旁通管定壓系統(tǒng)中熱網(wǎng)動水壓線的控制策略

摘 要

摘要：以采用旁通管定壓方式的熱網(wǎng)為例，探討了通過改變旁通管調(diào)節(jié)閥相對開度調(diào)節(jié)熱網(wǎng)動水壓線的控制策略，分析了動水壓線調(diào)節(jié)過程中旁通管調(diào)節(jié)閥相對開度的變化。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，探討了通過改變旁通管調(diào)節(jié)閥相對開度調(diào)節(jié)熱網(wǎng)動水壓線的控制策略，分析了動水壓線調(diào)節(jié)過程中旁通管調(diào)節(jié)閥相對開度的變化。
關(guān)鍵詞：旁通管定壓；調(diào)節(jié)閥；控制策略；動水壓線
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)用越來越廣泛，尤其針對供熱區(qū)域內(nèi)地勢高低起伏的情況。實踐證明，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)識它的調(diào)節(jié)過程有著重要的意義。本文結(jié)合工程實例，對旁通管定壓系統(tǒng)中熱網(wǎng)動水壓線的控制策略進(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的熱源廠為例，共有6座熱力站，每座熱力站的供熱面積為l0×104m2，一級管網(wǎng)供、回水溫度為130、70℃，設(shè)計壓力為1.6MPa。熱力站內(nèi)一級側(cè)的承壓能力為1.6MPa，熱力站平面布置及地勢分布見圖1。

   ② 靜水壓線
   靜水壓的確定原則是保證系統(tǒng)最高點不汽化，最低點不超壓，并有3～5m的安全余量。根據(jù)圖1，分析計算了熱源及各熱力站所允許的最低靜水壓(見表1)[1]。出于安全考慮，熱源處飽和蒸汽壓力對應(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，熱源廠高20m。靜水壓線取108.6m，滿足了熱源及熱力站不汽化的要求，同時處于最低處的B站在熱網(wǎng)靜止時所受壓力為118.6m，小于160m，可滿足要求。
表1 熱源與熱力站的最低靜水壓
名稱
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 動水壓線
   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%計算；熱力站的水頭損失為15m。經(jīng)計算，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，系統(tǒng)水壓圖見圖2。
 

    由圖2可知，采用循環(huán)泵吸入口定壓時，管網(wǎng)起點壓力為1.691MPa，超過了管網(wǎng)的承壓能力。要解決超壓問題，可以將管網(wǎng)的承壓能力提高，但系統(tǒng)造價將大大增加。也可以采用旁通管定壓方式[3～4]，降低動水壓線，以滿足管網(wǎng)的承壓能力。采用旁通管定壓時，動水壓線向上浮動的極限要求管網(wǎng)、熱源及熱力站均不超壓；動水壓線向下浮動的極限要求管網(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，動水壓線的上下浮動限值見圖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水壓線的上限值，此時管網(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動水壓線的下限值是按循環(huán)泵的汽蝕余量來定的，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，可以看出此時供水管網(wǎng)各點也不會汽化。
2 旁通管定壓的調(diào)節(jié)過程
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，沒有泄水整個系統(tǒng)的動水壓線是不會降低的，調(diào)節(jié)旁通管閥門，只是單純改變了定壓點的壓力，而動水壓線并沒有變化。同理，沒有系統(tǒng)補(bǔ)水，旁通管閥門的調(diào)節(jié)也將失效。因此，閥門調(diào)節(jié)、定壓點壓力、補(bǔ)水或泄水之間必須緊密耦合，閥門調(diào)節(jié)是輸入信號，泄水及補(bǔ)水是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，定壓點為控制點。旁通管定壓系統(tǒng)見圖5[1]。從實際工程出發(fā)，調(diào)節(jié)閥m、n所在旁通管規(guī)格取DN 25mm，長度為7m。
 

2.2 旁通管定壓的調(diào)節(jié)過程
    ① 調(diào)節(jié)初期閥門相對開度預(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，此時旁通管閥門可以是任意開度，等系統(tǒng)注滿后，開啟循環(huán)泵，整個管網(wǎng)開始運(yùn)作。如果超壓，需通過泄水降低壓力，但在系統(tǒng)泄水前，無論旁通管閥門起初相對開度如何，系統(tǒng)的動水壓圖均為圖2，所不同的只是定壓點的壓力，因此在泄水前可以對閥門m、m進(jìn)行相對開度預(yù)置，在該工程中，初期工況為閥門m全關(guān)，閥門n全開。
   ② 動水壓線下降與泄水調(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，需要降低動水壓線，此時只有通過泄水才能降低系統(tǒng)壓力，但是泄水調(diào)節(jié)閥需要同旁通管定壓點連鎖控制，如果定壓點壓力超過靜水壓線，則管網(wǎng)開始泄水。開大閥門m或關(guān)小閥門n均能使定壓點壓力上升，此時為了保持定壓點壓力恒定，管網(wǎng)開始泄水，直到定壓點壓力為系統(tǒng)靜水壓線。隨著系統(tǒng)泄水，管網(wǎng)壓力逐漸降低，動水壓線也隨之降低，達(dá)到調(diào)節(jié)目的。因此在調(diào)節(jié)過程中，開大閥門m或關(guān)小閥門n，均可以通過升高定壓點壓力間接實現(xiàn)系統(tǒng)泄水、動水壓線降低的目的。
   但管網(wǎng)不能無限泄水，系統(tǒng)壓力必須滿足系統(tǒng)不汽化及循環(huán)泵進(jìn)口不汽蝕兩個要求，為了避免一些操作失誤，管網(wǎng)泄水還需要與動水壓線的最小值連鎖。以該工程為例，隨著閥門m開大或閥門n關(guān)小，間接使管網(wǎng)泄水，動水壓線降低，當(dāng)動水壓線降到圖4位置時，泄水調(diào)節(jié)閥強(qiáng)行關(guān)閉，切斷與定壓點的連鎖。此時，無論繼續(xù)開大閥門m或關(guān)小閥門n均不能打開泄水調(diào)節(jié)閥，使系統(tǒng)壓力及動水壓線下降，起到了保護(hù)作用。
   ③ 動水壓線上升與補(bǔ)水泵的連鎖
   同理，要使動水壓線上升必須向系統(tǒng)補(bǔ)水，此時補(bǔ)水泵需與定壓點連鎖，當(dāng)定壓點壓力低于靜水壓線時，補(bǔ)水泵開啟向系統(tǒng)補(bǔ)水，整個管網(wǎng)壓力將增大，動水壓線隨之上升。關(guān)小閥門m或開大閥門n均能使定壓點壓力下降，為了保持定壓點壓力恒定，補(bǔ)水泵向管網(wǎng)補(bǔ)水，直到定壓點壓力為系統(tǒng)靜水壓。隨著補(bǔ)水泵補(bǔ)水，系統(tǒng)壓力上升，動水壓線也隨之上升，達(dá)到調(diào)節(jié)目的。因此在調(diào)節(jié)過程中，關(guān)小閥門m與開大閥門n，均可通過降低定壓點壓力間接實現(xiàn)補(bǔ)水泵補(bǔ)水、動水壓線上升的目的。
   但管網(wǎng)也不能無限補(bǔ)水，系統(tǒng)壓力必須滿足所有用戶及管網(wǎng)不超壓這個要求，因此補(bǔ)水泵還需與動水壓最大值連鎖。以該工程為例，隨著閥門m關(guān)小或閥門n開大間接使補(bǔ)水泵補(bǔ)水，動水壓線升高，當(dāng)管網(wǎng)動水壓線升到圖3位置時，補(bǔ)水泵強(qiáng)行停止，切斷與定壓點的連鎖。此時無論是繼續(xù)關(guān)小閥門m閥或開大閥門n均不能開啟補(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)閥相對開度與動水壓線浮動對應(yīng)關(guān)系
① 動水壓線下降與閥門相對開度關(guān)系
要降低動水壓線，必須開大閥門m或關(guān)小閥門n，但調(diào)節(jié)的前提需以當(dāng)前工況及閥門相對開度為基準(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m全關(guān)、閥門n全開，此時水壓圖見圖2，管網(wǎng)超壓，打開泄水調(diào)節(jié)閥的同時僅開大閥門m，管網(wǎng)動水壓線下降。當(dāng)動水壓線降到圖3位置時，以定壓點為分界點(假設(shè)定壓點在旁通管中間)，閥門m所在的部分旁通管水頭損失為65.5m。此時對應(yīng)閥門相對開度的間接計算式為[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)閥全開時的流通能力，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——閥門的相對開度
   將ρ=0.951g/cm3，△h=80.5m，代入式(1)可計算得到閥門m的相對開度為0.750。同理，如果動水壓線要降到圖4位置，僅調(diào)大閥門m，此時閥門m所在的部分旁通管水頭損失為46.9m，對應(yīng)閥門 m的相對開度為0.931。因此，在此工況下閥門m的相對開度區(qū)間為0.750～0.931。
    ②動水壓線上升與閥門相對開度關(guān)系
    要升高系統(tǒng)動水壓線，必須關(guān)小閥門m或開大閥門n。以圖4為基準(zhǔn)，此時閥門n全開，閥門m相對開度為0.931，動水壓線要上升只能關(guān)小閥門m。隨著閥門m關(guān)小，定壓點壓力下降，補(bǔ)水泵向系統(tǒng)補(bǔ)水，系統(tǒng)動水壓上升，直到達(dá)到圖3中的動水壓線，此時補(bǔ)水泵強(qiáng)行關(guān)閉。在此過程中，閥門m的相對開度與動水壓線上升幅度關(guān)系見圖6。由圖6可知，以閥門m相對開度0.931時為基準(zhǔn)，關(guān)小閥門m，隨著系統(tǒng)補(bǔ)水，動水壓線上升。當(dāng)閥門m相對開度減小到0.750時，動水壓線上升至圖3的上限，此時補(bǔ)水泵強(qiáng)行關(guān)閉，閥門m繼續(xù)關(guān)小，動水壓線也不會上升。
 

    本文只是簡述了起始閥門m全關(guān)、閥門n全開時，對應(yīng)的閥門控制策略，在實際調(diào)節(jié)中閥門起始相對開度不同控制策略也不同，但調(diào)節(jié)目的都是使動水壓線在其上下限之間浮動以滿足用戶要求。我們可以在管網(wǎng)運(yùn)行初期循環(huán)泵剛剛啟動，但系統(tǒng)還未泄水時，預(yù)置兩閥的相對開度，同時配合相應(yīng)的閥門控制策略。
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，但必須對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)閥門阻力特性及初始相對開度制定相應(yīng)的控制策略。本文只是分析了循環(huán)泵額定工況時的旁通管定壓的調(diào)節(jié)，但在實際中，隨著室外溫度的變化，系統(tǒng)往往采用多種調(diào)節(jié)方式，此時循環(huán)泵工況也各不相同，必須根據(jù)實際情況，制定適宜的控制策略。
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    (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)