旁通管定壓系統(tǒng)中熱網(wǎng)動(dòng)水壓線(xiàn)的控制策略

摘 要

摘要：以采用旁通管定壓方式的熱網(wǎng)為例，探討了通過(guò)改變旁通管調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度調(diào)節(jié)熱網(wǎng)動(dòng)水壓線(xiàn)的控制策略，分析了動(dòng)水壓線(xiàn)調(diào)節(jié)過(guò)程中旁通管調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度的變化。關(guān)鍵詞：旁通管定
摘要：以采用旁通管定壓方式的熱網(wǎng)為例，探討了通過(guò)改變旁通管調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度調(diào)節(jié)熱網(wǎng)動(dòng)水壓線(xiàn)的控制策略，分析了動(dòng)水壓線(xiàn)調(diào)節(jié)過(guò)程中旁通管調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度的變化。
關(guān)鍵詞：旁通管定壓；調(diào)節(jié)閥；控制策略；動(dòng)水壓線(xiàn)
Control Strategy of Hydrodynamic Pressure Line of Heat-supply Network in Pressurization by Bypass Pipe System
YANG Xin，LUO Linuan，WANG Fei
Abstract：Taking the heat-supply network using pressurization by bypass pipe mode for example，the control strategy for regulating hydrodynamic pressure line of heat-supply network by changing the relative opening of regulating valve for bypass pipe is discussed.The variation of the relative opening of regulating valve for bypass pipe during regulating hydrodynamic pressure line is analyzed.
Key words：pressurization by bypass pipe；regulating valve；control strategy；hydrodynamic pressure line
   隨著集中供熱的發(fā)展，旁通管定壓的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其針對(duì)供熱區(qū)域內(nèi)地勢(shì)高低起伏的情況。實(shí)踐證明，旁通管定壓系統(tǒng)要達(dá)到理想的調(diào)節(jié)效果，正確認(rèn)識(shí)它的調(diào)節(jié)過(guò)程有著重要的意義。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)旁通管定壓系統(tǒng)中熱網(wǎng)動(dòng)水壓線(xiàn)的控制策略進(jìn)行探討。
1 工程概況及水壓圖
   ① 工程概況
   以供熱能力為60×104m2的熱源廠(chǎng)為例，共有6座熱力站，每座熱力站的供熱面積為l0×104m2，一級(jí)管網(wǎng)供、回水溫度為130、70℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa。熱力站內(nèi)一級(jí)側(cè)的承壓能力為1.6MPa，熱力站平面布置及地勢(shì)分布見(jiàn)圖1。

   ② 靜水壓線(xiàn)
   靜水壓的確定原則是保證系統(tǒng)最高點(diǎn)不汽化，最低點(diǎn)不超壓，并有3～5m的安全余量。根據(jù)圖1，分析計(jì)算了熱源及各熱力站所允許的最低靜水壓(見(jiàn)表1)[1]。出于安全考慮，熱源處飽和蒸汽壓力對(duì)應(yīng)150℃。130、150℃下的飽和蒸汽壓力分別為17.6、38.6m。各熱力站高5m，熱源廠(chǎng)高20m。靜水壓線(xiàn)取108.6m，滿(mǎn)足了熱源及熱力站不汽化的要求，同時(shí)處于最低處的B站在熱網(wǎng)靜止時(shí)所受壓力為118.6m，小于160m，可滿(mǎn)足要求。
表1 熱源與熱力站的最低靜水壓
名稱(chēng)
熱源
A站
B站
C站
D站
E站
F站
最低靜水壓/m
108.6
27.6
17.6
32.6
37.6
34.6
42.6
   ③ 動(dòng)水壓線(xiàn)
   系統(tǒng)水頭損失由熱源、管網(wǎng)、熱力站水頭損失3部分組成。各部分水頭損失為[1～2]：熱源20m；管網(wǎng)水頭損失包括沿程和局部水頭損失，經(jīng)濟(jì)比摩阻取50Pa/m，局部水頭損失按沿程水頭損失的30%計(jì)算；熱力站的水頭損失為15m。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)水頭損失為80.5m。當(dāng)采用常規(guī)的循環(huán)泵吸入口定壓時(shí)，系統(tǒng)水壓圖見(jiàn)圖2。
 

    由圖2可知，采用循環(huán)泵吸入口定壓時(shí)，管網(wǎng)起點(diǎn)壓力為1.691MPa，超過(guò)了管網(wǎng)的承壓能力。要解決超壓?jiǎn)栴}，可以將管網(wǎng)的承壓能力提高，但系統(tǒng)造價(jià)將大大增加。也可以采用旁通管定壓方式[3～4]，降低動(dòng)水壓線(xiàn)，以滿(mǎn)足管網(wǎng)的承壓能力。采用旁通管定壓時(shí)，動(dòng)水壓線(xiàn)向上浮動(dòng)的極限要求管網(wǎng)、熱源及熱力站均不超壓；動(dòng)水壓線(xiàn)向下浮動(dòng)的極限要求管網(wǎng)系統(tǒng)高溫水不能汽化，必須保證循環(huán)水泵吸入口的汽蝕余量。采用旁通管定壓時(shí)，動(dòng)水壓線(xiàn)的上下浮動(dòng)限值見(jiàn)圖3、4。

圖3是在保證熱源、管網(wǎng)、熱力站均不超壓的情況下確定的動(dòng)水壓線(xiàn)的上限值，此時(shí)管網(wǎng)最高水頭為154.1m，保證了不超壓的前提并留有一定的安全余量。圖4動(dòng)水壓線(xiàn)的下限值是按循環(huán)泵的汽蝕余量來(lái)定的，循環(huán)泵的汽蝕余量為4.5m，為了安全運(yùn)行，汽蝕余量取10m，可以看出此時(shí)供水管網(wǎng)各點(diǎn)也不會(huì)汽化。
2 旁通管定壓的調(diào)節(jié)過(guò)程
2.1 旁通管定壓的機(jī)理
    旁通管定壓系統(tǒng)總是與補(bǔ)水、泄水緊密結(jié)合，沒(méi)有泄水整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)水壓線(xiàn)是不會(huì)降低的，調(diào)節(jié)旁通管閥門(mén)，只是單純改變了定壓點(diǎn)的壓力，而動(dòng)水壓線(xiàn)并沒(méi)有變化。同理，沒(méi)有系統(tǒng)補(bǔ)水，旁通管閥門(mén)的調(diào)節(jié)也將失效。因此，閥門(mén)調(diào)節(jié)、定壓點(diǎn)壓力、補(bǔ)水或泄水之間必須緊密耦合，閥門(mén)調(diào)節(jié)是輸入信號(hào)，泄水及補(bǔ)水是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，定壓點(diǎn)為控制點(diǎn)。旁通管定壓系統(tǒng)見(jiàn)圖5[1]。從實(shí)際工程出發(fā)，調(diào)節(jié)閥m、n所在旁通管規(guī)格取DN 25mm，長(zhǎng)度為7m。
 

2.2 旁通管定壓的調(diào)節(jié)過(guò)程
    ① 調(diào)節(jié)初期閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度預(yù)置
    在管網(wǎng)運(yùn)行初期，首先采用補(bǔ)水泵向系統(tǒng)注水，此時(shí)旁通管閥門(mén)可以是任意開(kāi)度，等系統(tǒng)注滿(mǎn)后，開(kāi)啟循環(huán)泵，整個(gè)管網(wǎng)開(kāi)始運(yùn)作。如果超壓，需通過(guò)泄水降低壓力，但在系統(tǒng)泄水前，無(wú)論旁通管閥門(mén)起初相對(duì)開(kāi)度如何，系統(tǒng)的動(dòng)水壓圖均為圖2，所不同的只是定壓點(diǎn)的壓力，因此在泄水前可以對(duì)閥門(mén)m、m進(jìn)行相對(duì)開(kāi)度預(yù)置，在該工程中，初期工況為閥門(mén)m全關(guān)，閥門(mén)n全開(kāi)。
   ② 動(dòng)水壓線(xiàn)下降與泄水調(diào)節(jié)閥的連鎖
   當(dāng)循環(huán)泵運(yùn)行之后，如果管網(wǎng)超壓，需要降低動(dòng)水壓線(xiàn)，此時(shí)只有通過(guò)泄水才能降低系統(tǒng)壓力，但是泄水調(diào)節(jié)閥需要同旁通管定壓點(diǎn)連鎖控制，如果定壓點(diǎn)壓力超過(guò)靜水壓線(xiàn)，則管網(wǎng)開(kāi)始泄水。開(kāi)大閥門(mén)m或關(guān)小閥門(mén)n均能使定壓點(diǎn)壓力上升，此時(shí)為了保持定壓點(diǎn)壓力恒定，管網(wǎng)開(kāi)始泄水，直到定壓點(diǎn)壓力為系統(tǒng)靜水壓線(xiàn)。隨著系統(tǒng)泄水，管網(wǎng)壓力逐漸降低，動(dòng)水壓線(xiàn)也隨之降低，達(dá)到調(diào)節(jié)目的。因此在調(diào)節(jié)過(guò)程中，開(kāi)大閥門(mén)m或關(guān)小閥門(mén)n，均可以通過(guò)升高定壓點(diǎn)壓力間接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)泄水、動(dòng)水壓線(xiàn)降低的目的。
   但管網(wǎng)不能無(wú)限泄水，系統(tǒng)壓力必須滿(mǎn)足系統(tǒng)不汽化及循環(huán)泵進(jìn)口不汽蝕兩個(gè)要求，為了避免一些操作失誤，管網(wǎng)泄水還需要與動(dòng)水壓線(xiàn)的最小值連鎖。以該工程為例，隨著閥門(mén)m開(kāi)大或閥門(mén)n關(guān)小，間接使管網(wǎng)泄水，動(dòng)水壓線(xiàn)降低，當(dāng)動(dòng)水壓線(xiàn)降到圖4位置時(shí)，泄水調(diào)節(jié)閥強(qiáng)行關(guān)閉，切斷與定壓點(diǎn)的連鎖。此時(shí)，無(wú)論繼續(xù)開(kāi)大閥門(mén)m或關(guān)小閥門(mén)n均不能打開(kāi)泄水調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)壓力及動(dòng)水壓線(xiàn)下降，起到了保護(hù)作用。
   ③ 動(dòng)水壓線(xiàn)上升與補(bǔ)水泵的連鎖
   同理，要使動(dòng)水壓線(xiàn)上升必須向系統(tǒng)補(bǔ)水，此時(shí)補(bǔ)水泵需與定壓點(diǎn)連鎖，當(dāng)定壓點(diǎn)壓力低于靜水壓線(xiàn)時(shí)，補(bǔ)水泵開(kāi)啟向系統(tǒng)補(bǔ)水，整個(gè)管網(wǎng)壓力將增大，動(dòng)水壓線(xiàn)隨之上升。關(guān)小閥門(mén)m或開(kāi)大閥門(mén)n均能使定壓點(diǎn)壓力下降，為了保持定壓點(diǎn)壓力恒定，補(bǔ)水泵向管網(wǎng)補(bǔ)水，直到定壓點(diǎn)壓力為系統(tǒng)靜水壓。隨著補(bǔ)水泵補(bǔ)水，系統(tǒng)壓力上升，動(dòng)水壓線(xiàn)也隨之上升，達(dá)到調(diào)節(jié)目的。因此在調(diào)節(jié)過(guò)程中，關(guān)小閥門(mén)m與開(kāi)大閥門(mén)n，均可通過(guò)降低定壓點(diǎn)壓力間接實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水泵補(bǔ)水、動(dòng)水壓線(xiàn)上升的目的。
   但管網(wǎng)也不能無(wú)限補(bǔ)水，系統(tǒng)壓力必須滿(mǎn)足所有用戶(hù)及管網(wǎng)不超壓這個(gè)要求，因此補(bǔ)水泵還需與動(dòng)水壓最大值連鎖。以該工程為例，隨著閥門(mén)m關(guān)小或閥門(mén)n開(kāi)大間接使補(bǔ)水泵補(bǔ)水，動(dòng)水壓線(xiàn)升高，當(dāng)管網(wǎng)動(dòng)水壓線(xiàn)升到圖3位置時(shí)，補(bǔ)水泵強(qiáng)行停止，切斷與定壓點(diǎn)的連鎖。此時(shí)無(wú)論是繼續(xù)關(guān)小閥門(mén)m閥或開(kāi)大閥門(mén)n均不能開(kāi)啟補(bǔ)水泵，使系統(tǒng)壓力上升，起到了保護(hù)作用。
2.3 調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度與動(dòng)水壓線(xiàn)浮動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系
① 動(dòng)水壓線(xiàn)下降與閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度關(guān)系
要降低動(dòng)水壓線(xiàn)，必須開(kāi)大閥門(mén)m或關(guān)小閥門(mén)n，但調(diào)節(jié)的前提需以當(dāng)前工況及閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度為基準(zhǔn)，基準(zhǔn)不同，調(diào)節(jié)方式不同。假設(shè)管網(wǎng)運(yùn)行初期閥門(mén)m全關(guān)、閥門(mén)n全開(kāi)，此時(shí)水壓圖見(jiàn)圖2，管網(wǎng)超壓，打開(kāi)泄水調(diào)節(jié)閥的同時(shí)僅開(kāi)大閥門(mén)m，管網(wǎng)動(dòng)水壓線(xiàn)下降。當(dāng)動(dòng)水壓線(xiàn)降到圖3位置時(shí)，以定壓點(diǎn)為分界點(diǎn)(假設(shè)定壓點(diǎn)在旁通管中間)，閥門(mén)m所在的部分旁通管水頭損失為65.5m。此時(shí)對(duì)應(yīng)閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度的間接計(jì)算式為[2，5～7]：
 
式中△h——旁通管兩端的總水頭損失，m
    ρ——流體密度，g/cm3
    k——調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的流通能力，取10
    R——調(diào)節(jié)閥理想可調(diào)比，指調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量之比，取50
　　L——閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度
   將ρ=0.951g/cm3，△h=80.5m，代入式(1)可計(jì)算得到閥門(mén)m的相對(duì)開(kāi)度為0.750。同理，如果動(dòng)水壓線(xiàn)要降到圖4位置，僅調(diào)大閥門(mén)m，此時(shí)閥門(mén)m所在的部分旁通管水頭損失為46.9m，對(duì)應(yīng)閥門(mén) m的相對(duì)開(kāi)度為0.931。因此，在此工況下閥門(mén)m的相對(duì)開(kāi)度區(qū)間為0.750～0.931。
    ②動(dòng)水壓線(xiàn)上升與閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度關(guān)系
    要升高系統(tǒng)動(dòng)水壓線(xiàn)，必須關(guān)小閥門(mén)m或開(kāi)大閥門(mén)n。以圖4為基準(zhǔn)，此時(shí)閥門(mén)n全開(kāi)，閥門(mén)m相對(duì)開(kāi)度為0.931，動(dòng)水壓線(xiàn)要上升只能關(guān)小閥門(mén)m。隨著閥門(mén)m關(guān)小，定壓點(diǎn)壓力下降，補(bǔ)水泵向系統(tǒng)補(bǔ)水，系統(tǒng)動(dòng)水壓上升，直到達(dá)到圖3中的動(dòng)水壓線(xiàn)，此時(shí)補(bǔ)水泵強(qiáng)行關(guān)閉。在此過(guò)程中，閥門(mén)m的相對(duì)開(kāi)度與動(dòng)水壓線(xiàn)上升幅度關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖6可知，以閥門(mén)m相對(duì)開(kāi)度0.931時(shí)為基準(zhǔn)，關(guān)小閥門(mén)m，隨著系統(tǒng)補(bǔ)水，動(dòng)水壓線(xiàn)上升。當(dāng)閥門(mén)m相對(duì)開(kāi)度減小到0.750時(shí)，動(dòng)水壓線(xiàn)上升至圖3的上限，此時(shí)補(bǔ)水泵強(qiáng)行關(guān)閉，閥門(mén)m繼續(xù)關(guān)小，動(dòng)水壓線(xiàn)也不會(huì)上升。
 

    本文只是簡(jiǎn)述了起始閥門(mén)m全關(guān)、閥門(mén)n全開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的閥門(mén)控制策略，在實(shí)際調(diào)節(jié)中閥門(mén)起始相對(duì)開(kāi)度不同控制策略也不同，但調(diào)節(jié)目的都是使動(dòng)水壓線(xiàn)在其上下限之間浮動(dòng)以滿(mǎn)足用戶(hù)要求。我們可以在管網(wǎng)運(yùn)行初期循環(huán)泵剛剛啟動(dòng)，但系統(tǒng)還未泄水時(shí)，預(yù)置兩閥的相對(duì)開(kāi)度，同時(shí)配合相應(yīng)的閥門(mén)控制策略。
3 結(jié)論
    作為一種定壓方式，旁通管定壓可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，降低系統(tǒng)造價(jià)，但必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)閥門(mén)阻力特性及初始相對(duì)開(kāi)度制定相應(yīng)的控制策略。本文只是分析了循環(huán)泵額定工況時(shí)的旁通管定壓的調(diào)節(jié)，但在實(shí)際中，隨著室外溫度的變化，系統(tǒng)往往采用多種調(diào)節(jié)方式，此時(shí)循環(huán)泵工況也各不相同，必須根據(jù)實(shí)際情況，制定適宜的控制策略。
參考文獻(xiàn)：
[1] 賀平，孫剛，王飛，等.供熱工程[M].4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：242-260.
[2] 付祥釗.流體輸配管網(wǎng)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：303-318.
[3] 韓艷.供熱小區(qū)采用旁通管定壓技術(shù)的理論研究(碩士學(xué)位論文)[D].太原：太原理工大學(xué)，2007：16-25.
[4] 王慧萍.旁通管調(diào)壓技術(shù)在集中供熱中的應(yīng)用研究(碩士學(xué)位論文)[D].太原：太原理工大學(xué)，2009：67-76.
[5] 吳國(guó)熙.調(diào)節(jié)閥的使用和維修[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：101-107.
[6] 石兆玉.正確選擇流量調(diào)節(jié)閥是實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)流量平衡的關(guān)鍵[J].區(qū)域供熱，2009(1)：33-43.
[7] 楊紀(jì)偉，張麗榮.調(diào)節(jié)閥阻力特性分析[J].閥門(mén)，2001(2)：22-24.
 
    (本文作者：楊鑫 雒俐暖 王飛 太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 山西太原 030024)