旁通管定压系统中热网动水压线的控制策略

摘 要

摘要：以采用旁通管定压方式的热网为例，探讨了通过改变旁通管调节阀相对开度调节热网动水压线的控制策略，分析了动水压线调节过程中旁通管调节阀相对开度的变化。关键词：旁通管定
摘要：以采用旁通管定压方式的热网为例，探讨了通过改变旁通管调节阀相对开度调节热网动水压线的控制策略，分析了动水压线调节过程中旁通管调节阀相对开度的变化。
关键词：旁通管定压；调节阀；控制策略；动水压线
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
   随着集中供热的发展，旁通管定压的应用越来越广泛，尤其针对供热区域内地势高低起伏的情况。实践证明，旁通管定压系统要达到理想的调节效果，正确认识它的调节过程有着重要的意义。本文结合工程实例，对旁通管定压系统中热网动水压线的控制策略进行探讨。
1 工程概况及水压图
   ① 工程概况
   以供热能力为60×104m2的热源厂为例，共有6座热力站，每座热力站的供热面积为l0×104m2，一级管网供、回水温度为130、70℃，设计压力为1.6MPa。热力站内一级侧的承压能力为1.6MPa，热力站平面布置及地势分布见图1。

   ② 静水压线
   静水压的确定原则是保证系统最高点不汽化，最低点不超压，并有3～5m的安全余量。根据图1，分析计算了热源及各热力站所允许的最低静水压(见表1)[1]。出于安全考虑，热源处饱和蒸汽压力对应150℃。130、150℃下的饱和蒸汽压力分别为17.6、38.6m。各热力站高5m，热源厂高20m。静水压线取108.6m，满足了热源及热力站不汽化的要求，同时处于最低处的B站在热网静止时所受压力为118.6m，小于160m，可满足要求。
表1 热源与热力站的最低静水压
名称
热源
A站
B站
C站
D站
E站
F站
最低静水压/m
108.6
27.6
17.6
32.6
37.6
34.6
42.6
   ③ 动水压线
   系统水头损失由热源、管网、热力站水头损失3部分组成。各部分水头损失为[1～2]：热源20m；管网水头损失包括沿程和局部水头损失，经济比摩阻取50Pa/m，局部水头损失按沿程水头损失的30%计算；热力站的水头损失为15m。经计算，系统水头损失为80.5m。当采用常规的循环泵吸入口定压时，系统水压图见图2。
 

    由图2可知，采用循环泵吸入口定压时，管网起点压力为1.691MPa，超过了管网的承压能力。要解决超压问题，可以将管网的承压能力提高，但系统造价将大大增加。也可以采用旁通管定压方式[3～4]，降低动水压线，以满足管网的承压能力。采用旁通管定压时，动水压线向上浮动的极限要求管网、热源及热力站均不超压；动水压线向下浮动的极限要求管网系统高温水不能汽化，必须保证循环水泵吸入口的汽蚀余量。采用旁通管定压时，动水压线的上下浮动限值见图3、4。

图3是在保证热源、管网、热力站均不超压的情况下确定的动水压线的上限值，此时管网最高水头为154.1m，保证了不超压的前提并留有一定的安全余量。图4动水压线的下限值是按循环泵的汽蚀余量来定的，循环泵的汽蚀余量为4.5m，为了安全运行，汽蚀余量取10m，可以看出此时供水管网各点也不会汽化。
2 旁通管定压的调节过程
2.1 旁通管定压的机理
    旁通管定压系统总是与补水、泄水紧密结合，没有泄水整个系统的动水压线是不会降低的，调节旁通管阀门，只是单纯改变了定压点的压力，而动水压线并没有变化。同理，没有系统补水，旁通管阀门的调节也将失效。因此，阀门调节、定压点压力、补水或泄水之间必须紧密耦合，阀门调节是输入信号，泄水及补水是执行机构，定压点为控制点。旁通管定压系统见图5[1]。从实际工程出发，调节阀m、n所在旁通管规格取DN 25mm，长度为7m。
 

2.2 旁通管定压的调节过程
    ① 调节初期阀门相对开度预置
    在管网运行初期，首先采用补水泵向系统注水，此时旁通管阀门可以是任意开度，等系统注满后，开启循环泵，整个管网开始运作。如果超压，需通过泄水降低压力，但在系统泄水前，无论旁通管阀门起初相对开度如何，系统的动水压图均为图2，所不同的只是定压点的压力，因此在泄水前可以对阀门m、m进行相对开度预置，在该工程中，初期工况为阀门m全关，阀门n全开。
   ② 动水压线下降与泄水调节阀的连锁
   当循环泵运行之后，如果管网超压，需要降低动水压线，此时只有通过泄水才能降低系统压力，但是泄水调节阀需要同旁通管定压点连锁控制，如果定压点压力超过静水压线，则管网开始泄水。开大阀门m或关小阀门n均能使定压点压力上升，此时为了保持定压点压力恒定，管网开始泄水，直到定压点压力为系统静水压线。随着系统泄水，管网压力逐渐降低，动水压线也随之降低，达到调节目的。因此在调节过程中，开大阀门m或关小阀门n，均可以通过升高定压点压力间接实现系统泄水、动水压线降低的目的。
   但管网不能无限泄水，系统压力必须满足系统不汽化及循环泵进口不汽蚀两个要求，为了避免一些操作失误，管网泄水还需要与动水压线的最小值连锁。以该工程为例，随着阀门m开大或阀门n关小，间接使管网泄水，动水压线降低，当动水压线降到图4位置时，泄水调节阀强行关闭，切断与定压点的连锁。此时，无论继续开大阀门m或关小阀门n均不能打开泄水调节阀，使系统压力及动水压线下降，起到了保护作用。
   ③ 动水压线上升与补水泵的连锁
   同理，要使动水压线上升必须向系统补水，此时补水泵需与定压点连锁，当定压点压力低于静水压线时，补水泵开启向系统补水，整个管网压力将增大，动水压线随之上升。关小阀门m或开大阀门n均能使定压点压力下降，为了保持定压点压力恒定，补水泵向管网补水，直到定压点压力为系统静水压。随着补水泵补水，系统压力上升，动水压线也随之上升，达到调节目的。因此在调节过程中，关小阀门m与开大阀门n，均可通过降低定压点压力间接实现补水泵补水、动水压线上升的目的。
   但管网也不能无限补水，系统压力必须满足所有用户及管网不超压这个要求，因此补水泵还需与动水压最大值连锁。以该工程为例，随着阀门m关小或阀门n开大间接使补水泵补水，动水压线升高，当管网动水压线升到图3位置时，补水泵强行停止，切断与定压点的连锁。此时无论是继续关小阀门m阀或开大阀门n均不能开启补水泵，使系统压力上升，起到了保护作用。
2.3 调节阀相对开度与动水压线浮动对应关系
① 动水压线下降与阀门相对开度关系
要降低动水压线，必须开大阀门m或关小阀门n，但调节的前提需以当前工况及阀门相对开度为基准，基准不同，调节方式不同。假设管网运行初期阀门m全关、阀门n全开，此时水压图见图2，管网超压，打开泄水调节阀的同时仅开大阀门m，管网动水压线下降。当动水压线降到图3位置时，以定压点为分界点(假设定压点在旁通管中间)，阀门m所在的部分旁通管水头损失为65.5m。此时对应阀门相对开度的间接计算式为[2，5～7]：
 
式中△h——旁通管两端的总水头损失，m
    ρ——流体密度，g/cm3
    k——调节阀全开时的流通能力，取10
    R——调节阀理想可调比，指调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比，取50
　　L——阀门的相对开度
   将ρ=0.951g/cm3，△h=80.5m，代入式(1)可计算得到阀门m的相对开度为0.750。同理，如果动水压线要降到图4位置，仅调大阀门m，此时阀门m所在的部分旁通管水头损失为46.9m，对应阀门 m的相对开度为0.931。因此，在此工况下阀门m的相对开度区间为0.750～0.931。
    ②动水压线上升与阀门相对开度关系
    要升高系统动水压线，必须关小阀门m或开大阀门n。以图4为基准，此时阀门n全开，阀门m相对开度为0.931，动水压线要上升只能关小阀门m。随着阀门m关小，定压点压力下降，补水泵向系统补水，系统动水压上升，直到达到图3中的动水压线，此时补水泵强行关闭。在此过程中，阀门m的相对开度与动水压线上升幅度关系见图6。由图6可知，以阀门m相对开度0.931时为基准，关小阀门m，随着系统补水，动水压线上升。当阀门m相对开度减小到0.750时，动水压线上升至图3的上限，此时补水泵强行关闭，阀门m继续关小，动水压线也不会上升。
 

    本文只是简述了起始阀门m全关、阀门n全开时，对应的阀门控制策略，在实际调节中阀门起始相对开度不同控制策略也不同，但调节目的都是使动水压线在其上下限之间浮动以满足用户要求。我们可以在管网运行初期循环泵刚刚启动，但系统还未泄水时，预置两阀的相对开度，同时配合相应的阀门控制策略。
3 结论
    作为一种定压方式，旁通管定压可以调节系统压力，降低系统造价，但必须对系统进行详细分析，根据阀门阻力特性及初始相对开度制定相应的控制策略。本文只是分析了循环泵额定工况时的旁通管定压的调节，但在实际中，随着室外温度的变化，系统往往采用多种调节方式，此时循环泵工况也各不相同，必须根据实际情况，制定适宜的控制策略。
参考文献：
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    (本文作者：杨鑫 雒俐暖 王飞 太原理工大学 环境科学与工程学院 山西太原 030024)