简介： 济南某花园住宅小区工程受供热热源和山坡复杂地势等外部因素的制约，造成了供热二次管网高差大，供热半径长等问题。鉴于这方面的工程设计在省内乃至国内都较为少见，且缺乏成熟的经验，作者对此进行了初步探讨。通过将供热管网分为高、低区两个系统，合理调整管网走向，有效降低了竖向的垂直高差，确保了低区供热系统的安全运行；在供热系统中采用自力式流量控制阀、自力式压差控制阀以及动态流量平衡阀，有效地提高了管网自动调节水力平衡的能力；低温热水供热管网采用了无补偿直埋敷设技术。实践证明是完全可行的。
关键字：低温热水 供热系统 水力平衡
1 工程概述
济南某花园住宅小区一期工程，是集多层、小高层、别墅为一体的大型综合建筑群。该工程地处复杂的山坡地带，沿山势而建，高低落差较大。自然地势高差——最高点与最低点高差达66.6米。一期供热面积约３０万平方米，供热半径约1.5公里。在小区内建换热站，将热电厂提供的一次高温水110/90℃换成二次低温热水80/60℃，供小区供暖之用。供热管网设计比摩阻控制在：主干管30-60Pa/m，支干管60-150Pa/m。
因受一次供热外网压力地限制，只能在合适的标高处建立一个换热站，因此给整个工程增加了难度。该工程设计的主要思路，首先在换热站内设立两个系统，根据地势情况把系统分为高区和低区，依地势的变化及建筑物的标高合理布置管网的走向，调整管网动水压力曲线，进一步降低系统低处散热器的压力，提高系统的安全性。其次结合分户热计量集中采暖系统的特点，对两个系统分别采用了不同的方法解决管网水力失调问题。再者是确定合适的系统定压方式，减少低点系统设备承压问题；最后采用无补偿直埋供热管道技术，充分利用自然地形进行补偿，降低投资，节约能源，提高施工效率。总之是以较为经济的投资比，保证供热系统水力稳定性和安全性，以达到最佳的供热质量和节能效果。
2 设计中探讨的主要问题
2.1 大高差低温热水直接供热系统的特点
由于二次供热区域内地势高差变化大、供热半径较长，系统重力附加压差影响大，管网复杂多变不易平衡，尤其是系统静压我们将结合本外管网工程对该类系统的有些问题进行探讨。
2.1.1大高差对供热系统的影响
考虑当系统管网各分支始点与分支终点之间或各分支点与供热站房出口之间因高差产生的重力附加压差大于所考虑节点之间管道阻力的10％时，认为应考虑重力附加压差的影响。那么如何在水力计算之前确定供热系统是不是大高差系统且需要考虑重力附加压差的影响呢？建议采用管网主干的坡度值来判断，根据不同管网设计供回水温度、管道局部阻力占摩擦阻力的百分比等因素计算。
实际上对于大高差供热系统当热源在高处时，重力附加压差应按最不利情况考虑；当热源设在低处时，因重力附加压差对管网运行来说是动力附加，因此可以将其作为安全系数加以处理，也可充分利用它的作用减少能耗。对于大高差供热系统中重力附加压差的影响，可以从以下几个方面加以考虑：
（1）在水力计算时不计入重力附加压差，但在计算循环水泵扬程时计入最大值；
（2）在管网水力计算中选择管径时考虑对管段比摩阻的增减；
（3）在选择差压控制器时，如水力计算中未计入重力附加压差的影响，宜对差压控制器所控压差范围进行复核。
2.1.2 大高差供热系统水力失调的特殊性
大高差供热系统除具有一般供热系统所存在的不平衡因素造成的管网不平衡外，还存在因重力附加压差作用而产生的系统不平衡，因此一般来说，大高差供热系统具有比一般系统更大的不平衡率，如本供热系统内最大高差为57米，该分支点处的资用压差因重力附加压差的影响将增加8993Pa，而该处的资用压差为0.1MPa左右，由重力附加压差的影响将使该处流量比设计工况下增加约4.5％。因此在大高差供热系统中重力附加压差的影响对系统的平衡是一个不容忽视的因素。即使在设计过程中考虑重力附加压差的影响，但是在运行过程中尤其是在质调节过程中，随着水温与设计工况的变化，因重力附加压差影响而造成的系统不平衡率将上升。由于重力附加压差对管网水力失调的影响与循环水泵扬程的改变造成的系统局部水力失调相似，故可将其归入造成动态水力失调的因素，因此大高差供热系统的水力失调可以通过应用动态平衡阀来加以解决。
2.1.3 设计中采取的措施
通过上面的分析可知，应考虑重力附加的因素。故此在工程设计中采用了分高低区系统的措施，根据地势情况把系统分为高区和低区，依地势的变化及建筑物的标高合理布置管网的走向，尽可能降低竖向高差，减少附加压差对系统的影响。确保低处散热器不超压，提高系统的安全性。
2.2 供热系统的定压问题
热水供热系统定压补水的主要目的之一就是保证供热系统无论是在运行状态还是在静止状态都能充满水而不至于倒空吸入空气或者汽化。根据定压点的位置不同，补给水泵定压方式可以分为回水定压方式、出水定压方式和旁通管定压方式。此三种定压方式各有优缺点。一般常用的回水定压方式其静水压线的高度是根据系统最高点高度再加上汽化压力和一定的富裕值来确定的，这样在运行过程中就存在系统动压偏高的问题，这种定压方式是偏于安全的，而出口定压方式相对于回水定压方式虽然动压有所降低，但其静水压线高度将有所增加。旁通管定压方式是介于上述两者之间的一种定压方式。该系统恒压点的压力可按设定值准确控制。其静水压线高度可以与回水定压方式的相同也可以适当降低，而其动水压线则可达到出口定压方式所能达到的最低高度甚至更低，而且随着对旁通管上所设阀门的调节可以很方便的抬高或降低动压曲线，调节灵活性较高。变频调速补水定压，其优点是不受限于系统结构的影响，压力稳定，节能效果明显，自控功能强，设备小巧占地面积小。本供热系统采用了变频回水定压方式。
2.3 大高差供热系统的管网平衡问题
2.3.1系统水力失调形式及消除方法
系统水力失调一般分为静态失调和动态失调两种。静态失调可用静态平衡阀或动态平衡阀来解决，对于分阶段量调节系统目前只能用静态平衡阀来解决。动态失调是随机性的、变化的。局部流量的改变对其它用户影响小，则水力失调程度就小，反之就大。这种失调现象只能用动态平衡阀来解决。静态平衡阀是指利用仪器或仪表人工改变阀芯与阀座的间隙（开度）来改变局部系统阻力特性从而消除系统过剩压头的阀门，包括手动调节阀、数字锁定式平衡阀等。动态平衡阀是一种通过自力式改变阀芯的过流面积能在较大的压差范围内恒定流量或在较大的流量范围内恒定压差的阀门。相对于静态平衡阀来说，动态平衡不需要繁琐的人工调试即可达到系统的平衡，且能在一定的工作范围内高精度的保持压差或流量的平衡。
从水压图可知，最不利点的资用压头为5mH2O，最近点用户资用压头为14mH2O，资用压头差为9mH2O。解决由于各用户资用压头差所产生的流量差，采取了以下措施：
（1）控制系统管网的流量和压力的设计参数。各用户入口设置自力式流量控制阀。该阀可按用户流量需求设定进户流量，并将此流量控制在设定值。近端用户入口设置数字锁定平衡阀，此阀用于配合自力式流量调节阀控制用户的流量和压力，并可作为切断阀。近端用户干管设置自力式压差控制阀，以消耗近端用户多余的压差，其消耗压差的范围在1mH2O~20mH2O.可人工设定其消耗压力值。
（2）直接在采暖人口采用新型动态流量平衡阀，直接控制单元用户的流量和压力的设计参数。通过以上措施来实现供热系统的水力稳定性和供热质量。
2.3.2系统的运行调节方式与自力式调节阀的选择
当系统的运行调节采用集中量调节(比如水泵的变速调节等)时，不能采用自力式流量控制阀和自力式压差控制阀。因为这种调节是通过改变水量实现的，因而调节时改变了系统的水力工况。所以若采用自力式调节阀，势必造成有的阀能正常工作，但被控对象流量过大(超过此时的热负荷所对应的流量)，有的阀全开仍达不到流量要求，有的阀因两端压差达不到启动压差而不能正常工作，即出现流量分配的混乱。显然，由于自力式调节阀的存在而造成了系统集中调节难以实现。这时若采用手动调节阀(比如平衡阀)，则系统总流量增减时，各支路、各用户的流量可以同比例增减，即系统的集中调节可以传递到每一个末端装置。
当系统的运行调节为质调节时，可以采用自力式流量控制阀和自力式压差控制阀，因为这种调节方式只改变供水温度，而与系统的水力工况无关，即在不改变系统的水力工况的情况下，把调节传递到每个用户和设备。采用自力式流量控制阀，可以吸收网路的压力波动，维持被控负载的流量恒定。采用自力式压差控制阀可以吸收网路的压力波动，以及克服内扰(被控环路内部的阻力变化)，以维持施加于被控环路上的压差恒定。
在环路入口处装设自力式压差控制阀，由于可以保持环路的压差恒定，将大大减弱各支路间的调节干扰。如果环路中干管的阻力相对于支路的阻力可以忽略不计，则可把干管视为静压箱，各支路的调节互不干扰，即一个支路的流量调节对另外支路的流量不产生影响。实际上，由于干管阻力的存在，使得各支路间的调节干扰不可避免，比如一个支路关小，其它支路的流量均将程度不同的有所增加。但在设计合理的情况下，这种干扰是微弱的。系统设计时对于被控环路的干管采用相对较大的管径，且在干管上不再装设其它阀门，尽可能减小干管的阻力，可以使各支路间的调节干扰降到最低程度，使环路具有较好的水力稳定性。
对于分户热计量的供暖系统，强调用热调节的自主性，而又必须从设计上考虑尽可能减轻各用户间的调节干扰，所以宜采用自力式压差控制阀。对于采用集中质调节的供暖系统，一个支路上连接多个用户，无疑在支路入口处可以装设自力式压差控制阀。但如果各用户的调节是不经常的、无规律的以及相对于支路的总流量来说调节所产生的影响是轻微的，则也可以把支路的流量视为恒定，采用自力式流量控制阀。
2.3.3动态流量平衡阀与动态压差平衡阀的设计选型
动态流量平衡阀设计选型的目的是通过选择合适的管径和压差范围或流量范围，使供热系统达到动态平衡，并使系统具有良好的稳定性和经济性，选型设计方法为：首先算出通过该阀门的水流量，按样本提供的数据，并参考设备的接口尺寸，核对该规格阀门的流量是否满足要求；然后选择适当的压差范围，计算系统阻力，得出阀门需要吸收的压差，据此来确定该阀门的压差范围；最后根据计算出的流量和压差范围，以及技术要求来选择适当的系列、型号及零配件。
2.4 供热管道无补偿直埋方式的可行性和经济性分析
2.4.1 可行性分析
由于大高差低温热水供热系统所采用的供热介质温度一般为95℃/70℃或85℃/60℃，因此应力计算的温差较小，一般为80℃左右，而且该类系统一般都存在地势变化较大的问题，因而管道转角多而直管段较短，虽然因高差大使得管网内压有所增大，但是采用应力分类法对管道应力进行验算就会发现，管道的一次应力、二次应力和峰值应力的当量值及其变化范围都符合规范要求，即管道的一次应力的当量值不超过钢材在计算温度下的基本许用应力，管道的一次应力的变化范围、二次应力范围和峰值应力的当量应力变化幅度不超过钢材在计算温度下的基本许用应力的三倍。而且据资料显示无补偿直埋供热管道敷设在工程上已有成功的先例。如70年代末期，北京市煤气热力设计所等五家单位进行了“热力管道无补偿直埋敷设实验研究”，并按应力分类法设计和安装了以沥青珍珠岩为保温材料的直埋敷设热水供热管道，一直正常运行近20年。因此大高差低温热水供热管网应用无补偿直埋敷设方式是可行的。而且可充分利用地势的变化自然补偿，消除直埋管道中因采用补偿器带来的漏损以及施工和运行管理中的诸多问题。
2.4.2 经济性分析
众所周知直埋敷设相对于管沟敷设是比较经济的，而同属于直埋敷设方式中的无补偿直埋敷设和有补偿直埋敷设（包括明沟分段预热直埋敷设和采用一次性补偿器覆土预热直埋敷设）相比是否经济呢？对此我们从几个方面作了一点探讨。无补偿直埋方式是应用最新应力验算方法的产物，在相同安全性的情况下应该比有补偿直埋方式具有更好的经济性，无补偿直埋敷设方式省去了大量的补偿器和部分固定支墩及局部管沟，并且可以冷施工不需任何预热手段，减少了人工，减少了工程初投资，可缩短施工工期10%，而且无补偿直埋方式由于省去了补偿器减少了易损坏管件，降低了运行过程中的维修管理强度，提高了管网的使用寿命和管网的运行安全性。我们分别按无补偿直埋敷设和有补偿直埋敷设对小区外管网工程初投资进行了计算比较，无补偿直埋敷设比有补偿直埋敷设方式节省投资15%。
3供热管网试运行情况简介
本工程从2002年11月下旬开始试运行至2003年3月15日结束。试运行情况表明，由于用户的入住率不是很高，高区负荷仅为设计热负荷的三分之一，低区负荷仅为设计热负荷的二分之一。低区出口压力为0.60Mpa，最不利末端的供水压力为0.75Mpa，高区出口压力为0.56MPa，最不利末端的供水压力为0.10MPa，每个单元入口在平衡阀的作用下，完全满足了最不利末端用户的自用作用压力，解决了管网不平衡的问题。当室外气温降到-15℃，供回水温度为72/60℃时，用户室温保持在18℃以上，有个别用户室温在16℃，最近端与最远端的用户室温都在设计要求的范围内，而大部分时间供回水温度控制在60/55℃。我们通过供水干管的温度表观察到从换热站出口温度与管道末端的温差仅为2-4℃。供热管网运行正常，没有出现裂缝漏水现象。从管网的整体设计到运行效果都处于比较理想的状态中。
4 几点结论
通过上述工程设计实践及工程试运行情况，可以初步得出以下几点结论：
（1）供热管网分为高、低区两个系统，既合理调整管网走向，又有效降低了竖向的垂直高差，确保了低区供热系统的安全运行。
（2）在供热系统中采用自力式流量控制阀、自力式压差控制阀以及动态流量平衡阀，有效地提高了管网自动调节水力平衡的能力。但动态流量平衡阀由于自身阻力过大，不宜使用在末端用户。
（3）低温热水供热管网采用无补偿直埋敷设技术是完全可行的。该项技术节省投资，提高了施工效率。减少了易损坏管件，降低了运行过程中的维修管理强度，提高了管网的使用寿命和运行的安全性，同时也提高了能源的利用率。
总之，该供热管网从设计到施工是一次应用先进技术与设备的成功尝试。但是，由于某些客观因素的影响，工程中的一些问题还需要进一步研究探讨。
参考文献
[1]《动力管道手册》.《动力管道手册》编写组编-北京：机械工业出版社，1994.4
[2]《 城市热力网设计规范》CJJ34-2002.中国建筑工业出版社，2002北京.
[3]《 城市直埋供热管道工程技术规范》CJJ/81-98.中国建筑工业出版社，1998北京.
