直連增壓、減壓循環(huán)裝置在煤礦低、高層建筑供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 軍，劉 偉，劉曉峰，野佳匯，張昌建,3

（1.山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000；2.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000；3.河北省暖通空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038）

1 概 況

供暖系統(tǒng)是建筑中重要的組成部分，煤礦工業(yè)建筑通常只有1、2 個高層建筑，其它都是低層建筑，為高層建筑供暖問題，定壓要升高，這會造成低層建筑壓力過高，長期在高壓環(huán)境下運行，管道容易破裂，影響供暖安全和設(shè)備壽命。若設(shè)計2 套供暖系統(tǒng)，則費用較高。針對這一問題，設(shè)計了直連增壓、減壓循環(huán)裝置，并在河曲縣磁窯溝煤礦進行應(yīng)用，取得了良好的效果。

2 常見高層供暖系統(tǒng)的設(shè)計方案

針對高層建筑管網(wǎng)內(nèi)靜水壓力大的問題，有多種供暖系統(tǒng)方案設(shè)計。

（1） 設(shè)置熱交換器的分區(qū)式供暖系統(tǒng)，也是現(xiàn)在普遍應(yīng)用的方法。將高層建筑的垂直方向按高度分為高區(qū)和低區(qū)，熱交換器作為高區(qū)供暖的熱源，高區(qū)的水與外管網(wǎng)的熱水換熱，在高區(qū)設(shè)置循環(huán)水泵、膨脹水箱，成為一個獨立的系統(tǒng)，使得建筑物內(nèi)高區(qū)與低區(qū)在水利系統(tǒng)上徹底分開，高低區(qū)壓力互不影響。但是這種方法不僅造價高，室外管網(wǎng)的鋪設(shè)也比較困難，而且熱源局限于蒸汽或高溫熱水。

（2） 設(shè)置雙水箱的分區(qū)式供暖系統(tǒng)方式，其原理與設(shè)置熱交換器的分區(qū)式供暖系統(tǒng)類似，不同之處在于此系統(tǒng)在高區(qū)進水和回水處各有1 個水箱，通過設(shè)置加壓水泵的方式將外管網(wǎng)的熱水送至高區(qū)系統(tǒng)的水箱內(nèi)，高區(qū)供暖系統(tǒng)管網(wǎng)與進水箱相連，回水箱與外管網(wǎng)相連。在供暖的過程中，進回水箱內(nèi)的液位不斷變化，借助2 個水箱的液位差可以使熱水在高區(qū)管網(wǎng)中均勻的流動。相對于設(shè)置熱交換器的分區(qū)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)造價低，系統(tǒng)在室外管網(wǎng)的水溫較低時也能運轉(zhuǎn)。但由于水箱不是密閉的，外界環(huán)境的雜質(zhì)容易進入水箱，導(dǎo)致水箱的水質(zhì)變差，加快系統(tǒng)管網(wǎng)的腐蝕，減少使用壽命。

（3） 無水箱直連供暖系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不用設(shè)置熱交換器、水箱，也不需要設(shè)置減壓閥，系統(tǒng)由加壓泵、微機控制系統(tǒng)、止回閥、斷流器、阻旋器等組成，微機系統(tǒng)控制加壓泵將室外管網(wǎng)的熱水揚至高區(qū)倒流式供暖系統(tǒng)中進行供暖，斷流器將高區(qū)供暖的回水與高區(qū)供暖系統(tǒng)斷開，阻旋器將從斷流器來的高區(qū)供暖回水在低區(qū)位置與低區(qū)供暖系統(tǒng)斷開。當加壓泵停止工作時，斷流器與阻旋器仍能切斷高區(qū)供暖系統(tǒng)的回水，高壓系統(tǒng)內(nèi)的水會經(jīng)過高區(qū)供水管、加壓泵倒流至低區(qū)供暖系統(tǒng)，由于在加壓泵出口設(shè)置了止回閥，高區(qū)系統(tǒng)也與外網(wǎng)系統(tǒng)斷開，使得低區(qū)系統(tǒng)不超壓。這種系統(tǒng)減少了投資，便于管理，但設(shè)置的斷流器和阻旋器，會產(chǎn)生一定的噪聲，需要設(shè)置在專門的房間內(nèi)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

此高層供暖系統(tǒng)設(shè)計是基于河曲縣磁窯溝煤礦余熱改造項目，該煤礦現(xiàn)有1 座輸煤筒倉，高度55 m，用熱需求為133 kW，是該礦供暖系統(tǒng)中唯一一座高層建筑，熱媒為余熱改造項目的熱泵系統(tǒng)提供的45 ℃熱水，回水溫度40 ℃。筒倉與該礦的低層建筑供暖系統(tǒng)共用一套管網(wǎng)。由于筒倉的特殊性，不能單獨設(shè)置熱交換器或者雙水箱，因此為了確保低區(qū)的供水壓力不超壓，采用在筒倉的入口處設(shè)置增壓泵，回水管上設(shè)置減壓閥的供暖系統(tǒng)方式。

磁窯溝煤礦供暖系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 供暖系統(tǒng)Fig.1 Heating system

系統(tǒng)的工作流程是增壓泵房內(nèi)的增壓泵從室外供水管網(wǎng)抽取熱水，將熱水經(jīng)過皮帶棧橋揚至55 m 高的圓筒倉供暖系統(tǒng)內(nèi)進行供熱，然后經(jīng)皮帶棧橋回水流經(jīng)增壓泵房內(nèi)的隔膜式減壓閥進行降壓，保證壓力與低區(qū)室外管網(wǎng)壓力一致。

水壓圖可以清晰地表示出熱水管網(wǎng)中各點的壓力，如圖2 所示。

圖2 管網(wǎng)水壓圖Fig.2 Water pressure diagram of pipe network

通過水壓圖可知，增壓泵宜設(shè)置在供熱管網(wǎng)主管網(wǎng)的240 m 處，壓力應(yīng)該調(diào)試在0.33 MPa 左右。

4 設(shè)備選型

4.1 增壓泵的選型

為滿足系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟的運行，增壓泵宜選用變頻自動控制型水泵，揚程和流量按下述方法計算。

增壓泵的揚程：

式中：Hb為增壓泵的揚程，m；Hj為泵與系統(tǒng)最高點的標高差，m；Hw為高區(qū)供暖管道的阻力，一般為2 m 左右；v2/2g 為高區(qū)供暖管道最高點的動壓頭，m；Hg為進入增壓泵入口處的壓力水頭，m。增壓泵的流量:

式中：v 為增壓泵的流量，m3/h；k 為附加系數(shù)，可取1.1～1.2；Q 為高區(qū)供暖熱負荷，W；ρ 為供水密度，kg/m3；t1為供水溫度，℃；t2為回水溫度，℃。

根據(jù)上述計算公式，磁窯溝煤礦余熱改造項目選用了流量65 m3/h，揚程28 m，功率7.5 kW 的變頻增壓泵。

4.2 減壓閥的選型

選用了球墨鑄鐵材質(zhì)的隔膜式減壓閥，主要由主閥、導(dǎo)閥組成，其中主閥包括殼體、閥座、中心下導(dǎo)向、主閥桿、隔膜、隔膜碟、彈簧、閥位指示器等部件，如圖3 所示。

圖3 隔膜式加壓閥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of diaphragm pressure valve

當上游壓力或者下游負荷有變化的時候，會反饋給主閥膜片，調(diào)節(jié)主閥的開度，保證下游的壓力。當水流經(jīng)減壓閥時，彈簧的壓力大于作用于膜片下端的水壓，活塞向下移動打開水路通道，作用于膜片下端的水壓越小，通過減壓閥的流量越大。作用原理可以簡單的理解為入口+出口壓力= 彈簧力，通過控制減壓閥內(nèi)口的開度大小來控制出口處的壓力，開度越小，液體通過截流口的液阻越小，壓力損失越小，出口壓力越大，反之則出口壓力越小。本系統(tǒng)壓力調(diào)試到0.33 MPa。

5 系統(tǒng)壓力測試

磁窯溝煤礦供暖改造項目于2020 年11 月4 日開始投入使用。系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)后，對增壓系統(tǒng)進行測試分析，主要包括增壓泵前后的壓力、回水壓力進行測試，如圖4、圖5 所示。

圖4 增壓泵前后壓力Fig.4 Pressure before and after booster pump

圖5 減壓后壓力Fig.5 Pressure after decompression

可以看出，熱水進入增壓泵前的壓力在0.4 MPa 左右，增壓之后壓力達到0.7~0.8 MPa，足以將熱水揚至55 m 高的筒倉供暖系統(tǒng)內(nèi)，回水經(jīng)過減壓閥后壓力減少至0.3 MPa 左右，與主管網(wǎng)水壓基本保持一致。

6 結(jié) 語

經(jīng)過一個供暖季的實際運行檢驗證明，直連增壓、減壓循環(huán)裝置在磁窯溝煤礦低層、高層聯(lián)合建筑供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用是成功的，為低層、高層聯(lián)合建筑供暖系統(tǒng)找到了新的方法與途徑，采用直連增壓系統(tǒng)配合減壓裝置進行供暖既經(jīng)濟又簡便。