mm的圆钢，以确保装置平稳、移动灵活、抗变形能力强，热源区设备悬空布置。

水箱22采用透明的有机塑料板制成，其外部沿竖直方向安装的刻度尺21可监测水箱22水位变化，为调节注水量以及排水阀24和补水阀14或15的开度提供参考。补水泵16补水量由补水阀14或15调节。泄水阀19安装在整个装置的最低点，即回水干管6的最底部，确保在系统停运时可以把系统内的水排净，避免残留水变质和腐蚀器壁，过滤器18安装在循环泵17入口处，确保泵工作安全；模拟锅炉11为圆筒形，为保证容水量和减小密封面，炉体采用2mm厚的φ219mm和φ112mm的不锈钢管和钢板焊接制成，与端盖连接的炉体端口的法兰29高21mm，法兰29与端盖沿圆周方向对称等分开8个孔，夹密封性能良好的绝缘橡胶垫用螺栓连接在一起。利用温控器8显示屏上的温度设定按键对模拟锅炉11内的电热棒31运行状态和系统运行水温进行设定，若设定温度值不高于当前水温，电热棒31不进行加热，若设定温度值高于当前水温，电热棒31加热水。在热源区，泵的进、出水口与管路采用柔性耐高温塑料软管连接，以减弱震动影响，其余连接管路采用PP-R管。用户区连接管路均采用镀锌铁管。测温套管2为一端封闭的中空铜管，在散热器3进出口管路的顶部打孔，将测温套管2封闭的一端嵌焊进管路。

注水充压：注水前检查排水阀24和泄水阀19是否处于关闭状态；若采用供水补水阀15注水，回水补水阀14关闭，反之，供水补水阀15关闭，除此以外，检查其它阀门是否处于打开状态。选择定压点和静水压值，本装置旁路管26及供水干管7和回水干管6上安装的压力表4可任选其一作为定压点，选择的静水压值应保证所有压力表4示数在变工况时不超过压力表4量程。

打开水源向水箱22注水，当水位升高到水箱22高度一半以上时启动补水泵16开始注水。供水补水阀15处于打开状态时，水流一路经给水阀13流向模拟锅炉11，另一路流向循环泵17、过滤器18，直至被止回阀12截断；回水补水阀14处于打开状态时，水流一路被止回阀12截断，另一路经过滤器18、循环泵17、给水阀13流向模拟锅炉11；模拟锅炉11注满水后水流经供水干管7、用户A-F、旁路管26、回水干管6、止回阀12注入系统。注水过程中适时启闭冷风阀1排放系统中空气，直至系统中注满水。待所选定压点压力值升高到选定的静水压值后关闭补水阀14或15，停运补水泵16，关闭注水阀20。

设定实验温度和调整压力：启动循环泵17，维持系统中的水流动，系统循环稳定后，启动温控器8，显示屏显示热电偶30测得的当前水温。利用温控器8显示屏上的温度设定按键对模拟锅炉11内的电热棒31运行状态和系统运行水温进行设定，若设定温度值不高于当前水温，电热棒31不进行加热，此时压力点的压力值不需要二次调整。若设定温度值高于当前水温，电热棒31进行加热，当水温加热到设定值并且稳定后，打开并调整排水阀24排水，压力降到选定的压力值后，关闭排水阀24。

设定定压方式：打开注水阀20、启动补水泵16，同时打开排水阀24、回水补水阀14或供水补水阀15，调整流量和压力，实现补水泵16连续补水定压运行；排水阀24阶段排水，补水泵16阶段补水，实现补水泵16间歇补水定压运行。

设定管网系统：关闭阀门m为异程式系统；打开阀门m，同时关闭阀门j为同程式系统；打开阀门m，同时关闭阀门h或i为混合式系统。

设定用户系统：停用用户E、F时为垂直用户系统。停用用户A、C时为等高的水平用户系统。停用用户B、D时为存在高层差的水平用户系统。用户A-F全部投运时为混合用户系统。

设定其它：在流量计5的有效量程范围内，调整给水阀13的开度，设定实验总流量；改变散热器3外部环境，体现外部环境变化对水力工况的影响。

根据用户A-F、供水干管7、回水干管6、旁路管26上的压力表4，流量计5和测温计显示数据，绘制水压图，定量分析水力稳定性、水力失调度，根据管网已知结构尺寸计算整个热水网路的总阻力数，根据流量和压降关系绘制热水网路的水力特性曲线，结合泵的性能曲线确定泵的工作点。

实验结束后，若为冷态实验，关闭温控器8开关，停运循环泵17；若为热态实验，将温控器8温度值设定为低于环境温度5-10℃，当温控器8显示的测量温度降低到30℃时，关闭温控器8开关，停运循环泵17。然后打开排水阀24和泄水阀19，将系统中水排出，待装置中的水全部排净后，关闭排水阀24和泄水阀19。

图5-图10是根据设定的管网系统和用户系统以及水力工况改变前后的实验结果绘制的用户水压图。横坐标表示管网用户位置，纵坐标表示压力损失，单位kPa。

利用本发明装置进行水力工况分析：

图5是关闭阀门h的混合式等高水平用户系统在运行温度为60℃，设定用户流量为80L·h^-1下的水压图。当阀门e截流时，网路的总阻力数由566kPa·m^-6·h²增加到709kPa·m^-6·h²，总流量从320L·h^-1减少到291L·h^-1。变化后的水压图如图6所示，用户B-F间的供水干管7和回水干管6的水压线比正常情况时变得平缓，并且供水干管7水压线在e点出现一个急剧的下降。阀门e以后的用户E、F，相当于本身阻力数未改变而总的作用压力从48kPa减小到32kPa。用户E、F的流量计5显示数据分别为60L·h^-1和61L·h^-1，其水力失调度分别为0.75和0.76，水力失调度相差很小，可看做是一致等比失调。阀门e前的用户B、D的流量计5显示数据分别为82L·h^-1和88L·h^-1，水力失调度分别为1.03和1.10，出现了不等比一致失调。对于全部用户来说，流量有的增加有的减少，整个网路的水力工况发生了不一致失调。

图7是同程式存在高层差的水平用户系统在运行温度为60℃，设定用户流量为80L·h^-1下的水压图。当停用用户C时，网路总阻力数由557kPa·m^-6·h²增加到835kPa·m^-6·h²，总流量由320L·h^-1减小到268L·h^-1。变化后水压图如图8所示，用户A-C的供水干管7和回水干管6的水压线比正常情况时变得平缓，但因在网路系统中的水泵扬程随流量的减少由正常情况时的3.5m增加到4.4m，用户C处供水干管7、回水干管6之间的压差由原来的38kPa增加到47kPa，用户C处的作用压差增加相当于用户C以后的用户E、F的作用压差增加，用户A的流量增加到82L·h^-1。用户A、E、F的流量计5显示数据分别为82L·h^-1、88L·h^-1、92L·h^-1，在整个网路中，除用户C以外的所有用户的作用压差和流量都增加，水力失调度分别为1.03、1.10、1.15，增加比例不一样，整个网路的水力工况发生了不等比一致失调。

图9是异程式垂直用户系统在运行温度为当前水温，设定用户流量为80L·h^-1下的水压图。当阀门d截流时，网路的总阻力数由576kPa·m^-6·h²增加到871kPa·m^-6·h²，总流量由320L·h^-1减少到269L·h^-1。用户A-D的供水干管7和回水干管6水压线比正常情况变得平缓，并且供水干管7水压线在d点出现一个急剧的下降。变化后水压图将成为图10所示，阀门d以后的用户C、D，相当于本身阻力数未改变而总的作用压力从50kPa减小到30kPa。用户C、D的流量计5显示数据分别为50L·h^-1和51L·h^-1，水力失调度分别为0.63和0.64，水力失调度相差很小，可看做是一致等比失调。阀门d以前用户A、B的流量计5显示数据分别为86L·h^-1和82L·h^-1，水力失调度分别为1.08和1.03，出现不等比一致失调。对于全部用户来说，流量有的增加有的减少，整个网路的水力工况发生了不一致失调。

Claims (6)

1.一种水力工况实验及分析装置，其特征是包括热源区、用户区和支架，热源区包括水箱、补水泵、循环泵、模拟锅炉、过滤器、控制箱和流量调节阀门；水箱采用透明材料制成，外部沿竖直方向装有刻度尺，顶部开有两个圆孔，分别与注水管和排水管相连，底部安装一个接头，通过装有注水阀的管路与补水泵进水口相连；补水泵出口管路经三通分成两路，一路与供水干管相连，一路与回水干管相连，每一路上均安装有一个补水阀；与循环泵进口连接的管路为回水干管，与循环泵出口连接的管路为供水干管，回水干管上按水流方向依次装有阀门、压力表、止回阀、冷风阀、压力表、泄水阀和过滤器；泄水阀安装在回水干管的最底部，过滤器安装在循环泵入口处；循环泵至模拟锅炉间的供水干管上装有压力表和给水阀；模拟锅炉包括炉体和端盖，炉体端口邻近出水口端，炉体端口与端盖用法兰连接，模拟锅炉出水口端略高于进水口端，模拟锅炉进水口设在炉体进水口端底部，与其对应的顶部设有冷风阀，出水口设在炉体出水口端顶部；在端盖上安装有两根电热棒和一根热电偶，电热棒通过交流接触器与温控器相连，热电偶与温控器直接连接；温控器、补水泵、循环泵与开关组相连，通过开关组控制温控器、补水泵和循环泵的工作状态；温控器、交流接触器、循环泵、补水泵与模拟锅炉的开关组装在控制箱里面，温控器显示屏、状态灯、保险管、开关按钮固定在控制箱面板上；用户区包括多个用户和连接管路，每个用户按水流方向依次设有压力表、流量计、测温套管、散热器、测温套管、冷风阀和压力表；压力表和流量计安装在垂直管路上，散热器、测温套管和冷风阀安装在有一定坡度的水平管路上；散热器为带肋片的铜管，褶皱形肋片呈螺旋状环绕并焊接在铜管外部；不同用户在水平方向上等高或存在高层差，或者在一个垂直方向上高、低布置，或混合布置；连接管路包括供、回水干管、旁路管和供、回水支管；供、回水支管一端与用户的垂直管路相连，一端与供水或回水干管相连，所有用户与旁路管并联在该区的供、回水干管之间；旁路管上装有压力表和旁路阀，在压力表前引出一根装有排水阀的排水管接入水箱，沿水流方向在旁路管末端通过三通并联水平安装两根回水干管，其中一根回水干管与各回水支管相连后与另一根回水干管分别连接到另一个三通上，再经一个接压力表的三通引出一根回水干管；沿水流方向临近第一根供水支管的供水干管上装有压力表；热源区和用户区通过供、回水干管连接。

2.如权利要求1所述的水力工况实验及分析装置，其特征是支架包括竖梁、横梁、台面支撑架、台面、固定台架；竖梁为两根方钢，每根方钢下部垂直焊接一根槽钢，每根槽钢的两端各安装一个带卡锁的平顶万向轮；横梁与台面支撑架的上部齐平，固定台架悬吊安装在横梁和台面支撑架的下部，固定台架采用万能角钢做成，万能角钢之间以及万能角钢与横梁、台面支撑架之间采用螺栓连接；台面上开有穿管用圆孔。

3.如权利要求2所述的水力工况实验及分析装置，其特征是热源区布置在台面下方，用户布置在台面上方。

4.如权利要求2所述的水力工况实验及分析装置，其特征是水箱、补水泵、循环泵、模拟锅炉和控制箱安装在固定台架上。

5.如权利要求1所述的水力工况实验及分析装置，其特征是泵的进、出水口与管路用柔性耐高温塑料软管连接，连接处用管箍束紧。

6.如权利要求1所述的水力工况实验及分析装置，其特征是测温套管供插入电子测温计探头来测量散热器的进、出水温度。

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