033基于设计工况Q–H图研究供热系统热媒输送功率.docVIP

基于设计工况Q-H图 研究供热系统* 哈尔滨工业大学 王芃，邹平华 摘要：根据热用户环路阻力和循环水泵的工作参数详述了单热源与多热源供热系统设计工况Q-H图的绘制，基于设计工况的Q-H图分析热媒输送功率、需用功率和无效功率等，进一步讨论了集中式、分布式循环水泵的配置形式和中继泵系统的热媒输送功率等特点，提出以热用户环路阻力作为供热系统循环水泵配置与选型的参考值。 由热源、热网和热用户组成的集中供热系统中，输送热量消耗的费用占整个运行费用的30%[1]。长期以来，工程人员习惯了将循环水泵集中配置在热源处，这要求水泵出力必须满足最不利用户的要求，同时必须通过阀门等设施调节系统中的其他热用户，避免出现近热源端的热用户流量超过设计流量的情况，以实现系统的水力平衡[2,3]。学者们已经对上述的供热系统循环水泵配置形式提出质疑：热用户处的阀门节流必然造成能量的浪费，而这部分无效能耗正是由于循环水泵的配置形式造成的[4]。为避免讨论供热系统的运行调节等问题，本文以设计工况的热媒输送功率代替采暖季的输送能耗作为研究对象，并试图揭示系统循环水泵的配置形式与热媒输送功率之间的关系。 1 供热系统的设计工况Q-H图 1.1 热用户环路与环路阻力 在集中供热系统中，由于各个热用户之间一般均采取并联连接的方式，系统中每一个热用户都可以和热源组成一个环路，简称为热用户环路，如图1所示的热用户Uk环路a-b-c-d-a。热媒总是在热源、供水管网、热用户和回水管网组成的闭合的热用户环路内循环流动。根据基尔霍夫定律环路压力平衡原理[5,6]： (1) 式中：Hi为动力部件（循环水泵）i提供的动力，ni为动力部件的个数；sj为阻力部件j的阻力特性系数，qj为通过阻力部件j的流量，nj为阻力部件的个数。 另外，热用户环路中各管段的流量遵循基尔霍夫节点流量平衡原理[5]。以图1中的热用户Uk环路为例，热源S至热用户Uk的供水干线b-c上有多个出流点，应以这些节点划分管段，节点流量平衡公式中应同时反映与节点相连的管段流量及其出流量。 (2) 式中：j+1为管段或部件j沿流向的下一个管段或部件，j+为管段或部件沿流向的终点。 S——热源；Uk——第k个热用户；P——循环水泵； qin,ad, qin,d——入流量；qout,bc, qout,c——出流量 图1 热用户环路示意图 对于简单的枝状热网（指平面管网[7]），根据节点流量平衡原理，各管段的设计流量可以通过热用户的设计流量沿管线从末端逐次向热源方向递推得到。但是对于复杂的环状热网（指平面管网[7]），管段流量的确定需要同时依据节点流量平衡和环路压力平衡原理，通过求解非线性方程组得到[5,7]。本文研究的前提是已知热网设计工况下的流量分布。 1.2 单热源供热系统设计工况Q-H图的绘制 以一个单热源热网为例，系统中共有52个热用户，通过式(1)计算得到该52个热用户环路的阻力。按照环路阻力递增的顺序排列热用户，以长方体x轴方向的边长表示热用户的流量，Q(t/h)，y轴方向的边长表示热用户环路的阻力H(m)，各长方体依次排列，绘制如图2所示的柱形图。其中，将各长方体的顶边构成的阶段曲线称为热用户环路阻力曲线，记为hU(x)。 由于热用户按照环路阻力的大小递增排列，因此Q-H图中最末端热用户即为系统的最不利用户。按照传统的热网设计方法，在热源处安装循环水泵，水泵出力应满足最不利用户的循环动力要求，则在水力平衡的前提下，系统提供的资用压头也能够同时满足其它热用户的要求。因此，以最不利用户n的环路阻力为高度，绘制长度等于系统总流量的直线作为热源循环水泵的压头曲线，记为HS(x)。以下简称图2为设计工况Q-H图。 图2 某单热源供热系统的设计工况Q-H图 1.3 多热源供热系统设计工况Q-H图的绘制 在单热源系统中，每个热用户获得的热量均来自于系统中唯一的热源。与之不同的是，多热源系统中，各热用户的热量来源并不相同，可能来自于其中一个热源，也可能同时来自于几个热源，并且它们之间的任意组合通过热网的连接都能够形成环路。因此，问题的关键在于热用户环路阻力的确定。通过对热网中各管段流量的计算，多热源供热系统中存在独特的汇流点。根据汇流点的位置，可以确定各热源的供热范围，也即确定了各热用户热量的来源。如图3所示，根据汇流点I，判断出热用户U1的热量来自于热源Sa，热用户U2的热量来自于热源Sb，而与汇流点相连的热用户U3的热量同时来自于热源Sa和Sb。 图3 多热源供热系统汇流点区域示意图 热用户获得的热量是通过热媒传递的，并且环路的阻力只与流量有关，因此即使各热源出口水温不一致，仍然可以用流量作为区分热用户获取热量的标志。在图3中，与汇流点相连的热用户U3与热源