蒸汽供热管路和凝结水管路的水力计算.docx

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蒸汽供热管路和凝结水管路的水力计算

供热蒸汽管路和凝结水管路水力计算

（一）供热管网水力计算的基本原理

蒸汽供热系统的管网由供汽管网和凝结水回收管网组成。

蒸汽供热系统管网水力计算的主要任务主要有以下三类：

（1）按已知的热媒（蒸汽或凝结水）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，确定管路各进出口处的压力。

当供汽管路输送过热蒸汽时，还应计算用户入口处的蒸汽温度。

（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。

根据水力计算的结果，不仅能分别确定蒸汽供热系统的管径、流量、压力以及温度，还可进一步确定汽源的压力和温度、凝结水回收系统的型式以及凝结水泵的扬程等。

本指导书主要阐述水力计算的基本原理、凝结水管网的水力工况、上述第一类计算的基本方法、基本步骤及典型计算示例。

至于上述第二类和第三类计算，由于与第一类计算原理相同、方法相似，因此未作详细说明。

1.供热管网水力计算的基本公式

在管路的水力计算中，通常把管路中流体流量和管径都没有改变的一段管子称为一个计算管段。

任何一个供热系统的管路都是由许多串联或并联的计算管段组成的。

当流体沿管道流动时，由于流体分子间及其与管壁间存在摩擦，因而造成能量损失，使压力降低，这种能量损失称为沿程损失，以符号“Δpy”表示；而当流体流过管道的一些附件（如阀门、弯头、三通、散热器等）时，由于流动方向或速度的改变，产生局部旋涡和撞击，也要损失能量使压力降低，这种能量损失称为局部损失，以符号“Δpj”表示。

因此，管路中每一计算管段的压力损失，都可用下式表示：

Δp=Δpy+Δpj=Rl+ΔpjPa（2—1）

式中:

Δp——计算管段的压力损失，Pa；

Δpy——计算管段的沿程损失，Pa；

Δpj——计算管段的局部损失，Pa；

R——每米管长的沿程损失，又称为比摩阻，Pa/m；

L——管段长度，m。

比摩阻可用流体力学的达西·维斯巴赫公式进行计算：

Pa/m（2—2）

式中：

λ——管段的摩擦阻力系数；

d——管子内径，m；

v——热媒在管道内的流速，m/s；

ρ——热媒的密度，kg/m3。

热媒在管内流动的摩擦阻力系数值取决于管内热媒的流动状态和管壁的粗糙程度。

在室外管网中，蒸汽和热水的流动状态大多处于阻力平方区，其摩擦阻力系数与管内热媒的流动状态无关，仅取决于管壁的粗糙程度，即：

=f（）（2—3）

式中：

——管壁的相对粗糙度；

K——管壁的当量绝对粗糙度，m。

管壁的当量绝对粗糙度与管材种类、使用年限以及使用状况（如流体对管壁的腐蚀和水垢沉积等）有关，对室外供热管路，可采用如下推荐值：

过热蒸汽——K=0.0002～0.0001m；

蒸汽管路——K=0.0002m；

凝结水管——K=0.0005～0.001m；

热水管路——K=0.0005m。

对于管径大于或等于40mm的管道，阻力平方区的摩擦阻力系数λ可用希弗林松公式计算：

（2—4）

室外供热管路的热媒质量流量G通常以t/h作为单位表示。

热媒流量与流速的关系式为：

m/s（2—5）

将式（2—4）的摩擦阻力系数和式（2—5）的流速v代入式（2—2），可得出更方便的计算公式：

Pa/m（2—6）

或

m（2—7）

或

t/h（2—8）

式（2—4）至式（2—8）是计算管路流速v、流量G、管径d和比摩阻R的基本公式。

在工程设计中，为了简化繁琐的计算，通常利用水力计算图表进行计算。

水力计算图表是在特定的当量绝对粗糙度K0和特定的密度0条件下编制的，如管壁的当量绝对粗糙度K、热媒密度与制表条件不符时，应根据式（2—4）至式（2—8）进行修正。

计算管段的局部损失可按下式计算：

Pa（2—9）

式中：

——管段中各局部阻力系数系数之和；

其余符号同前。

在供热系统网路的水力计算中，还经常采用“当量长度法”，将管段的局部损失折合为该管段ld米长度的沿程损失来计算，即：

由此可得当量长度的定义式

m（2—10）

将式（2—4）代入上式，得：

m（2—11）

教材“供热工程（新1版）”（以下简称“教材”）附录9—2出了热媒流过供热系统管路一些管件和附件的局部阻力系数值和K=K0=0.5mm时的局部阻力当量长度值，这些数值都是通过实验方法确定的。

如管道的实际当量绝对粗糙度Ksh与局部阻力当量长度表中采用的K0不同时，根据上式，应对ld进行修正：

m（2—12）

式中：

ld，0——相应于表中条件K0下的局部阻力当量长度，m；

ld，sh——相应于实际条件Ksh下的局部阻力当量长度，m。

表2—1局部阻力当量长度百分数

热媒

管道伸缩补偿器型式

套管或波形补偿器

光滑的方形补偿器

焊接方形补偿器

蒸汽

0.3～0.4

0.5～0.6

0.7～0.8

热水、凝结水

0.2～0.3

0.3～0.4

0.5～0.7

当采用当量长度法进行水力计算时，管段水力计算的基本公式（2—1）可改写为：

Δp=Rl+Δpj=Rl+Rld=R（l+ld）=RlzhPa（2—13）

式中：

lzh——管段的折合长度，m。

在进行估算时，局部阻力的当量长度ld可按管道实际长度l的百分数来计算，即：

ld=jlm（2—14）

式中：

l——管道的实际长度，m；

j——局部阻力当量长度百分数，％。

见表2—1。

由于管道越短，局部阻力所占

百分数越大，因此，短管取表中低值，长管取高值。

2.供热管路的资用压力的计算

由于流体流动时不可避免地会产生流动阻力，因此，要维持流体的流动，系统就必须提供等值的作用力，用以克服流动阻力。

这种维持流体流动所需要的作用力就称为资用压力（或称作用压力）。

资用压力可以来自于流体自身的重力、压力，也可以来自于泵与风机等机械提供的外力。

任何管路的资用压力都可以根据流体力学中的伯努利方程式求出。

设流体流过某一管段（图2－1），根据伯努利方程式，可列出断面1和2之间的能量方程式为：

Pa（2—15）

式中：

p1、p2——端面1、2的压力，Pa；

Z1、Z2——端面1、2的管中心线离某一基准面O－O的位置高度，m；

v1、v2——端面1、2的流体平均速度，m/s；

——流体的密度，kg/m3；

g——重力加速度，为9.81m/s2；

p1－2——流体流经管段1—2的压力损失，Pa。

由于维持流体流动的资用压力应等于流体的流动阻力（压力损失），因此，资用压力为：

Pa

对于蒸汽管路来说，（Z1－Z2）g、

两项与（p1－p2）相比，可以忽略不计，蒸汽管路的资用压力p1－2就等于管段始末两端截面的压力差，即：

Pa（2—16）

对于凝结水管路和热水管路来说，与（p1－p2）相比，

一项可以忽略

不计，但（Z1－Z2）g则不能忽略不计，因此，凝结水管路和热水管路资用压力p1－2的计算公式为：

Pa（2—17）

在凝结水管网和热水管网中的水力计算中，有时会遇到管路中设有凝结水泵或循环水泵的情况，这时，在式（2—15）的左端还应加上水泵提供的外加压力pB，而管路的资用压力则变为：

Pa（2—18）

式中：

pB——水泵提供的外加压力，Pa。

3.水压图

水压图是分析凝结水管网和热水管网水力工况的重要工具，下面介绍水压图的基本概念。

设凝结水或热水的密度为，将伯努利方程式（2—15）两边同除以g，得：

mH2O（2－19）

上式就是用水头高度形式（单位为mH2O）表示的伯努利方程式。

水头又称压头。

式（2—19）中，

分别称为静压水头、位置水头和速度水头；静压水头和位置水头之和

称为测压管水头；三项压头之和

称为总水头。

H1－2称为流体流经管段1－2的压头损失。

压头损失H1－2与压力损失p1－2之间的关系为：

mH2O（2—20）

如图2—1所示，将管段中各断面的总水头高度连接起来的曲线称为总水头线（图中曲线AB），断面1与2的总水头差值，就是流体流经管段1—2的压头损失H1－2。

将测压管水头高度连接起来的曲线称为测压管水头线（图中曲线CD）。

在凝结水或热水管路中，将各管段的测压管水头线顺次连接起来的曲线，就称为凝结水或热水管路的水压曲线。

绘制水压曲线的作用主要有以下几点：

（1）利用水压曲线，可表示出各管段的压力损失值。

将式（2—17）改写成以压头表示的形式：

mH2O（2—21）

因此可以认为：

管道中任意两点的测压管水头高度之差就等于水流过该两点之间的管道压力损失值。

（2）利用水压曲线，可以确定凝结水管路中凝结水泵和热水管路中循环水泵的扬程。

将式（2—18）改写成以压头表示的形式：

mH2O（2—22）

式中：

HB——水泵的扬程，mH2O。

（3）根据水压曲线的坡度，可以确定管段的单位管长的平均压降的大小。

水压曲线越陡，管段的单位管长的平均压降就越大。

（4）利用水压曲线，可以确定管道中任何一点的压力（压头）值。

管道中任意点的压头就是等于该点测压管水头高度和该点所处的位置标高（位置水头）之间的高差（mH2O）。

例如图2—1中点1的压头就等于（Hp，1－Z1）mH2O。

由于热水管路系统是一个水力连通器，因此，只要已知或固定管路上任意一点的压力，则管路中其它各点的压力也就已知或固定了。

4.供热管网中热媒的的最大流速

考虑到经济因素以及运行的可靠性，供热管网中，热媒的流速一般不得大于表2—2规定的数值，通向个别用户的支管中的流速上限值可在表2—2数值的基础上上浮30％。

在计算管径时，若考虑到热负荷发展，流量有增加的可能性，则宜选取较低的流速；如管道的允许压力损失较大，则宜选取较低的流速；表中流速范围的较小值适用于小管径，较大值适用于大管径。

但应注意，流速过大时，不仅会导致压力损失增加，而且也可能会出现管道振动、水击等现象；流速也不能过小，如流速过小，则不仅使需要的管径加大，使投资增加而不经济，而且由于管道散热相对增加，会造成过热蒸汽温度下降、饱和蒸汽凝结量增多，难以满足用户对蒸汽参数和蒸汽品质的要求。

因此，供热系统中热媒的流速以接近表中数值为好。

表2—2供热管网中热媒允许最大流速

热媒种类

管道公称直径（mm）

允许最大流速（m/s）

过热蒸汽

32～40

50～80

100～150

≥200

30～35

35～40

40～50

50～60

饱和蒸汽

32～40

50～80

100～150

≥200

20～25

25～30

30～35

35～40

热水和凝结水

32～40

50～100

≥150

0.5～1.0

1.0～2.0

2.0～3.0

废汽

≤150

≥200

20

30

（二）供汽管路的水力计算

1.供汽管路水力计算的基本方法和主要步骤

供汽管路第一类水力计算的的任务主要是确定供汽管路各管段的管径，以满足各热用户对蒸汽流量和使用参数的要求。

现将供汽管路水力计算的基本方法和主要步骤简述如下：

（1）首先应根据供热管网总平面图绘制供汽管路的水力计算简图，图上应注明各热用户的计算热负荷（或计算流量），蒸汽使用参数，各管段的几何展开长度，阀门、补偿器等管道附件的类型和数量。

（2）根据各热用户的计算流量，确定供汽管路各管段的计算流量。

各热用户的计算流量，应根据各热用户的蒸汽参数及其计算热负荷，按下式确定：

t/h（2—23）

式中：

G——热用户的计算流量，t／h；

Q——热用户的计算热负荷，GJ／h；

r——用汽压力下的汽化潜热，kJ／kg。

供汽管路中各管段的计算流量是由该管段所负担的各热用户的计算流量之和来确定的。

但对供汽管路的主干线管段，还应根据具体情况，乘以各热用户的同时使用系数。

（3）确定供汽管路主干线及其允许平均比摩阻。

主干线应是从热源到某一热用户的平均比摩阻最小的一条管线。

可按下式求得主干线的平均比摩阻Rp,j：

Pa/m（2—24）

式中：

p——供汽管路主干线的资用压力（始端与末端的蒸汽压力差），Pa；

∑l——主干线长度，m；

j——局部阻力当量长度占主干线长度的比例系数，可选用表2—1中的数值。

一般而言，管线长度越长、热用户要求的蒸汽压力越高，其允许平均比摩阻越小。

（4）进行主干线管段的水力计算

①通常从主干线起始管段（即与热源出口相连的管段）开始进行水力计算，这时热源出口蒸汽的参数为已知，该管段始端压力ps可认为是热源出口的蒸汽压力。

但由于不知道该管段的末端蒸汽压力，因而无法确定该管段中蒸汽的平均密度。

为此，先假设该管段的末端蒸汽压力pm，假设的pm值，可按允许平均比摩阻根据下式确定：

即

（2—25）

式中：

pm——管段末端蒸汽压力，MPa；

ps——管段始端蒸汽压力，MPa；

pz——主干线终端（通常是热用户）蒸汽压力，MPa；

∑l——从管段始端到主干线终端的总长度，m；

l——该管段的长度，m。

并按下式求出该管段蒸汽的平均密度p,j：

kg/m3（2—26）

式中：

s——计算管段始端压力ps下的蒸汽密度，kg/m3；

m——计算管段末端压力pm下的蒸汽密度，kg/m3。

②根据该管段假设的蒸汽平均密度p,j和按式（2－24）确定的允许平均比摩阻Rp,j值，将此Rp,j值换算为蒸汽管路水力计算表0条件下的允许平均比摩阻值R0,p,j，用于查表。

根据式（2—6）可得：

Pa/m（2—27）

“教材”附录11—1给出了蒸汽管道水力计算表，该表是按K=0.2mm、蒸汽密度=0=1kg/m3编制的，因此

Pa/m（2—28）

③根据计算管段的计算流量和水力计算表0条件下得出的R0,p,j值，按水力计算表，选择蒸汽管道的标准直径d、比摩阻R0和蒸汽在管道内的流速v0。

查表时，从表中选出的比摩阻R0应接近于（最好略小于）允许平均比摩阻值R0,p,j（这就是采用“允许”一词的来由）。

由查表得到的R0和v0可分别称为查表比摩阻和查表流速。

④根据该管段假设的平均密度p,j，将从水力计算表中得出的0条件下的查表比摩阻值R0和查表流速v0值，换算为在p,j条件下的实际比摩阻Rsh和实际流速vsh。

类似于式（2—27），可得：

Pa/m（2—29）

如水力计算表的0=1kg/m3，则

Pa/m（2—30）

流速可根据式（2—5）按下式换算：

m/s（2—31）

如水力计算表的0=1kg/m3，则

m/s（2—32）

⑤按所选的管径，在“教材”附录9—2中查出该管段各管件和附件的局部阻力当量长度值，计算管段的局部阻力总当量长度ld，并按下式计算该管段的实际压力降：

psh=Rsh（l+ld）Pa（2—33）

⑥确定该管段的实际末端压力pm′

pm′=p0－psh（2—34）

式中：

p0——该管段始端压力。

⑦根据该管段的始端压力和实际末端压力，确定该管段中蒸汽的实际平均密度′p,j

kg/m3（2—35）

式中：

m′——实际末端压力下的蒸汽密度，kg/m3。

⑧验算该管段的实际平均密度′p,j与原假设的蒸汽平均密度p,j是否相等。

如两者相等或差别很小，且实际流速vsh不大于表2—2中的规定值，则该管段的水力计算过程结束。

否则，则应重新假设，即将本次计算所得的密度′p,j作为假设的蒸汽平均密度p,j，然后按步骤②～⑧再进行计算，直到两者相等或差别很小为止。

⑨按上述步骤①～⑧，依次进行主干线其余各管段的水力计算。

计算时，每一管段的始端压力均采用相连的上一管段的末端压力。

（5）供汽分支管线的水力计算。

供汽管路主干线所有管段依次进行水力计算结束后，即可用分支线与主干线节点处的蒸汽压力，作为分支线的始端蒸汽压力，按主干线水力计算的步骤和方法进行水力计算。

2.供汽管路水力计算示例

下面以某工厂区蒸汽供热管网为例，按上述方法和步骤进行水力计算。

供热管网的平面布置图见图2—2。

设锅炉在额定工况下稳定运行，输出的热媒为饱和蒸汽，干度为1，表压力为1.0MPa（以下所述压力均指表压力，查水蒸汽表时，应采用绝对压力，即将表压力加上大气压力，本例中，大气压力取0.1MPa）。

图2—2中已标出各用户系统所要求的蒸汽表压力及流量、各管段展开长度、阀门和方形补偿器的个数。

阀门采用截止阀。

主干线不考虑同时使用系数。

（1）首先确定供汽管路主干线及其允许平均比摩阻。

由于各终端用户所要求的压力均相同，所以长度最长的管线，即从锅炉出口到用户3的管线为主干线。

根据（2—24）

Pa/m

式中，j选用表2—1中的估算数值，取j=0.5。

（2）进行主干线管段的水力计算

1）先计算与锅炉出口相连的管段1。

将管段1的编号、蒸汽流量和实际展开长度分别列入表2—3的第1～3栏。

管段1的始端压力等于锅炉出口蒸汽压力，即ps=1.0MPa。

末端蒸汽压力pm，按平均比摩阻，根据式（2—25）进行假设：

MPa

查饱和水和饱和水蒸汽表，得：

ps=1.0MPa时，s=5.630kg/m3，pm=0.833MPa时，m=4.814kg/m3。

根据式（2—26）计算该管段假设的平均密度：

kg/m3

将ps、s、pm、m和p,j分别列入表2—3的第4～8栏。

2）根据式（2—28），将Rp,j值换算为蒸汽管路水力计算表0=1kg/m3条件下的允许平均比摩阻值R0,p,j，即

Pa/m

将R0,p,j值列入表2—3的第9栏。

3）根据管段1的计算流量G′=8t/h和R0,p,j=1160.3Pa/m，从“教材”附录11—1供汽管路水力计算表中选择蒸汽管道的直径d、比摩阻R0和蒸汽在管道内的流速v0。

必须指出的是，由于各种管材都是按标准化、系列化生产的，因此查表时，不能用内插法确定管径，只能选用在G′=8t/h条件下，R0与1160.3Pa/m最接近的管径，本例中选用的公称直径为DN150，相应的比摩阻及流速值为:

R0=1107.4Pa/m；v0=126m/s

将R0、v0和管径DN值分别列入表2—3的第10～12栏。

4）根据该管段假设的平均密度p,j，将从水力计算表中查表得出的比摩阻值R0和流速v0值，换算为在p,j条件下的实际比摩阻Rsh和实际流速vsh。

根据式（2—30）和式（2—32）可得：

Pa/m

m/s

将Rsh和vsh分别列入表2—3的第13、14栏。

5）根据选用的管径DN150mm，按“教材”附录9—2，求出管段1的当量长度ld值及其折算长度lzh值，并计算管段1在假设平均密度条件下的实际压力降。

管段1的局部阻力组成有：

1个截止阀，7个方形补偿器（锻压弯头）。

查“教材”附录9—2得：

ld,0=24.6+7×15.4=132.4m

由于蒸汽管道的实际当量绝对粗糙度Ksh一般为0.2mm，与“教材”附录9—2中采用的K0=0.5mm不同，因此，应根据式（2—12），对ld,0进行修正：

m

管段1的折算长度lzh=l+ld,sh=500+166.5=666.5m

管段1在假设平均密度条件下的实际压力降按式（2—25）计算：

psh=Rsh（l+ld）=212.06×666.5=141338Pa≈0.141MPa

将ld,sh、lzh及psh值分别列入表的第15～17栏。

6）确定管段1在假设平均密度条件下的实际末端压力pm′

pm′=ps－psh=1.0－0.141=0.859MPa

将pm′值列入表的第18栏。

7）根据管段1在假设平均密度条件下的实际末端压力pm′，查出相应的末端蒸汽密度m′=4.940kg/m3。

再根据式（2—35）求出管段1中蒸汽的实际平均密度′p,j。

kg/m3

将m′及′p,j值分别列入表的第19、20两栏。

8）验算该管段的实际平均密度′p,j与原假设的蒸汽平均密度p,j是否接近。

由于原假设的蒸汽平均密度p,j=5.222kg/m3，与计算所得的实际平均密度′p,j相比，其相对误差为：

在工程设计中，这样的相对误差可以说是比较低的，可以认为原假设的蒸汽平均密度p,j=5.222kg/m3，已接近真实值；且计算所得的实际流速vsh=24.13m/s，也符合表2—2的要求，因此可以结束管段1的计算。

作为示例，这里要求平均密度相对差值的绝对值应小于1％，因此管段1需要重新进行计算。

重新计算时，通常都以计算得出的蒸汽平均密度，作为该管段的假设蒸汽平均密度，将ps、s、pm′、m′和′p,j分别列入表2—3的第2行第4～8栏。

再重复以上计算方法，一般重复一次或两次，就可满足的计算要求。

管段1得出的计算结果，列在表2—3上。

第二次假设的平均蒸汽密度p,j=5.285kg/m3，计算后的蒸汽平均密度′p,j=5.288kg/m3。

两者差别很小，计算即可停止。

计算结果得出，管段1末端蒸汽表压力为0.860MPa，以此值作为管段2的始端蒸汽表压力值，按上述计算步骤和方法进行其它管段的计算。

主干线的水力计算结果见表2—3所列。

用户3入口处的蒸汽表压力为0.724MPa，稍有富裕。

主干线水力计算完成后，即可进行分支线的水力计算。

下面以通向用户1的分支线4为例，进行水力计算。

1）根据主干线的水力计算，主干线与分支线节点的蒸汽表压力为0.860MPa，即分支线4的始端蒸汽表压力ps=0.860MPa，在表2—2中已查得s=4.945kg/m3。

始端蒸汽表压力pm=0.70MPa，m=4.161kg/m3。

根据式（2—35）计算该管段假设的平均密度：

kg/m3

分支线4的允许平均比摩阻为

Pa/m

2）根据式（2—28），将Rp,j值换算为蒸汽管路水力计算表0=1kg/m3条件下的允许平均比摩阻值R0,p,j，即

Pa/m

3）根据管段4的计算流量G′=3t/h和R0,p,j=4046.7Pa/m，从供汽管路水力计算表中选择合适的管径。

在G′=3t/h条件下，R0与4046.7Pa/m最接近的公称直径为DN150，相应的比摩阻及流速值为

R0=3743.6Pa/m；v0=58m/s

4）根据该管段假设的平均密度p,j，将从水力计算表中查表得出的比摩阻值R0和流速v0值，换算为在p,j条件下的实际比摩阻Rsh和实际流速vsh。

根据式（2—30）和式（2—32）可得：

Pa/m

m/s

5）根据