CN111396986A - 基于阻抗的集中供热管网静态水力平衡人工调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阻抗的集中供热管网静态水力平衡人工调节方法,分为粗调和精调两个过程。粗调过程可以在供热系统非运行状态下进行,以管网水力计算结果为依据,计算出静态平衡所需的静态调节阀的计算阻抗值,并将其开度调整至该阻抗值对应的开度并锁定;精调是在供热系统任一运行状态下,根据各用户的流量测定结果,通过计算分析,根据用户的不平衡率筛选出需要精调的用户,并对这些用户按照设定的公式重新计算其阻抗值,并将其调节阀重新调整至该阻抗值对应的阀门开度。本发明对运行工况没有特殊要求,操作简单方便,且调节过程不影响管网正常运行。
Description
技术领域
本发明涉及集中供热领域,尤其涉及集中供热系统的水力平衡领域。
背景技术
集中供热管网的水力失调包括静态水力失调和动态水力失调两种情况。静态水力失调是由于各用户支路的阻抗与其资用压力不匹配,导致其流量与其负荷不匹配的现象;动态水力失调是由于系统水力工况发生变化或某些用户支路或干管管路的局部调节,导致用户流量与其负荷不匹配的现象。这两种失调现象在同一集中供热系统中往往同时存在,因此应分别采取相应的技术措施予以消除。通常,静态水力失调采用静态水力平衡方法解决,动态水力失调采用动态水力平衡方法解决。在同一个集中供热管网中,静态水力平衡和动态水力平衡都是不可缺少的。只设置动态水力平衡装置,动态平衡阀通常会出现近端用户疲劳损坏、远端用户调节失效的问题;只设置静态平衡装置,则由于系统的水力工况会由于用户的调节或系统故障发生变化,静态平衡往往是不能维持的。因此,为了保证供热系统的正常运行,必须同时设置静态平衡装置和动态平衡装置。
实现静态水力平衡的手段和目的,是通过调整各用户支路的平衡调节阀的开度以改变支路阻抗,从而使各用户支路在流量比例关系大致等于各用户设计热负荷的比例关系;实现动态水力平衡的调节手段和目的是根据各用户流量或热负荷的变动情况,利用自动控制设备(比如由回水温度控制开度的自动调节阀门)自动调整阀门开度大小,以使各用户流量与其负荷始终保持一致。因此,动态水力平衡功能大多是依靠自动控制装置或自力式调节阀门自动实现的,而静态水力平衡功能则需要在经过反复计算、反复测量和调节等过程才能完成。因此,从调节的方法和过程的角度看,静态水力平衡比动态平衡更复杂,更需要计算、分析、调节、测量等人工过程的参与。
传统的供热管网静态水力平衡调节方法有多种,并且大都是基于管网在一定运行工况下的调节阀流量计算、调节阀流量测量和调节阀开度调整进行的。这些方法共同的局限性在于,静态调整过程必须在管网的动态运行状态才能进行,而且要求管网在调节前后必须处于与调节方法相适应的特定运行工况下,以便于确定通过调节阀的调节流量;同时,这些调节方法又具有各不相同的局限性:有的计算过程复杂,需要专门计算软件才能完成,比如预定计划法、计算机法、模拟分析法、模拟阻力法等;有的测量及调节过程复杂,需对某些调节阀进行反复调整,比如比例法、补偿法、阻力系数法等;有的调节过程依靠经验完成,不能适应较大系统,比如简易快速法等。目前大多数供热系统的水力失调,其根本原因在于传统静态水力平衡方法的局限性。
因此,建立一种应用简单方便、具有较强通用性的集中供热系统的静态水力平衡的人工调节方法和系统是非常必要的。
发明内容
为了克服现有静态水力平衡方法存在的“调节过程需要在特定的动态运行工况下进行、用户流量需要反复计算、用户支路阀门需要反复调整、调整过程必须遵循特定的程序”等技术缺陷,本发明旨在发明一种应用简单方便、具有较强通用性、基于调节阀阻抗计算的粗调与精调相结合的集中供热系统静态水力平衡的人工调节方法。
本发明方法的特点在于,在集中供热管网的各用户支路上设置可以连续调节开度的静态平衡调节阀;阀门调节过程包括根据管网水力计算结果的粗调节和根据运行测量结果的精调节两个环节;流量测量采用对管网阻力特性不产生影响的流量计,比如超声波流量计等。
为达到上述目的,本发明采取的技术方案是:
一种基于阻抗的集中供热管网静态水力平衡人工调节方法,其特征在于,包括以下措施:
第一步:配置静态平衡调节阀,并对其性能参数进行标定
调节阀的理想特性曲线反映的是,调节阀在调节阀两端压差ΔP恒定为105Pa的条件下,调节阀的相对流量和相对开度之间的关系曲线。相对流量指某开度下的流量与最大开度流量的比值,相对开度指调节阀的当前调节开度与最大开度的比值。因此,对于已知调节阀理想特性曲线和调节阀最大开度流量G1的情况下,根据调节阀的理想特性曲线和调节阀最大开度对应的理想流量,可以得到调节阀的绝对流量(G)与相对开度之间的曲线关系。然后根据公式S=ΔP/G2,即可以得到调节的阻抗(S)与开度之间的对应关系曲线。具体方法是:
(1)在理想特性曲线上均匀选取(n-1)个等分点,将整个开度分成n等分,比如n=10,则对应于每个等分点,阀门相对开度从小到大依次为10%,20%,30%,…,100%。根据理想条件下相对流量和相对开度关系曲线,可以得到每个等分点对应的相对流量
(4)建立横坐标为调节阀相对开度,纵坐标为调节阀阻抗值的坐标系,分别以各等分点的相对开度为横坐标,以各等分点的阻抗值为纵坐标,在坐标系中标出相应的点,然后用光滑的曲线连点成线,即得到调节阀的阻抗(S)与相对开度之间的关系曲线;
上述流量单位均为m3/h,阻抗单位为Pa/(m3/h)2,压差单位为Pa,以下同。
(1)将整个阀门开度分成n等分,如前所述,比如n=10,则对应于每个等分点,阀门相对开度从小到大依次为10%,20%,30%,…,100%;
(2)在现场或试验台上,按照开度从小到大的顺序,依次测定每个等分点对应的开度下调节阀两端的压差ΔPi和流量Gi;
(3)根据公式Si=ΔPi/Gi 2,将各等分点对应的开度下调节阀两端的压差ΔPi和流量Gi代入,可得到调节阀在各等分点的阻抗值Si;
(4)建立横坐标为调节阀相对开度,纵坐标为调节阀阻抗值的坐标系,分别以各等分点的相对开度为横坐标,以各等分点的阻抗值为纵坐标,在坐标系中标出相应的点,然后用光滑的曲线连点成线,即得到调节阀的阻抗(S)与相对开度之间的关系曲线;
第二步:根据水力计算结果初步确定除最不利用户外的备用户支路静态平衡调节阀开度,并调整静态平衡调节阀至该开度(粗调过程),同时将最不利用户的静态平衡调节阀调整至最大开度
首先在系统非运行状态下,根据管网设计施工图或现场勘测图,对管网进行水力计算,求得在设计流量下,各用户支路的设计资用压力ΔPi,各用户支路的设计阻抗值Si,各用户支路不包括调节阀部分的阻抗S′i,进而求出静态平衡调节阀必需的阻抗ΔSi,具体方法如下:
2.1:计算各用户支路的设计资用压力ΔPi
在选出系统最不利用户(通常是距离热源或换热站最远的用户)的基础上,确定出最不利环路(包含热源或换热站,最不利用户以及两者之间连接干管的回路);根据最不利环路各管段的设计流量、管径、局部阻力件的类型及个数,查室外热水管网水力计算表和局部阻力件当量长度表,计算出最不利环路各管段的设计阻力损失(最不利用户的静态平衡调节阀,其当量长度应按最大开度计算);在此基础上,根据管路的并联关系,确定出各用户支路的设计资用压力ΔPi(即与该用户支路并联的最不利回路部分的管路损失。由于各用户内部的阻力损失均与最不利用户大致相等,故这部分资用压力均不计入用户内部阻力损失);
2.2:计算各用户支路的设计阻抗值Si
根据计算得出的各用户支路的设计资用压力ΔPi及用户的设计流量Gi,利用公式Si=ΔPi/Gi 2,分别求得各用户支路(不包括用户内部系统)通过设计流量的设计阻抗值Si;
2.3:计算各用户支路不包括调节阀部分的阻抗S′i
公式中字母含义:
6.88×10-9为公式常数,单位为Pa·m7/[kg·(m3/h)2];
Ki表示管段绝对粗糙度,m;
di表示管段内径,m;
li表示管段长度,m;
∑lid表示局部阻力件的当量长度之和,m;
ρ表示热媒密度,kg/m3;
2.4:计算静态平衡调节阀必需的阻抗ΔSi
根据计算出的各用户支路的设计阻抗值Si和各用户支路不包括调节阀部分的阻抗S′i,根据公式ΔSi=Si-S′i,求出用户支路通过设计流量时静态平衡调节阀必需的阻抗ΔSi;
2.5:静态平衡调节阀的调节
根据第一步标定的静态平衡调节阀阻抗与开度的对应曲线关系和根据2.4计算得到的各用户支路静态平衡调节阀必需的阻抗ΔSi值,将各静态平衡调节阀调至其ΔSi值对应的开度并锁定,同时将最不利用户的调节阀调整到最大开度;
第三步:根据测量结果选择性地对用户静态平衡调节阀重新调节(精调过程);
3.1:确定各用户支路设计流量Gi与系统设计总流量G的比值αi
根据各用户的设计热负荷Qi(kW)和供回水设计温差Δt(℃),利用公式Gi=0.86Qi/Δt,分别确定各用户支路的设计流量Gi;
根据各用户支路的设计流量Gi,利用公式G=∑Gi,确定系统总设计流量G;
根据αi=Gi/G,分别求得各用户支路设计流量与系统设计总流量的比值αi;
3.2:根据测量结果计算各用户运行流量与系统总运行流量的比值α′i
首先用超声波流量计分别测量各用户支路的流量G′i,并记录;
用超声波流量计测量系统在该运行工况下的总流量G′,并记录;
根据α′i=G′i/G′,分别求得各用户支路运行流量与系统运行总流量的比值α′i,并记录;
3.3:分别根据各用户支路设计流量与系统设计总流量的比值αi以及各用户运行流量与系统总运行流量的比值a′i,利用公式Ki=1-α′i/αi计算各用户支路流量的不平衡率Ki;
3.4:根据各用户流量不平衡率Ki的大小,分别按以下两种情况采取相应措施:
第一种情况:对于|Ki|≤10%的用户,其不平衡率满足要求,保持其阀门开度不变;
第二种情况:对于|Ki|>10%的用户,则应按下式重新计算调节阀的阻抗值ΔS′i,并按新计算的阻抗值重新调整调节阀开度,若求得的某用户调节阀的阻抗值ΔS′i大于该调节阀最小开度对应的阻抗值或小于该调节阀最大开度对应的阻抗值,则应更换满足阻抗值要求的调节阀,并按新计算的阻抗值重新调整其开度;
上述公式的含义是:
(G′i·αi/α′i)表示调节阀粗调调整完成后该支路的平衡流量;
S′i(G′i·αi/α′i)2表示调节阀粗调调整完成,达到该支路平衡流量后,该支路除去调节阀部分的阻力损失;
(S′i+ΔSi)G′i 2-S′i(G′i·αi/α′i)2表示该用户支路达到平衡流量后,调节阀必须消耗的压力;
精调过程可以在供热系统任一运行工况下完成。
下面根据本发明调节原理说明其优点
1、传统的基于流量计算、测量与调节阀开度调整的静态水力平衡方法,需在一定的调节工况下对各用户的流量分别进行求解,对其流量进行反复测量并对调节阀开度进行反复调整。其计算过程复杂、测量及调节繁琐,且平衡过程在多数情况下会影响管网正常运行;本发明提供的集中供热管网静态水力平衡人工调节系方法,分为粗调和精调两个过程。粗调过程可以在供热系统非运行状态下进行,以管网水力计算结果为依据,计算出静态平衡所需的静态调节阀的计算阻抗值,并将其开度调整至该阻抗值对应的开度并锁定;精调是在供热系统任一运行状态下,根据各用户的流量测定结果,通过计算分析,根据用户的不平衡率筛选出需要精调的用户,并对这些用户按照设定的公式重新计算其阻抗值,并将其调节阀重新调整至该阻抗值对应的阀门开度。本方法对运行工况没有特殊要求,操作简单方便,且调节过程不影响管网正常运行。
2、静态平衡的本质是,通过调整各用户支路的阻抗值,使各用户的流量分配满足一定的比例关系。本发明使用可以连续调节开度的调节阀,采用阻抗(S)与开度曲线表征调节阀的调节特性,并提出了调节阀阻抗(S)与开度曲线的获得方法,由于调节阀的阻抗(S)与开度的对应关系是唯一的,不随运行工况的变化而变化,使得调节阀的调节更直观、更直接,因而更能反应静态平衡调节的本质。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述所使用的附图作简单介绍,下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例原理图,对于本领域普通技术人员来讲,还可根据这些附图获得其他类似的附图。
图1为本发明实施例的静态平衡调节阀设置示意图,图中以三个用户为例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
图1示出的实施例中用户有三个,用户3为最不利用户,在利用本发明方法对实施例集中供热管网进行静态水力平衡人工调节时,首先在各用户分支管路上分别设置一个可以连续调节开度的静态平衡调节阀,具体调节方法是:
第一步:静态平衡调节阀的配置及其性能参数标定
第二步:根据水力计算结果初步确定用户2和用户1的静态平衡调节阀开度,并调整静态平衡调节阀至该开度,同时,用户3的静态平衡调节阀开度调整到最大,从而完成粗调过程
2.1:计算用户1和用户2支路的设计资用压力ΔPi
选取用户3所在的环路(a-b-c-d-e-f-a)为最不利回路;根据各用户的设计流量确定最不利环路各管段的设计流量(管段c-d设计流量为用户3的设计流量,管段b-c和d-e的设计流量为用户2和用户3的设计流量之和,管段a-b和e-f的设计流量为用户1、用户2和用户3的设计流量之和);根据最不利环路各管段的设计流量和各自的管径,查《室外热水管网水力计算表》,得到各管段的设计比摩阻度Rs,ij,然后统计各管段长度lij及各管段局部阻力件的种类与个数,查《局部阻力件当量长度表》,得到各管段局部阻力件的当量长度∑lij,d(用户3支路的静态平衡调节阀,其当量长度按最大开度计算);计算最不利环路各管段的阻力损失度ΔPij=Rs,ij(lij+∑lij,d);在此基础上,根据管网的串并联关系ΔPi=∑ΔPij,可以得到用户2支路的资用压力度ΔP2和用户1的资用压力ΔP1(由于3个用户内部的阻力损失大致相等,故这部分资用压力均不计入用户内部阻力损失部分);
2.2:计算用户1和用户2支路的设计阻抗值Si
根据得到的用户2支路的资用压力度ΔP2和用户1的资用压力ΔP1,以及用户2设计流量G2和用户1的设计流量G1,利用公式Si=ΔPi/Gi 2,可以分别求得用户2支路和用户1支路的设计阻抗值S2和S1;
2.3:计算用户1和用户2支路不包括调节阀部分的阻抗S′i
公式中:
Kij表示管段绝对粗糙度,m;
dij表示管段内径,m;
lij表示管段长度,m;
∑lij,d表示该管段局部阻力件的当量长度之和;
ρ表示热媒密度,kg/m3;
2.4:计算用户1和用户2的静态平衡调节阀必需的阻抗ΔSi
根据计算出的用户2支路和用户1支路的设计阻抗值S2和S1,以及用户2支路和用户1支路不包括调节阀部分的设计阻抗S′2和S′1,根据公式ΔSi=Si-S′i,求出用户支路2和用户支路1通过设计流量时静态平衡调节阀必需的阻抗ΔS2和ΔS1。
2.5:静态平衡调节阀的调节
根据步骤2.4计算得到用户2支路和用户1支路通过设计流量时静态平衡调节阀必需的阻抗ΔS2和ΔS1,以及第一步标定的静态平衡调节阀阻抗与开度的对应关系,将用户2和用户1静态平衡调节阀调节至相应开度并锁定,并同时将用户3的静态平衡调节阀调整至最大开度。
第三步:静态水力平衡精调过程
3.1:确定支路设计流量与系统设计总流量的比值αi
根据各用户的设计热负荷和系统供回水设计温差确定各用户所在支路流量G1,G2,G3,同时求出系统总设计流量G=G1+G2+G3。
根据αi=Gi/G,分别求出用户1、用户2及用户3支路设计流量与系统设计总流量的比值α1,α2,α3;
3.2:根据测量结果计算用户1、用户2及用户3的运行流量与系统总运行流量的比值α′i
首先用超声波流量计依次测量用户1、用户2及用户3支路的流量量G′1、G′2、G′3,并记录;
用超声波流量计测量系统在该稳定运行工况下的总流量G′,并记录;
根据α′i=G′i/G′,求得用户1、用户2及用户3支路运行流量与系统运行总流量的比值α′1、α′2、α′3,并记录;
3.3利用公式Ki=1-α′i/αi计算用户1、用户2及用户3支路的流量不平衡率K1,K2,K3,
3.4:根据各用户流量不平衡率Ki的大小,分别按以下两种情况采取相应措施:
第一种情况:对于|Ki|≤10%的用户,其不平衡率满足要求,保持其阀门开度不变;
第二种情况:对于|Ki|>10%的用户,则应按下式重新计算调节阀的阻抗值ΔS′i,并按新计算的阻抗值重新调整调节阀开度。若求得的某用户调节阀的阻抗值ΔS′i大于该调节阀最小开度对应的阻抗值或小于该调节阀最大开度对应的阻抗值,则应更换满足阻抗值要求的调节阀,并按新计算的阻抗值重新调整其开度。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化和替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于阻抗的集中供热管网静态水力平衡人工调节方法,其特征在于,包括以下措施:
第一步:配置静态平衡调节阀,并对其性能参数进行标定
第二步:根据水力计算结果初步确定除最不利用户外的各用户支路调节阀开度,并调整调节阀至该开度,同时将最不利用户的调节阀调整至最大开度
首先在系统非运行状态下,根据管网设计施工图或现场勘测图,对管网进行水力计算,求得在设计流量下,各用户支路的设计资用压力ΔPi,各用户支路的设计阻抗值Si,各用户支路不包括调节阀部分的阻抗S′i,进而求出调节阀必需的阻抗ΔSi,具体方法如下:
2.1:计算各用户支路的设计资用压力ΔPi
在选出系统最不利用户的基础上,确定出最不利环路;根据最不利环路各管段的设计流量、管径、局部阻力件的类型及个数,查室外热水管网水力计算表和局部阻力件当量长度表,计算出最不利环路各管段的设计阻力损失,要求最不利用户的调节阀当量长度应按最大开度计算;在此基础上,根据管路的并联关系,确定出各用户支路的设计资用压力ΔPi;
2.2:计算各用户支路的设计阻抗值Si
2.3:计算各用户支路不包括调节阀部分的阻抗S′i
公式中字母含义:
6.88×10-9为公式常数,单位为Pa·m7/[kg·(m3/h)2];
Ki表示管段绝对粗糙度,m;
di表示管段内径,m;
li表示管段长度,m;
∑lid表示局部阻力件的当量长度之和,m;
ρ表示热媒密度,kg/m3;
2.4:计算静态平衡调节阀必需的阻抗ΔSi
根据计算出的各用户支路的设计阻抗值Si和各用户支路不包括调节阀部分的阻抗S′i,根据公式ΔSi=Si-S′i,求出用户支路通过设计流量时调节阀必需的阻抗ΔSi;
2.5:静态平衡调节阀的调节
根据调节阀阻抗与开度的对应曲线关系和各用户支路调节阀必需的阻抗ΔSi值,将各调节阀调至其ΔSi值对应的开度并锁定,同时将最不利用户的调节阀调整到最大开度;
第三步:根据测量结果选择性地对用户静态平衡调节阀重新调节
3.1:确定各用户支路设计流量Gi与系统设计总流量G的比值αi
根据各用户的设计热负荷Qi(kW)和供回水设计温差Δt(℃),利用公式Gi=0.86Qi/Δt,分别确定各用户支路的设计流量Gi;
根据各用户支路的设计流量Gi,利用公式G=∑Gi,确定系统总设计流量G;
根据αi=Gi/G,分别求得各用户支路设计流量与系统设计总流量的比值αi;
3.2:根据测量结果计算各用户运行流量与系统总运行流量的比值α′i
首先用超声波流量计分别测量各用户支路的流量G′i,并记录;
用超声波流量计测量系统在该运行工况下的总流量G′,并记录;
根据α′i=G′i/G′,分别求得各用户支路运行流量与系统运行总流量的比值α′i,并记录;
3.3:分别根据各用户支路设计流量与系统设计总流量的比值αi以及各用户运行流量与系统总运行流量的比值a′i,利用公式Ki=1-α′i/αi计算各用户支路流量的不平衡率Ki;
3.4:根据各用户流量不平衡率Ki的大小,分别按以下两种情况采取相应措施:
第一种情况:对于|Ki|≤10%的用户,其不平衡率满足要求,保持其阀门开度不变;
第二种情况:对于|Ki|>10%的用户,则应按下式重新计算调节阀的阻抗值ΔS′i,并按新计算的阻抗值重新调整调节阀开度,若求得的某用户调节阀的阻抗值ΔS′i大于该调节阀最小开度对应的阻抗值或小于该调节阀最大开度对应的阻抗值,则应更换满足阻抗值要求的调节阀,并按新计算的阻抗值重新调整其开度;
上述公式的含义是:
(G′i·αi/α′i)表示调节阀粗调调整完成后该支路的平衡流量;
S′i(G′i·αi/α′i)2表示调节阀粗调调整完成,达到该支路平衡流量后,该支路除去调节阀部分的阻力损失;
(4)建立横坐标为调节阀相对开度,纵坐标为调节阀阻抗值的坐标系,分别以各等分点的相对开度为横坐标,以各等分点的阻抗值为纵坐标,在坐标系中标出相应的点,然后用光滑的曲线连点成线,即得到调节阀的阻抗(S)与相对开度之间的关系曲线;
上述流量单位均为m3/h,阻抗单位为Pa/(m3/h)2,压差单位为Pa。
(1)将整个阀门开度分成n等份,则对应于每个等分点,阀门相对开度从小到大也为n等份;
(2)在现场或试验台上,按照开度从小到大的顺序,依次测定每个等分点对应的开度下调节阀两端的压差ΔPi和流量Gi;
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