CN107366952A - 供暖循环动力控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种供暖循环动力控制系统，包括：锅炉、斜三通、止回阀、渐扩管、循环水泵、阀门、除污器、水箱、热用户；其中所述锅炉通过斜三通和止回阀连接主管路，且循环水泵的出水口通过渐扩管连接斜三通的下倾斜管，且所述斜三通的横管两端接入主管路；循环水泵的入水口通过渐扩管接入主管路；且所述斜三通还通过除污器连接水箱和热用户。进一步的，斜三通的下倾斜管与横管的夹角为30°～60°；且所述渐扩管的扩张角为6°～12°；其中所述循环水泵的出水口和入水口都连接渐扩管口径小的一端，本发明还提供了一种供暖循环动力控制方法，本发明能够提高供暖用水的控制效果，值得推广使用。

Description

供暖循环动力控制方法及系统

技术领域

本发明涉及控制技术领域，具体涉及一种供暖循环动力控制方法及系统。

背景技术

供暖一直是北方涉及民生问题的大事，供暖效果的好坏直接关系到民众 过冬的生活质量，因此国家对于供暖效果非常关注。随着各种各样高楼大厦 的拔地而起，如何在保证保供暖效果的同时节约供暖运行能耗是建筑设计企 业非常关注的一项设计参数。

根据流体力学原理可知，每一供暖管路管径、弯管角度、三通角度等参 数都会影响供暖系统的阻力，因此如何更好地控制供暖系统的阻力是降低供 暖系统运行能耗的的关键技术之一。

发明内容

针对现有技术中存在的缺少对供暖循环动力进行精确控制的相关技术的 问题，本发明要解决的技术问题是提出一种供暖循环动力控制方法及系统。

为了解决上述问题，本发明提出了一种供暖循环动力控制系统，其特征 在于，包括：锅炉、斜三通、止回阀、渐扩管、循环水泵、阀门、除污器、 水箱、热用户；其中所述锅炉、止回阀、除污器、热用户之间通过主管路串 联闭合以形成供暖回路；还包括循环水泵，所述循环水泵通过斜三通接入供 暖回路中；其中且所述循环水泵的出水口通过渐扩管连接斜三通的下倾斜管， 且所述斜三通的横管两端接入主管路；且所述循环水泵的入水口通过渐扩管 接入主管路。

进一步，其中斜三通的下倾斜管与横管的夹角为30°～60°；且所述渐 扩管的扩张角为6°～12°；其中所述循环水泵的出水口和入水口都连接渐扩 管口径小的一端。

进一步，其中所述主管路上还连接有补水泵和止回阀，所述补水泵用于 补充系统内的水损失。

进一步，其中所述系统循环水泵为两台，且相互并联，其中所述主管路 的总流量小于两台循环水泵单独运行的流量之和，且大于每一台循环水泵的 最高流量。

进一步，主管路的管网特性曲线平缓时，所述系统包括一台循环水水泵； 且主管路的管网特性曲线陡峭时，所述循环水泵为两台或两台以上。

同时，本发明实施例还提出了一种如前任一项所述的供暖循环动力控制 系统的设计方法，包括：

根据循环水泵进出配管的阻力损失、流速与流量的关系，确定所述循环 水泵的出水口的水管的管径；

根据管路各位置壁面剪切应力，确定所述循环水泵的出水口使用直管或 渐扩管；

根据管网系统中三通流动状态阻力分析确定斜三通的下倾斜管的倾斜角；

根据供暖循环系统结构确定是否设置止回阀和补水泵；

根据主管路的管网特性曲线确定使用一台循环水泵还是使用两台并联的 循环水泵。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述技术方案提出了一种供暖 循环动力控制方法及系统，能够提高供暖用水的控制效果。同时发明人通过 非常详尽的分析验证了整个系统中各个零部件的选型，以在理论上和实际使 用中说明整个系统的优异效果。

附图说明

图1a和图1b为直管与渐扩管的壁面剪切应力分布云图；

图2为沿流动方向的壁面剪切应力对比曲线图；

图3为应力降低率分布图；

图4为局部损失系数随渐扩角变化曲线图；

图5为本发明实施例中采用的三通的结构示意图；

图6a-图6e为不同三通的壁面剪切应力分布云图；

图7为不同三通的三通壁面切应力随局部轴位置变化图；

图8为三通物理模型中0.09～0.15m管段位置中某同一位置壁面剪切应力 受不同倾角影响的对比图；

图9为采用渐扩管的循环水泵进出口结构图；

图10为本发明实施例的供暖循环动力控制系统的结构示意图；

图11为现有的供暖循环动力控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合 附图及具体实施例进行详细描述。

由于现有的供暖系统都采用循环供暖的结构，即在供暖侧采用多个泵一 起驱动供暖液体进行循环，因此本发明实施例对于循环水泵进行了详细的研 究：

1.水泵进出口配管局部阻力损失计算

根据流体力学原理，配管局部阻力损失按式(1)计算：

式中：ζ为局部损失(阻力)系数；热媒的密度(kg/m3)；ν热媒在管道 内流速(m/s)。

流速与流量的关系按式(2)计算：

式中：Q系统水流量(m3/h)；RS管道的当量半径(m)。

由上述两公式可知单位长度管道的摩擦阻力按式(3)计算：

由公式(1)～(3)可知，在相同的流量条件下，管道的局部阻力 增大管段管径可以有效减小局部阻力损失。若安装渐扩管后，同 时扩大直管段的管径，可减小沿程阻力。

2.直管和渐扩管水流的稳态流动模拟试验

(1)物理模型

选择Φ500mm，长度L1600mm直管和入口Φ500mm，出口Φ1000mm， 长度L800mm渐扩管，将流量为650m3/h的水分别通过直管和渐扩管管道， 模拟其稳态流动情况。

(2)模拟结果及分析

通过模拟试验得到结果，两个不同外形管道的壁面剪切应力分布云图见 图1，沿流动方向的壁面剪切应力对比曲线见图2，不同类型管路各位置壁面 剪切应力结果对比见表1，不同类型管道各位置壁面剪切应力降低率见图3。

从直管和渐扩管的壁面剪切应力分布云图和沿流动方向的壁面剪切应力 对比曲线可以看出，渐扩管壁面的剪切应力量值明显小于直管，在相同流量 及入口直径情况下，使用渐扩管能够有效的减少管段的阻力损失。

表1管路各位置壁面剪切应力结果对比

剪切应力位置	0.1m	0.2m	0.3m	0.4m	0.5m	0.6m	0.7m	0.8m
									直管(Pa)	6.30	5.30	4.70	4.23	3.88	3.60	3.35	3.15
渐扩管(Pa)	4.22	2.85	2.00	1.42	1.15	0.80	0.55	0.40
									应力降低率	33.0％	46.2％	57.5％	66.4％	70.4％	77.8％	83.6％	87.3％

通过直管和渐扩管管路各位置壁面剪切应力结果对比表1及其壁面剪切 应力降低率图3可以看出，流体经过渐扩前半部分切应力降低率变化较大： 0.1米位置处剪切应力即从直管的6.30Pa降低至4.22Pa，降低率达33.0％； 0.4米位置时，剪切应力即从直管的4.23Pa降低至1.42Pa，降低率达66.4％， 可见渐扩管较直管更能优化输配系统阻力。

针对渐扩管的扩张角对局部阻力系数的影响进行了理论推导。当流体刚 开始流过逐渐扩张的管道时，随着管道截面积的逐渐扩大，流速沿流向减小。 由于流体的碰撞、惯性和附面层的影响形成了旋涡，产生能量损失。局部损 失系数按式(4)计算[3]：

当A1/A2＝0.25时，其中K值如下表所示：

表2不同扩张角对应K值表

其中λ与雷诺数Re有关，而其中v代表流速，υ代表运动黏度20℃

水的运动黏度为10-6m2/s，铸铁管道的绝对粗糙度ε＝0.4mm。

水在管道内的平均流速为

雷诺数故为紊流状态。

故为紊流粗糙管过渡区。随着雷诺数Re的增大，紊流流动的黏性底层逐 渐减薄，原先为水力光滑的管子相继变为水力粗糙管，这一区域的沿程损失 系数与相对粗糙度和雷诺数有关，可按洛巴耶夫的公式计算，即

可得沿程损失系数λ＝6.46×10-3，代入式(4)可得不同扩张角局部损失 系数如下表所示：

表3不同扩张角对应局部损失系数表

由图4可知渐扩管的扩张角2°～4°局部损失系数逐渐增大，其能量损失也 越大，4°～6°时局部损失系数逐渐减小，6°～25°局部损失系数逐渐增大，当 θ＝25°时局部阻力损失系数达0.4872。当扩张角θ越小，要达到一定的面积比 所需要的管道也越长，因而产生的摩擦损失也越大。θ越大，旋涡产生的能 量损失也越大，考虑到扩张角2°～6°在实际工程应用中实现较为困难，而局部 损失系数从10°～12°增加了0.0293，12°～14°增加了0.0320。增加值在12°出现 拐点，故最佳扩张角θ＝6°～12°，其能量损失最小。

3.管网系统三通流动状态数值模拟与分析

(1)物理模型

在管网系统中，三通的方式不同，系统阻力也不同。流速不同的1、2两 股流体在汇合时发生的碰撞和流动速度改变形成的涡流是产生局部阻力的原 因。三通局部阻力的大小与分支管中心夹角、三通断面形状、支管与总管的 面积比和流速比有关[4-5]。

选择支管一和支管二管径20mm，流量为1.13m3/h(流速为1m/s)，模拟 其稳态流动情况，θ分别取0°、30°、45°、60°和90°五种角度三通物理模型如 图5所示：

(3)模拟结果及分析

通过模拟得出的五种不同角度三通管道的壁面剪切应力分布云图如图6、 图7和图8所示。

图7展示了0°、30°、45°、60°和90°五种不同倾角的三通壁面切应力随 局部轴位置变化情况，从模拟中可以得出：0～0.1m管段，90°的三通壁面切 应力明显高于30°、45°及60°，而0°三通壁面剪切应力明显高于其它角度三 通值，主要是因为其流量最大。而在0.1～0.15m管段中，0°、30°、45°、60° 壁面切应力逐渐增大而后逐渐递减，但总体变化不是很大，90°壁面剪切应力 增幅相对较大。图8为三通物理模型中0.09～0.15m管段位置中某同一位置壁 面剪切应力受不同倾角影响的对比图，从图中可以看出0°～60°壁面剪切应 力值缓慢增大，而在60°处壁面剪切应力值骤增，故建议三通倾角不应大于 60°。

4.结论

发明人围绕优化供热输配系统配置、降低管网阻力、减少输配系统电耗 的原则，开展了部分供热输配系统配管阻力分析与优化研究、找到了减小供 热系统阻力的方法和措施，得出以下结论：

(1)流体经过0.1米位置处剪切应力从直管的6.30Pa降低至4.22Pa，降 低率达33.0％；0.4米位置时，剪切应力从直管的4.23Pa降低至1.42Pa，降低 率达66.4％，验证了应用渐扩管的必要性。

(2)通过理论推导，扩张角为6°～12°的渐扩管其能量损失最小。建议在 水泵和锅炉进出口处安装渐扩管，循环水泵进出口配管如图9所示，同时配 出口阀门和出口管道，水泵进出口管径相等；锅炉进出口处应按进出口阀门 型号的大小配置进出口管径，且设渐扩管以扩大进出口管径，减小系统阻力。

(3)通过五种角度三通管道的流动过程建模分析可得：三通倾角在0～ 60°壁面切应力逐渐增大，但总体变化不是很大，但在60°～90°壁面剪切应力 增幅相对较大，即此角度之间阻力系数骤增，建议倾角不宜大于60°。通过阻 力分析得分支管中心夹角越小三通局部阻力越小，水泵进出口管道与系统总 管连接处应采取斜三通的配管，若条件受限或平衡阻力的情况下，适当可加 大夹角，但不应采用“T”字形的直三通，见图9。

如图10所示的，即为基于上述实验实现的循环水泵进出口配管结构；其 中系统总管1底部设有一斜三通2，该斜三通的倾角不大于60°。在斜三通2 的底部通过止回阀3连接渐扩管4，其中渐扩管4的粗口一端连接阀门3，细 口一端连接循环水泵5；其中该渐扩管4的扩张角θ＝6°～12°。

如图10所示的，在循环水泵5的出口和入口都设有渐扩管4；同时配止 回阀3和出口管道，使循环水泵进出口管道直径相等。按锅炉进出口阀门的 型号大小布置的进出口管径，应在锅炉进出口处设渐扩管来扩大进出口管径， 减小系统阻力。分支管中心夹角越小三通局部阻力越小，水泵进出口管道与 系统总管连接处应采取斜三通的配管，若条件受限或平衡阻力的情况下，可 加大夹角，但不应采用“T”字形的直三通。

基于以上的研究，本发明实施例提出了一种供暖循环动力控制系统。其 中该系统内采用的三通的结构如图7所示的，其中横管的管径为20mm，流 量为1.13m³/h(流速为1m/s)；而下倾斜管的管径20mm，流量为1.13m³/h(流 速为1m/s)。且其下倾斜管与横管的夹角为30°～60°。本发明实施例依据上 述原理设计了一种全新的热水锅炉供热系统循环水泵优化系统。如图11所示 的，包括锅炉1、斜三通2、止回阀3、渐扩管4、循环水泵5、阀门6、除污器7、水箱8、热用户9、补水泵10、止回阀11。当循环水泵正常工作时，水 泵5出口的压力大于入口的压力Ρ出＞Ρ入，使供热系统的热水沿箭头所指的 方向循环流动。循环水泵5安装在闭合环路中，停止工作后，水泵前后的静 压相同，即Ρ出＝Ρ入，供热系统的水因为失去循环动力而停止循环；因此不 会发生水倒流现象。

模拟计算闭合环路中循环泵出口止回阀的阻力，得其值约为8m～10m。 如一般换热设备和二次网的总阻力不足0.1MPa，而加装止回阀后循环水泵的 实际工作点扬程为20m，水泵的功率为原来的2倍。也就是说，在闭合环路 中采取优化措施，循环泵出口取消止回阀后可节电50％。

现有的供热系统如图11所示的，包括锅炉1、阀门3、水泵5、除污器7、 水箱8、热用户9，还包括止回阀A和补水泵B。当补水泵B工作时将水从水 箱8中抽回到供热系统中；当补水泵B停止工作时，止回阀A可以放置供热 系统的水再流回水箱8中。在供热系统中闭合环路取消止回阀，节能效果显 著，在开式系统中如果补水泵出口没安装止回阀，供热系统中的水将在Ρ补水 压力的作用下倒流回水箱中。因此，取消止回阀应根据具体情况，做好技术 经济平衡计算：

1)一开一备的循环泵：当循环泵采用一台运行、一台备用的情况时，备 用泵应关闭水泵进、出口阀门；

2)多台泵并联运行的系统：对于多台泵并联运行的供热系统，如果全部 取消止回阀，应同时安装用停泵自动关闭出口阀门的控制系统；避免导致停 运循环水泵倒转现象；

3)自动换泵系统：当供热系统安装了自动更换启运循环泵的系统时，止 回阀取舍要求遵循上述要求；

4)补水定压泵必须安装止回阀防止水倒流；

5)一般热水锅炉入口止回阀同循环水泵出口的止回阀一样，应取消安装。 但当热水锅炉设在供热系统的最高处时不应取消。(调研表明工程中极少热水 锅炉设在供热系统的最高处)。

5.循环水泵并联运行研究

(1)并联运行特性曲线研究

在一些较大的供热系统，如集中供热的锅炉房或热电联产系统热网的首 站，一般都设计多台泵并联工作。运行时，通过增减运行泵的台数来实现流 量的调节。但目前在多数情况下由于对循环水泵并联运行的原理和实际效果 认识不全，造成了很大的能源浪费和设备投资的浪费。因此，在循环水泵的 选型时必须注意以下问题。经课题组调研发现存在如下误区：

(1)把循环水泵铭牌中的流量固定化，误认为几台泵并联运行后的总流 量是铭牌流量的代数和，并以此为依据选择并联水泵的台数来满足系统的最 大流量；

(2)对于多台热水锅炉组成的热源，根据每台锅炉额定循环水量采用每 台锅炉配一台泵的方式组成热源的循环水泵系统；

(3)为了解决流量不足，盲目的把不同型号的水泵并联运行；

(4)不加技术分析的把工频运行的水泵和变频状态下运行的水泵并联到 一起。

以上这些错误做法往往造成电能的大量浪费，同时还不能满足工况需求。 甚至一些泵只是空转，不起作用。鉴于上述多种原因，课题组就如何选择并 联运行系统及并联适用性等展开工作。

依据流体力学原理，并联后每台泵的扬程相同；流量是每台泵工作流量 之和。课题组对并联后水泵形成的新的特性曲线进行了模拟绘制。模拟调研 中常见的两种情况：两台相同型号泵并联和两台不同型号泵并联。

通过模拟曲线可以看出，水泵并联运行后的实际工况是由水泵并联后形 成的新的性能曲线以及该系统的管网实际特性曲线共同确定，管网的特性曲 线是依据水力计算绘制，其与并联运行形成的特性曲线的交点即并联运行的 真正工作点，校核单台泵的工作点是否落在“高效工作区”的范围内。如果 单台泵的工作点偏离了所选泵的“高效工作区”时，应重新选泵。

通过对并联运行特性曲线研究，就并联运行后总流量和扬程的变化得到 如下结论：

(1)总流量一般都小于两台泵单独运行的循环水量之和，同时也小于两 台泵铭牌流量之和，大于每台泵单独运行时的流量；

(2)扬程大于(或等于)单台泵工作时的水泵扬程。

通过对并联运行特性曲线研究，就并联运行的适用性条件得如下结论：

1)与管网特性曲线的关系：管网特性曲线平缓(即管径偏大，管网优化 好，阻力损失小)时，并联后总流量增加的多，此时适合水泵并联运行；管 网特性曲线陡(管径偏小，管网优化差，阻力损失大)时，并联后总流量增 加效果小，即比单台泵运行时增加不明显；两台不同型号的水泵并联后会发 生只有大泵在做有用功，而小泵只是空转或反转的情况。流量等于或小于 H02′点对应的流量情况。此条件不适合水泵并联；

2)与水泵特性曲线的关系：水泵特性曲线较陡时，并联运行后流量增加 明显，适合并联运行；反之，水泵特性曲线较平缓时，并联运行后流量增加 不大，不适合并联运行；

3)供热系统中并联运行的水泵的台数不宜过多：管网特性曲线陡(管径 偏小，管网优化差，阻力损失大)时，并联水泵超过三台后，总流量增加的 效果不明显，此条件不适合三台水泵并联。

4)认真选型，使两台泵在并联运行后每台泵都在高效区工作，以实现并 联泵节能运行，否则重新选泵。如果采用一台水泵单独运行，水泵不但运行 效率低，而且水泵将工作在大流量、超负荷工作状态，电机的工作电流将超 过额定电流，使电机不能正常工作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和 润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种供暖循环动力控制系统，其特征在于，包括：锅炉、斜三通、止回阀、渐扩管、循环水泵、阀门、除污器、水箱、热用户；其中所述锅炉、止回阀、除污器、热用户之间通过主管路串联闭合以形成供暖回路；还包括循环水泵，所述循环水泵通过斜三通接入供暖回路中；其中且所述循环水泵的出水口通过渐扩管连接斜三通的下倾斜管，且所述斜三通的横管两端接入主管路；且所述循环水泵的入水口通过渐扩管接入主管路。

2.根据权利要求1所述的供暖循环动力控制系统，其特征在于，其中斜三通的下倾斜管与横管的夹角为30°～60°；且所述渐扩管的扩张角为6°～12°；其中所述循环水泵的出水口和入水口都连接渐扩管口径小的一端。

3.根据权利要求1所述的供暖循环动力控制系统，其特征在于，其中所述主管路上还连接有补水泵和止回阀，所述补水泵用于补充系统内的水损失。。

4.根据权利要求1所述的供暖循环动力控制系统，其特征在于，其中所述系统循环水泵为两台，且相互并联，其中所述主管路的总流量小于两台循环水泵单独运行的流量之和，且大于每一台循环水泵的最高流量。

5.根据权利要求1所述的供暖循环动力控制系统，其特征在于，主管路的管网特性曲线平缓时，所述系统包括一台循环水水泵；且主管路的管网特性曲线陡峭时，所述循环水泵为两台或两台以上。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的供暖循环动力控制系统的设计方法，其特征在于，包括：

根据循环水泵进出配管的阻力损失、流速与流量的关系，确定所述循环水泵的出水口的水管的管径；

根据管路各位置壁面剪切应力，确定所述循环水泵的出水口使用直管或渐扩管；

根据管网系统中三通流动状态阻力分析确定斜三通的下倾斜管的倾斜角；

根据供暖循环系统结构确定是否设置止回阀和补水泵；

根据主管路的管网特性曲线确定使用一台循环水泵还是使用两台并联的循环水泵。