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1、1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 1/32/3。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
2、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/
3、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
4、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=GiHi (1)kw (2)367oNN2式中,Gi供热系统各管段的流量,t/h;Hi供热系统各管段的压降损失,m 水柱;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
5、泵总功率计算值。30t/h212322242625271130t/h 80mH2O循环 水泵010014131230t/h30t/h1230t/h317161530t/h30t/h45628293030t/h201918830t/h30t/h7930t/h102030405060708090100mH2O4050 10mH2O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
6、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 3 mH2O,流量依次为 300、270、240、210、180、150、120、90、60、30、300、270、240、210、18 0、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 10 mH2O,流量 30
7、0t/h;11-30 供回水管上的热网加 压泵扬程为 3 mH2O,流量依次为 300、270、240、210、180、150、120、90、60、30、300、270、240、210、18 0、150、120、90、60、30(t/h) ;1-10 热用户泵,扬程皆为 10 mH2O,流量皆 为 30t/h。4021113212223121310mH2O3m3m10mH2O54242526141516876282729181719910302030mH2O6m6m 9m9m15m 15m12m 12m24m24m21m 21m18m 18m 30mH2O27m27m10mH2O10m10m1
8、0m10m10m10m10m10m图 3 方案 3 分布式变频循环泵供热系统 注:热源泵(0) ,扬程 10 mH2O,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
9、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 (3 mH2O)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
10、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
11、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,
12、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
13、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=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
14、时采用方案 3?何时采用方案 3+?应根据实 际工程确定。610mH2O30mH2O30mH2O10mH2O10mH2O3029272628252423222112m6m9m2011123m3414131510m6m3m10m9m12m10m27m24m21m15m18m5671617188910192010m18m15m10m21m10m27m24m10m10m1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) ,扬程 10 mH2O,流量 180t/h;热用户加压混水泵(1-10)流量皆为
15、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
16、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