第八章  热水网路的水力计算和水压图

本章重点

          热水网路水力计算的基本公式。

          水压图的基本概念。

本章难点

          热水网路的水力计算

          水压图的绘制。

热水网路水力计算的主要任务是：

1．按已知的热媒流量和压力损失，确定管道的直径；

2．按已知热媒流量和管道直径，计算管道的压力损失；

3．按已知管道直径和允许压力损失，计算或校核管道中的流量。

根据热水网路水力计算成果，不仅能确定网路各管段的直径，而且还可确定网路循环水泵的流量和扬程。

在网路水力计算基础上绘出水压图，可以确定管网与用户的连接方式，选择网路和用户的自控措施，还可进—步对网路工况，亦即对网路热媒的流量和压力状况进行分析，从而掌握网路中热媒流动的变化规律。

第一节  热水网路水力计算的基本公式

本书第四章第一节所阐述的室内热水供暖系统管路水力计算的基本原理，对热水网路是完全适用的。

热水网路的水流量通常以吨／时(t／h)表示。表达每米管长的沿程损失（比摩阻）R、管择d和水流量G的关系式(4—14)，可改写为

        Pa/m                        (8-1)

式中    R——每米管长的沿程损失（比摩阻），Pa/m 

Gt——管段的水流量，t／h；

d——管子的内直径，m；

——管道内壁的摩擦阻力系数；

——水的密度，㎏/m3。

热水网路局部损失，同样可用式(4-15)计算。即

                    Pa

在热水网路计算中，还经常采用当量长度法，亦即将管段的局部损失折合成相当的沿程损失。

当采用当量长度法进行水力计算时，热水网路中管段的总压降就等于

       Pa                           (8-11)

式中     —一管段的折算长度，m。

在进行估算时，局部阻力的当量长度可按管道实际长度的百分数来计算。即

        m                                     （8-12）

式中    ——局部阻力当量长度百分数，％(见附录8-3)；

——管道的实际长度，m。

    第二节  热水网路水力计算方法和例题

在进行热水网路水力计算之前，通常应有下列已知资料：网路的平面布置图(平面图上应标明管道所有的附件和配件)，热用户热负荷的大小，热源的位置以及热媒的计算温度等。

热水网路水力计算的方法及步骤如下：

1．确定热水网路中各个管段的计算流量

管段的计算流量就是该管段所负担的各个用户的计算流量之和，以此确定管段的管径和压力损失。

对只有供暖热负荷的热水供暖系统，用户的计算流量可用下式确定

    t/h                     (8-13)

式中    Qn——供暖用户系统的设计热负荷，通常可用GJ／h、MW或Mkcal表示；

 、——网路的设计供、回水温度，℃；

c——水的质量比热，c＝4．1868kj／kg．℃＝1kcaI／kg．℃；

A一一—采用不同计算单位的系数，见图9—2。

对具有多种热用户的并联闭式热水供热系统，采用按供暖热负荷进行集中质调节时，网路计算管段的设计流量应按下式计算

            t/h      （8-14）

式中    ——计算管段的设计流量，t／h；

、、——计算管段担负供暖、通风、热水供应热负荷的设计流量t／h；

、、——计算管段担负的供暖、通风和热水供应的设计热负荷，通常可以GJ／h、MW或Mkcal／h表示；

A——采用不同计算单位时的系数，见表9—2；

——在冬季通风室外计算温度时的网路供水温度，℃；

——在冬季通风室外计算温度 时，流出空气的加热器的网路回水温度，采用与供暖热负荷质调节时相同的回水温度，℃；

——供热开始(＝+5℃)或开始间歇调节时的网路供水温度（一般取70℃），℃；

—一供热开始(＝+5℃)或开始间歇调节，流出热水供应的水水换热器的网路回水温度，℃。

2．确定热水网路的主干线及其沿程比摩阻

热水网路水力计算是从主干线开始计算。网路中平均比摩阻最小的一条管线，称为主干线。在一般情况下，热水网路各用户要求预留的作用压差是基本相等的，所以通常从热源到最远用户的管线是主干线。

主干线的平均比摩阻R值，对确定整个管网的管径起着决定性作用。

根据《热网规范》，在一般的情况下，热水网路主干线的设计平均比摩阻，可取40一80Pa/m进行计算。对于采用间接连接的热水网路系统，根据北欧国家的设计与运行经验，采用主干线的平均比摩阻值比上述规定的值高，有达到l00Pa／m的。

3．报据网路主干线各管段的计算流量和初步选用的平均比摩阻R值，利用附录8-1的水力计算表，确定主干线各管段的标准管径和相应的实际比摩阻。

4．根据选用的标准管径和管段中局部阻力的形式，查附录9—2，确定各管段局部阻力的当量长度总和，以及管段的折算长度。

5．根据管段的折算长度以及由附录9—1查到的比摩阻，利用式（8-11），计算主干线各管段的总比降。

6．主干线水力计算完成后，便可进行热水网路支干线、支线等水力计算。应按支干线、支线的资用压力确定其管径，但热水流速不应大于3．5m／s，同时比摩阻不应大于300Pa/m（见《热网规范》规定）。规范中采用了两个控制指标，实质上是对管径DN≥400m rn的管道，控制其流速不得超过3．5m／s (尚未达到300 Pa/m)；而对管径DN<400m rn的管道，控制其比摩阻不得超过300 Pa/m(如对DN 50的管子，当R＝300 Pa/m时，流速约为0．9m／s)。

[例题9—1]  某工厂厂区热水供热系统，其网路平面布置图(各管段的长度、阀门及方形补偿器的布置)见本例题附图9—2。 网路的计算供水温度＝130℃，计算回水温度＝70℃。用户P、F、D的设计热负荷分别为：3.518、2.513和5.025GJ/h。热用户内部的阻力损失为∆P＝5xl04Pa。试进行该热水网路的水力计算。

[解]  1．确定各用户的设计流量

对热用户E，根据式(9—13)

其它用户和各管段的设计流量的计算方法同上。各管段的设计流量列入表9—3中第2栏，并将已知各管段的长度列入表9—3中第3栏。

2．热水网路主干线计算

因各用户内部的阻力损失相等，所以从热源到最远用户D的管线是主干线。

首先取主干线的平均比摩阻在R＝40一80 Pa/m范围之内，确定主干线各管段的管径。

管段AB：计算流量

根据管段AB的计算流量和R值的范围，从附录8-1中可确定管段AB的管径和相应的比摩阻R值。

   d＝150mm ；R=44．8Pa/m

管段AB中局部阻力的当量长度，可由附录8-2查出，得

闸阀  1× 2．24＝2．24m；方形补偿器  3×15．4＝46．2m；

局部阻力当量长度之和  ＝2．24+46．2＝48．44m

管段AB的折算长度  ＝200+48．44＝248．44m

管段AB的压力损失

    ＝44．8×248．44＝11130 Pa

用同样的方法，可计算主干线的其余管段BC、CD，确定其管径和压力损失。计算结果列于表8-3。

管段BC和CD的局部阻力当量长度值，如下：

管段BC      DN=125mm       管段CD     DN=100mm

直流三通     1×4.4=4.4m      直流三通    1×3.3=3.3m

异径接头     1×0.44=0.44m    异径接头     1×0.33=0.33m

方形补偿器   3×12.5=37.5m    方形补偿器   3×9.8=29.4m

总当量长度   =42.34 m       闸阀         1×1.65=1.65m

                        总当量长度   =34.68 m

3．支线计算

管段BE的资用压差为：

   ＝12140十14627＝26767Pa

设局部损失与沿程损失的估算比值＝0．6(见附录9—3)，则比摩阻大致可控制为

=26767/70（1+0.6）=239 Pa/m 

根据R/和＝14t／h，由附录9—3得出

    ＝70m m；=278.5 Pa/m；=1．09m／s

管段BE中局部阻力的当量长度，查附录9—2，得：

三通分流：1× 3．0＝3．0m；方形补偿器  2× 6.8＝13．6 m；闸阀2× 1．0＝2．0m，总当量长度＝18．6m。

管段BE的折算长度70+18．6＝88．6m。

管段BE的压力损失

    ＝278．5×88.6＝24675Pa

用同样方法计算支管CF，计算结果见表8-3。

第三节  水压图的基本概念

通过室内热水供暖系统和热水网路水力计算的阐述，可以看出：水力计算只能确定热水管道中各管段的压力损失(压差)值，但不能确定热水管道上各点的压力(压头)值。通过水压图的方法，可以清晰地表示出热水管路中各点的压力。流体力学中的伯努利能量方程式是绘制水压图的理论基础。

设热水流过某一管段（图8-3），根据伯努利能量方程式，可列出断面1和2之间的能量方程式为

  Pa                  （8-16）

伯努利方程式也可用水头高度的形式表示(见图9—3)，即

   mH2O                    （8-17）

上两式中        、——断面1、2的压力，Pa；

、——断面1、2的管中心线离某一基准面O-O的位置高度，m；

、——断面1、2的水流平均速度，m／s；

——水的密度，kg／m 3；

——自由落体的重力加速度，为9．81m／s2；

——水流经管段l—2的压力损失，Pa；

——水流经管段l—2的压头损失， mH2O。

图9—3中的线AB称为总水头线，断面1与2的总水头差值，就是代表水流过管段l—2的压头损失。图9—3中，线CD称为测压管水头线。管道中任意一点的测压管水头高度，就是该点离基准面O—O的位置高度Z与该点的测压管水柱高度P／ρg之和。在热水管路中，将管路各节点的测压管水头高度顺次连接起来的曲线，称为热水管路的水压曲线。

下面先以一个简单的机械循环室内热水供热系统为例，说明绘制水压曲线的方法，并利用上述的基本概念，分析该系统在工作和在停止运行时的压力状况。

设有—机械循环热水供暖系统(图9—4)，膨胀水箱1连接在循环水泵2进口侧O点处。如设其基准面为O—O，并以纵坐标代表供暖系统的高度和测压管水头的高度，横坐标代表供暖系统水平干线的管路计算长度；利用前述方法，可在此坐标系统内绘出供暖系统供、回水管的水压曲线和纵断面图。这个图组成了室内热水供暖系统的水压图。

设膨胀水箱的水位高度为j—j。如系统中不考虑漏水或加热时水膨胀的影响，即认为系统已处于稳定状况，不再发生变化，因而在循环水泵运行时，膨胀水箱的水位是不变的。O点处的压头(压力)就等于Hj(mH 2O)。

当系统工作时，由于循环水泵驱动水在系统中循环流动，A点的测压管水头必然高于O点的测压管水头，其差值应为管段OA的压力损失值。根据系统水力计算结果或运行时的实际压力损失，同理就可确定B、C、D和E各点的测压管水头高度，亦即各点在纵坐标上的位置。

如顺次连接各点的测压管水头的顶端，就可组成热水供暖系统的水压图。其中，线代表回水干管的水压曲线，线代表供水干线的水压曲线。系统工作时的水压曲线、称为动水压曲线。

在机械循环热水供暖系统中，膨胀水箱不仅起着容纳系统水膨胀体积之用，还起着对系统定压的作用。对热水供热(暖)系统其定压作用的设备，称为定压装置。膨胀水箱是最简单的一种定压装置。

如将膨胀水箱连接在热水供暖系统的供水干管上(见图9—5)，则系统的水压曲线位置与图9—4不同，而成为图9—5所示的位置。此时，整个系统各点的压力都降低了。同时，如供暖系统的水平供水干管过长，阻力损失较大，则有可能在干管上出现负压(如图8-5)

第四节  热水网络水压图

热水网路上连接着许多热用户。它们对供水温度和压力要求，在设计阶段必须对整个网路的压力状况有个整体的考虑。通过绘制热水网路的水压图，用以全面地反映热网和各热用户的压力状况，并确定保证使它实现的技术措施。水压图是热水网路设计和运行的重要的工具，应掌握绘制水压图的基本要求、步骤和方法，以及会利用水压图分析系统压力状况。

一、热水网路压力状况的基本技术要求

热水供热系统在运行或停止运行时，系统内热媒的压力必须满足下列基本技术要求。

1、在与热水网路直接连接的用户系统内，压力不应超过该用户系统用热设备及其管道构件的承压能力。

2、在高温水网路和用户系统内，水温超过100℃的地点，热媒压力应不低于该水温下的汽化压力。

3、与热水网路直接连接的用户系统，无论在网路循环水泵运转或停止工作时，其用户系统回水管出口处的压力，必须高于用户系统的充水高度，以防止系统倒空吸入空气，破坏正常运行和腐蚀管道。

4、网路回水管内任何一点的压力，都应比大气压力至少高出5mH2O，以免吸入空气。

5、在热水网路的热力站或用户引入口处，供、回水管的资用压差，应满足热力站或用户所需的作用压力。

二、绘制热水网路水压图的步骤和方法

根据上面对水压图的基本要求，下面以一个连接着四个供暖热用户的高温水供热系统为例，阐明绘制水压图的步骤和方法。在图8-6中，下部是网路的平面图，上部是它的水压图。

1、以网路循环水泵的中心线的高度（或其它方便的高度）为基准面，在纵坐标上按一定的比例尺作出标高的刻度（如图上的o—y）。沿基准面在横坐标上按一定的比例尺作出距离的刻度。（如图上的o—x）。

按照网路上的各点和各用户从热源出口起沿管路计算的距离，在o—x轴上相应点标出网路相对于基准面的标高和房屋高度。各点网路高度的连接线就是图上带有阴影的线，表示沿管线的纵剖面。

2、选定静水压曲线的位置。静水压曲线是网路循环水泵停止工作时，网路上各点的测压管水头的连接线。它是一条水平的直线。静水压曲线的高度必须满足下列的技术要求。

（1）与热水网路直接连接的供暖用户系统内，底层散热器所承受的静水压力应不超过散热器的承压能力。

（2）热水网路及与它直接连接的用户系统内，不会出现汽化或倒空。

如图为例，设网路设计供、回水温度为110℃/70℃。用户1、2采用低温水供暖，用户3、4采用高温水供暖。用户1、3、4楼高为17m，用户2为一高层建筑，楼高为30 m。如欲全部采用直接连接，并保证所有用户都不会出现汽化或倒空，静水压曲线的高度需要定在不低于39 m处（用户2处再加上3m的安全裕度）。由图可见，静水压线定得这样高，将使用户1、3、4底层散热器承压能力都超过一般铸铁散热器的承能压力（40mH2O）。这样使大多数用户必须采用间接连接方式，增加了基建投资费用。

3、选定回水管的动水压曲线的位置。在网路循环水泵运转时，网路回水管各点的测压管水头的连接线，称为回水管动水压曲线。回水管的动水压线的位置，应满足下列要求。

（1）按照上述网路热媒压力必须满足的技术要求中的第三条和第四条的规定，回水管动水压曲线应保证所有直接连接的用户系统不倒空和网路上任何一点的压力不应低于50Kpa（5 mH2O）的要求。这是控制回水管动水压曲线最低位置的要求。

（2）要满足上述基本技术要求的第一条规定。这是控制回水管动水压曲线最高位置的要求。

4、选定供水管动水压曲线的位置。在网路循环水泵运转时，网路供水管内各点的测压管水头连接线，称为供水管动水压曲线。同理，供水管动水压曲线沿着水流方向逐渐下降，它在每米管长上降低的高度反映了供水管的比压降值。

供水管动水压曲线的位置，应满足下列要求：

（1）网路供水干管以及与网路直接连接的用户系统的供水管中，任何一点都不应出现汽化。

（2）在网路上任何一处用户引入口或热力站的供、回水管之间的资用压差，应能满足用户引入口或热力站所要求的循环压力。

这两个要求实质上就是限制着供水管动水压线的最低位置。

在本例中，由于假定定压点位置在网路循环水泵的吸入端，前面确定的回水管动水压线全部高出静水压线J-J，所以在供水管上不会出现汽化现象。

网路供、回水管之间的资用压差，在网路末端最小。因此，只要选定网路末端用户引入口或热力站处所要求的作用压头，就可确定网路供水主干线末端的动水压线的水位高度。根据给定的供水主干线的平均比压降或根据供水主干线的水力计算成果，可绘出供水干线的动水压曲线。

在本例中，假设末端用户4预留的资用压差为10 mH2O。在供水管主干线末端C点的水位高度应为35+10=45m。设供水主干线的总压力损失与回水管相等，即12 mH2O，在热源出口处供水管动水压曲线的水位高度，即D点的标高应为45+12=57 m。

最后，水压图中E点与D点的高差等于热源内部的压力损失（在本例中假设为15 mH2O），则E点的水头应为57+15=72 m，由此可得出网路循环水泵的扬程应为72-23=49mH2O。

这样绘出的动水压曲线ABCDE以及静水压曲线J-J线，组成了该网路主干线的水压图。

各分支线的动水压曲线，可根据各分支线在分支点处的供回水管的测压管水头高度和分支线的水力计算成果，按上述同样的方法和要求绘制。

三、用户系统的压力状况和与热网连接方式的确定

当热水网路水压图的水压线位置确定后，就可以确定用户系统与网路的连接方式及其压力状况。

用户系统1  它是一个低温水供暖的热用户（外网110℃水经与回水混合后再进入用户系统）。从水压图可见，在网路循环水泵停运时，静水压线对用户1满足不汽化和不倒空的技术要求。

（1）不会出现汽化。在用户系统1，110℃高温水可能达到的最高点，在标高+2 m处。该点压力，超过该点水温下的汽化压力。

（2）不会出现倒空。用户系统的充水高度仅在标高19m处，低于静水压线。

用户系统1位于网路的前端。热水网路提供给前端热用户的资用压头⊿Hｊ。如在本例中，设用户1的资用压头⊿H，往往超过用户系统的设计压力损失⊿Hｊ。如在本例中，设用户1的资用压头⊿H1=10 mH2O，而用户系统1的压力损失只有1 mH2O。在此情况下，可以考虑采用水喷射器的连接方式。这种连接方式示意图和其相应的水压图可见图8-7（a）。图中⊿Hp是表示水喷射器为抽引回水本身消耗的能量。在运行时，作用在用户系统的供水管压力，仅比回水管的压力高出（mH2O）。因此，正如前述，我们可将回水管的压力近似地视为用户系统所承受的压力。

由图可见，回水管动水压曲线的位置，不致使用户系统1底层散热器压坏（图中点1处的压力35-2=33 mH2O。该用户系统满足与网路直接连接的全部要求。

如假设用户系统1的压力损失较大，假设=3 mH2O，网路供、回水的资用压差，不足以保证水喷射器使水混合后提供足够的作用压头，此时就要采用混合水泵的连接方式。

采用混合水泵连接方式示意图及其相应水压图可见图8-7（b）所示。混合水泵的流量应等于其抽引的回水量。混合水泵的扬程⊿HB应等于用户系统（或二级网路系统）的压力损失值（⊿HB=⊿Hｊ）。

用户系统2。它是一个高层建筑的低温水供暖的热用户。前已分析，为使作用在其它用户的散热器的压力不超过允许压力，对用户2采用间接连接。它的连接方式示意图及其相应的水压图可见图8-7（C）所示。

在本例中，用户系统2与热网连接处供、回水的压差为10 mH2O。如水-水换热器的设计压力损失⊿HR=4mH2O。此时只需将进入用户2的供水管用阀门节流，使阀门后的水压线标高下降到39m处，即可满足设计工况的要求。供暖用户系统的水压图示意图也在图8-7（C）示出。

在本例给定的水压图条件下，如在设计或运行上采取一些措施，用户2也可考虑与网路直接连接。

在设计用户入口时，在用户2的回水管上安装一个“阀前”压力调节阀，在供水管上安装止回阀。“阀前”调节阀的结构示意图见图8-8。其工作原理如下：当回水管压力作用在阀瓣上的力超过弹簧的平衡拉力时，阀孔才能开启。弹簧的选用拉力要大于局部系统静压力3～5 mH2O。因此，保证用户系统不会出现倒空。当网路循环水泵停止运行时，弹簧的平衡拉力超过用户系统的水静压力，就将阀瓣拉下，阀孔关闭，它与安装在供水管上的止回阀一起将用户系统2与网路截断。

本章小结

          热水网路水力计算的基本公式。

          热水网路水压图的基本概念及绘制。

          热网系统的形式。