毕业论文-集中供热热水网路设计.doc

本科学生毕业设计太原某师范学院集中供热热水网路设计院系名称： 土木与建筑工程学院 专业班级： 建筑环境与设备工程11-1班学生姓名： 指导教师： 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一五年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Design of Central Heating and hot water network in a Normal University in TaiyuanDepartment：School of Civil and Architectural Engineering Specialty：Architectural Environment andEquipment EngineeringClass： 11-1 Candidate： Advisor： Academic title：Associate ProfessorHeilongjiang Institute of Technology2015-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要伴随科技的飞速发展和人们对生活舒适意识的不断改变，我们建筑环境与设备工程专业面临的挑战也在升高。在绿色环保节能的基础上人性化、智能化的超舒适性生活环境日益成为建环的发展新方向。当然下层基础决定上层建筑，实现更高的水平就应该从基础内容开始。集中供热系统相对于以前的分散式供热系统具有热源容量大、热效率高、节约劳动力和占地面积小等优点，成为目前国内迅速发展的城市供热方式1，较为公认的集中供热系统是由热源、热网、热用户三部分组成。本设计为太原某师范学院集中供热热水网路设计。所以设计内容由这三个部分展开。热源：一级网为市政供水；二级网为热力站。热网：一级网为管沟枝状形式；二级网为直埋枝状形式。热用户：以学校教室、宿舍、办公室、实验室等，且为中低层建筑。当前乃至以后，能源紧缺将是制约我国经济发展的重要因素，并已被公认为是全世界普遍性的问题。供热工程设计应该从开源节流的角度出发，因地制宜地确定综合利用能源的供热方案。与此同时结合我国的特殊国情，应充分考虑建设资金短缺等实际困难，在确定设计方案时力求降低造价，做到“物美价廉”。关键词：热负荷；集中供热；水力计算；运行调节；补偿器；保温；MathcadAbstractWith the rapid development of science and technology and the changing of peoples life comfort consciousness, the challenge of building environment and equipment engineering is also increasing. In the green energy saving and energy saving, the humanity and the intelligent comfort living environment is becoming the new direction of the HVAC development. Of course, the lower base determines the superstructure, the higher level should start from the basic content.Centralized heating system has the advantages of large heat capacity, high heat efficiency, saving labor force and covers an area of small, etc. compared with the previous decentralized heating system, become the current rapid development of domestic urban heating mode, is recognized as the central heating system is heating heating net, customers, and is composed of three parts. The design of the central heating and hot water network design for a normal university in Taiyuan. So the design content is started by the three parts. Heat source: the first grade net is the municipal water supply; the two grade net is the thermal station. Heat network: first grade network for municipal water supply; the two level network for directly buried installation. Hot user: for school classrooms, dormitories, offices, laboratories, etc., and for the middle and lower buildings.At present, the energy shortage will be the important factor that restrict the economic development of our country, and has been recognized as the universal problem of the whole world. Heating engineering design should start from the point of view to determine the broaden sources of income and reduce expenditure, the comprehensive utilization scheme of suit ones measures to local conditions of heating energy. At the same time, combined with the special situation of our country, we should take full consideration of the practical difficulties such as the shortage of construction funds, In determining the design makes every effort to reduce the cost, to achieve “high quality and inexpensive” .Keywords: heat load, central heating, hydraulic calculation, operation adjustment, compensator, heat preservation, MathcadII目 录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1概述11.2 设计目的及意义11.2.1 设计目的11.2.2 设计意义11.3 自然地理概况21.4 工程概况2第2章 热负荷32.1 热负荷统计原理32.2 热负荷计算方法32.3 热负荷延续时间图42.3.1 热负荷延续时间图的意义42.3.2 热负荷延续时间图的原理42.3.3 热负荷延续时间图的绘制52.4 本章小结6第3章 供热方案73.1 热力管道系统及选择73.1.1 热力管道系统的分类73.1.2 热力管道系统的选择73.2 热力管道系统的布置与敷设83.2.1 热力管道系统的布置方式83.2.2 热力管道系统的敷设原则93.2.3 热力管道系统的材料及连接93.2.4 热力管道系统的附件与设施93.3 热源103.4 本章小结10第4章 水力计算114.1 水力计算的任务114.2 水力计算的原理114.3 水力计算的实例134.3.1 一级网水力计算实例134.3.2 二级网水力计算实例164.4 水压图184.4.1 水压图的作用184.4.2 水压图绘制满足的基本技术要求194.4.3 水压图绘制实例194.5 本章小结21第5章 水力工况225.1 水力工况基本原理225.1.1 管网特性曲线225.1.2 循环水泵流量-扬程特性曲线及其方程235.2 水力工况的分析与计算235.2.1 管网特性曲线的确定235.2.2 循环水泵的性能曲线的确定。245.2.3 水泵与管网联合特性曲线255.3 水力工况的稳定性265.4 本章小结26第6章 运行调节276.1 运行调节形式276.2 运行调节原理276.3 运行调节实例296.4 本章小结30第7章 管道热补偿及应力计算317.1 热补偿317.1.1 热补偿设计原则317.1.2 热伸长量的计算317.1.3 补偿器选型317.2 管道应力计算327.2.1 管道理论壁厚计算327.2.2 热力管道固定支吊架间距327.2.3 活动支架计算间距337.3 本章小结33第8章 换热站348.1 换热站简述348.2 换热站设计原则358.3 换热站布置要求358.4 本章小结35第9章 设备及附件选型369.1 换热器369.2 热网循环水泵379.3 补给水泵389.4 补给水箱399.5 综合水处理器409.6 除污器419.7 本章小结41第10章 管道的保温及防腐4210.1 管道的保温及防腐的原则4210.2 管道的保温及防腐的计算4210.2.1 保温层厚度计算4210.2.2 散热损失计算4310.2.3 管道防腐4410.3 本章小结44结论45参考文献46致谢48附录1 小区采暖热负荷统计49附录2 水力计算表格53附录3 水泵样本60附录4 套筒补偿器规格表63附录5 板式换热器样本64第1章 绪 论1.1概述中国社会进入小康水平之后，温饱问题“不知不觉”的就解决了。这样人们的注意力顺其自然地转移到对居住环境的改善。对环境的控制取决于四个主要因素：温度、湿度、空气洁净度和空气流速。对于北方广大地区来说温度的改变是至关重要的，依次而展开的供热工程应运而生。供热工程主要分为内网（建筑物供暖工程）、外网（集中供热工程）两个层面。虽然有些具体的设计与计算原则不太一样，但系统的组成都是一样的，即：热源（热媒制备）、热网（热媒输送）和热用户（热媒利用）。并且大体上的水力计算特色都是以控制比摩阻来实现（也有控制流速的）对管径的选择。我国的供暖事业起步于20世纪50年代，当时是以苏联供暖技术为依据的。经过广大的建环（暖通空调）前辈们的辛勤努力，终于在1987年颁布了适合我国国情特色的采暖通风与空气调节设计规范（GBJ 19-87）。其中对于供暖室外计算温度和热负荷确定及计算方法和原则，同先进国家的规范相比，毫不逊色。不过应看到我国的科研理论水平非常高，但与之相匹配的具体实践工作则很不到位。这也是我们建环人今后努力发展的方向1。1.2 设计目的及意义1.2.1 设计目的本次设计的主要目的就是让我们这些在象牙塔中的学生走进理想状态下的实际工作。更为着重的进行思维工程化的培养。使得理论联系实际的能力及一步加强。“文能专心搞研究，武能精致做项目”。为了较好的锻炼自己的设计能力，较为广泛的查阅建环相关的设计规范和图集手册等专业资料。设计过程中也体现了自己的小想法，采用了一些非传统的设计模式，所谓创新，就应该从小处开始。1.2.2 设计意义从宏观方面来分析具有以下三个方面：1、经济效益：集中供热系统的热容量大、热效率高，可以大大降低供热设计及运营管理等成本，为国家节约能源立下汗马功劳。2、环境效益：集中供热系统不仅能提供稳定的可靠的高品位能源，还有利于城镇的美化。能够使城镇的整体形象明显提升，从某种意义上实现人与自然和谐相处。3、社会效益：集中供热系统的结构相对分散式供热来说，系统结构的简洁优化非常明显，能够有效的利用城市有效空间，同时大大改善了社会管理。1.3 自然地理概况太原为中国的能源和重工业基地之一。太原台站的地理坐标为东经11233，北纬3747。海拔778.3m。地处于寒冷B区。太原属北温带大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温10.0，最大冻土深度为72cm。供暖日期为11.0603.26共141天。1.4 工程概况本设计为太原某师范学院集中供热热水网路设计，校园构成多样化，主体为教学楼和居住楼，还有少量的商业建筑及医院。建筑面积：1321119m供暖热负荷：76730kw69第2章 热负荷供暖系统热负荷是供暖系统设计中最基本的数据。它直接影响供暖系统方案的选择。系统热负荷的大小及其性质是供热规划和设计的最重要的依据。热负荷的科学准确与否直接关系到节能的根本成败。2.1 热负荷统计原理因为是对集中供热系统进行初步设计，所以不具备较准确的建筑物热负荷资料。根据城镇供热管网设计规范：当没有建筑物设计热负荷资料时，各种热负荷可采用概略计算方法。具体分为体积热指标法或面积热指标法。对于体积热指标法，虽然物理概念明确清晰，但采用建筑面积热指标法计算很简便，是国内外普遍采用的方法，所以本次设计采用该种方法。并且在总结我国许多单位进行建筑物供暖热负荷的理论计算和实测数据工作的基础上，我国城镇供热管网设计规范（CJJ34-2010）给出了供暖面积热指标的推荐值。2.2 热负荷计算方法集中供热热负荷主要由供暖设计热负荷、通风设计热负荷、生活用热的设计热负荷和生产工艺热负荷组成。它同室内供暖为了突出主要问题，本次设计热负荷仅采用采暖热负荷。采暖热负荷是城市集中供热系统中最重要的负荷，它的设计热负荷占全部设计热负荷的80%-90%以上（不包生产工艺用热），采暖设计热负荷的概算采用面积热指标进行计算4，如式（2.1）： （2.1）式中 采暖设计热负荷，；采暖建筑物的建筑面积，；采暖热指标，；即每平方米建筑的供暖设计热负荷。其推荐值见表2.1；表2.1 采暖热指标推荐值 （）建筑类型住宅居住区综合医院托幼旅馆商店未采取节能措施58646067658065706580采取节能措施40454555557050605570注1表中数据适合于我国东北、华北、西北地区。2热指标已包括5%的管网热损失。由于该小区为新建小区，采用了较好的节能措施，故计算时采用上表中的采取节能措施的采暖推荐热指标5。以1号用户（学生公寓）为例。建筑面积36000m2，按住宅算取热指标为45W/m2，所以供暖热负荷=1620000W=1620kW。供暖设计热负荷计算结果见附录1。2.3 热负荷延续时间图在供热工程规划设计过程中，需要绘制热负荷延续时间图。其特点为热负荷不是按出现时间的先后来排列，而是按其数值的大小来排列。2.3.1 热负荷延续时间图的意义通过绘制热负荷延续时间图，能够清楚的显示出不同大小的供暖负荷在整个采暖季节累计耗热量，以及它在整个采暖季节总耗热量中所占的比重，这对于城市集中供热规划方案进行技术经济分析时，具有十分重要的意义。2.3.2 热负荷延续时间图的原理热负荷延续时间图需要有热负荷随室外温度变化曲线和室外气温变化规律的资料才能绘制。供暖热负荷随室外温度变化曲线：先求出某一室外温度下的供暖热负荷，如式（2.2） （2.2）式中 在室外温度下的供暖热负荷，W; 供暖设计热负荷，W; 某一室外温度，； 供暖室外计算温度，； 室内计算温度，取18。供暖热负荷延续时间图公式，如公式（2.3）： N5 = （2.3） 5300，所以控制比摩阻最大也应小于300Pa/m。根据和=226.7t/h，通过鸿业水力计算器得支2对应的管径、比摩阻及流速DN=500mm；R=42.63Pa/m；v=1.528m/s。支2的局部阻力的当量长度，可由参考文献8的表6-1查取，得：DN300分支三通1个 212.6mDN300的阀门2个 23.36m局部当量长度为 Ld=19.32m管段支2的折算长度 Lzh=19.32+35.0=54.3m管段支2的压力损失 =9236Pa由于9236Pa35839Pa，为保证管线正常压力，应设置调节阀分压。用同样的方法，可计算支线线的其余管段。确定其管径和压力损失。管段的局部阻力如表4.3所示，管径和压力损失计算结果列于表4.4。表4.3 一级网支线局部阻力当量长度计算表管段编号弯头（单缝焊接）三通阀门异径接头套筒（管）补偿器支1118.1直通113.914.1711.438.34支2分支112.623.36表4-4 一级网支线管段水力计算表管段编号计算负荷 Q（kW）计算流量 G（t/h）管段长度 L（m）公称直径 DN（mm）流速 v（m/s）比摩阻R（Pa/m）当量长度Ld（m）折算长度Lzh（m）压力损失 P（Pa）一级网支管计算表支124491.6351.0728.53001.35563.5262.59791.150247支215818.0226.735.02001.774170.0319.3254.392364.3.2 二级网水力计算实例二级网的水力计算与一级网基本相同，主要区别为：二级网隶属于街区，其经济比摩阻为60100Pa/m；局部阻力折算长度用局延比（局部阻力损失与沿程阻力损失的估算比值）进行计算，本次设计局延比设定为0.3。图4.2 二级网3号热力站水力计算草图1、最不利线的计算主干1：计算流量为各个热用户流量的总和t/h使用鸿业水力计算器求得二级网主干1对应的管径、比摩阻及流速。DN=350mm；R=93.41Pa/m；v=1.816m/s。管段主干1的折算长度 =102.1（1+0.3）=132.8m管段主干1的压力损失 =12401Pa同样的算法可以确定二级网各个主干线的管径与压力损失。主干线的管径和压力损失计算结果列于表4.5。表4.5 3号热力站二级网水力计算表管段编号计算负荷 Q（kW）计算流量 G（t/h）管段长度 L（m）公称直径 DN（mm）流速 v（m/s）比摩阻R（Pa/m）当量长度Ld（m）折算长度Lzh（m）压力损失 P（Pa）累计损失 P（Pa）二级网三号热力站计算表（经济比摩阻为60100Pa/m）主干115818.0680.2102.13501.81693.4130.6132.81240175039主干29840.0423.1139.43001.60290.6441.8181.21642062638主干38220.0353.5141.93001.33863.3642.6184.41168646218主干46840.0294.152.82501.610115.4715.868.6792034532主干55820.0250.395.52501.37083.7228.7124.21039626612主干63720.0160.0102.12001.22883.4830.6132.81108416216主干73180.0136.764.62001.05061.1119.484.0513251322、支线的水力计算对支1（62号）线为例进行二级网支线计算。支1的资用压力为： Pa设局部阻力损失与沿程损失估算比值=0.2，则比摩阻大致应控制为：Pa/m由于38.7400，所以控制比摩阻只需在38.7Pa/m左右即可。根据和=23.2t/h，通过鸿业水力计算器得支2对应的管径、比摩阻及流速DN=100mm；R=34.0Pa/m；v=0.747m/s。依次计算二级网各支线管段；水力计算见表 4.6。表4.6 二级网3号换热站支线水力计算表管段编号计算负荷 Q（kW）计算流量 G（t/h）管段长度 L（m）公称直径 DN（mm）流速 v（m/s）比摩阻R（Pa/m）当量长度Ld（m）折算长度Lzh（m）压力损失 P（Pa）支1540.023.234.01000.74778.1010.244.13447支22100.090.36.01251.902380.811.87.82970支31020.043.984.51001.411276.3725.3109.830356支41380.059.341.91251.250165.0412.654.48984支51620.069.767.61251.467227.0920.387.819948支65978.0257.184.72001.973214.7125.4110.1236393、其他换热站下的二级网水力计算表参见附录1。4.4 水压图热水网路设计和运行中，常常以水压图的形式表示出系统各点压力大小和分布情况。如供暖区域的地形，室外热力管网连接的各用户室内系统的高度、循环输泵的扬程以及全部管网、用户系统的压力损失等，都直接影响水压图的变化。4.4.1 水压图的作用绘制水压图可以较为全面地反映热网和各热用户的压力状况，并确定使其实现的技术措施。在运行中，通过热水管路的实际水压图，可以全面地了解整个系统在调节过程中或出现故障时的压力状况，从而发现关键性的矛盾和采取必要的技术措施，保证管网的安全运行。4.4.2 水压图绘制满足的基本技术要求热水全年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、管网最高点的水不会被汽化，并应有3050kPa的富裕压力6。当水温超过100时，压力不应低于该水温下的汽化压力和富裕压力之和。水温在100150时的汽化压力见表4.7。表4.7 不同水温下的汽化压力水温/100110120130140150汽化压力/kPa045.08100.94172.48263.62378.282、不应使低点的用热设备破裂。目前国内散热器允许压力如下：铸铁散热器 0.4MPa；钢排管散热器 1.0MPa；钢制板式换热器 0.50.8Mpa。3、当循环水泵工作时，供水管网任何一点的压力都应满足上述要求。4、当循环水泵工作时，回水管网任何一点的压力，不应低于50kPa，且不应超过直接连接用户的系统的允许压力值。5、供、回水管网的压差，应满足用户系统所需要的压头或设备阻力损失。常用设备所需的压头推荐值为2：水-水加热器系统 100kPa；供暖系统 20kPa；除污器阻力 10150kPa。4.4.3 水压图绘制实例本例以二级网3号热力站为例。有两种绘制方法：根据给定的比摩阻值和局部阻力所占的比例，确定一个平均比压降，亦即确定回水管动水压的坡度，初步绘制回水管动水压线；已知热水网路水力计算结果，可按各管段的实际压力损失，确定回水管动水压线。本例采用第二种。1、先画出OX、OY坐标轴，OX横坐标表示距离m，OY纵坐标表示高度m、O点为循环水泵的入口高度。随后将建筑物同换热站的直线段、分值段的距离，地面标高和建筑物高度标示在图上，水压示意见图4.3，详细图见图纸RS-07。2、静水压线（地面标高+最高建筑物标高+汽化压力+富裕压力）max。地面设为平坦，标高为0；最高建筑物为用户56号（图书馆）标高30m；二级网供水温度为80，汽化压力为0；富裕压力为35m。所以静水压线为35m。3、回水管动水压线，为n段管线的压力损失；为第n段管线的压力损失；取静水压线的高度。例如主干1管段的压力损失为1.24m，所以主干1和支6的交点高度为35+1.24=36.24m；主干2管段的压力损失为1.64m，所以主干2和支5的交点高度为36.24+1.64=37.88m。其余以此类推。4、最不利用户的资用压差（用户的内部阻力）为510 m，本设计最不利用户为59号（医学教学楼）的资用压差取6m。5、供水管动水压线计算方法同回水管的一样（设定供回水压降相等）。起算基点定位最不利用户水压上限48.5m。最后累加。6、站内损失在本次设计只包括水一水加热器（10m）和供暖系统（2m）共计12m。图4.3 3号热力站水压图示意4.5 本章小结水力计算是完美体现自然科学通过数学规律对现实生活进行规划的工具。水力计算是一切供热工程后续工作的科学依据。所以合理科学的水力计算是值得每一位建环人不懈追求。具体的枝状管网和环状管网的计算程序是不太一样的。本次设计仅体现了枝状管网的设计方法。这在实际工程中是远远不够的，为此还要加大对环状管网的学习。第5章 水力工况5.1 水力工况基本原理5.1.1 管网特性曲线在供热管网中，水流状态大多处于阻力平方区。于是，流体的压力损失与相关流量遵从二次幂的关系。如公式5.1。 （5.1）式中 网路计算管道的压降，Pa； 网路计算管道水流量，m/h； 网路计算管道的阻抗，Pa/(m/h)2； 网路计算管道的比摩阻，Pa/m； 、网路计算管道的长度和局部阻力当量长度，m。热水网路可以想象成电路一样，有许多的串联管段和并联管段组成的。串联管线，总阻抗为串联管线阻抗之和，如公式（5.2）。 （5.2）式中 串联管线的总阻抗； 各串联管线的阻抗。并联管线，总阻抗的平方根倒数为并联管线阻抗平方根倒数之和，如公式（5.3）。 （5.3）式中 并联管线的总阻抗； 各并联管线的阻抗。根据上述计算方法，可以逐次的计算整个热水网路最不利环路的总阻抗值。所以供热管网最不利环路的总阻力为。5.1.2 循环水泵流量-扬程特性曲线及其方程热网循环水泵的流量与扬程遵从的函数关系可表示为，一般水泵的实际特性曲线有水泵厂家来提供。出于定量分析供热系统水力工况的变化，可以用代数方法来描述，本次采用插入法建立特性曲线方程。从厂家样本中读取若干组流量与扬程的数据。流量数据为：对应流量的扬程为：根据上述数组，采取差值方法得出流量和扬程的代数方程如公式（5.4）： （5.4）式中 循环水泵的流量； 循环水泵的扬程；性能曲线的相关系数。当样本数据数n=3，由拉格朗日二次插值公式得出式（5.4）的系数：5.2 水力工况的分析与计算5.2.1 管网特性曲线的确定本次以3号换热站（热力站）的二级网为