孔祥睿，吳志湘，呂硯昭，張海濤

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710034；2.西安市建筑設(shè)計院，陜西 西安 710048)

動力分布式供熱系統(tǒng)中背壓對水泵運行調(diào)速范圍的影響

孔祥睿1，吳志湘1，呂硯昭2，張海濤1

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710034；2.西安市建筑設(shè)計院，陜西 西安 710048)

為了保證動力分布式供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)過程中變頻泵的高效工作，討論了分布式供熱管網(wǎng)系統(tǒng)背壓對用戶泵運行調(diào)速的影響，提出了確定用戶泵變頻范圍的方法，為分布式系統(tǒng)設(shè)計中水泵參數(shù)及臺數(shù)確定提供選型參考。

動力分布式供熱系統(tǒng)；背壓；用戶泵；運行調(diào)速；變頻范圍

1 引言

隨著動力分布式供熱輸配系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟，它以較低的輸配能耗、較高的節(jié)電率及良好的水力穩(wěn)定性在城市區(qū)域供熱管網(wǎng)設(shè)計和運行中得到推廣和認可。但設(shè)計及運行人員對其變流量調(diào)節(jié)和控制的了解還不深入，盲目認為用戶泵變頻運行可以根據(jù)負荷變化而無限制調(diào)速。從而造成用戶泵低效運行，不僅達不到預(yù)期的節(jié)能效果，還縮短了水泵的壽命。為了進一步推廣動力分布式供熱系統(tǒng)的應(yīng)用，發(fā)揮該系統(tǒng)的節(jié)能潛力。本文從系統(tǒng)背壓這一方面分析其對用戶泵運行調(diào)速范圍的影響并給出不同系統(tǒng)背壓下變頻調(diào)速范圍確定的方法，為系統(tǒng)設(shè)計中水泵參數(shù)及臺數(shù)確定提供選型參考。

2 影響水泵變頻調(diào)速范圍的因素

在動力分布式供熱輸配系統(tǒng)中，影響水泵變頻運行調(diào)速范圍的因素有三項：一是管網(wǎng)特性，主要是管網(wǎng)阻力損失和凈揚程的比例。二是水泵工作狀況點在水泵運行高效區(qū)的位置，一般選泵時盡量使參數(shù)靠近水泵高效區(qū)右端點以獲得較大的調(diào)速范圍。三是水泵的工作性能，主要是水泵高效區(qū)內(nèi)揚程的變化幅度，而其變化幅度與水泵的比轉(zhuǎn)數(shù)直接相關(guān)，比轉(zhuǎn)速越大，其幅度越大，反之則越小。一般選用高比轉(zhuǎn)速的供水泵可獲得較大的調(diào)速區(qū)間。動力分布式供熱系統(tǒng)中背壓對水泵運行調(diào)速范圍的影響屬于第一項影響因素。

3 動力分布式供熱系統(tǒng)中的背壓

動力分布式供熱系統(tǒng)是利用分布在用戶端的循環(huán)水泵(用戶泵)取代用戶端的調(diào)節(jié)閥，由原來傳統(tǒng)供熱輸配系統(tǒng)設(shè)計通過調(diào)節(jié)閥來消耗多余的資用壓力改為應(yīng)用分循環(huán)水泵提供用戶側(cè)所需要的資用壓力[1]。而在動力分布式變頻供熱系統(tǒng)中，設(shè)在熱源處的主循環(huán)水泵只承擔熱源內(nèi)部的循環(huán)動力。由于采用變頻泵調(diào)節(jié)替代傳統(tǒng)系統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié),避免了管網(wǎng)的輸送能量浪費，可以大幅度地減小輸送泵的功率配置,既減少系統(tǒng)投資,又節(jié)約了系統(tǒng)輸送能耗[2]。

動力分布式供熱系統(tǒng)中大多數(shù)分布循環(huán)泵都在一定背壓下工作，對于這種有背壓系統(tǒng)，系統(tǒng)中流體經(jīng)過水泵的壓力增量，一部分用來提升流體的勢能，在動力分布式系統(tǒng)中可理解為所在支路距零壓差點間供回水干管的壓力損失，在很多文獻中稱之為背壓。一部分用于克服支路管網(wǎng)的流動阻力，則流體經(jīng)過動力設(shè)備的壓力增量可表述為：

H=h+SQ2

(1)

式中：H為流體經(jīng)過泵或風(fēng)機的壓力增量，m；h為背壓壓頭，mH2O；S為管網(wǎng)阻抗，kg/m7；Q為管網(wǎng)流量，m3/s。

圖1為零壓差點設(shè)在熱源處的動力分布式供熱系統(tǒng)示意圖，背壓為供回水管之間的壓差(Pc-Pa)。

圖1 動力分布式供熱管網(wǎng)示意

圖2 動力分布式供熱管網(wǎng)水壓

根據(jù)圖2，所需水泵揚程H=Pb-Pa=ΔPy+(Pc-Pa)=ΔPy+h，式中h為支路背壓，在水壓圖中為AC段。ΔPy為所在用戶支路阻力損失，在圖2中為BC段，它與管路阻力特性和流量有關(guān)。

根據(jù)水壓圖可以看出，供回水管水壓線呈喇叭狀，離熱源越遠喇叭開口越大，支路系統(tǒng)背壓h也隨之增大，在動力分布式供熱管網(wǎng)中有很多情況下，用戶支路系統(tǒng)背壓所占水泵總揚程的比重會大于該支路的阻力損失水頭所占比重。

4 動力分布式供熱系統(tǒng)中的背壓對水泵調(diào)速范圍的影響

動力分布式供熱系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性體現(xiàn)在兩個方面：一是反映供回水管壓差的支路系統(tǒng)背壓，二是管路的阻力特性。其對供熱系統(tǒng)中分布泵的調(diào)速范圍的影響主要是用戶支路系統(tǒng)背壓與該支路阻力損失的比例。根據(jù)水泵相似率知用增加轉(zhuǎn)速來增大流量時，能耗會反而增加。所以，一般情況下，不應(yīng)該采用增大轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)工況。因此在選擇水泵時，應(yīng)按照系統(tǒng)最大設(shè)計工況參數(shù)來選擇水泵的型號。水泵的調(diào)速運行一般是在額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)降速運行，對調(diào)速范圍的討論關(guān)鍵是確定水泵的最低轉(zhuǎn)速。

4.1 分布式供熱系統(tǒng)中水泵調(diào)速范圍的確定

在供熱管網(wǎng)設(shè)計運行中，在確定水泵變頻下限時，除了考慮流量揚程滿足供熱負荷要求外，還應(yīng)考慮多臺水泵同時供水時，若其他水泵轉(zhuǎn)速提高，另一臺水泵轉(zhuǎn)速降低，該水泵將無法實現(xiàn)供水的情況。所以在很多文獻中提出變頻下限fL≥(30Hz～35Hz)[3]，它所對應(yīng)的最低轉(zhuǎn)速為。但在動力分布式供熱管網(wǎng)中，影響分布泵的變頻下限的主要因素還包括系統(tǒng)背壓，所以應(yīng)綜合給予考慮。

據(jù)水泵的工作特性知，水泵運行的高效區(qū)為穿過水泵工頻高效段的兩條相似工況拋物線與水泵工頻運行特性曲線包圍的區(qū)域OAB(如圖3)。圖中曲線H=h+SQ2為分布式供熱系統(tǒng)某一支路的管網(wǎng)特性曲線，它與該支路用戶泵運行高效區(qū)相交于C、D兩點。為了保證該用戶泵的高效運行，可知C點為該用戶泵對應(yīng)的變頻調(diào)速最低點。

圖3 可調(diào)最低頻率確定示意

根據(jù)水泵性能曲線和相似律知：

由于A、C兩點位于同一條相似工況拋物線，所以它們之間工況相似，根據(jù)相似工況參數(shù)換算公式有：

(2)

由于C點位于H=h+SQ2曲線上，所以有：Hc=h+SQc2，將其帶入上式有：

(3)

(4)

根據(jù)比轉(zhuǎn)數(shù)公式有：

(5)

由此可確定用戶泵運行的最低轉(zhuǎn)速nmin。所以為了保證分布式供熱系統(tǒng)支路水泵運行在高效區(qū)內(nèi)工作并結(jié)合水泵穩(wěn)定運行的變頻下限的要求，當nmin≥nL時，水泵調(diào)速范圍應(yīng)控制在區(qū)間[nmin,n0] ，當nmin

4.2 背壓對水泵調(diào)速范圍的影響

為了更清晰的描述動力分布式供熱系統(tǒng)中背壓是如何影響水泵調(diào)速范圍的，以下討論暫且不考慮變頻下限nL，如需確定最終變頻范圍，可通過上文所述方法給出。通過上述公式推導(dǎo)可知，用戶泵運行調(diào)速的范圍與分布式供熱管網(wǎng)的支路背壓h和管路阻抗S有關(guān)。為方便討論這兩個因素對水泵運行調(diào)速范圍的影響，可將額定工頻下的水泵工作狀況點D進行固定。令Hd=const，Qd=const，它們之間滿足Hd=h+SQd2。則可知分布式供熱系統(tǒng)的背壓h的理論取值范圍為區(qū)間[0，Hd]，然后對h進行取值，可以得到一簇曲線(如圖4)。

圖4 h/Hd不同取值時變頻范圍示意

據(jù)圖4可看出，隨著h/Hd值的變大，也就是動力分布式供熱管網(wǎng)系統(tǒng)背壓占用戶泵總揚程的比例的增大，運行可調(diào)最低頻率將越來越靠近工頻曲線(額定轉(zhuǎn)速)，用戶泵可調(diào)范圍區(qū)間[nmin,n0]將變小。

通過對大量供熱泵的統(tǒng)計分析計算知：Hd/Ha=1.13,Qd/Qa=0.6[4]。這樣就能用動力分布式供熱管網(wǎng)中用戶泵的設(shè)計參數(shù)(Qd,Hd)替換nmin/n0式中高效區(qū)工頻段左端點參數(shù)(Qa,Ha)即有：

(6)

通過上式可得出分布式供熱管網(wǎng)系統(tǒng)背壓占總用戶泵揚程不同比例時相對應(yīng)的運行可調(diào)最低頻率和可調(diào)范圍。其中可調(diào)速范圍百分數(shù)F與最低可調(diào)頻率滿足的關(guān)系為F=(1-nmi)×100%。表1 為用戶背壓占所需水泵揚程不同百分比時對應(yīng)的水泵調(diào)速范圍。

由表1看出供熱管網(wǎng)系統(tǒng)背壓占總揚程不同比例時用戶泵的調(diào)速范圍變化很大，當背壓占總揚程10%時，為保證用戶泵高效運行可調(diào)最低頻率為額定工況下頻率的0.352倍，可調(diào)范圍達64.8%。而隨著供熱管網(wǎng)系統(tǒng)背壓的所占比重的增加，為保證用戶泵在高效區(qū)運行所要求的最低頻率也越來越大，可調(diào)范圍區(qū)間會隨之減小，如第九組，當系統(tǒng)背壓占到90%時，調(diào)速范圍不足10%。這種影響在動力分布式供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)控制中應(yīng)引起足夠的重視。

表1 分布式供熱管網(wǎng)系統(tǒng)背壓占總揚程不同比例時用戶泵調(diào)速范圍

序號12345678910h/Hd0.10.20.30.40.50.60.70.80.91Nmin/N00.3520.4870.5850.6620.7250.7800.8280.8700.9070.941調(diào)速范圍F/%64.851.341.533.827.522.017.213.09.35.9

5 結(jié)語

對于定零壓差點(熱源處)的動力分布式供熱管網(wǎng)而言，支路系統(tǒng)背壓隨離熱源距離的增加而增加，當供熱半徑很大時，尤其顯著。當令各支路阻力損失相等時，距離熱源越遠用戶支路系統(tǒng)背壓占該支路用戶泵揚程的比重也會越大，通過上文分析知，其用戶泵調(diào)速范圍也會變小。所以在一個供暖季里，水泵變頻調(diào)速不能盲目的隨供熱負荷的變化而無限制的變化。設(shè)計及運行人員可找出水泵調(diào)速最不利點，應(yīng)用水泵串并聯(lián)技術(shù)手段，分泵消耗部分系統(tǒng)背壓，這樣可有效提高熱負荷調(diào)控區(qū)間。然后對整個動力分布式供熱系統(tǒng)進行統(tǒng)計并計算綜合變頻范圍，采用分階段改變供水溫度的量調(diào)節(jié)這一運行策略，由此保證該系統(tǒng)的高效節(jié)能運行。

[1]江 億.用變頻泵和變頻風(fēng)機代替調(diào)節(jié)用風(fēng)閥水閥[J].暖通空調(diào)，2002，32(1)：12～16.

[2]石兆玉.分布式變頻供熱輸配系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].區(qū)域供熱，2005(1)：31～37.

[3]趙賢兵,李芳芹.變頻技術(shù)在泵與風(fēng)機系統(tǒng)中應(yīng)用的節(jié)能分析[J].實用節(jié)能技術(shù),2005(5):52～54.

[4]吳自凱,余承烈,薛學(xué)功.水泵變頻調(diào)速應(yīng)用的注意事項[J].工業(yè)用水與廢水,2002(5):45～47.

[5]秦緒忠.區(qū)域供熱供冷輸配系統(tǒng)動力學(xué)特性研究(博士學(xué)位論文)[D].北京:清華大學(xué),2000.

Influence of BackpressureonPump Operation Speed AdjustableRange inDistributedPower Heating System

Kong Xiangrui1, Wu Zhixiang1, Lü Yanzhao2, Zhang Haitao1

(1.SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,Xi'anPolytechnicUniversity,Xi'an710048,China;2.Xi'anArchitecturalDesignResearchInstitute,Xi'an710048,China)

In order to ensure the high-efficient work of variable frequency pump during operation and adjustment of the distributed powerheating system, the articlediscusses the effects of distributed heating network system's backpressure on thespeed governing operation of pump,and provides a method to determine the pump's frequency range.In addition, the article providesselection guide for water pump's parameters andnumber in the design of distributed system.

distributedpower heating system; backpressure; pump; operationspeed governing; frequency range

2015-10-19

孔祥睿(1990—)，男，寧夏銀川人，碩士研究生，助理工程師，主要從事建筑節(jié)能方面的研究工作。

TU833

A

1674-9944(2015)12-0265-03