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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
