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1/3~2/3。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
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/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=ΣGiΔHi （1）
N?No kw （2）
??367
1
式中，Gi—供热系统各管段的流量，t/h；
ΔHi—供热系统各管段的压降损失，m水柱； η—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泵总功率计算值。 mH2O1009080706050403020100111213141516171819205010mH2O40030t/h80mH2O循环水泵130t/h230t/h330t/h430t/h530t/h630t/h730t/h830t/h930t/h1030t/h21222324252627282930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
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3mH2O3mH2O20mH2O3mH2O3mH2O10mH2O1112131415161718192001234567891021222324252627282930图1 方案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、180、150、120、90、60、30(t/h)。 3mH2O10mH2O3mH2O3mH2O10mH2O3mH2O10mH2O1112131415161718192001234567891021222324252627282930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300t/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、180、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。
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10mH2O3m10mH2O3m10m6m6m10m9m9m10m10m10m10m10m10m10mH2O30mH2O12m12m15m15m18m18m21m21m24m24m27m27m30mH2O1112131415161718192001234567891021222324252627282930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 0 1 2 3 3+ 循环泵总功率(kw) 93.4 61.9 61.9 61.9 22.6 电耗节约量(kw) 0 31.5 31.5 31.5 70.8 节电百分比(%) 0 33.8 33.8 33.8 75.8 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．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
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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，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μ=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。何时采用方案3？何时采用方案3+？应根据实际工程确定。 10m10m10mH2O10mH2O3m10mH2O3m10m6m6m10m9m9m10m10m10m10m30mH2O12m12m15m15m18m18m21m21m24m24m27m27m30mH2O111213141516171819200均压管1222233244255266277288299301021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）， 5
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