污水源热泵系统旁路串联水泵

165污水源热泵系统旁路串联水泵流量特性分析哈尔滨 工业大学市政环境工程学院 张承虎 ☆ ，刘志斌，吴荣华，孙德兴摘 要：本文建立了污水源热泵系统中污水子系统的旁路串联水泵模型，基于实际工程数据，通过数值计算，分析了管路阻抗、水泵性能对系统实际用水量和流量系数的影响特性，讨论了系统的运行稳定性和调节性，论证了旁路串联水泵的技术可行性，并据此给出了污水子系统双级水泵的选择要点和系统调试方法，为污水源热泵系统的工程设计提供参考关键词：污水源热泵、双级水泵、流量、稳定性、调节性0 前言城市原生污水作为一种优良的热泵系统低位冷热源，具有许多十分突出的优势：流量稳定、分布合理、取排简便、热容量大、换热效率较高、冬夏温度适宜等但是其自身也存在一些难以回避的缺点，采用热泵系统利用污水热能的第一技术难点就是如何避免大尺度悬浮污杂物堵塞管道设备和换热设备 [1-4]针对这一问题，国内外诸多学者研究开发了形式各样的不同工艺和设备 [5、6] ，其中哈尔滨工业大学孙德兴教授的科研组采用水力连续排污装置已经可靠地解决了“堵塞”这一难题 [7、8] 采用这一装置的污水源热泵系统污水子系统的一个特点就是选用了双级污水泵，其系统如图 1 所示。

该系统的起点和终点压力均为大气压，相对压力为零由于水力连续排污装置自身的结构和工艺特点决定了图中 3 点到 8 点之间存在流道，即污水子系统的管路阻抗如图 2 所示可见，一级污水泵与二级污水泵并不是简单的串联关系，他们之间存在着旁通流道，笔者将这样的水泵联接关系称为“旁路串联”关系381 流量分析及控制方程图 2 中 表示污水换热器及其附属管道的阻抗，它是影响系统运行稳定性的主要因素；hS、 、 为水力连续排污装置的内部阻抗，运行期间是不可改变量，而 、34S87 01S、 、 为其他外部管道的阻抗，可通过改变阀门的开度来调节其阻抗值，它们是平250S衡流量分配的主要手段设定一级污水泵的工作流量为 ，即系统实际供水量；二级污水SQ基金项目：国家自然科学基金委员会资助项目（50578048） ；北京市“供热、供燃气、通风及空调工程”重点实验室开放课题（KF200503）☆张承虎，男，1980 年 2 月生，博士研究生，150090 哈尔滨工业大学二区市政环境工程学院 2651#（0451）86283783，13766830371E-mail:chenghuzhang@; 图 1 污水子系统示意图一一图 2 污水子系统管路阻抗图01SH23S3445S2Hh7880166泵的工作流量为 ，即实际用水量，因为只有这部分流量真正进入换热器进行了换热；旁UQ路 的流量为 ，即实际漏水量，这部分流量不能参与换热，其流向可能是从 3 点流向38L8 点，也可能是从 8 点流向 3 点，本文规定前者流量为正，后者流量为负。

同时称管路为一级管路， 管路为二级管路0568该双级水泵污水子系统的另一个特点也是由于水力连续排污装置自身的结构和工艺特点决定的，即旁路 的阻抗 非常小，一般为换热器阻抗 的千分之一到百分之一3838ShS旁路小阻抗这一特点导致了流量分配严重不平衡，同时也决定了该系统不是一个稳定的系统影响流量分配平衡性的另一个重要因素就是各级水泵的流量—扬程函数 、1SHQ采用流量系数 作为系统流量分配的设计参数，同时它也是评判系统设2UHQSUQ计和运行是否合理的重要指标 [9]根据基尔霍夫（Kirchhoff）定律 [10]，可列如下三个方程：SLU2101238038())0SL2457hULH为了简化计算，用 表示一级管路的总阻抗 ，用 表示二级管路的总阻1 012380S2S抗 ，用 表示内部漏水阻抗 ，并代入流量系数公式，可简化得到：34578hSSL38SUQ 0（1）2 21()(1)0ULUHSQ（2）222()()ULUQ（3）2 一般性理论分析污水子系统在设计时必须保证工程冷热负荷对进入换热器的污水流量和水温的要求，即 （设计负荷对应的设计流量） ，且 （保证没有回流混水降低水温） 。

理论UdQ 1.0上， 时， ，且 3 点与 8 点之间的压差 ，此时系统耗功最少但是由1.0L LH于调试过程中压力表测量误差的存在， 虽然 可能会很小，但是由于 也是0L LS很小的量，还是会导致 ，并且偏离较远，即 可能会很大根据这一原则来计1.01算和选择两级污水泵，即二级水泵根据设计流量 及其对应的二级管路阻力 来选择型dQ2H167号；二级水泵根据流量： (4)dLdQHS及其对应的一级管路阻力 来选择型号其中 称为设计流量系数，它与压力表精度1和设计流量 有关，压力表精度越差，则设计流量系数越大，设计流量越大则设计流LHd量系数越小因此水力连续排污装置所配备的压力表应该提高精度，同时也说明了该装置更适用于规模较大的工程在系统调试和运行期间管路阻抗 和 都将发生改变，例如换热器由于软垢的增长而1S2导阻力增加等 [9]，而影响调节效果和运行稳定性的因素有 ，两级水泵 、 的流量--扬LS1P2程特性 、 （对实际工程用水泵都有 ， ） 本文定义 4 个系统运行1SHQ2U 10SHQ2U参数 、 、 、 ，这些参数一方面表示系统的调节灵敏性，另一方面1U12S2却表示系统的运行稳定性 [11]。

以 、 、 、 、 为可变量， （2）式和（3）式构成的L1S2U方程组可以确定两个隐函数，即 和 ，于是可以求出 、 相对,ULQ12,LSUQ于 、 、 的变化率如下：LS12（5-21LUUQA(0)a）（5-1122LUU SHSA(0)b）（5-112USULQSA(0)c）（6-221 1ULUUHSQSA (0)a）（6-1221/ULUSQS (0)b）168（6-122UUSLHQSSA     (0)c）其中： 1 22 122LLS UHHASS1 121244LUUSU Q 0A（7）（5-c）和（6）式的符号是在 和 、 的条件下得出的，他们表示.01LS2LS系统各阻抗改变时，流量和流量分配的变化趋势，而各式的绝对值大小则表示这种变化趋势的强烈程度工程设计的目标是 减小而趋近于 1， 增大而趋近于 ，由于UQdQ， ， ，可以用这三个参数来考察系统的稳定性，即当长时间10UQS20US2运行后由于软垢或者淤塞而导致阻抗增加， 不能有很大的变化； ，就用它来考U10S察系统的调节性。

但是为了避免调试调节上的困难和减小运行能耗，设计时首先应考虑的是尽量减小 ，增大 ，使系统具有较好的“先天条件” ，其次才是考虑设备和参数对稳UQ定性和调节性的影响3 数值模拟基础数据本文数值模拟的基础数据采用哈尔滨太古商城污水源热泵供暖空调工程的实测数据如表 1 所示由于一般的污水泵自身没有自吸能力，水泵入口须靠重力自流来满足流量需求，因此 [12]表中其它阻抗数据是用系统调试时的实测压力（阀门全开，换热器全0S用）和流量计算得出的水泵的数据为额定流量和扬程，设计时根据（4）式确定（但实际工程设计时扬程都稍作了放大） ，为了避免城市原生污水的挂壁、淤沉、积塞、非满管流，一级管路在设计时应当尽量平直，减少局部阻力，管径适当放大，因此一级管路的阻抗较小本文计算中除了横坐标的改变量外，其他均取表 1 中的实际数据不变表 1 数值模拟基础数据项目 1S25(/)sm2S5(/)smLSP3(/,)mh2P3(/,)hm子项 02380345h783SQ1HU2数据 0.0 500 500 9 79 3000 1800 150 293 10.0 200 20.0合计 1000 4888 150 293 10.0 200 20.01694 管路阻抗对系统的影响改变一级管路的阻抗，通过数值计算，得如下曲线图 3、图 4（本文所有曲线图左坐标均为流量 及其导数的相关数据，右坐标均为流量系数 及其导数的相关数据）：UQ3/mhUQ1S25/sm图 3 一级管路对流量的影响65210/ms65210/ms1UQS11S25/sm图 4 对运行稳定性的影响1分析如下：1、图 3 说明阻抗 增加，二级流量 下降，图 4 说明 的下降幅度很小（1UQUQ左右） ；而且 越大，其系统对其运行稳定性也越好（ 在减小） ，当6524.0/ms1S 1US大于某一数值后（本例 ） ， 开始保持不变，即 对 的运行稳定性很1S25130/smUQUQ1好。

2、图 3 说明阻抗 增加，流量系数 下降，图 4 说明 的下降幅度较大（1S左右） ；而且 越大，其调节性能下降但依然较好（ 在减小但依然较652710/ms1 1S大） ，当 大到某一数值后（本例 ） ， 已经非常接近于 1.0，再增加时，1S25130/Ssm将小于 1.0，说明将有回水掺混现象发生 时，  2510/s1.改变二级管路的阻抗（换热器软垢阻抗增加或者运行台数减少） ，通过数值计算，得如下曲线图 5、图 6：1703/mhUQ25/sm2S图 5 二级管路对流量的影响65210/ms65210/ms2UQS2S25/sm2图 6 对运行稳定性的影响2S分析如下：1、图 5 说明阻抗 增大，二级流量 下降，图 6 说明 的下降幅度较大（2SUQUQ左右） ；而且 增大，系统运行稳定性有所好转但依然较差（6270/ms时 ） 2528/S65210/UQmsS2、图 5 说明阻抗 增大，流量系数 增加，图 6 说明 的增加幅度较大（2左右） ；而且 增大，系统运行稳定性有所好转但依然较差（ 627310/msS 25280/Ssm时 ） 。

6521/UQsS根据上述计算和分析所得系统特性，有如下结论：1、系统调试的步骤应为首先调节二级管路阀门使流量达到运行要求，然后调节一级管路阀门使流量系数达到要求2、二级阻抗对系统运行稳定性影响很大，这是由于漏水阻抗很小造成的，但是工程中不可能靠增大二级阻抗的办法来改善稳定性，只能靠改进系统工艺、设备制造、运行管理等措施5 漏水阻抗对系统的影响由于设备工艺问题，漏水阻抗不可能达到很大从计算结果曲线可看出：1、图 7 说明漏水阻抗增大，二级流量增大，流量系数减小，图 8 说明 对流量和流LS量系数的影响幅度较大（分别在 ， 左右） ，这是我们希望看到652180/ms6524710/ms的结果与其在运行中对 和 进行调节，不如在设计时就把他们确定在一个合理的数值UQ上，因此我们需要 尽量大些LS1712、图 9 说明漏水阻抗增大， 有所增加， 也有所减小，即系统对一级管1UQS1S路的运行稳定性变坏，调节性变差，但是前面的结果说明 本身就非常小，而1UQ却非常大，因此这种恶性变化并不会明显改变一级管路对系统的影响特性；图 10 说1S明漏水阻抗增大，实际用水量和流量系数对二级管路的运行稳定性得到一定改善。

在设备工艺允许的范围内尽量增大漏水阻抗，虽然稍微恶化了一级管路对系统的稳定性和调节性，却可以减小设计工况下的流量系数，增大实际用水量，使系统更易调节调试，同时改善了二级管路的运行稳定性，减小水泵耗功 3/mhUQLS25/sm图 7 漏水阻抗对流量的影响65210/ms65210/msULQSLS25/sm图 8 流量对漏水阻抗的变化率65210/ms65210/1UQS1LS25。