动力分散系统中零压差点的分析

动力分散系统中零压差点的分析及水泵扬程的确定武汉科技大学 焦扬 符永正摘要：动力分散系统由于主循环泵不承担系统循环的全部动力，所以系统的干管上必然存在一个供回水压差为零的点零压差点。运用水压图对零压差点的变化进行分析，得到如下结论：以热（冷）源为参照，零压差点近于临界点时，才能使系统消除调节阀能耗，从而使系统的输配能耗最低。零压差点位于热（冷）源与临界点之间的不同位置，系统中水泵的配置方案不同，但各水泵的输出功率之和是相等的。运用水压图可以方便地确定动力分散系统的零压差点以及水泵扬程的匹配方案。关键词：零压差点 临界点 水压图 水泵扬程 1. 引言动力集中系统往往是由一个泵组来提供整个系统所需的动力，水泵扬程刚好满足最远端用户的压头需求，而对于其他用户来说压头往往有富余，富余的压头则需用调节阀消耗（包括用其他增大阻抗的方式，比如缩小管径等方式消耗多余的压头，下同）。动力分散系统中主循环泵提供部分压头，与各支路水泵共同构成系统的循环动力。动力分散系统的干管上必然会出现一个供水压力等于回水压力的点，即零压差点1。零压差点位置的选取对系统的输配能耗、水泵的选型、运行控制等都有影响。2. 异程系统的水压图分析2.1 分析模型如图1所示，一个具有10个用户支路的异程系统，假设各用户支路的流量均为30m3/h， 图1 动力集中系统各支路的管径、管长、局部阻力系数（除调节阀阻力系数外）均相等，各用户支路的间隔均为50m，且热源处的水头损失为10m。图1所示为动力集中系统。若在各支路也设泵则变为动力分散系统，即图2所示。图2 动力分散系统2.2 动力集中系统的水压分析对图1所示的系统进行水力计算，各管段的压头损失见表1表1 系统各管段压头损失计算表管段 编号设计流量（t/h）压头损失（m）管段 编号设计流量（t/h）压头损失（m）管段 编号设计流量（t/h）压头损失（m）z0300 10.27g32102.52z73032.46 g0300 1.66z43043.45 g7905.12z130 53.42g41801.84 z83027.35g1270 4.16z53041.60 g8602.28z230 49.25g51505.58 z93025.07g2240 3.28z63036.03 g9305.70z330 45.97g61203.56z103019.37根据表1各管段的压头损失，可绘制出整个系统的水压图，即图3所示（注：由于静水压线高度的不同，系统水压图是上下平移的关系，本文的水压图以系统定压点在水泵吸入口时的静水压线为横坐标轴，也就是说，图中显示的压头是实际压头与静水压线的高差）。图中两条粗实线为系统的供回水压线，两条线所夹的平行于y轴的一系列细实线为每个支路上的压头，点划线与回水压线之间所夹部分为每个用户实际所需压头。循环水泵刚好提供最远端的用户10所需的压头，对于用户19所提供的压头比用户实际需要压头高，所以要用阀门消耗多余压头（即供水水压线与点划线所夹部分）。水泵的扬程应为65.35m，流量为300，水泵的输出功率为53.42KW。图3动力集中系统水压图2.3 动力分散系统的水压图分析对于动力分散系统，在干管上必然出现供回水压差为零的点，即零压差点。下面分别讨论零压差点位于不同位置时，系统的水压分布。a. 零压差点位于用户10处时的水压图为图4。由图可以看出：系统在用户10处供回水压差相等，此时主循环泵不能为用户10提供压头，需要在用户支路上设泵。而对于用户69，主循环泵只能提供部分压头，不能满足用户的压头需求，同样需要在用户支路设泵给予补充，而水泵的扬程为点划线与供水压线所夹的部分。用户15处水泵提供的压头大于用户所需的压头，故在用户支路上不但不需要装设水泵，反而需要装设调节阀来消耗多余压头。图4 零压差点在用户10处的水压图零压差点位于用户10处时各水泵的输出功率见表2，各水泵输出功率之和为41.95KW。表2 零压差点在用户10处各水泵的输出功率水泵主循环泵支路6泵支路7泵支路8泵支路9泵支路10泵流量（t/h）3003030303030扬程（H）45.982.76.2611.3813.6619.36水泵的输出功率（KW）37.590.220.510.931.121.58b. 零压差点位于用户7处时的水压图为图5。由图5 可以看出，用户810的供回水压差为负值，用户支路的水泵扬程应为用户支路的压头损失与干管供回水压差绝对值之和。用户7的水泵扬程恰好就是用户支路的压头损失。用户26的供回水压差为正值，但不能满足用户支路的压头需要，所以也需要装设水泵，水泵扬程应为用户支路所需要的压头减去干管的供回水压差。而用户1处的供回水压差则稍大于该用户支路的压头损失，不需要装设水泵，反而需要装设调节阀，消耗多余的压头。图5 零压差点在用户7处的水压图零压差点位于用户7处时系统中各水泵的输出功率见表3，系统中各水泵输出功率之和为38.77KW。表3 零压差点在用户7处各水泵的输出功率水泵编号主循环泵支路2泵支路3泵支路4泵支路5泵支路6泵支路7泵支路8泵支路9泵支路10泵流量（t/h）300303030303030303030扬程（H）32.832.595.878.3910.2315.8119.3724.4926.7732.47水泵输出功率（KW）26.840.210.480.690.841.291.582.002.192.65c. 零压差点位于用户6处时的水压图为图6。由图6 可以看出，用户710的供回水压差为负值，用户支路的水泵扬程应为用户支路的压头损失与干管供回水压差绝对值之和。用户6的水泵扬程恰好就是用户支路的压头损失。用户15的供回水压差为正值，但不能满足用户支路的压头需要，所以也需要装设水泵，水泵扬程应为用户支路所需要的压头减去干管的供回水压差。图6 零压差点在用户6处的水压图零压差点位于用户6处时系统中各水泵的输出功率见表4，系统中各水泵输出功率之和为38.64KW。表4 零压差点在用户6处各水泵的输出功率水泵编号主循环泵支路1泵支路2泵支路3泵支路4泵支路5泵支路6泵支路7泵支路8泵支路9泵支路10泵流量（t/h）30030303030303030303030扬程（H）29.271.996.159.3411.9513.7919.3722.9328.0530.3336.03水泵输出功率（KW）26.840.210.480.690.841.291.582.002.192.652.65d. 零压差点位于用户1处时的水压图为图7。如图所示，用户1的水泵扬程恰好就是用户支路的压头损失。其余用户的供回水压差都为负值，用户支路的水泵扬程应为用户支路的压头损失与干管供回水压差绝对值之和。图7 零压差点在用户1处的水压图零压差点位于用户1处时系统中各水泵的输出功率见表5，系统中各水泵输出功率之和也为38.64KW。表5 零压差点在用户1处各水泵的输出功率水泵编号主循环泵支路1泵支路2泵支路3泵支路4泵支路5泵支路6泵支路7泵支路8泵支路9泵支路10泵流量（t/h）30030303030303030303030扬程（H）11.8919.3723.5326.8129.3331.1736.7540.3145.4347.7153.41水泵输出功率（KW）9.721.581.922.192.402.553.003.303.713.904.37对比零压差点位于用户6处和用户7处的水压图，零压差点位于用户7处时用户1的供回水压差大于用户的需求，需要用调节阀消耗；而当零压差点位于用户6处时，用户1的供回水压差小于用户的需求，需在用户支路装设水泵补充动力，此时各用户支路全部需要装设水泵。显然在干管上必然存在一点，当该点的供回水压差为零时，用户1处的供回水压差刚好满足本支路的需求，可以将该点称为临界点。显然本例中，临界点位于用户7和用户6之间。以热源为参照（本文所有关于零压差点与临界点相对位置的描述，均以热（冷 ）源为参照），如果零压差点近于临界点，则各用户支路均可装设水泵，而不需要装设调节阀，也就不存在调节阀能耗。零压差点远于临界点时，将会出现某些用户支路的供回水压差大于该支路的需求，必须装设调节阀消耗多余的压头，因而存在调节阀能耗。临界点的位置与供水压线的斜率、用户的资用压头等因素相关。用户压头恒定时，供水压线的斜率越大（即供水干管单位长度的压力损失越大）则临界点的位置越远离热源，反之，斜率越小越靠近热源；而供水压线斜率一定时，用户资用压头越小则临界点的位置越远离热源。由图47,可以直观的看出零压差点对水泵台数、水泵扬程等的影响，零压差点位于其他位置时的计算方法相同，省略其运算过程，结果见表6表6 零压差点在不同位置时的汇总表零压差点位置用户10处用户9处用户8处用户7处用户6处用户5处用户4处用户3处用户2处用户1处系统中用户支路水泵个数5689101010101010需要装设调节阀的用户支路个数5421-水泵的输出功率（KW）41.9439.939.3938.7738.6438.6438.6438.6438.6438.64节能率%21.525.326.327.427.727.727.727.727.727.7通过以上水压图的显示以及水泵能耗的计算，可以分析得出如下结论：（1）为了完全消除调节阀能耗，而在各支路装设水泵，零压差点需位于临界点与热源之间的干管上，就本例来说，临界点位于用户6、7之间。（2）以热（冷）源为参照，如果零压差点远于临界点，则有些支路压头大于资用压头，需要装设调节阀进行调节。如本例中，零压差点位于用户7、8、9、10处即是。零压差点远于临界点越多，需装设调节阀的支路越多。（3）由表6可知，当零压差点近于临界点，各支路都可由水泵代替调节阀，虽然水泵配置方案不同，但是水泵输出功率的总和是相等的。3. 运用水压图确定零压差点和水泵扬程运用水压图可以方便地确定动力分散系统的零压差点以及系统中各水泵的扬程。具体方法是：首先根据水力计算结果绘制动力集中方式的水压图，然后，向下平行移动供水压线，找到临界点（用户1处的供回水压差恰好等于该用户所需要的压差时的零压差点），既而在热源和临界点之间确定零压差点。零压差点确定之后，与此相应的水压图即显示了水泵的扬程方案。水压图上用户的资用压头线（即本文水压图中的点划线）和供水压线之间的距离就是该用户支路的水泵扬程。用这种方法确定水泵扬程显然比文献2提出的方法简便。水泵扬程的匹配方案与零压差点是一一对应的。4. 结论以热（冷）源为参照，动力分散系统的的零压差点必须近于临界点，才能使系统消除调节阀能耗，从而使系统的输配能耗最低。