動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的水力計算方法分析

張鼎蓉　吳志湘　呂硯昭

摘要：指出了動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的水力計算首先應該確定零壓差點位置，然后再進行各環(huán)路的水力計算，最后利用其計算結果確定循環(huán)泵。從動力分布式供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)的差異出發(fā)，探討了兩者水力計算方法的不同，然后對動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的水力計算步驟進行了詳細完整的分析，以期為以后的動力分布式系統(tǒng)的工程設計提供參考。

關鍵詞：動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)；水力計算；零壓差點；熱源泵；用戶泵

中圖分類號：TU995

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18018103

1引言

動力分布式供熱系統(tǒng)較傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)有很多優(yōu)勢，目前已有大量文獻對其節(jié)能效果、系統(tǒng)的穩(wěn)定性及運行策略進行了分析，但是對動力分布式供熱系統(tǒng)的設計方法研究甚少。由于動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)存在差異，使得它們的設計方法有很大的不同，其中水力計算是設計方法中至關重要的一步，需對其進行針對性分析。而動力分布式供熱系統(tǒng)中零壓差點位置和循環(huán)泵參數(shù)的確定對整個系統(tǒng)的輸配能耗、運行調(diào)節(jié)及運行費用有著重大影響，因此本文從這些關鍵點出發(fā)對動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的水力計算方法和步驟進行了詳細完整的分析，為暖通設計人員進行系統(tǒng)設計時提供更好的指導。

2動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的定義及分類

2.1與傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)的差異

如圖所述，圖1和圖2為傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)和動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)圖，從系統(tǒng)形式上看，兩者最本質的區(qū)別在于動力配置的方式不同，前者是動力集中式系統(tǒng)，后者是動力分散式系統(tǒng)。傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)一般只在熱源處設置一臺（組）循環(huán)泵，用來克服熱源、管網(wǎng)和用戶系統(tǒng)阻力。該形式的供熱輸配系統(tǒng)循環(huán)泵必須滿足最遠端用戶的流量和壓頭需求，所以對于大多數(shù)近端用戶，循環(huán)泵提供的資用壓頭大于其自身所需的壓頭，通常采用在用戶支路設置調(diào)節(jié)閥的技術手段來消耗掉用戶多余的資用壓頭，這種做法無疑造成了大量的無功電耗。

而動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)除了在熱源處設置主循環(huán)泵外，還在各用戶處設置分循環(huán)泵，運用“接力”的方式共同實現(xiàn)熱媒的輸送，循環(huán)泵采用變頻控制以實現(xiàn)變流量的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)利用分布在用戶處的循環(huán)泵取代了傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥，把原來在調(diào)節(jié)閥上消耗的多余資用壓頭改為分布式變頻泵提供的必要的資用壓頭，把熱媒由熱源泵被動“推送”到各用戶處變?yōu)橛捎脩舯脧臒嵩刺幹鲃拥摹俺槿　绷黧w。這種做法大大減少了調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失，系統(tǒng)幾乎無無功電耗。

動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)，熱源泵只承擔熱源內(nèi)部的循環(huán)阻力，其余流動阻力由分循環(huán)泵承擔，因此供回水管之間必然存在一個供回水干管壓差為零的點，即零壓差點，該點把動力分布式供熱系統(tǒng)分為了兩個相互獨立的環(huán)路，零壓差點以前熱媒推著走，零壓差點以后熱媒抽著走。在系統(tǒng)設計時，通常會在熱源出口處設置均壓管，均壓管一般為相鄰管段直徑的三倍，目的是使其管內(nèi)的壓降接近為0，即均壓管內(nèi)為同一壓力值，零壓差點位于其上，從而避免了兩個環(huán)路之間的相互干擾，起到穩(wěn)壓的作用 ＼[1＼]。

2.2動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)分類

動力分布式供熱系統(tǒng)按熱網(wǎng)與用戶的連接方式分為直接連接和間接連接，直接連接可分為二級泵供熱系統(tǒng)和二級混水泵供熱系統(tǒng)。二級泵供熱系統(tǒng)中，熱源泵承擔熱源內(nèi)部到零壓差點的循環(huán)阻力，用戶泵承擔管網(wǎng)和用戶的循環(huán)阻力；而二級混水泵供熱系統(tǒng)中，熱源泵承擔熱源內(nèi)部的循環(huán)阻力，沿程泵承擔用戶管網(wǎng)的阻力，用戶混水泵承擔用戶內(nèi)的循環(huán)阻力。間接連接系統(tǒng)則是通過板式換熱裝置進行連接。

按照用戶泵、沿程泵和混水泵的位置不同，水泵的壽命，系統(tǒng)初調(diào)節(jié)時間和用戶管網(wǎng)的節(jié)能效果也不同，通常把沿程泵安裝在管網(wǎng)的回水管上，用戶泵安裝在用戶網(wǎng)的供水管上效果最優(yōu)＼[2＼]。

3動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的水力計算

3.1與傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)水力計算方法對比

對于供熱輸配系統(tǒng)，水力計算的目的是在設計流量條件下，通過確定各管段的阻力和管徑，配置合適的動力設備，最終使整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行。

傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)水泵揚程是根據(jù)最不利環(huán)路的阻力來確定的，離熱源較近的用戶環(huán)路阻力往往較小，這就造成了近端用戶資用壓頭過大，在缺乏有效的調(diào)節(jié)手段情況下，容易導致近段用戶冷熱不均，產(chǎn)生水力失調(diào)現(xiàn)象。為了解決這種現(xiàn)象，在進行水力計算時必須保證各環(huán)路的阻力平衡。因此，當系統(tǒng)的最不利環(huán)路水力計算完成后，即可進行其他分支環(huán)路的壓力損失計算，使壓力損失與循環(huán)動力平衡，為此傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)通常采用調(diào)節(jié)閥增加管網(wǎng)阻抗來實現(xiàn)系統(tǒng)的阻力平衡。

而對于動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)，在各用戶處設置的分循環(huán)泵，根據(jù)用戶自身設計負荷從熱源處分配流體，通過變頻調(diào)節(jié)滿足用戶的流量變化，達到自給自足，即“用戶用多少，水泵拿多少”，各并聯(lián)環(huán)路基本滿足在設計流量條件下計算壓力損失等于水泵提供的資用壓力，實現(xiàn)了壓損平衡，因此系統(tǒng)不需要進行阻力平衡。在此情況下，該系統(tǒng)在進行水力計算時不必確定最不利環(huán)路，而須對熱源環(huán)路和每個用戶環(huán)路分別進行水力計算。在采用傳統(tǒng)的方法對動力分布式系統(tǒng)確定各管路的阻力和管徑之后，即可為系統(tǒng)配置動力設備，熱源泵根據(jù)流體從熱源處推送到零壓差點處消耗的能量進行配置，分循環(huán)泵則根據(jù)流體從零壓差點“接力”抽送到用戶處消耗的能量進行配置。

由于動力分布式供熱系統(tǒng)的一個顯著特點是存在零壓差點，它的位置對水力計算的環(huán)路確定有影響，所以只有在其確定之后才能進行系統(tǒng)的水力計算。而水力計算的結果對循環(huán)泵選取有影響，因此在循環(huán)泵的確定在水力計算完成之后方可進行。

3.2動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的水力計算步驟

3.2.1確定零壓差點

零壓差點位置的選取對系統(tǒng)的輸配能耗、水泵的選型、運行控制等都有影響，當零壓差點分別位于用戶1～用戶8之間的不同位置時，系統(tǒng)所需的循環(huán)泵和調(diào)節(jié)閥的數(shù)量及輸送能耗不同。endprint

如圖3所示，當零壓差點位于用戶3時，最近端用戶1的供回水壓差剛好滿足用戶所需的壓頭，其余用戶均需設循環(huán)水泵補充動力，此時干管上供回水壓差為零的點a即為臨界點。若零壓差點往右移，位于臨界點之后，假設為b點，此時用戶1和用戶2的供回水壓差大于用戶所需的壓頭，則需要用調(diào)節(jié)閥來克服多余的資用壓頭，其余用戶均設水泵補充動力，系統(tǒng)有無功電耗。當零壓差點位于熱源與臨界點之間如C點時，系統(tǒng)所有用戶均需設循環(huán)水泵補充動力，不需設調(diào)節(jié)閥，各用戶根據(jù)各支路的循環(huán)水泵按需分配動力，系統(tǒng)沒有無功電耗。此外，零壓差點位于熱源與臨界點之間的不同位置，水泵的配置方案不同，但水泵的輸出總功率相等＼[3＼]。在動力分布式供熱系統(tǒng)的設計中，零壓差點位于均壓管處，便于管理和調(diào)節(jié)，同時也保證了零壓差點位于臨界點之前，排除了調(diào)節(jié)閥的使用，使得系統(tǒng)輸配能耗最低。

3.2.2用傳統(tǒng)的方法確定管網(wǎng)各管段的管徑和阻力

動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的零壓差點位置確定之后，即可確定各環(huán)路的組成以及各環(huán)路各管段的流量，接著可用傳統(tǒng)的方法計算各管段的管徑和阻力，在此不再贅述。

3.2.3確定熱源泵

動力分布式系統(tǒng)的熱源泵流量計算與傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)相同，為供熱系統(tǒng)的總設計流量，即所有用戶流量之和；熱源泵揚程的確定則不同，傳統(tǒng)系統(tǒng)的熱源泵揚程為熱源、熱網(wǎng)和熱用戶的壓力損失，克服最不利環(huán)路的阻力，而動力分布式系統(tǒng)熱源泵揚程需克服的阻力是熱源與零壓差點之間設備和管路的壓力損失。

3.2.4確定各分循環(huán)泵揚程

（1）二級泵供熱系統(tǒng)熱用戶泵的揚程。

如圖4所示，動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的用戶泵揚程由兩部分組成：用戶資用壓力和用戶沿管網(wǎng)的供回水管段阻力。

H=a（H1+h1+h2）

其中：H―二級用戶泵的揚程（kPa）；a―泵的安全系數(shù)，一般取1.05～1.1；H1―用戶資用壓力（kPa）；h1―用戶沿管網(wǎng)供水管的阻力（kPa）；h2―用戶沿管網(wǎng)回水管的阻力（kPa）。

（2）二級混水泵系統(tǒng)熱用戶的沿程泵和用戶泵。二級混水泵系統(tǒng)較二級泵系統(tǒng)多了旁通管和沿程泵，因此其循環(huán)水泵流量和揚程的確定均與二級泵系統(tǒng)不同，如圖5為動力分布式二級混水泵供熱系統(tǒng)圖。

混水系數(shù)的確定：u=t1g-t2gt2g-t2h。

式中：G1g—熱用戶的管網(wǎng)流量，m3/h；t1g—管網(wǎng)的供水設計溫度，℃；t1h—管網(wǎng)的回水設計溫度，℃；t2g—用戶的供水溫度，℃；t2h—用戶的回水溫度，℃。

用戶旁通管流量的確定：Gp=uG1+u。

式中：G—熱用戶的流量，m3/h。

沿程泵和混水泵揚程的確定

二級混水泵系統(tǒng)的沿程泵克服零壓差點之后用戶環(huán)路中供回水管段阻力；用戶混水泵克服用戶內(nèi)的循環(huán)阻力。圖6為動力分布式二級混水泵供熱系統(tǒng)的水壓圖。

水泵揚程計算公式為：

Hy=a（h1+h2）。

其中：Hy―二級混水泵系統(tǒng)沿程泵的揚程（kPa）；a―泵的安全系數(shù)，一般取1.05～1.1；h1―用戶沿管網(wǎng)供水管的阻力（kPa）；h2―用戶沿管網(wǎng)回水管的阻力（kPa）。

H=aH1。

其中：H―二級混水泵系統(tǒng)用戶泵的揚程（kPa）；a—泵的安全系數(shù)，一般取1.05～1.1；H1―二級混水泵系統(tǒng)用戶的阻力（kPa）。

4結論

動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)存在差異，使其系統(tǒng)設計方法不同，水力計算方法亦不同。傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)的水力計算要滿足系統(tǒng)阻力平衡，而動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)只需保證用戶泵和用戶管網(wǎng)的壓損平衡，各環(huán)路之間不需再進行阻力平衡；前者是按最不利環(huán)路進行水力計算，而后者須對熱源環(huán)路和每個用戶環(huán)路進行水力計算。這種設計思想指導動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)的水力計算應首先確定零壓差點的位置，然后采用傳統(tǒng)的計算方法確定各管路的阻力和管徑，最后再根據(jù)各用戶環(huán)路的水力計算結果進行各循環(huán)泵的選取。

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Analysis of Hydraulic C Analysis of Hydraulic Calculation Method of Power Distributed Secondary Pump Heating Systems

Zhang Dingrong，Wu Zhixiang， Lü Yanzhao

（School of Environmental and Chemical Engineering， Xian Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： The hydraulic calculation of power distributed secondary pump heating system should first determine the zero-pressure close position， then conduct the hydraulic calculation of each loop， and finally determine each circulating pump from calculation results. This paper analyzed the hydraulic calculation method of two systems from the difference between power distributed heating system and traditional heating system， then calculation steps of power distributed two stage pump heating system are introduced in detail for providing reference for the future power distributed system engineering design.

Key words： distributed power system； secondary pump； heating system； hydraulic calculation； zero pressure handicap； heat pump； user pumpendprint