供热系统分布式变频循环水泵的设计.docx
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供热系统分布式变频循环水泵的设计
供热系统分布式变频循环水泵的设计
清华大学石兆玉
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）
kw
（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。
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
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）。
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。
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
0
1
2
3
3+
循环泵总功率（kw）
93.4
61.9
61.9
61.9
22.6
电耗节约量（kw）
0
31.5
31.5
31.5
70.8
节电百分比（%）
0
33.8
33.8
33.8
75.8
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。
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），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”。
图5分布式变频循环泵水压图汇交点示意图
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
压降
（m）
用户5
压降
（m）
用户6
压降
（m）
用户7
压降
（m）
用户8
压降
（m）
用户9
压降
（m）
用户10
压降
（m）
热源
压降
（m）
1-10
30
10.0
11-21
300（180）
384.6
60
0.3
3.0
16.0
12-22
270（162）
384.6
60
0.3
3.0
22.0
13-23
240（144）
384.6
60
0.3
3.0
28.0
14-24
210（126）
384.6
60
0.3
3.0
34.0
15-25
180（108）
384.6
60
0.3
3.0
40.0
16-26
150（90）
384.6
60
0.3
3.0
46.0
17-27
120（72）
384.6
60
0.3
3.0
52.0
18-28
90（54）
384.6
60
0.3
3.0
58.0
19-29
60（36）
384.6
60
0.3
3.0
64.0
20-30
30（18）
384.6
60
0.3
3.0
70.0
0
300（180）
10
注：
方案3+的流量由括号内数据表示
从最佳方案3和3+的阐述过程，已经清楚地了解到：
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，此时循环泵才不再有多余的无效电耗，这是最佳方案。
这说明：
水压图最佳汇交点的位置是在热源出口处（见图2-4），其它任何方案都将产生无效电耗，因而是不经济的。
可以看出：
最佳汇交点的确定，与供热系统的供热规模、热负荷分布、系统形式都是无关的。
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3和3+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，有关水压图，见图6所示。
图6沿途加压泵设置
4．均压管的设计[2]
在供热系统的热源出口（图7中的a.b.c）和方案3+的热用户混水加压泵前（图7中的d）装设均压管。
均压管直径一般为相邻管段直径的三倍，目的是使其管内的压降接近为0，即均压管内为同一压力值，从而起到稳压的作用，借以减少管路间水力工况的相互干扰。
图7中的（a），适合于供热规模较大的系统，即外网管线较长，共用同一个供、回水干线。
图中（b），适合于作用半径不大的公共建筑的供热、空调水系统。
对于公共建筑，由于分系统较多，各自的供热、空调需求不同，特别期望系统工况稳定，尽量减少分系统之间的干扰。
采用（b）图的连接方式，各分系统自成回路，由于均压管内的压力为同一数值，因此各分系统的共用点的压力相等，从而消除了各分系统由于工况变动引起的互相干扰。
不难看出，这里的均压管，实际上起到了系统的解耦作用。
这种连接方式，须敷设多条供、回水干线，虽然增加了初投资，但稳定了运行工况，对于作用半径不大的公共建筑，应是一种可行方案。
图（c），适合于双泵系统，即将热源循环泵与热网循环泵分开设置的系统。
这是传统循环水泵与最佳分布式变频循环水泵二者之间的一种过度方案。
将热源循环泵与热网循环泵分开设置后，热网循环泵可以实现变频变流量调节，也有明显的节电效果。
图（d），适合于热用户有混水加压作用的3+方案。
在这种方案设计中，均压管上游端管段上安装有电动调节阀，借以调节混水加压循环泵的混合比。
一般在均压管上都安装有放气阀和泄水阀，有利于系统的维修。
5．变频补水定压的设计
图7中的（e）给出了带有均压管的热源处，进行变频补水定压的设计方法。
在热源循环泵的出口处至均压管之间，安装定压旁通管（管经在DN25-DN40之间，视母管管经而定），其上装设压力传感器和手动平衡阀，压力传感器反映均压管的压力，手动平衡阀可调整均压管（即压力传感器）的压力值。
该设计方案的指导思想是，将均压管的压力值调节控制为系统恒压点压力值，其目的，一是为了让均压管更好地发挥解耦作用，提高系统的工况稳定性；二是使均压管按相邻管段同直径设计，不再增大管径，有利于系统的施工安装。
采用3或3+的最佳设计方案，由于外管网供水压线的压力值低于热源处均压管的压力值，且沿管线的外延，其压力值愈低的特点，在热源处，系统恒压点压力值的确定也与传统方法有所不同，其恒压点压力设定值应为：
外网最远点供水管热媒不汽化的压力值与该点自热源处的压力降之和。
不难发现：
新的设计方法与传统设计方法相比，供热系统恒压点的设定压力要高得多。
（a）（b）
（c）（d）
（e）
图7均压管示意图
6．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（包括间接连接供热系统）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3、3+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3+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。
7．运行中的调节控制[3]
分布式变频循环水泵供热系统，为了充分节电，无论室内为双管系统还是单管系统（保证恒温阀在微调状况下运行，以降低节流损失）在运行中应该采用变流量（质量并调）调节方式。
在整个供暖季，随着室外气温的变化，循环流量应在50-100%的设计流量下运行，经计算变流量运行可节电50%。
这样，分布式变频循环水泵供热系统的总节电量（循环水泵装机节电量与运行节电量之和）为65-85%。
变频器的选择，采用通用型的，其功率应与循环水泵的电机功率相一致。
控制器的选择，应根据相配套的循环水泵的不同功能而定：
对于热源循环泵，选用只有变流量调节功能的控制器（也可与锅炉控制器合一）；对于热用户（热力站）循环泵，则应选用具有质量并调功能的控制器。
变流量调节，采用变压差的调节方法：
随着室外温度的变化，控制器根据设定压差的变化，改变电机频率，进而改变循环泵转速，达到变流量的目的；在室外温度不变的情况下，根据设定压差的偏离，进行变流量调节，适应热用户热负荷的变动需求。
热源循环泵进行变流量调节时，通常在定流量调节下用于调节锅炉循环水量的旁通管可以不用。
当热源循环流量大于热网循环流量时，均压管内的流向与热源循环泵流向一致，否则，反向流动。
各热用户循环泵工况不同，会有工况耦合影响，但有热源均压管的作用，可减小这种影响；这种影响将反映在各热力站设定压差的偏离上，通过各热用户循环泵的变流量控制而加以消除。
在热力站进行的质量并调中，首先改变二次网循环水泵转速，使循环流量与室外温度相一致；在此基础上，调节一次网的热用户循环水泵转速或电动调节阀的开度，使二次网供回水温度达到设定值，实现供热量的调节。
热源、热力站的系统定压，应优先采用变频补水定压方式。
供热系统，应有关键参数的报警功能，特别应控制热网的供水压力不能过低，回水压力不能过高，否则系统发生倒空、压坏事故，影响正常运行。
参考文献：
[1]清华大学，石兆玉、李德英、王红霞“供热系统循环水泵传统设计思想亟待更新”《2004年全国供热技术研讨会论文集》
[2]北京建工学院，李锐“新型供热系统”《供热空调系统管理、节能、诊断技术指南》中国电力出版社，2004.1
[3]清华大学，石兆玉“变频调速在供热空调中的应用”《供热制冷》2004.10
4．均压管的设计[2]
在供热系统的热源出口和方案3+的热用户混水加压泵前装设均压管，按图7所示。
均压管直径一般为相邻管段直径的三倍，目的是使其管内的压降为0即均压管内为同一压力值，从而起稳压作用，借以减少管路间水力工况的相互干扰。
在热源均压管上安装有压力传感器，承担供热系统定压功能。
在热用户均压管上游管段上安装有电动调节阀，借以调节混水加压泵的混水比。
此外，在均压管上还安装有放气阀和泄水阀，以利方便运行。
（a）热源均压管（b）热用户均压管
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