033基于设计工况Q-H图研究供热系统热媒输送功率

基于设计工况Q-H图研究供热系统热媒输送功率哈尔滨工业大学王芃，邹平华摘要：根据热用户环路阻力和循环水泵的工作参数详述了单热源与多热源供热系统设计工况Q-H图的绘制，基于设计工况的Q-H图分析热媒输送功率、需用功率和无效功率等，进一步讨论了集中式、分布式循环水泵的配置形式和中继泵系统的热媒输送功率等特点，提出以热用户环路阻力作为供热系统循环水泵配置与选型的参考值。关键词：供热系统热媒输送功率热用户环路阻力分布式循环水泵系统中继泵系统由热源、热网和热用户组成的集中供热系统中，输送热量消耗的费用占整个运行费用的30%[1]。长期以来，工程人员习惯了将循环水泵集中配置在热源处，这要求水泵出力必须满足最不利用户的要求，同时必须通过阀门等设施调节系统中的其他热用户，避免出现近热源端的热用户流量超过设计流量的情况，以实现系统的水力平衡[2,3]。学者们已经对上述的供热系统循环水泵配置形式提出质疑：热用户处的阀门节流必然造成能量的浪费，而这部分无效能耗正是由于循环水泵的配置形式造成的[4]。为避免讨论供热系统的运行调节等问题，本文以设计工况的热媒输送功率代替采暖季的输送能耗作为研究对象，并试图揭示系统循环水泵的配置形式与热媒输送功率之间的关系。1供热系统的设计工况Q-H图1.1热用户环路与环路阻力在集中供热系统中，由于各个热用户之间一般均采取并联连接的方式，系统中每一个热用户都可以和热源组成一个环路，简称为热用户环路，如图1所示的热用户Uk环路a-b-c-d-a。热媒总是在热源、供水管网、热用户和回水管网组成的闭合的热用户环路内循环流动。根据基尔霍夫定律环路压力平衡原理[5,6]：2,1,2,,,1,2,,ijjijijHsqinjn(1)式中：Hi为动力部件（循环水泵）i提供的动力，ni为动力部件的个数；sj为阻力部件j的阻力特性系数，qj为通过阻力部件j的流量，nj为阻力部件的个数。另外，热用户环路中各管段的流量遵循基尔霍夫节点流量平衡原理[5]。以图1中的热用户Uk环路为例，热源S至热用户Uk的供水干线b-c上有多个出流点，应以这些节点划分管段，节点流量平衡公式中应同时反映与节点相连的管段流量及其出流量。1,1,,,joutjjjinjqqjqqqj位于供水管上位于回水管上(2)式中：j+1为管段或部件j沿流向的下一个管段或部件，j+为管段或部件沿流向的终点。PSUkabcdqout,bcqout,cqin,dqin,ad基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目（2006BAJ01A04）S——热源；Uk——第k个热用户；P——循环水泵；qin,ad,qin,d——入流量；qout,bc,qout,c——出流量图1热用户环路示意图对于简单的枝状热网（指平面管网[7]），根据节点流量平衡原理，各管段的设计流量可以通过热用户的设计流量沿管线从末端逐次向热源方向递推得到。但是对于复杂的环状热网（指平面管网[7]），管段流量的确定需要同时依据节点流量平衡和环路压力平衡原理，通过求解非线性方程组得到[5,7]。本文研究的前提是已知热网设计工况下的流量分布。1.2单热源供热系统设计工况Q-H图的绘制以一个单热源热网为例，系统中共有52个热用户，通过式(1)计算得到该52个热用户环路的阻力。按照环路阻力递增的顺序排列热用户，以长方体x轴方向的边长表示热用户的流量，Q(t/h)，y轴方向的边长表示热用户环路的阻力H(m)，各长方体依次排列，绘制如图2所示的柱形图。其中，将各长方体的顶边构成的阶段曲线称为热用户环路阻力曲线，记为hU(x)。由于热用户按照环路阻力的大小递增排列，因此Q-H图中最末端热用户即为系统的最不利用户。按照传统的热网设计方法，在热源处安装循环水泵，水泵出力应满足最不利用户的循环动力要求，则在水力平衡的前提下，系统提供的资用压头也能够同时满足其它热用户的要求。因此，以最不利用户n的环路阻力为高度，绘制长度等于系统总流量的直线作为热源循环水泵的压头曲线，记为HS(x)。以下简称图2为设计工况Q-H图。050010001500200001020304050607080HS(x)H(m)Q(t/h)hU(x)图2某单热源供热系统的设计工况Q-H图1.3多热源供热系统设计工况Q-H图的绘制在单热源系统中，每个热用户获得的热量均来自于系统中唯一的热源。与之不同的是，多热源系统中，各热用户的热量来源并不相同，可能来自于其中一个热源，也可能同时来自于几个热源，并且它们之间的任意组合通过热网的连接都能够形成环路。因此，问题的关键在于热用户环路阻力的确定。通过对热网中各管段流量的计算，多热源供热系统中存在独特的汇流点。根据汇流点的位置，可以确定各热源的供热范围，也即确定了各热用户热量的来源。如图3所示，根据汇流点I，判断出热用户U1的热量来自于热源Sa，热用户U2的热量来自于热源Sb，而与汇流点相连的热用户U3的热量同时来自于热源Sa和Sb。源于SaU3U1U2I源于Sbq3q3bq3aq1q2图3多热源供热系统汇流点区域示意图热用户获得的热量是通过热媒传递的，并且环路的阻力只与流量有关，因此即使各热源出口水温不一致，仍然可以用流量作为区分热用户获取热量的标志。在图3中，与汇流点相连的热用户U3与热源Sa和Sb分别构成环路。根据汇流点I处的流量分配，计算U3-Sa和U3-Sb环路阻力，并在设计工况Q-H图中将热用户U3的流量按汇流点I处的流量分配分别绘制长方体q3a-h3a和q3b-h3b，如图4所示。当有多个热用户与汇流点相连时，每个热用户均按q3a:q3b的比例分别绘制两个环路的阻力。另外，在绘制热源循环水泵的压头曲线时，也应遵循这一规则，对与汇流点相连的热用户，按照流量分配比例分段绘制各热源的循环水泵压头。并且由于各热源循环水泵的扬程不一致，多热源系统中热源循环水泵的压头曲线HS(x)一般为分段函数。q1q2q3aq3b{q3HQh3ah3bh1h2图4多热源供热系统汇流点区域设计工况Q-H图2热媒输送功率的计算热网内热媒循环流动的动力是通过循环水泵实现的。因此，在设计工况下，各循环水泵的功率总和即是该工况下的热媒输送功率。在图2中绘制了热源循环水泵组的工作曲线HS(x)，则热媒输送功率可用该曲线与y轴所包围的面积来表征：0QSWHxdx(3)式中：W为热媒输送功率，Q为系统总流量。实际上，由于传统供热系统以满足最不利用户的需用压头来选择热源循环水泵，必然造成某些热用户其资用压头大于它们的需用压头。为了保证水力平衡的要求，不得不借助阀门等设备消耗剩余压头，这部分无效功率V为：0QSUVHxhxdx(4)可见，循环水泵的功率W减去阀门消耗的无效功率V，即表示实际用于热媒输送的有效功率。该有效功率是系统热媒输送功率的最小值，称为供热系统热媒输送的需用功率，它是热源、热网和热用户三部分的需用功率之和[8]。由于热用户环路已经包含了它所经过的热网和热源，因此在设计工况Q-H图中，热媒输送需用功率为热用户环路阻力曲线与y轴所包围的面积，即：min0QUWhxdx(5)式中：Wmin为热媒输送的需用功率。3循环水泵的配置形式与热媒输送功率3.1分布式循环水泵供热系统从图2可见，循环水泵集中配置在热源处的传统方案以最不利热用户的环路阻力（即最大热用户环路阻力）作为参考值。由于热网设计中仅凭管道路由和管径的设计很难使各热用户环路阻力相等或接近，总是存在近热源端的热用户环路阻力小而远端环路阻力大的情况，因此，集中式的热源循环水泵配置势必依据该热源供热范围内的最大流量和最大热用户环路阻力，必然造成无谓的浪费[4]，即式(4)表示的无效功率V。由式(4)易知，当HS=hUmax时，系统的无效功率V取得最大值；当HS≤hUmin时，V=0。从热源循环水泵选型的参考点看，热用户环路阻力是决定系统循环水泵配置的基本因素。当以最小热用户环路阻力作为参考点时，绘制单热源系统的热源循环水泵压头曲线H'S(x)，如图5所示。此时，热用户环路阻力hU(x)≥H'S(x)，即仅凭热源循环水泵提供的动力，除所参考的环路阻力最小的热用户外，其他热用户均不能达到设计的输送动力要求。为此，采取分布式配置循环水泵的方法，即对各输送动力不合格热用户另行安装循环水泵，以克服各自的环路阻力。其中热用户循环水泵的选型参考热用户设计流量和热用户环路阻力与热源循环水泵扬程的差值（即hU(x)－H'S(x)）。以最小热用户环路阻力为参考，在热源和热用户处分别配置循环水泵的系统（称为分布式循环水泵供热系统[4,9]）使无效功率V降至0，热媒输送功率W'=Wmin。实际工程中，由于难以选择合适的小流量、大扬程的水泵，往往在[hUmin,hUmax]区间内折衷选取参考点，如图5中热源循环水泵压头曲线H''S(x)。此时，H''S(x)和hU(x)的交点q''之后的热用户应设置相应参数的循环水泵，工作流量为热用户的设计流量，工作扬程等于hU(x)－H'S(x)。该系统用于热媒输送的功率W''为：0qQSUqWHxdxhxdx(6)050010001500200001020304050607080q''hU(x)H'S(x)H''S(x)HS(x)H(m)Q(t/h)图5分布式循环水泵供热系统设计工况Q-H图参考不同的热用户环路阻力，分布式循环水泵供热系统中循环水泵的配置与选型各不相同。当以最小热用户环路阻力为参考时，分布式循环水泵系统所需的热媒输送功率最小，仅为需用功率[8]；而特殊地，当以最大的热用户环路阻力为参考时，即得到集中配置热源循环水泵的传统方案，热媒输送功率最大。分布式循环水泵系统配置灵活，尤其适用于系统改扩建工程。3.2中继泵系统由于供热系统个体的差异、所处环境的不同，循环水泵配置的系统形式也需要因地制宜。传统的中继泵系统形式不仅在处理地形高差等方面拥有优势，它也具备一定的节能特点。从图6所示的设计工况Q-H图中可见，热源循环水泵压头曲线H'''S(x)与中继泵压头曲线Hp(x)，x∈[q''',Q]组成的输送动力曲线与仅由热源循环水泵提供动力的HS(x)相比，前者的功率比后者小，其值0qspSWHxHxdx，如图6中阴影所示。在中继泵系统中，根据不同的热用户环路阻力配置热源循环水泵和中继泵，将得到不同的系统压力分布和节能性。而不同于分布式循环水泵系统，中继泵系统中热媒输送功率的大小不仅取决于热源循环水泵的扬程，还取决于中继泵的流量。如图6所示，当参考q'''所在中继泵系统方案的前一个热用户环路阻力时，热源循环水泵扬程减小ΔH，流量仍为系统总流量Q；此时中继泵扬程增加ΔH，流量增加Δq，系统总输送功率变化为(－QΔH+QpHp－(Qp+Δq)(Hp+ΔH))。对于图6表示的系统而言，ΔH远小于Δq，热源循环水泵降低的功率小于中继泵需要增加的功率，系统总输送功率增加。可见，中继泵系统的热媒输送功率与参考的热用户环路阻力的关系并非遵循与分布式循环水泵系统相同的规律，其并不具备针对参考热用户环路阻力的普遍规律。相比于分布式循环水泵供热系统中的热用户循环水泵，虽然中继泵站的初投资较高，但是其循环水泵（包括中继泵）功率大，效率高，便于集中管理、维护，能够适应特殊的地形要求，仍然有较大的应用范围。050010001500200001020304050607080ΔqΔHq'''Hp(x)H'''S(x)hU(x)H(m)Q(t/h)WSPSPSUnPS——热源循环水泵；P——中继泵；Un——末端热用户图6中继泵系统设计工况Q-H图4结论相比于复杂的公式分析[8]，采用设计工况Q-H图研究热媒输送功率更加直观，并突出反映了系统循环水泵的布置形式与热媒输送功率之间的关系。与循环水泵集中配置在热源处的传统形式相比，分布式循环水泵系统与中继泵系统都具备不同程度的节能性。两种系统中，热源循环水泵的选型依据均为热用户环路阻力。随着参考热用户环路阻力的增加，热源循环水泵扬程增大，