供热系统分布式变频循环水泵的设计

1供热系统分布式变频循环水泵的设计鞍山热力院魏占武摘要：本文详细阐述了供热系统分布式变频循环水泵最优方案的确定过程，并对其设计、运行的基本方法进行了介绍。关键词：供热系统循环水泵分布式变频作者在2004年的供热技术交流会议上曾作过“供热系统循环水泵传统设计思想亟待更新”[1]的学术论文报告。文章对六种新的设计方案与传统的循环水泵的设计方案进行了比较，并指出：新的设计方案比传统设计方案，其循环水泵的装机电容量可节约1/3~2/3。但文章没有明确给出新的最优设计方案是什么？也没有阐述新的设计方案如何进行具体设计与运行？经过近二年的进一步研究，作者在这次论文中，即“供热系统分布式变频循环水泵的设计”中试图就上述问题作出明确回答，以期在同行中进行讨论。一、最优方案的确定在“供热系统循环水泵传统设计思想亟待更新”（以下简称“更新”）一文中指出：在传统的热源单循环水泵的设计中，存在过多的无效电耗。为防止无效电耗的发生，本文在“更新”一文的六种方案的基础上，重新提出了三种设计方案与传统方案进行比较。为叙述方便，仍沿用“更新”一文中的供热系统：该系统共10个热用户（或10个热力站），供回水设计温度85/70℃，各热用户设计流量均为30t/h，热用户资用压头为10m水柱，供回水管道总长度7692.3m，设计比摩阻60Pa/m，局部阻力系数30%。各热用户之间的外网供、回水干管长度各为384.6m。热源内部总压力损失为10m水柱。循环水泵的效率按70%选取。根据上述参数，该供热系统按照传统设计方法，设置在热源处的循环水泵的扬程为80m水柱，流量为300t/h，理论功率为93.4kw。所选定的三种新的设计方案为：方案1，热源泵与热用户泵合一，承担热源内部的水循环和各热用户资用压头的建立；热网泵由设在各热用户供回水干管上的共20个加压泵承担。方案2，热源泵、热网泵和热用户泵各司其职，即热源泵只承担热源内部的水循环，热网泵由供回水干管上的20个加压泵承担，热用户泵由热用户各自的共10个加压泵承担资用压头的建立。方案3，热源泵单独设置；热网泵与热用户泵合一，其功能由10个热用户泵承担。上述三种设计方案的循环水泵的总功率（理论），根据特兰根定律，可按如下公式计算：No=ΣGiΔHi（1）367oNNkw（2）2式中，Gi—供热系统各管段的流量，t/h；ΔHi—供热系统各管段的压降损失，m水柱；η—水泵效率，取70%；No—由特兰根定律计算的循环水泵总功率；N—单位为kw的循环水泵总功率。将计算结果绘制成相应的水压图。图0为传统方案，图1为方案1的水压图；图2为方案2的水压图；图3为方案3的水压图。表1给出了各方案的系统循环泵总功率计算值。30t/h212322242625271130t/h80mH2O循环水泵010014131230t/h30t/h1230t/h317161530t/h30t/h45628293030t/h201918830t/h30t/h7930t/h102030405060708090100mH2O405010mH2O图0传统设计方案注：0-30为供热系统各管段编号，0为热源，1-10为热用户3102521222324282627293015121101141323418171656720198910mH2O20mH2O3mH2O3mH2O3mH2O3mH2O图1方案1分布式变频循环泵供热系统注：热源泵(0管段)，扬程20mH2O，流量300t/h；11-30供回水干管上的加压泵扬程皆为3mH2O，流量依次为300、270、240、210、180、150、120、90、60、30、300、270、240、210、180、150、120、90、60、30(t/h)。212223242526282729303mH2O3mH2O3mH2O11013121233mH2O10mH2O1615144517181967810mH2O2010910mH2O图2方案2分布式变频循环泵供热系统注：热源泵（0），扬程10mH2O，流量300t/h；11-30供回水管上的热网加压泵扬程为3mH2O，流量依次为300、270、240、210、180、150、120、90、60、30、300、270、240、210、180、150、120、90、60、30（t/h）；1-10热用户泵，扬程皆为10mH2O，流量皆为30t/h。4021113212223121310mH2O3m3m10mH2O54242526141516876282729181719910302030mH2O6m6m9m9m15m15m12m12m24m24m21m21m18m18m30mH2O27m27m10mH2O10m10m10m10m10m10m10m10m图3方案3分布式变频循环泵供热系统注：热源泵（0），扬程10mH2O，流量300t/h；1-10热用户（热网）泵，流量皆为30t/h，扬程依次为16m、22m、28m、34m、40m、46m、52m、58m、64m、70m。表1各方案循环泵总功率方案名称01233+循环泵总功率(kw)93.461.961.961.922.6电耗节约量(kw)031.531.531.570.8节电百分比(%)033.833.833.875.8注：方案3+为方案3的变形，详述见后。从图0-图3和表1，可以得出如下结论：1．与传统方案（方案0）相比，方案1、方案2、方案3的循环水泵总功率皆由93.47kw下降为61.9kw，节电31.5kw，即节电33.8%。对比水压图，可以明显看出，方案1、2、3无论热源泵、热网泵和热用户泵，所提供的电功率全部在各自的行程内有效地被消耗掉，而没有无效电耗。亦即，方案1、2、3单从节电的角度考虑，都是优选方案。2．观察方案1、方案2，可以发现：要想在热网干管上消除无效的输送电耗，必须在每个供回水干管上设置加压循环泵，此时，各干管上的加压泵扬程（3mH2O）与该干管的压降相等；加压泵的流量与该干管输送流量也相等，从特兰根定律可知，各管段的电耗等于该管段压降与输送流量的乘积，因而干管加压泵提供的电功率正好全部用于该干管输送热媒时所需要的电耗，达到了在干管上输送热媒时没有无效电耗的目的。这同时也告诉我们，只要不是每个干管都加装加压泵，而只是在热网干线上设置有限数量的加压泵，必然产生无效电耗（虽然加压泵扬程与管线压降一致，但加压泵流量却大于管线实际输送流量）。从上述分析，可以明显看出：在实际工程中，要在热网供回水每个干管上都装加压泵，是很不现实的；不但从初投资考虑不经济，而且运行管理也很不方便，因此，方案1、方案2从全局考虑，不是最优方案。3．从整体考虑，方案3是最优方案。该方案的特点是取消独立的热网循环5泵。热源循环泵只承担热源内部的水循环，热用户循环泵既承担热网循环泵的热媒输送功能，又承担在热用户建立必要的资用压头的功能。在热用户（含热力站、热用户入口）设置热用户循环水泵，不但有节电的优越性，而且也比较经济，其初投资远比每个供回水干线上加装加压泵要少的多。从工程上考虑，其选址，占地等事项可与热力站、热入口一并解决，也比较方便。与方案3还有类似的方案，如热用户的资用压头交由热源循环泵承担，热用户循环泵实际上只承担热网循环泵的功能；再如，完全取消热源泵，热源、热网和热用户循环泵的功能全由热用户循环泵承担，这些方案从技术、节能、投资等方面考虑都是可行的，但从运行管理角度考虑，由热用户操纵热源循环泵或是由热源管理热用户资用压头的建立，都不是很方便。因此，综合各种因素考虑，方案3分布式变频循环水泵系统是最佳方案，应加以大力推荐。方案3，最大的特点是热用户循环泵承担了供热系统热媒的输送功能。该方案与传统方案比较，传统方案是将热媒在管道中“推着走”，最佳方案则是在管道中让热媒“抽着走“；反映在水压图上，最大的区别是，传统方案供水压力（供水压线）大于回水压力（回水压线）；最佳方案则是回水压力（回水压线）大于供水压力（供水压线）。4．当直连供热系统的供热规模较大时，在提高一次网供水温度同时，把方案3中的热用户循环水泵改为加压混水泵，既起加压泵的作用，又起混水作用，称为方案3+，其节电效果更好。参看表1可知，此时装机电容量为22.6kw，节电75.8%。这主要是因为在提高供水温度的同时，加大了一次网供、回水温差，进而降低了一次网循环流量，由于循环流量与电功率是三次方关系，所以节电效果更明显。方案3+的系统示意图和水压图见图4，其中一次网供水温度为95℃，回水温度70℃，二次网供水温度85℃，回水温度70℃，其混水比μ=2/3（即一次网流量18t/h，二次网混水量12t/h，热用户循环水量仍保持30t/h）。对于大型间接连接供热系统，提高一次网供水温度，减少一次网循环流量，其节电效果同样可达2/3左右。何时采用方案3？何时采用方案3+？应根据实际工程确定。10mH2O30mH2O30mH2O10mH2O10mH2O3029272628252423222112m6m9m2011123m3414131510m6m3m10m9m12m10m27m24m21m15m18m5671617188910192010m18m15m10m21m10m27m24m10m10m1均压管图4方案3+分布式变频加压混水泵供热系统注：一次供回水温度95/70，二次供回水温度85/70，混水比2/3。热源泵（0），6扬程10mH2O，流量180t/h；热用户加压混水泵（1-10）流量皆为30t/h；扬程依次为16m、22m、28m、34m、40m、46m、52m、58m、64m、70m。热用户回水混水量皆为12t/h，热用户供水量皆为18t/h。二、系统的设计与运行经过上述分析，方案3和方案3+为最优设计方案。在供热系统分布式变频循环水泵的设计与运行的讨论中，都以方案3和3+的系统形式为基础进行。1．循环泵的选择循环水泵的选择，主要是确定设计扬程和设计循环流量。对于热源循环泵，其设计扬程即热源内部水循环系统的总压力损失，包括锅炉、配套设备以及管路的压力损失之和。设计流量即为供热系统的总设计流量，取决于供热系统的总热负荷和供回水设计温度的取值。循环水泵扬程、流量一般不需要增加余量系数。各热用户循环水泵设计流量，不论是加压泵还是混水加压泵，都按各热用户的设计流量选取。当一次网供回水设计温度与二次网供、回水设计温度不一致时，选用二次网供、回水设计温度进行计算。各热用户循环水泵扬程的确定，要在整个供热系统水力计算（计算方法全同传统设计方法）的基础上进行。具体步骤是：先确定各热用户的循环环路，如热用户1由管路1、11、21组成；热用户10则由管路10、11-20和21-30组成；……。在此基础上，分别计算各热用户所有组成管段的压力损失之和，其值即为该热用户循环水泵的扬程。利用上述方法，对最佳方案3和3+的循环水泵进行了参数选择，计算结果由表2给出。其中方案3+的管段流量在表2中由括号内的数据显示。不难看出：方案3+比方案3更加节电，原因是各管段压降相同的情况下，其流量普遍减小所致。2．最佳汇交点的确定在供热系统分布式变频循环水泵的研究中，有人提出供热系统水压图最佳汇交点的确定问题。当热源循环泵和部分热用户循环泵都各兼有热网循环泵的功能时，即供热系统靠近热源端的热用户热媒由热源循环泵“推送”，而远离热源端的热用户热媒由热用户循环泵“抽送”，此时，系统水压图必然呈图5所示的状况。在水压图汇交点左侧，即靠近热源端的水压图，供水压力大于回水压力，在水压图的右侧，即热源的远端水压图，回水压力大于供水压力，在水压图汇交点处，供水压力和回水压力相等。从图5可以发现：确定水压图汇交点的位置，本质上是确定“推送”、“抽送”的“势力范围”。热源汇交点供水压线回水压线回水压线供水压线图5分布式变频循环泵水压图汇交点示意图7表2方案3（方案3+）循环水泵选择管段编号流量（t/h）管段长度(m)比摩阻(Pa/m)局阻当量长度(%)压降(m)用户1压降(m)用户2压降(m)用户3压降(m)用户4