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引言：热网管道水力计算的主要目的是确定各管道的管径并计算各管段的阻力损失。以便各管段内流量分配符合设计条件要求。
确定管径的主要依据是管段内的设计流量和比摩阻，比摩阻可以参考有关规范。或按给定的条件确定。设计流量则应根据管段设计热负荷和设计温差得出。
对于有调峰热源的较大型供热系统，在某种调峰运行方式（比如切断运行）下，热网的某些管段在运行期间通过的热量始终达不到设计热负荷。此时，在对管道进行水力计算时，可以根据管段承担的实际热负荷确定实际流量。以此选择管径而不是用设计负荷条件下的最大流量来选择管径，从而减小管径，降低工程造价。
本文将以一个小区热网干线为例，分析不同调峰运行方式下管径的计算以及与之相对应的运行调节措施。
一、 调峰运行时热源的连结方式
调峰热源的作用是补充热负荷高峰期主热源供热能力的不足，其容量由主热源与供热系统总热负荷决定。当主热源供热系数为α时（α为主热源供热能力Q j与总热负荷Q，之比），调峰热源的供热能力Qt=（1-α）Q，。调峰热源与主热源的运行方式主要有以下三种：
1. 串联运行，热负荷高峰期时，主热源出口的供水通过调峰热源再加热提高水温后送往外网用户。这种运行连结方式多在热电厂内进行，其运行方式相当于定流量变水温运行。调峰热源多为热电厂设置的高峰加热器，或者是设在热网首端的调峰锅炉房，只是目前热电厂供热系统最常用的连结方式。
2. 并联运行，热负荷高峰期，调峰热源供出的热水与主热源供水混合同事送往外网用户。该运行方式相当于分阶段变流量质调节运行。调峰热源位置仍以热网前部靠经热源端为宜。
3.切断运行，热负荷高峰期间，把调峰热源连同其供热范围内的用户一起与主干线切断而自成体系。从而减少了基本热源的热负荷，这种运行方式是锅炉房作为调峰热源时经常采用的方式。
上述三种调峰方式中，对设有高峰加热器的热电厂供热系统多采用第一种方式，对于调峰锅炉房较多但距主热源较远或位于热网干线末端时，多采用第三种方式，而第二种方式则较少采用。
在第一种方式下，定流量运行，设计流量依设计热负荷得出，依此作为选择管径的依据。第二种方式下，热负荷高峰期管段内流量也应达到设计负荷条件下的设计流量，因此，选择管径时也必须依设计负荷条件下的流量。而在第三种情况下，热负荷高峰期间，某些管段的水流量反而减少。因此，只有这种运行方式才为热网管径的减少提供了可能。
二、 切断运行方式下管道的水力计算
调峰热源切断运行前，全部用户的热负荷由主热源承担，热网主干线最大负荷为基本热负荷Q j，其值由下式给出：
Q j=α Q， Kg/h(1)
此期间管道的流量Gj，由下式得出：
G=Kg/h(2)
式中：tg，,th，---------系统的设计供回水温度℃
C ---------比热 C=4.187 KJ/Kg
热负荷高峰期调峰热源投入时，用户与主干线切断，此时对应的室外气温为：
tw 1=t n –(t n – t w，) α1 ℃ (3)
当有两个供热能力为Q t 1、Q t 2的调峰热源顺次投入运行时，则第二个调峰热源投入运行室外气温tw 2为：
tw 2=t n –(t n – t w，) α2 ℃ (4)
式中：t n，t w，---------采暖室内、外计算温度，
α1，α2---------第一、第二个调峰热源投入后的总供热系数。
α1=(5)
α2= (6)
两个调峰热源顺次投入时，管道内水的流量分别为：
G1= α1Kg/h(7)
G2= α2Kg/h(8)
只有两个调峰热源时α2 =1。
当几个调峰热源依次投入时，对于热网主干线，应分别算出几种不同情况下管内流量，选择其中较大的流量作为计算流量，以此确定各管段管径。管径确定后，每一管段再按不同情况下的实际流量分别计算阻力损失，最后选择不同情况下主干线阻力损失最大值确定循环水泵杨程。
三、 计算实例
某市小区热网主干线如图1，主热源供热能力Q j=278.3GJ/h，小区总建筑面积177.38万平方米，总热负荷为478.93 GJ/h，设计供回水温度110/70℃，采暖室外计算温度tw，=-26℃。
图(1)系统简图
5个热力站热负荷以及管长分别标在图中。除主热源O以外，在②，⑤两个热力站附近分别设有两处调峰锅炉房，供热能力分别为112.68GJ/h和87.95GJ/h。
根据前述定义和公式得出，主热源的供热系数α=278.3/478.93=0.581，第一个调峰热源⑤投入后总供热系数α1=（278.3+87.95）/478.3=0.765.调峰供热②投入后α2=1.0。
主热源单独运行期间主干管最大热负荷为278.3GJ/h，此时管内流量：
Gj= =1664.47t/h
热源⑤投入运行时的室外气温：
tw 1=18-(18+26)×0.581=-7.56℃,
此时主干线最大流量为：
G1= t/h
同理可计算出热源②投入运行时室外气温tw 2=-15.66℃，此时管内流量G2=1664.47 t/h。
其具体的启动，运行时间等详见表1，在不同供热系数对应的情况下各管段的流量以及计算流量见表2，主干线水力计算结果见表3。
四、 切断运行时热网主干线的工况调整
在调峰热源启动并切断运行后，无论用什么方式确定管径，网路在运行时都必须采用质和量的综合调节。按表3结果确定管径，在调峰运行期间，必须充分注意对系统的工况调整。
首先，在三种不同供热系数的工况下，管段中水的流量是变化的，运行时应按表2所列流量在主热源外进行必要的调整。如果各工况下流量变化不大（如本例中AB管段流量变化大约在7%），可以按最大流量扬程选择同一型号的循环水泵，变工况时，可以在水泵出口稍作调节，如果不同工况下流量变化较大，则可以根据不同工况下的流量，提程选择几种不同型号的循环水泵分阶段运行。
其次，由于各工况下计算流量都是在设计供回水温差下得出的，因此，在不同工况的运行期间应分别对供回水温度进行调节。在每一工况下供回水差都能达到设计供回水温差值，供回水温差变化可参考分阶段改变流量质调节水温公式得出，其公式为：
tg=tn+ tg, (9)
th=tn+ tg, (10)
式中，散热器传热温差
℃；
用户设计供回水温差 110-70=40℃，
= =
散热器传热指数B=0.3。本例中热网运行期间的主干线热负荷延续图及水温水量变化曲线详见图2( a)(b)。
图2 ( a)中，右部空白部分为主热源总供热量，阴影部分分别表示两个调峰热源总供热量。
图2(b)中上部为整个采暖期内水温调节曲线，下部为三个不同工况下网路的水流量。
五、 经济性分析
本文作者曾對本例中热网主干线按一般计算方法对管径进行详细计算，与调峰热源切断运行条件下管径计算比较，在主干线总阻力基本相同情况下，前者的管径普遍比后者大1-2号。
按目前热网直埋数设的造价估算，两种计算方法的管道投资相差约300万元，大约占管网干线投资的25%。而由于常规计算时采用了大流量运行方式，因此，虽然管径较大，但其总阻力损失并没有减小。两种情况对比，耗电量没有明显差别。
六、 几点说明
1. 切断运行方式下主干线管网的运行工况比较杂，即有流量的分阶段改变，又有供回水温度不断地变化，但是这种运行方式又不同于纯粹的分阶段改变流量质调节，后者是在室外气温较低时增大循环流量；而前者则是在室外气温较低时，由于切断部分用户，反而减少循环流量，各阶段的供回水温度的变化则主要由管道计算流量和室外气温决定。
2. 对于直连的热水管网，当有多个热源调峰时，可以根据调峰热源的容量，互相结合，同时启动某一个或几个热源，尽量保持各工况下流量变化不大，以保证各用户水力工况稳定。
3. 对于多热源调峰时，应尽量首先启动较远端热源和容量较大的热源，以便于在高峰期减少主干线特别是热网前部干线的计算流量。
4. 本文中切断运行后的工况调节主要是针对主干线而言，对于切断运行的小区支干线则仍按正常的设计流量选择管径。
5. 与用户采用间接连接的主干线，应按间接连接的质调节公式计算各工况供回水温度，具体公式可参阅有关文献。
图2(a)
图2(b)
表二
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
确定管径的主要依据是管段内的设计流量和比摩阻，比摩阻可以参考有关规范。或按给定的条件确定。设计流量则应根据管段设计热负荷和设计温差得出。
对于有调峰热源的较大型供热系统，在某种调峰运行方式（比如切断运行）下，热网的某些管段在运行期间通过的热量始终达不到设计热负荷。此时，在对管道进行水力计算时，可以根据管段承担的实际热负荷确定实际流量。以此选择管径而不是用设计负荷条件下的最大流量来选择管径，从而减小管径，降低工程造价。
本文将以一个小区热网干线为例，分析不同调峰运行方式下管径的计算以及与之相对应的运行调节措施。
一、 调峰运行时热源的连结方式
调峰热源的作用是补充热负荷高峰期主热源供热能力的不足，其容量由主热源与供热系统总热负荷决定。当主热源供热系数为α时（α为主热源供热能力Q j与总热负荷Q，之比），调峰热源的供热能力Qt=（1-α）Q，。调峰热源与主热源的运行方式主要有以下三种：
1. 串联运行，热负荷高峰期时，主热源出口的供水通过调峰热源再加热提高水温后送往外网用户。这种运行连结方式多在热电厂内进行，其运行方式相当于定流量变水温运行。调峰热源多为热电厂设置的高峰加热器，或者是设在热网首端的调峰锅炉房，只是目前热电厂供热系统最常用的连结方式。
2. 并联运行，热负荷高峰期，调峰热源供出的热水与主热源供水混合同事送往外网用户。该运行方式相当于分阶段变流量质调节运行。调峰热源位置仍以热网前部靠经热源端为宜。
3.切断运行，热负荷高峰期间，把调峰热源连同其供热范围内的用户一起与主干线切断而自成体系。从而减少了基本热源的热负荷，这种运行方式是锅炉房作为调峰热源时经常采用的方式。
上述三种调峰方式中，对设有高峰加热器的热电厂供热系统多采用第一种方式，对于调峰锅炉房较多但距主热源较远或位于热网干线末端时，多采用第三种方式，而第二种方式则较少采用。
在第一种方式下，定流量运行，设计流量依设计热负荷得出，依此作为选择管径的依据。第二种方式下，热负荷高峰期管段内流量也应达到设计负荷条件下的设计流量，因此，选择管径时也必须依设计负荷条件下的流量。而在第三种情况下，热负荷高峰期间，某些管段的水流量反而减少。因此，只有这种运行方式才为热网管径的减少提供了可能。
二、 切断运行方式下管道的水力计算
调峰热源切断运行前，全部用户的热负荷由主热源承担，热网主干线最大负荷为基本热负荷Q j，其值由下式给出：
Q j=α Q， Kg/h(1)
此期间管道的流量Gj，由下式得出：
G=Kg/h(2)
式中：tg，,th，---------系统的设计供回水温度℃
C ---------比热 C=4.187 KJ/Kg
热负荷高峰期调峰热源投入时，用户与主干线切断，此时对应的室外气温为：
tw 1=t n –(t n – t w，) α1 ℃ (3)
当有两个供热能力为Q t 1、Q t 2的调峰热源顺次投入运行时，则第二个调峰热源投入运行室外气温tw 2为：
tw 2=t n –(t n – t w，) α2 ℃ (4)
式中：t n，t w，---------采暖室内、外计算温度，
α1，α2---------第一、第二个调峰热源投入后的总供热系数。
α1=(5)
α2= (6)
两个调峰热源顺次投入时，管道内水的流量分别为：
G1= α1Kg/h(7)
G2= α2Kg/h(8)
只有两个调峰热源时α2 =1。
当几个调峰热源依次投入时，对于热网主干线，应分别算出几种不同情况下管内流量，选择其中较大的流量作为计算流量，以此确定各管段管径。管径确定后，每一管段再按不同情况下的实际流量分别计算阻力损失，最后选择不同情况下主干线阻力损失最大值确定循环水泵杨程。
三、 计算实例
某市小区热网主干线如图1，主热源供热能力Q j=278.3GJ/h，小区总建筑面积177.38万平方米，总热负荷为478.93 GJ/h，设计供回水温度110/70℃，采暖室外计算温度tw，=-26℃。
图(1)系统简图
5个热力站热负荷以及管长分别标在图中。除主热源O以外，在②，⑤两个热力站附近分别设有两处调峰锅炉房，供热能力分别为112.68GJ/h和87.95GJ/h。
根据前述定义和公式得出，主热源的供热系数α=278.3/478.93=0.581，第一个调峰热源⑤投入后总供热系数α1=（278.3+87.95）/478.3=0.765.调峰供热②投入后α2=1.0。
主热源单独运行期间主干管最大热负荷为278.3GJ/h，此时管内流量：
Gj= =1664.47t/h
热源⑤投入运行时的室外气温：
tw 1=18-(18+26)×0.581=-7.56℃,
此时主干线最大流量为：
G1= t/h
同理可计算出热源②投入运行时室外气温tw 2=-15.66℃，此时管内流量G2=1664.47 t/h。
其具体的启动，运行时间等详见表1，在不同供热系数对应的情况下各管段的流量以及计算流量见表2，主干线水力计算结果见表3。
四、 切断运行时热网主干线的工况调整
在调峰热源启动并切断运行后，无论用什么方式确定管径，网路在运行时都必须采用质和量的综合调节。按表3结果确定管径，在调峰运行期间，必须充分注意对系统的工况调整。
首先，在三种不同供热系数的工况下，管段中水的流量是变化的，运行时应按表2所列流量在主热源外进行必要的调整。如果各工况下流量变化不大（如本例中AB管段流量变化大约在7%），可以按最大流量扬程选择同一型号的循环水泵，变工况时，可以在水泵出口稍作调节，如果不同工况下流量变化较大，则可以根据不同工况下的流量，提程选择几种不同型号的循环水泵分阶段运行。
其次，由于各工况下计算流量都是在设计供回水温差下得出的，因此，在不同工况的运行期间应分别对供回水温度进行调节。在每一工况下供回水差都能达到设计供回水温差值，供回水温差变化可参考分阶段改变流量质调节水温公式得出，其公式为：
tg=tn+ tg, (9)
th=tn+ tg, (10)
式中，散热器传热温差
℃；
用户设计供回水温差 110-70=40℃，
= =
散热器传热指数B=0.3。本例中热网运行期间的主干线热负荷延续图及水温水量变化曲线详见图2( a)(b)。
图2 ( a)中，右部空白部分为主热源总供热量，阴影部分分别表示两个调峰热源总供热量。
图2(b)中上部为整个采暖期内水温调节曲线，下部为三个不同工况下网路的水流量。
五、 经济性分析
本文作者曾對本例中热网主干线按一般计算方法对管径进行详细计算，与调峰热源切断运行条件下管径计算比较，在主干线总阻力基本相同情况下，前者的管径普遍比后者大1-2号。
按目前热网直埋数设的造价估算，两种计算方法的管道投资相差约300万元，大约占管网干线投资的25%。而由于常规计算时采用了大流量运行方式，因此，虽然管径较大，但其总阻力损失并没有减小。两种情况对比，耗电量没有明显差别。
六、 几点说明
1. 切断运行方式下主干线管网的运行工况比较杂，即有流量的分阶段改变，又有供回水温度不断地变化，但是这种运行方式又不同于纯粹的分阶段改变流量质调节，后者是在室外气温较低时增大循环流量；而前者则是在室外气温较低时，由于切断部分用户，反而减少循环流量，各阶段的供回水温度的变化则主要由管道计算流量和室外气温决定。
2. 对于直连的热水管网，当有多个热源调峰时，可以根据调峰热源的容量，互相结合，同时启动某一个或几个热源，尽量保持各工况下流量变化不大，以保证各用户水力工况稳定。
3. 对于多热源调峰时，应尽量首先启动较远端热源和容量较大的热源，以便于在高峰期减少主干线特别是热网前部干线的计算流量。
4. 本文中切断运行后的工况调节主要是针对主干线而言，对于切断运行的小区支干线则仍按正常的设计流量选择管径。
5. 与用户采用间接连接的主干线，应按间接连接的质调节公式计算各工况供回水温度，具体公式可参阅有关文献。
图2(a)
图2(b)
表二
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。