下载文档原格式
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5221025.6dG R t ρλ-⨯= Pa/m (9-1)式中 R ——每米管长的沿程损失（比摩阻），Pa/mG t ——管段的水流量，t ／h ； d ——管子的内直径，m ；λ——管道内壁的摩擦阻力系数； ρ——水的密度，㎏/m 3。
热水网路局部损失，同样可用式(4-15)计算。
即22ρυζ∑=∆j P 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zh d Rl l l R P =+=∆)( Pa (9-11)式中 zh l —一管段的折算长度，m 。
在进行估算时，局部阻力的当量长度d l 可按管道实际长度l 的百分数来计算。
即l l j d α= m （9-12）式中 j α——局部阻力当量长度百分数，％(见附录9-3)；l ——管道的实际长度，m 。
济南铁道职业技术学院教师授课教案20____/20____学年第____学期课程供热工程目的要求：1、掌握采用当量长度法进行水力计算时热网中管段的总压降；2、掌握热水网路水力计算的方法；3、掌握水力计算的例题。
旧知复习：当量长度、折算长度重点难点：重点：水力计算的例题教学过程：（包括主要教学环节、时间分配）一、复习（5分钟）二、新课1、热水网路水力计算的任务（10分钟）2、采用当量长度法进行水力计算时热网中管段的总压降（15分钟）3、热网水力计算方法、步骤（15分钟）4、例题（40分钟）三、小结及作业（5分钟）课后作业：结合教材所给已知条件改变网路的计算中用户E、F、D的设计热负荷分别为2.186、3.245、5.478GJ/h，进行水力计算。
教学后记：热水网路计算公式掌握管段总压降即可。
任课教师教研室主任济南铁道职业技术学院授课教案附页 第 页任课教师 郑枫 教研室主任 张风琴 年 月 日第八章 热水网路的水力计算和水压图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。
第一节 热水网路水力计算的基本公式热水网路的水流量通常以吨／时(t ／h)表示。
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。
１、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zh d Rl l l R P =+=∆)( Pa (9-11) 式中 zh l —一管段的折算长度，m 。
２、在进行估算时，局部阻力的当量长度d l 可按管道实际长度l 的百分数来计算。
即l l j d α= m （9-12） 式中 j α——局部阻力当量长度百分数，％(见附录9-3)；第二节 热水网路水力计算方法和例题一、在进行热水网路水力计算之前，应有资料：网路的平面布置图，热用户热负荷的大小，热源的位置以及热媒的计算温度等。
五 热水供热系统的水力工况在热水供热系统运行过程中，往往由于种种原因，使网路的流量分配不符合各热用户要求的计算流量，因而造成各热用户的供热量不符合要求。
热水供热系统中各热用户的实际流量与要求的流量之间的不—致性，称为该热用户的水力失调。
它的水力失调程度可用实际流量与规定流量的比值来衡量，即，x=V s /V g (10-1)式中 X ——水力失调度，V s ——热用户的实际流量， V g ——该热用户的规定流量。
引起热水供热系统水力失调的原因是多方面的。
如开始网路运行时没有很好地进行初调节，热用户的用热量要求发生变化等等。
这些情况是难以避免的。
由于热水供热系统是一个具有许多并联环路的管路系统，各环路之间的水力工况相互影响，系统中任何一个热用户的流量发生变化，必然会引起其它热用户的流量发生变化，也就是在各热用户之间流量重新分配，引起了水力失调。
本章着重阐述热水供热系统水力工况的计算方法，分析热水供热系统水力工况变化的规律和对系统水力失调的影响，并研究改善系统水力失调状况的方法。
掌握这些规律和分析问题的方法，对热水供热系统设计和运行管理都很有指导作用。
例如：在设计中应考虑哪些原则使系统的水力失调程度较小(或使系统的水力稳定性高)和易于进行系统的初调节，在运行中如何掌握系统水力工况变化时，热水网路上各热用户的流量及其压力，压差的变化规律，用户引入口自动调节装置(流量调节器，压力调节器等)的工作参数和波动范围的确定等问题，都必须分析系统的水力工况。
第一节 热水网路水力工况计算的基本原理在室外热水网路中，水的流动状态大多处于阻力平方区。
因此，流体的压降与流量关系服从二次幂规律。
它可用下式表示：△P=R(l+l d )=sV 2Pa (10-2) 式中 △P ——网路计算管段的压降，Pa ；V ——网路计算管段的水流量，m 3/h ；s ——网路计算管段的阻力数，Pa ／(m 3/h)2，它代表管段通过1m 3／h 水流量时的压降； R ——网路计算管段的比摩阻，Pa ／m ：l 、l d ——网路计算管段的长度和局部阻力当量长度，m 。
1 热水网路水力工况的计算及其图形显示 提要 热水网路水力工况计算是研究在管网结构已定，运行条件变化时计算热用户的流量分配和热用户的水力失高度。研究偏离设计工况时管网失调的程度以及在采用各种措施后调整热用户失调度的能力。本文给出了研究热水网路水力工况计算的数学模型和求解方法。可用所编制的程序计算和研究简单技术热水网路在不调节循环水泵出口阀门时其性能曲线与网路曲线的自然交汇点；得出循环水泵扬程变化时出口阀门节流、供、回水干管阀门节流、干管或热用户阀门开度增大或减小、干管或用户堵塞、供、回水干线设中继泵、系统或用户设混水泵时对整个热水网路影响和各热用户的流量变化规律；可计算出水力失调度并显示其水压图。
关键词 热水网路水力工况阻力数水泵特性曲线水力失调度1 热水网路水力工况分析与计算的数学模型
设计热水网路时是用已知的用户热负荷去确定各管段的 2
管径、阻力损失以及网路的总阻力损失，选择循环水泵的扬程。分析和计算热水网路的水力工况时正好相反，是对已经设计完毕的或需要改扩建的热网，在已知循环水泵的型号以及各管段的管径时，来确定各管段和热用户的流量。将水泵和网路的特性方程联立求解可以定量和定性解决这一问题。
1．1水泵的特性曲线拟合方程 水泵为网路提高能量，是热媒循环的动力。大型网路中可能有循环水泵、中继泵、加压泵等多组水泵。需对其流量-扬程曲线进行拟合，一般可用下式表示：
Hp=f(G)(1) 式中：Hp--水泵扬程 3
f(G)--拟合得到的水泵性能特性曲线公式 本文采用最小二乘拟合水泵特性曲线曲线。该方法可使拟合误差达到最小值，并且该解析式给用矩阵方程分析网路水力工况分析提供了基本条件。大多数离心泵的G-H关系曲线如图1所示，若图中1、2两占之间的曲线为水泵的高效段，可用下式来近似描绘：
图1水泵Ｇ－Ｈ曲线 Hp=Hx-SxG2(2) 式中：Hp--水泵的虚总扬程，mH2O; 4
Sx--水泵的虚阻耗系数，s2/m2; G--水泵的总流量，m3/S。 对点1、2可写出 （3） （4） 求出Sx、Hx，式（2）即被确定。按这种方式确定的解析式，其近似性较差。还须在水泵G-H曲线上取多组数据（G1，H1）、（G，H2）……（Gx，Hx），根据最小二乘原理来确定式（2）中的Sx与Hx。由于在研究水力工况时，流量是未知的，而且在非设计工况下去选择热网也不一定工作在高效段，所以所取数据应涵盖其整个工作区。采用最小二乘原理的Sx与Hx计算式如下：
（5） 例如选取型号为12sh-6A的水泵，转速n=1450转/min，其特性曲线如图2所示。在特性曲线工作段内取13组数据， 5
根据式（5）与式（6）可求出Hx=96.3mH2O、Sx=406.1s2/m5，因此该水泵的特性曲线方程为：H=96.3-406.1(G/3600)对采用多泵的复杂管网而言，可写出如下矩阵方程：
（6） 式中：Hp--水泵扬程矩阵。Hpi为管段i的水泵扬程，对无水泵管段Hpi=0。
图2 水泵12sh-6A特性曲线 1．2描绘管路的方程 热媒在管网中流动时产生阻力，消耗能量。当其长度局部构件一定时，其特性可用以下三组方程来描述。 6
1．2．1节点方程 节点方程就是节点流量连续性方程，即连接于任何节点的所有管段流量的代数和为零。可用以下矩阵表示：
AG=Q（7） 式中：A--管网图的基本关联矩阵； G--管段的流量矩阵，G=（G1，G2，…Gi…，GN）T，Gi为管段i的流量；
Q--节点的流量矩阵，Q=（Q1，Q2，…Qi…，QN）T，Qi为管段i的流量，本文中取Q=0
1．2．2回路方程 7
回路方程就是能量方程或环方程，即每个环的水头损失闭合差为零，写成矩阵的形式即为
BΔH=0 （8） 式中：B--管网图的基本回路矩阵； ΔH--管段阻力损失，ΔH=（ΔH1，ΔH2，…ΔHi…，ΔHN）T，ΔHi为管段i的阻力损失；
0--0向量，即0=（0，0，……，0）T。 1.2.3阻力方程 管段流量G与阻力损失ΔH之间的关系可用下式表示： 8
ΔH=SG2-Hp （9） 式中：S--阻力数，它与管材、管长、管径以及产生局部阻力损失的管路附件有关；
G--管段的流量 Hp--水泵扬程 当管段中有水泵时，水泵作为一个负阻力损失，管路无水泵时Hp=0，将各管段应用上式并写成矩阵形式：
（10）
2热水网路水力工况计算与分析的算例 9
2．1用矩阵方程组求水泵与网路自然交汇工作点 如图3为有六个热用户的供热系统，其管段b和节点n编号如图3所示。分支节点编号为1,2,3，…,11；管段编号为b1，b2，……b16，其中管段b1由两部分组成，即br+b1（br代表热源内管段，b1′代表热源出口到节点1管段）；相应的各管面流量纺号为Gb1，Gb2，……Gb16，各管段的压降编号为ΔHb1，ΔHb2，……，ΔHb16，其中管段b1的压降由两部分组成，即ΔHr+ΔHb1′；系统循环水泵的扬程为Hp，管段阻力系数编号为Sb1，Sb2，…Sb16。各管段的水流方向如图3中所示。此热水网路的设计数据如下：循环；型号为12sh-6A，设计工况运行时各热用户的流量为100m3/h，各热用户的资用压头为10mH2O，各段供、回水干管管段的阻力损失为5mH2O。其总阻力损失为80mH2O，由此可得出各管段的阻力数。
图3热水网路编码示意图 10
利用上面所述的公式可列出图3中热水网路系统水力工况数学模型。其中数学模型中流量矩阵G及管段阻力数矩阵S为对角阵，关联矩阵A=（aij）、基本回路矩阵B=（bkj）如下：当bj与ni相关联，且方向离开nI当bj在基本回路lk中，并与ni相关取向相同当bj与ni相关联，且方向指向ni；bj在基本回路lk中，并与ni相关取向相反当bj与nI不相关联当bj在不在回路lk中。阻力损失向量ΔH如下：ΔH=（ΔH1，ΔH2，ΔH3……，ΔH16）T
管段水泵扬程向量如下：Hp=(Hp，0，……，0)T 系统中管段br有循环水泵，根据其特性曲线拟和的方程为
（11） 如该热网投入运行，不采取任何调节和节流手段，用上述矩阵方程（7、8、9、10）和式（11）联立求解可得水泵的工作点，该工作点是未知的。现假定初始流量为30m3/h，代入方程中进行逼近，直到泵的流量误差小于1m3/h。采用基本回路法对该热网进行的计算结果经过十次迭代最后得到水泵 11
工作点（图4中的点1）的流量为614.9m3/h，扬程为84.4mH2O。如果要严格调节到设计工况，流量为600m3/h，将其流量代入水泵拟合方程知，其扬程为Hp=96.3-406.1(600/3600)2=85mH2O，水泵工作点移动（图4中的点2）。而管路各部分的阻力损失之和为80.5mH2O，即水泵和阀门需关小，消耗剩余压头为85-80.5=4.5mH2O，即热源损失由10.5mH2O增加到15mH2O，对应的阻力数S′=150000/6002=0.417Ps(m3/h)2,这两部分损失之差为水泵出口阀门节流损失。
图4出口阀门节流水泵工作点变化情况 2．2各种实际水力工况的计算与分析 下面用矩阵方程组来分析与计算水泵扬变化时各种实际水力工况下热用户的流量变化及水力失调度。
2．2．1循环水泵出口阀门节流 12
循环水泵设在热源，循环水泵出口阀门节流相当于热源内部阻力损失增加，即热源阻力数增加，网路的部阻力数增大，水泵的扬程由于总阻力数的增加而略有增加，总流量减少。若此阀门节流使热源的阻力数增大到设计工况时的1.43倍，由程序计算得出其变动后的数值见表3，变动捕捞水压图见图5。
计算得出，此种工况循环水泵的扬程为85.7mH2O，总流量为580.2m3/h，热源损失为20.1mH2O，水泵出口测压管水头为125.7mH2O，热源出口测压管水头为105.6mH2O。由于热用户与网路干管的阻力特性值没有改变，各用户的流量按同一比例减少，热水网路产生一致等比失调；各热用户的资用压头也按同一比例减少，表3中给出的结果反映这一规律。
循环水泵出口阀门节流工况计算结果 表3热用户123456总值设计工况流量(m3/h)100100100100100100600工况变动流量(m3/h)97.097.097.097.097.097.0580.2水力失调度x0.970.970.970.970.970.97设计工况时热用户的作用压差(mH2O)60504030201085工况变动后热用户的作用压差 13
(mH2O)56.246.837.528.118.79.485.7 图5 循环水泵出口节流水压图
图6 供水干管堵塞水压图 2．2．2供、回水干管堵塞 管道堵塞主要出现在小区建成年代很久且水质硬度比较大但热网球处理不佳或不进行水处理的地区，特别是直接取用地水的城市小区，管道结垢堵塞的现象更加普遍。在供热期间，当供热系统中干线上管路阻塞时，会大范围降低供热质量。若设供水干管的第4个管段堵塞时，相当于此管段的总阻力数为无穷大，此种工况的总阻力数比正常工况时的总阻力数要更大。水泵的扬程将会产大，总的循环流量减小。由程序计算得出其变动后的数值见表4，变动后的水压图见图6。
