淺析供熱管網(wǎng)氣阻成因及水頭損失計(jì)算

摘 要：本文旨在為供熱管網(wǎng)運(yùn)行人員提供解決氣阻問題的方法和思路。供熱管網(wǎng)氣阻會(huì)增加水頭損失，導(dǎo)致能耗升高，并嚴(yán)重影響供熱質(zhì)量。氣阻的形成與管道形狀、流速、氣泡體積等因素有關(guān)。計(jì)算氣阻造成的額外的水頭損失，可以通過發(fā)生氣阻時(shí)管網(wǎng)的水頭損失減去管網(wǎng)運(yùn)行相同流量時(shí)水力計(jì)算的水頭損失或減去排除氣阻后管網(wǎng)運(yùn)行相同流量時(shí)的實(shí)際水頭損失的方法獲得。研究表明，流速、管道坡度、被困氣體的體積對(duì)凸起管路氣阻臨界平衡有較大影響。為避免氣阻影響供熱管網(wǎng)的正常運(yùn)行，首先，要優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)，合理設(shè)置管路傾角、排氣點(diǎn)與排氣裝置。其次，要重視運(yùn)行管理，初期注水時(shí)必須保質(zhì)保量完成排氣工作，運(yùn)行期加強(qiáng)失水管理防止壓力波動(dòng)過大。

關(guān)鍵詞：供熱管網(wǎng)；氣阻；水頭損失

中圖分類號(hào)：TU995" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：1673-260X（2025）02-0023-04

供熱系統(tǒng)要求在管道及設(shè)備滿水的狀態(tài)下運(yùn)行，受各種因素的影響，系統(tǒng)中不可避免地產(chǎn)生氣體，極易造成管道氣阻。氣阻的產(chǎn)生增加了水頭損失，導(dǎo)致能耗升高，并嚴(yán)重影響供熱質(zhì)量。本文意為供熱管網(wǎng)運(yùn)行人員提供分析類似問題的方法和思路。

1 供熱系統(tǒng)內(nèi)氣體的來源

供熱系統(tǒng)運(yùn)行初期注水時(shí)，由于注水速度過快或排氣工作不到位使管道和設(shè)備內(nèi)氣體無法排凈，空氣滯留在系統(tǒng)內(nèi)。循環(huán)泵啟動(dòng)后，在水流的作用下，小氣泡會(huì)在系統(tǒng)的某些部位聚集成較大氣泡。氣體在水中的溶解度會(huì)隨系統(tǒng)的壓力降低而降低。供熱系統(tǒng)失水或人為放水后會(huì)造成壓力降低，尤其是在供熱系統(tǒng)的頂部或末端，壓力降低導(dǎo)致水中溶解的氣體析出，并且壓力越低氣泡的直徑會(huì)越大。氣體在水中的溶解度會(huì)隨溫度的升高而降低，0.4MPa時(shí)，空氣在10℃水中的溶解度為90Ncm3/L，50℃時(shí)溶解度為50Ncm3/L，溶解度降幅44%[1]。供熱系統(tǒng)補(bǔ)水溫度一般較低，進(jìn)入系統(tǒng)被加熱后氣體將會(huì)析出。

2 導(dǎo)致氣阻形成的因素

為分析管道中氣阻是如何形成的，我們擬建如圖1所示管路模型，水流方向從左向右、流速不變，管路中氣泡依次經(jīng)過水平管路、向上傾斜管路、傾斜向下管路，分別對(duì)應(yīng)狀態(tài)一、狀態(tài)二、狀態(tài)三。我們將氣泡看作質(zhì)點(diǎn)分別對(duì)三種狀態(tài)下氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。圖中F為氣泡所受浮力、G為氣泡所受重力（忽略不計(jì)）、D為水流對(duì)氣泡的拖拽力、f為氣泡在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下受水流和管壁的阻力之和、N為管壁對(duì)氣泡的約束力。

狀態(tài)一：氣泡在水平管道內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)，氣泡和水相對(duì)靜止，氣泡水平方向和豎直方向合力均為0。另外，氣體的粘滯系數(shù)比水小，在管里流動(dòng)阻力小，此種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生額外的水頭損失。由此得出，水平供熱管道不具備發(fā)生氣阻現(xiàn)象的條件。

狀態(tài)二：氣泡進(jìn)入向上傾斜管道，浮力將產(chǎn)生沿管路向上的力F·cos？茲，沿管路方向上D+F·cos？茲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻力f，在此管段中氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為加速運(yùn)動(dòng)。由此得出，向上傾斜管道同樣不具備發(fā)生氣阻現(xiàn)象的條件。

狀態(tài)三：當(dāng)氣泡以一定速度進(jìn)入向下傾斜管道時(shí)，沿管路方向存在向下的力D和向上的力F·sin？茲，要分析氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就必須判斷兩個(gè)力的大小。影響D的主要因素是水的流速，流速越大D越大；影響F·sin？茲的主要因素為氣泡的體積和管路的傾角，氣泡體積和管路傾角越大F·sin？茲越大。

（1）Dgt;F·sin？茲時(shí)，氣泡向下運(yùn)動(dòng)，隨水流離開該區(qū)域管道，不會(huì)發(fā)生氣阻現(xiàn)象。（2）D=F·sin？茲時(shí)，氣泡所受合力為0，氣泡位置不發(fā)生變化，此時(shí)發(fā)生氣阻現(xiàn)象。（3）Dlt;F·sin？茲時(shí)，氣泡將向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)駝峰位置重新建立平衡，此時(shí)發(fā)生氣阻現(xiàn)象。

氣泡在凸起的區(qū)域受力分析較為復(fù)雜，一旦該段管網(wǎng)運(yùn)行壓力降低到0.3MPa以下，前端供熱管網(wǎng)中沒有充分游離出來的空氣，在這段管網(wǎng)中迅速變成較大的氣泡。由于管道內(nèi)流速很低，無法被水帶走，于是越聚越多，最終形成“氣阻”現(xiàn)象，影響系統(tǒng)運(yùn)行[2]。

綜上所述，影響供熱系統(tǒng)氣阻形成的因素包括：（1）系統(tǒng)內(nèi)存在或者產(chǎn)生游離態(tài)的氣體，并達(dá)到一定的體積。（2）管道位置高低發(fā)生變化，局部形成凸起狀。（3）管路內(nèi)水流速度小。（4）管路傾角大。

3 氣阻現(xiàn)象導(dǎo)致水頭損失增加的原因分析

產(chǎn)生水頭損失的內(nèi)因是流體的粘滯性和慣性，外因是固壁對(duì)流體的阻礙和擾動(dòng)，計(jì)算中把水頭損失分為沿程損失和局部損失。局部水頭損失產(chǎn)生的主要原因是流體經(jīng)局部阻礙時(shí)，因慣性作用主流與壁面脫離形成漩渦區(qū)，漩渦區(qū)流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)劇烈，消耗大量能量；漩渦區(qū)質(zhì)點(diǎn)不斷被主流帶向下游，加劇下游一定范圍內(nèi)主流的紊動(dòng)，從而加大能量損失；局部阻礙附近，流速分布不斷調(diào)整，也將造成能量損失。另外，在局部阻礙范圍內(nèi)損失的能量，只占局部損失的一部分，另一部分是在局部阻礙下游一定長(zhǎng)度的管段上消耗掉的。這段長(zhǎng)度稱為局部阻礙的影響長(zhǎng)度。受局部阻礙干擾的流動(dòng)，經(jīng)過了影響長(zhǎng)度后，流速分布和紊流脈動(dòng)才能達(dá)到均勻流動(dòng)的正常狀態(tài)[3]。

當(dāng)管道內(nèi)發(fā)生氣阻現(xiàn)象時(shí)，氣泡導(dǎo)致流體局部區(qū)域邊界形狀和截面大小發(fā)生改變，流態(tài)發(fā)生劇烈擾動(dòng)，不僅使氣泡周圍形成漩渦區(qū)的范圍增大數(shù)量增多，同時(shí)造成截面流速重新分布，產(chǎn)生額外的水頭損失?；跉庾柙斐伤^損失原因的判斷，筆者認(rèn)為可以將氣阻看做成局部阻力的一種。

4 如何定量分析氣阻損失的水頭

既然氣阻與局部阻力損失成因一致，那可以用局部阻力損失的計(jì)算公式來計(jì)算氣阻造成的額外水頭損失。局部阻力計(jì)算見式（1）。

h_m=ζv²/2g" （1）

式中，h_m為局部阻力損失；ζ為局部阻力系數(shù)；v為斷面平均流速；g為重力加速度。

局部阻力系數(shù)除少數(shù)簡(jiǎn)單情況外，主要是用經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)方法獲得。管道內(nèi)氣泡的體積形狀隨管徑、流速以及水壓的變化而變化，因此很難通過計(jì)算或按經(jīng)驗(yàn)確定氣阻造成的局部阻力系數(shù)及斷面平均流速。氣阻的大小與流速的平方成正比，并隨氣泡體積的增大而增大。

事實(shí)上，很難直接測(cè)量空氣腔造成的水頭損失，因?yàn)樗鼈兛偸桥c凸起管路的摩擦和微小損失結(jié)合在一起。在工程中，由氣阻造成的額外的水頭損失可以通過發(fā)生氣阻時(shí)管網(wǎng)的水頭損失減去管網(wǎng)運(yùn)行相同流量時(shí)水力計(jì)算的水頭損失或排除氣阻后管網(wǎng)運(yùn)行相同流量時(shí)的實(shí)際水頭損失。

當(dāng)供熱系統(tǒng)發(fā)生氣阻時(shí)，會(huì)增大管網(wǎng)的阻力，使管網(wǎng)特性曲線變得更加陡峭，循環(huán)泵的工作點(diǎn)將向左移動(dòng)，循環(huán)流量將會(huì)減小。為保持一定的流量，就必須增大循環(huán)泵的揚(yáng)程[4]。

圖2中，1為正常狀態(tài)下管網(wǎng)特性曲線；1′為發(fā)生氣阻時(shí)管網(wǎng)特性曲線；2為滿足正常狀況水泵工作曲線；2′為滿足發(fā)生氣阻時(shí)水泵需達(dá)到工作曲線。A為正常情況下水泵工作點(diǎn)；B為相同流量下發(fā)生氣阻時(shí)水泵工作點(diǎn)；C為水泵運(yùn)行狀態(tài)不變時(shí)發(fā)生氣阻時(shí)水泵工作點(diǎn)。

相同流量下，由氣阻造成的額外水頭損失見式（2）。

△h_a=H₁-H₂" "（2）

循環(huán)泵工況不變時(shí)，氣阻造成流量減少量見式（3）。

△G_a=G₁-G₂" （3）

5 完全氣阻與部分氣阻

在封閉的管道流中，氣泡總是移動(dòng)到管道的頂部，因?yàn)榭諝獾拿芏冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于液體。如果水流的拖曳力不足以消除這些氣泡，它們將逐漸積累，并在駝峰管區(qū)的頂部造成氣阻，氣阻的發(fā)生可以增加阻力和減少封閉管道系統(tǒng)的流量。有時(shí)，在一些低壓管道系統(tǒng)，當(dāng)氣體占據(jù)了整個(gè)流動(dòng)截面，它甚至可以完全阻斷水流。通常，這種現(xiàn)象只發(fā)生在小型管道系統(tǒng)中，我們稱之為完全氣阻。

與完全氣阻不同，部分氣阻通常發(fā)生在大口徑管道系統(tǒng)中。部分氣阻的偏轉(zhuǎn)和耗散在凸起管道中比在直坡管道中更復(fù)雜。

6 預(yù)防和消除凸起管路中的氣阻

氣阻會(huì)增加管路的阻力損失，因此，必須通過設(shè)計(jì)手段防止供熱管道系統(tǒng)發(fā)生氣阻現(xiàn)象。以上研究表明，流速、管道坡度、被困氣體的體積對(duì)凸起管路氣阻臨界平衡有較大影響。

隨著管道流速的增大，被困空氣以較大的坡角運(yùn)動(dòng)到新的平衡位置，以抵抗拖曳力。實(shí)際中，如果速度增大，超過凸起管路最大坡角的臨界速度，氣泡將向下游移動(dòng)。平衡角隨管道流速的增大而增大。當(dāng)流量超過最大坡角的臨界流速時(shí)，被困空氣被完全清除。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員對(duì)管道坡度和管道流速的選擇至關(guān)重要。防止不規(guī)則起伏的管道系統(tǒng)發(fā)生氣阻有兩種方法。一是增大管道流速，二是減小管道最大坡度角。

對(duì)于供熱系統(tǒng)而言，可以通過設(shè)計(jì)手段解決管道流速和最大坡度角的問題，但在實(shí)際運(yùn)行中還是難以完全避免氣阻情況的發(fā)生。例如供熱系統(tǒng)中不但常見凸起形的管路，甚至還有“幾”字形的管路，頂端都極易產(chǎn)生氣阻，并難以消除。解決供熱系統(tǒng)的產(chǎn)氣問題應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手。

（1）非采暖期進(jìn)行濕保護(hù)。供熱系統(tǒng)停運(yùn)后，系統(tǒng)內(nèi)的失水無法得到補(bǔ)充，氣體隨之進(jìn)入管道內(nèi)。另外，夏季改造工程的施工，必須泄掉系統(tǒng)內(nèi)的水，同樣導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)入空氣。當(dāng)下采暖期運(yùn)行注水時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的氣體很難得到有效排除，氣體會(huì)隨水流分散至系統(tǒng)的各個(gè)部位，尤其是系統(tǒng)的頂端和流速小的凸起管路處。不僅造成不熱現(xiàn)象，還增大了運(yùn)行人員的工作量。

（2）合理設(shè)置排氣點(diǎn)。合理設(shè)置排氣點(diǎn)是供熱系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證，需要在系統(tǒng)的最高點(diǎn)及“幾”字形管道處安裝排氣閥。自動(dòng)排氣閥口徑宜適當(dāng)增大，排氣閥下加裝集氣罐，降低流速使氣體更加容易從頂端排出[5]。

（3）控制供熱系統(tǒng)的失水。供熱系統(tǒng)失水后會(huì)造成壓力降低，甚至出現(xiàn)倒空現(xiàn)象，壓力降低致使水中溶解的氣體析出，同時(shí)伴隨氣體進(jìn)入系統(tǒng)。氣體的聚集會(huì)產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，恢復(fù)正常壓力后影響正常運(yùn)行。

（4）適當(dāng)提高運(yùn)行壓力。適當(dāng)?shù)靥岣哌\(yùn)行壓力，有利于系統(tǒng)失水時(shí)供熱系統(tǒng)頂部不產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，防止供熱系統(tǒng)中溶解氣體的析出和系統(tǒng)外的空氣滲入[6]。

7 工程實(shí)例

某地?zé)嵩赐ㄟ^DN1400供熱管線向城區(qū)輸送熱量，入城區(qū)處設(shè)一級(jí)隔壓站，管線長(zhǎng)18km，設(shè)計(jì)承壓能力2.5MPa，最高點(diǎn)標(biāo)高656。管線縱斷面及標(biāo)高示意圖如圖3所示。

2021年11月18日該長(zhǎng)輸管線初次投入運(yùn)行，循環(huán)流量約3 000t/h，管網(wǎng)資用壓頭57m，水力計(jì)算該循環(huán)流量下，管網(wǎng)需要資用壓頭為22m，運(yùn)行人員通過各站實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)判斷，回水管路某處阻力過大，隨即對(duì)管路及截?cái)嚅y門進(jìn)行排查，在排查4#截?cái)嚅T時(shí)有類似節(jié)流聲音，運(yùn)行人員分析可能是回水截?cái)嚅T故障，經(jīng)排查確定該閥門狀態(tài)為全部開啟。后發(fā)現(xiàn)排氣點(diǎn)引出位置并未在最高點(diǎn)656處，且引出點(diǎn)在管路下方，導(dǎo)致管路氣體無法排出。排氣點(diǎn)引出位置如圖4所示。

排氣工作時(shí)間及壓力變化如表1所示。自11月21日開始從656點(diǎn)排氣，排氣過程中調(diào)度熱源調(diào)整循環(huán)泵及補(bǔ)水。11月28日最高點(diǎn)排氣見水，排氣工作結(jié)束，歷時(shí)七天。

由于排氣點(diǎn)引出的位置并未在最高點(diǎn)，且開口位置在管道下方，排氣時(shí)該點(diǎn)有水無氣導(dǎo)致運(yùn)行人員誤判滿管。之后在最高點(diǎn)帶壓開口安裝排氣裝置，消除氣阻后，3 000t/h循環(huán)流量實(shí)際揚(yáng)程為21m，與水力計(jì)算結(jié)果基本一致，通過前后兩個(gè)狀態(tài)判定，此處氣阻造成額外水頭損失36m。

另外，在DN1400管路中，3 000t/h的流量流速僅為0.56m/s，低流速無法帶走管路中滯留的氣體，也與前文分析的結(jié)論一致。

8 結(jié)論

氣阻造成水頭損失與管網(wǎng)中局部阻力損失成因相似，氣阻的大小與流速的平方成正比，并隨氣泡體積的增大而增大。氣阻致使管網(wǎng)阻力增加，造成管道流量減小甚至斷流。運(yùn)行中，常通過提高補(bǔ)水定壓、靜壓排氣、增大循環(huán)流量等方式解決氣阻帶來的問題，但都不是解決問題的根本方法。為避免氣阻影響供熱管網(wǎng)的正常運(yùn)行，首先要優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)，合理設(shè)置管路傾角、排氣點(diǎn)與排氣裝置，并要保證施工質(zhì)量。其次要重視運(yùn)行管理，初期注水時(shí)必須保質(zhì)保量完成排氣工作，運(yùn)行期加強(qiáng)失水管理防止壓力波動(dòng)過大。發(fā)生氣阻時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況分析氣阻成因，“對(duì)癥下藥”才能精準(zhǔn)解決問題。

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