技术交流丨供热系统分布式变频循环水泵的设计

日期： 2024-11-29

《供热系统分布式变频循环水泵设计》

传统设计方法存在的问题

供热系统循环水泵传统的设计方法是根据最远、最不利用户选择循环水泵，并设置在热源处，用于克服热源、热网和热用户系统阻力。这种设计思想，从根本上带来了如下难以克服的缺点:

1、在供热系统的近端(靠近热源处)热用户，形成了过多的资用压头。为了满足近端热用户循环流量，必须设置流量调节阀，将多余的资用压头消耗掉，这种无谓的节流损失是循环水泵设计方法本身造成的。

2、极易形成冷热不均现象。由于近端热用户出现过多的资用压头，在没有很好的调节手段的情况下，近端热用户流量超标，是很难避免的;这种近端流量超标，必然又带来远端流量不足，形成供热系统冷热不均现象。

3、为落后的大流量运行方式提供了平台。在出现冷热不均现象的同时，从水力工况的角度考虑，必然形成喇叭形的水压图，也就是系统的末端出现供回水压差过小即热用户资用压头不足的现象。在这种情况下，为提高供热效果，增加末端热用户的资用压头，往往采用加大循环水泵和(或)末端增设加压泵的作法，从而使供热系统循环流量的超标，进而形成大流量小温差运行方式。

4、造成了供热系统能效水平的低下。供热系统能效高低，取决于二方面因素:一是无效供热量的多少，无效供热量包括锅炉热损失、外网热损失和系统冷热不均引起的无效热量;二是管网热媒输送中的无效电能的数量。其中冷热不均的无效热量和热媒输送过程的无效电能都与循环水泵的设计方法不合理有直接关系。

对图1两种水压图下的循环水泵进行功率N计算，(各管段的流量、压降都是已知的设计值)，则公式中的NW，即为系统的无效电耗，其中Na、Nb分别为这二种设计方法下的循环泵电功率。从计算过程可以了解到:N_W=N_b-N_a。

虽然各外网管段的压降与传统方案对应管段的压降相等，但这二个方案提供的功率却是不同的。

设计模型

为方便起见，将供热系统设计为10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lOmH2o，供回水管道总长度7692. 3m，设计比摩阻60Pa / m，局部阻力系数为30%。各热用户之间的外网供、回水干管长度各为384. 62m。热源所在管段的压力损失为lOmH2O，水泵效率按70%选取。对于传统设计方案，循环水泵扬程为80mH20循环流量为300t /h 。理论功率为93.4KW。

结论：

1，与传统方案(方案0)相比，方案1、2、3、4的循环水泵总功率皆由93.43KW下降为61.90 KW ，节电31.53 KW,即节电33.75%。对比水压图，可以明显看出，方案1、2、3、4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、4单从节电的角度考虑，都是优选方案。

2.观察方案1、2、3可以发现，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。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。

3.从整体考虑，方案4、5是最优方案，该方案的特点是取消独立的热网循环泵，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。

方案4，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); 方案4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4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，即方案5，其节电效果更好。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5的系统一次网供水温度为95℃，回水温度70℃ ，二次网供水温度85 ℃ ，回水温度70 ℃，其混水比u=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）。

系统的设计与运行

经过上述分析，方案4和方案5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4和5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。

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l由管路1、11、21组成;热用户10则由管路10、11～20和21 ～ 30组成。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。

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，系统水压图如图所示。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”。

从最佳方案4和5的阐述过程，已经清楚地了解到其热源循环泵只承担热源内部的热媒循环，不再担任任何热网循环泵的热媒输送功能，因此水压图最佳汇交点的位置是在热源出口处。

3.沿途加压泵的设置

当供热系统供热规模过大，供热半径过长时，最优方案4和5的供水压力可能过低，回水压力可能过高，此时在供热干线上有必要适当设置沿途加压泵，以改善系统的压力工况。其设计方法全同传统设计。

4、调节阀的取舍

在分布式变频循环水泵的最优方案中，由于基本上消除了无效电耗，没有多余的资用压头需要节流，其最大的特点是几乎很少选用流量调节阀。如果采用变流量调节，通常选用变频装置，依靠改变热用户循环水泵的转速来实现从而可以免装大量电动调节阀，不但节电，而且节约投资。

在方案4,5的最优方案中，为了提高热用户各室温的可调性，在每个散热器上必须安装的流量调节设备是恒温阀，除此之外，为了保证恒温阀的工作压差，可根据室内供暖系统的具体情况，在建筑物热入口可适当安装少量的手动平衡阀或自力式平衡阀亦或压差调节阀，借以节流10m水柱中的多余资用压头。

在方案5中，混水加压泵不能调节混合比，因此，在均压管的上游管段上应安装电动调节阀，借以调节一次网的进水量，从而改变混合比，实现二次网供水温度的要求。

本文转载自：供热运行与节能管理

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