水压图在液体管网设计中的重要作用

知识点：动水压线

在液体管网系统中连接着许多用户。这些用户对流体的流量，压力及温度（如热水管网）的要求，可能各有不同，且所处的地势高低不一。在管网的设计阶段必须对整个管网的压力状况有个整体的考虑。因此，通过绘制流体网络的压力分布图（水压图），用以全面地反映管网和各用户的压力状况，并确定使它实现的技术措施。在运行中，通过网路的水压图，可以全面了解整个系统在调节过程中或出现故障时的压力状况，从而揭示关键性的影响因素和采取必要的技术措施，保证安全运行。

此外，各个用户与管网的连接方式以及整个管网系统的自控调节装置，都要根据网路的压力分布或其波动情况来选定，即需要通过对水压图的分析作为决策依据。

综上所述，水压图是流体管网设计和运行工况分析的重要工具，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。

在各种流体管网中，热水网路由于温度较高而对压力分布要求相对较为复杂，所以下面以热水管网为例，介绍其水压图绘制及其水压分析的方法。

1．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，系统内热水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。如供暖用户系统一般常用的柱形铸铁散热器，其承压能力为4×10⁵Pa。因此，作用在该用户系统最底层散热器的表压力，无论在网路运行或停止运行时都不得超过4bar。常用换热器与散热器的工作压力见表1。

常用换热器与散热器的工作压力 表1

换热器类型	管壳式	波纹管式	板式	半即热式
工作压力（Mpa）	≤10	≤8	≤2.5	≤1.6
换热器类型	铸铁式	钢制	铝制	金属复合
工作压力（Mpa）	0.4～0.8	0.6～1.2	0.8～1.2	1.0

（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。不同水温下的汽化压力见下表2。

                 高温水汽化压力（表压）表2

水温（℃）	100	110	120	130	140	150
汽化压力（MH2O）	0	4.6	10.3	17.6	26.9	32.6

从运行安全角度考虑，还应留有30~50kPa（3~5mH₂O）的富裕压力。

（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50kPa（5mH₂O），以免吸入空气。

（5）在热水网路是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头。

2． 绘制热水网路水压图的步骤和方法

根据对水压图的基本要求，下面以一个连接四个供暖用户（用户散热器的承压能力为40 mH₂O）的高温水供热系统为例，阐明绘制水压图的步骤和方法。在下图1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（或其他方便的高度）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1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1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。各点地面高度的连接线就是图1上带有阴影的线，表示沿管线的纵剖面。

（2）选定静水压线的位置。静水压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供暖用户系统内，不会出现汽化或倒空。

以图1为例，设网路设计供、回水温度为110℃/70℃。用户1、3、4楼高为17m，用户2为一高层建筑，楼高为30m。如全部采用直接连接，并保证所有用户都不会出现汽化或倒空，静水压线的高度需要定在不低于43.6m处（用户2顶标高再加上110℃水的汽化压力4.6m和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底层散热器承受的压力都超过其承压能力（40mH₂O）。这样使大多数用户必须采用间接连接方式，从而增加了基建投资费用。

如在设计中希望采用直接连接方案，可以考虑除对用户2采用间接连接方式外，按保证其他用户不汽化、不倒空和不超压的技术要求，选定静水压线的高度。

当用户2采用间接连接后，系统的高温水可能到达的最高点是在用户系统4的顶部。4 `点的标高是15m，加上110℃水的汽化压力4.6 mH₂O，再加上3~5mH₂O的富裕值，由此可定出静水压线的高度。如图所示将静水压线定在23m的高度上。

这样，当网络循环水泵停止运行时，所有用户都不会出现汽化，而且它们的底层散热器也不会超过40mH₂O允许压力了。除用户2外，其他用户系统都可采用比较简单而造价低的直接连接方案。

选定的静水压线位置靠系统所采用的定压方式来保证。目前在国内的热水供热系统中，最常用的定压方式是采用高位水箱或采用补给水泵定压。同时，定压点的位置通常设置在网路循环水泵的吸入端。

（3）选定回水管的动水压线的位置。在网路循环水泵运转时，网路回水管各点的测压管水头线的连接线，称为回水管动水压线。在热水网路设计中，如预先分析在选用不同的主干线比摩阻情况下网路的压力状况时，可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（每米管长的沿程损失和局部损失之和），亦即确定回水管动水压的坡度，初步绘制回水管动水压线。如已知热水网路水力计算结果，则可按各管段的实际压力损失，确定回水管动水压线。

回水管的动水压线的位置，应满足下列要求。

1）按照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都不倒空和网路上任何一点的压力不应低于50kPa(5mH₂O)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线最高位置的要求。如采用一般的铸铁散热器的供暖用户系统，当与热水网路直接连接时，回水管的压力不能超过4bar。实际上，底层散热器处所承受的压力比用户系统供暖回水管出口处的压力还要高一些（一般不超过用户系统的压力损失1~1.5 mH₂O），它应等于底层散热器供水支管的压力。但由于这两者的差值与用户系统热媒压力的绝对值相比较，其值最小。为分析方便，可认为用户系统底层散热器所承受的压力就是热网回水管在用户引入口的出口压力。

现仍以图1为例，假设热水网路采用高位水箱或补给水泵定压方式，定压点设在网路循环水泵的吸入端。采用高位水箱定压时，为了保证静水压线j-j的高度，高位水箱的水面高度应比循环水泵中心线高出23m。这往往难以实现。如果采用补给水泵定压，只要补给水泵加在定压点处的压力维持在23mH₂O的压力，就能保证系统循环水泵在停止运行时对压力的要求了。

如定压点设在网路循环水泵的吸入端，在网络循环水泵运行时，定压点（图1中的A点）的压力不变，设计的回水管动水压线在A点的标高上，仍是23m，而回水主干线末端B点的动水压线的水位高度应高于A点，其高度差应等于回水主干线的总压降。

如本例回水主干线的总压降，通过水力计算已知为12mH₂O，则B点的水位高度为23＋12=35m。这就可初步确定回水主干线的动水压线的末端位置。

（4）选定供水管动水压线的位置。在网络循环水泵运转时，网路供水管内各点的测压管水头连接线，称为供水管动水压线。同理，供水管动水压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管的平均比压降或根据供水主干管的水力计算结果，可绘制出供水主干线的动水压线。

在本例中，假设末端用户4预留的资用压差为10mH₂O。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12mH₂O，在热源出口处供水管动水压线的水位高度，即D点的标高应为45＋12=57m。

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15mH₂O），则E点的水头应为57＋15=72m，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结果，按上述同样的方法和要求绘制。

3．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℃水经过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＋2m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ΔH，往往超过用户系统的设计压力损失ΔH₁。如在本例中，设用户1的资用压头ΔH₁=10mH₂O，而用户系统1的压力损失只有1mH₂O。在此情况下，可以考虑采用水喷射器连接方式。

这种连接方式示意图和其相应的水压图可见上图（a）。图中ΔH_P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ΔH_j（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1可见，回水管动水压曲线的位置，不致使系统1底层散热器压坏（图1中点1处的压力为35-2=33mH₂O。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，为ΔH_j=3mH₂O，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上图（b）。混合水泵的流量应等于其抽引的回水量。混合水泵的扬程ΔH_B应等于用户系统（或二级网路系统）的压力损失值（ΔH_B=ΔH_j）。

用户系统2，它是一个高层建筑的低温水供暖热用户。前已分析，为使作用在其他用户的散热器压力不超过允许压力，对用户2采用间接连接，连接方式示意图及其相应的水压图可见上图（c）。

在本例中，用户系统2与热网连接处供、回水的压差为10mH₂O。如水-水换热器的设计压力损失ΔH_g=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降到39m处，即可满足设计工况的要求。采暖用户系统的水压图示意图在上图（c）。

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也可以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。其工作原理如下：当回水管的压力作用在阀瓣上的力超过弹簧的平衡拉力时，阀才能开启。弹簧的选用拉力要大于用户系统静压力3~5mH₂O，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，就将阀瓣拉下使阀关闭，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。

    安装了“阀前”压力调节阀的水压图可见上图（d）。其中ΔH_ab代表供水管阀门节流的压力损失，ΔH_bc表示用户系统的压力损失，c点的水压线位置比用户系统的充水高度超出3~5mH₂O。ΔH_cd表示“阀前”压力调节阀的压力损失。由水压图水压线的位置可见，它满足了用户系统与网路直接连接的所有技术要求。

如在用户2的引入口处没有安装“阀前”压力调节阀，而又欲采用直接连接方式，则在网路正常运行时，必须将用户引入口处回水管上的阀门节流，使其节流压降等于ΔH_cd，亦即使用户系统处的回水压力高过它的水静压力。这样用户2在运行时能充满水且正常运行。当网路循环一旦停止运转时，必须立即关闭用户2的回水管上的电磁阀（供水管上仍安装止回阀），使用户系统2完全与网路截断，避免使低处用户承受过高的压力。这种方法当然不如采用间接连接方式或安装“阀前”压力调节阀那样安全可靠。

用户系统3,。它位于地势最低点。在循环水泵停止工作时，静水压线j-j的位置不会使底层散热器压坏。底层散热器承受的压力为23-（-7）=30mH₂O。但在运行工况时，用户系统3的回水管压力为35-（-7）=42mH₂O，超过了一般铸铁散热器所允许承受的压力。为此，用户系统3入口的供水管要节流。从安全角度出发，进入用户系统3供水管的测压管水头要下降到标高33m处。这样，用户系统的作用压头不但不足，反而成为负值了。因此，要在用户入口的回水管上安装水泵，抽引用户系统的回水，压入外网。如系统3的设计压力损失为4mH₂O,则用户回水加压泵的扬程应等于35-（33-4）=60mH₂O。用户系统3与热网的连接方式及其相应的水压图，见上图（d）。

用户系统回水加压泵的连接方式，主要用在网路提供用户或热力站的资用压头，小于用户或热力站所要求的压力损失ΔH_j的场合，如用在热力网路末端的一些用户或热力站上。因为当热力网路上连接的用户热负荷超过设计负荷，或网路没有很好地进行初调节时，末端一些用户或热力站很容易出现作用压头不足的情况。此外，当利用热水网路再向一些用户供暖时（例如工厂的回水再向生活区供暖，这种方式也成为“回水供暖”），也多为用回水泵加压的方式。

在实践中，利用用户或热力站回水泵加压的方式，往往由于选择水泵的流量或扬程不当，会影响邻近热用户的供热工况，形成网路的水力失调。因而需要谨慎考虑和正确选择回水泵的流量和扬程。

用户系统4。它是一个高温水供暖的用户。网路提供用户的资用压头（ΔH₄=10mH₂O）如大于用户所需（在本例中，假设ΔH_j=15mH₂O），则只要在用户4入口的供水管上节流，使进入用户的供水管测压管水头标高降到35+5=40m处，就可满足对水压图的一切要求，达到正常运行。

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范