一种新的分布式水泵供热布置方案分析

王海　王海鹰　朱彤

摘要：

供热管网的用户端应用分布式水泵代替阀门来调节水力工况有助于节约水泵能耗。在比较单热源枝状管网采用传统阀门调节和分布式水泵调节供热方案的水力工况和节能性能的基础上，提出一种新的分布式水泵供热布置方案。通过理论及案例分析了多热源环状管网应用这一新方案下的变工况水力调节性能、水温稳定性能及节能性能。结果表明，新的分布式水泵布置方案有利于降低供热系统的功耗、减缓用户水温波动，并具有供热质与量的调节相对独立、调节控制策略简便的特点。

关键词：区域供热；分布式水泵；水力调节装置；管网；节能

近年来，区域供热技术的发展越来越重视节能技术在多热源的分布式系统中的应用[13]。热源方面，热源形式由锅炉房和热电厂扩展到来源广泛的可再生能源[47]；热源的地理位置影响系统耗能[89]。流体输送方面，多热源供热系统需要采用更加节能且高效的输送方式将能源送到用户端使用[1012]。近年来，一些文献提出在区域供热管网输配中采用分布式水泵代替阀门来调节水力工况的技术[1314]。这种输配技术不仅有助于节约水泵能耗也更适应于多热源的综合能源利用。

在传统集中供热系统中，为满足热源远端热用户的供热需求，近端热用户的资用压头都大于其需用压头。为了达到设计的水力工况，多余的压头必须通过阀门等部件节流消耗。在大中型供热系统中，阀门的节流损失造成的能源浪费可达到30%以上[15]。当采用分布式水泵供热系统后，通过在用户端采用变频水泵代替阀门，可达到节能的目的[1618]。文献[19]讨论了一种分布式水泵供热系统的调节方式，提出采用定零压差点运行调节方式将使得供热系统运行调节较为简单，输送能耗也较小。文献[20]讨论了分布式水泵供热系统零压差点与输送功率的关系。在供热技术研究、工程应用方面，分布式变频调节系统均取得进展[21]。

但是，现有分布式水泵系统的节能分析和故障工况分析大多针对单热源、枝状供热系统[2223]，其应用于多热源环状管网的分析很少[24]。而多热源环状供热管网由于具有显著提高供热系统运行的可靠性、经济性和可扩展性的特点[2527]，被应用于越来越多的供热工程设计、改造项目。当前，在多热源、环状供热管网中应用分布式变频水泵来输送动力，还存在多水泵之间的联合调节较困难、供热网络的水力工况变化复杂等问题。针对这一问题，本文提出一种无热源循环泵的分布式变频水泵布置方案。与现有分布式水泵系统只适用于枝状管网不同，新方案可用于多热源环状管网供热系统的水力工况调节。为分析、对比这一供热方案的水力调节性能，下文将分别探讨：单热源枝状管网采用传统阀门调节、有热源循环泵的分布式水泵调节及无热源循环泵的分布式水泵调节3种供热方案的水力工况；多热源环状管网系统应用新的方案时供热系统的变工况性能；最后结合某一供热管网系统进行案例分析。

王海，等：一种新的分布式水泵供热布置方案分析

1单热源枝状管网的水力分析

小型的供热管网常采用单热源枝状管网，其传统的供热布置方案如图1所示，其水压分布如图2所示。图1所示的单热源集中供热系统中，管网中热水循环动力都由热源循环泵提供。那么，在热源近端的用户就存在资用压头大于需用压头的情况。此时，需要在用户处采用阀门进行节流，才能消耗多余的压头。由其对应水压图2可以看出，管道接入口d、e和f点后连接的用户支路均需要阀门节流，才能保证供、回水管路水力平衡及用户供水管入口的压力不超过用户散热器所能承受的压力。

图1传统单热源枝状管网布置方案

图2传统单热源枝状管网水压图

如果采用分布式水泵提供循环动力，有多种方案可选择[16，20，28]。图3所示为一种无阀门调节的供热系统布置方案，由热源循环泵和用户循环泵提供水流的动力。在设计工况下运行时，其对应水压图如图4方案a（实线）所示。在这种方式下，热源循环泵仅承担热源处水流的动力，用户的循环水泵提供该用户所用水量在管网中的循环动力。此时管网供水压线和回水压线的交点，即“零压差点”，在热源循环泵的入口点a或热源出口点c处。对于这种供、回水管对称的管网，其零压差点处于同一个地理位置。

图3单热源枝状管网分布式水泵布置方案

图4单热源枝状管网分布式水泵水压图

文献[16，20，28]中所提出的分布式水泵供热系统方案中，零压差点都位于热源处或热源与用户n之间某处。当零压差点位于热源处时，热源循环泵和用户循环水泵所提供的压头都用于热水动力循环，此时所有热用户都没有使用阀门调节，故节能率高[23]。方案a中，热源循环泵的扬程为：

用户处循环泵的扬程用于该用户水量在其支路和供回水干管的动力消耗。其中，用户1、2…末端用户n的水泵扬程分别为：

其中：ΔH为水泵扬程，m（H2O）；Sr为热源的阻力特性系数；Si（i=1， 2， …， n）为管段的阻力特性系数，m（H2O）/（m3·h-1）2；G为通过热源或用户的热水流量，m3/h。

然而，在实际运行中若要保持零压差点始终位于热源处是非常困难的。即便是在简单的单热源枝状管网的供热系统中，各用户循环泵和热源循环泵之间的配合也很难协调。比如在用户3处的热量需求增大，那么用户3处的水泵流量随之增大。为了保证水力平衡，那么热源循环泵的流量也要相应增大。如果热源处的流量增加量不恰当，就会影响其他用户的水力平衡。当多个用户流量都可能随时调整时，即便所有水泵都采用变频技术，协调各水泵的压头和流量的策略也会变得非常复杂。如果为多热源环状管网的供热系统，各水泵的协调策略复杂性将进一步增大。

为了尽可能节约循环水的动力消耗，同时简化各个水泵协调运行的控制策略，本文提出一种新的运行方式，其水压图如图4中方案b（虚线）所示。即稍微提高每个用户的水泵扬程，并取消热源循环泵。此时，每个用户的循环水克服热源阻力所需的动力由各用户的循环泵提供。从节能效果上看，方案a和b是等效的，都不采用阀门。但采用方案b后，省掉了热源处的循环泵设备，并有利于简化水泵协调运行控制策略。

调整后各处水泵需要提高的扬程不多，方案b中用户1、2…及末端用户n处循环水泵的扬程为，

由水压图4可知，此时零压差点是虚交点，位于热源的左端，供、回水压线ha和g′b的延长线上。显然，方案b的布置可看成是传统布置方案图2的一种反向布置。在各用户处将回水加压后流向热源，而热源处仅提高水温。在热源处，可认为来流都是用户当前供热所需的流量。在采用分布式水泵系统时，热源入口的热水压力明显比传统方式低，所以一般不会出现超压。但为了保障热源（锅炉）供水安全，也可考虑在热源入口处添加调节阀，使入口压力和流量不超过热源负荷的规定。

系统中，通过变频调节可使水泵的扬程提高或降低并不会产生流量变化。取消了热源循环泵之后，各用户循环泵已可完全独立的根据自身需求进行定流量控制，而无需考虑其他泵的工作状态。从水泵协同调节的角度来看，各循环泵之间的水力调节已形成一种松耦合关系，可制定简单可靠的调节策略。

在单热源枝状管网中，这种新的分布式水泵系统的主要特点是：

1）供水管的压头始终低于同位置处的回水管。用户处的水泵流量完全为自身用量服务，所得到的资用压头取决于该处水泵的工作曲线。可通过调频技术将水泵的扬程和流量调节到适当的工作点，无需阀门调节。

2）越是远离热源的用户，所需配置水泵的最高扬程也越高，但水泵的最大流量根据用户的需要确定。若用户处用量较小，可选择高扬程小流量泵。这种系统的缺点是在远离热源处的用户需配置更高扬程的水泵。

3）循环泵一般安装在用户回水管上。这样布置可使用户散热器出口处表压较低，避免压坏用户底层散热器。同时，循环泵的进口水温也较低，有利于泵的选型和效率提升。值得注意的是，随着供水线压力逐渐降低，再加上经过用户支管段的压头消耗，那么远端热用户的循环泵入口处可能会因为压力过低而出现气蚀。

4）本文所提出的这种新的布置方案（b）与已有的分布式水泵布置方案相比，在单热源枝状管网设计工况下具有等效的节能性能。但采用新方案（b）后，不仅可节省热源循环泵，还有利于在变工况下简化水泵协调运行控制策略。

2多热源环状管网的变工况水力分析

在多热源环状管网的布置方案下，与单热源枝状管网相比，其分布式水泵调节系统的消耗可进一步减小，并获得更高的可靠性。首先，在多热源条件下，原先采用单热源时的远端用户可能变为其他热源的近热源用户，降低了用户水泵的扬程。其次，用户可能得到环状管网多个管路的水量支持，进一步减少水力失衡。另外，当有管段或热源需要检修时，环状管网使得分布式水泵系统用户的可及性提高。

对于多热源环状管网，新的分布式水泵系统仍然可采用类似方案b的布置形式，如图5所示。取消在热源处的循环泵，仅在用户处设置循环泵。值得注意的是，在多热源环状管网中，对于位于环网水力交汇处的用户，其水力工况与其他用户有所不同。假设分布式水泵系统中的某用户N位于两热源之间的水力交汇点，如图5及其对应水压图6所示。

图5多热源环状管网分布式水泵布置方案

图6多热源环状管网分布式水泵水压图

在水压图6中，实线为设计工况，HS1′为热源1回水线，GS1′为热源1的供水线；HS2′为热源2回水线，GS2′为热源2的供水线。虚线为变工况，HS1为热源1回水线，GS1为热源1的供水线；HS2为热源2回水线，GS2为热源2的供水线。上标“′”表示设计工况。