优化水泵设置

1、优化水泵设置 降低系统运行能耗清华大学建筑学院蔡启林摘要：本文从水泵在集中供热中的功能出发，探讨节能的系统模式，调节方法以及控制策略。提出在系统中优化设置水泵以降低系统压力等级和节省系统水泵总电耗；采用分阶艮变供水温度量调节方法实现系统低电耗运行以及与其相适应的计算机监控策略。关键词：供热系统；优化水泵设置；变流量运行；系统能耗；监控策略1 前言2005年12月8日建设部等八部委关于进一步推进城镇供热体制改革的意见中指出：“坚持环保节能的原则，强化节约意识，大力推广建筑节能和系统节能，降低能源消耗”是发展供热的一个基本原则。为我们今后发展和改造集中供热指明了方向。我国集中供热发展迅速，但生产和

2、输送的能耗仍比较高。在输送方面，大流量、小温差、高点耗的运行方式普遍存在，笔者去年就在现场了解一平方米供热面积循环水量最达7公斤小时，约为正常三倍的情况，水泵电耗之大可想而知。对于热水供热来说，供热经营单位的热成本组成，除购热(锅炉房生产热)费是主要外，水泵的电耗开支占重要份额，因此，采用先进适用技术，设计和改造管网系统，充分挖掘系统节能潜力，特别是降低水泵电耗是系统节能的重要途径。最近几年，有的供热企业，以部分用户设置终端加压泵降低循环水泵扬程：以用户设置终端加压泵代替中继泵；以设置终端加压泵提高用户资用压头等，都取得减少投资、改善水力工况和降低系统水泵能耗的效果。前几年，蒙古国利用国际融资

3、大规模改造供热系统，大量采用终端用户混水回路技术，扩大热网温差以降低系统能耗。可见，科学和优化系统中水泵设置，对降低系统能耗有重要的作用。下面仅就系统中水泵设置和运行调节的节能问题谈几点认识和意见。2供热系统中水泵的设置和功能按用途分，供热系统中水泵设置如图1所示：l循环水泵 2供水中继泵 3回水中继泵 4用户加压泵5l_补水泵 6用户混水泵 7热网混水泵 8热源混水泵图l 供热系统水泵设置图2.1循环水泵：一般安装在供热厂(对于二级网是热力站)内，位于制热设备(锅炉或热交换设备)进口出口的主干管上。它驱动全系统供热介质循环，并通过管网把热量疆配给用户主要动力设备(图1中的1)。循环水泵安装在

4、进口的主干管上，制热设备承压高(系统的高压点)，但水泵耐温低(系统的回水温度)；安装在出口的主干管上，制热设备承压低(系统的低压点)，但水泵耐温高(系统的水温度)。循环水泵的流量和扬程随供热规模扩大而增加，热网的压力也随之增大。2.2热网中继(加压)泵：根据供热系统水力工况要求，设置在热网主管路上的(增压)水泵。与循环水泵串联，一起驱动全系统供热介质循环，并通过管网把热量分配给用户。设置在系统供水丰管路上的水泵称水中继(加压)泵(图1中的2)；设置在系统回水主管路上的水泵称同水中继(加压)泵(图1中的3)。设置中继(加压)泵可以减少主循环水泵扬程，降低热网的压力等级。合理设置热网中继(加压)泵

5、，能有效降低系统水泵运行电耗。由理论分析认为：设置热网中继(加压)泵减少系统运行电耗系数范围是l0.5，即：若热网中继(加压)泵设置在空载(上段无用户热负荷)的热网主管路上，其运行电耗系数为1，不节省运行电耗：若设置在非空载(上段有用户热负荷)的热网主管路上，其系统运行电耗系数小于1，且随中继(加压)水泵站数目增多而降低。2·3补水泵：为保持供热系统在某一设定点维持恒定压力，而向供热系统补充供热介质的水泵(图1中的5)。在任何-况F保持系统压力稳定，使热网的任何位置不汽化、不倒空、不压坏用热设备，保证安全供热。24终端加压泵：设置在用户(热力站或供暖系统)入El的供回水管上，以提升该

6、用户压差的水泵(图l中的4)。当系统循环水泵扬程不够导致系末端一些用户供热量不足时，在这些用户处设置加压泵，以降低该环路的管路特性，提高用户资用压头，可以很好地解决因用户资用压头不够导致的水力失调；这种技术措施与更换高扬程水泵相比较，能减少改造资金和节省系统运行电耗。优化循环水泵和终端加压泵的配置，是系统节能的新系统模式(下面叙述)。25混水泵：在供热系统中，为抽取部分供水(回水)与回水(供水)混合以提升(降低)进入设备水温的水泵统称混水泵。用户系统混水泵：设置在用户(热力站或供暖系统)入口，用部分回水与供水混合以降低用户系统供水温度的水泵称用户系统混水泵(图l中的6)。用户系统混水泵可以提高

7、热网运行供水温度，增大其温差，降低循环水泵单位供热量能耗。同时，对于已有管网可以增加供热量，对于新设计热网可以降低建设投资。热网混水泵：设置在热网循环泵吸入口附近的供回水连通管上，用来抽取部分回水与热源供水混合，以降低热网供水温度的水泵称热网混水泵(图l中的7)。热网混水泵可以使热源出水温度高于热网供水温度，降低热源设备水阻力，减少循环水泵运行电耗。热源混水泵：设置在热源(热水锅炉或首站)进出口连通管上，用来抽取部分热源供水与热网回水混合，以提高进入热源的热网回水温度的水泵称热源混水泵。热源混水泵可以提高进入锅炉的系统回水温度，使锅炉进水温度高于防止尾部腐蚀温度，提高锅炉使用寿命。3优化供热系

8、统模式31简单的供热系统模式在热网中只设置循环水泵和补水泵的供热系统模式。这是当前我国应用最多的一种，该模式依据最不利环路的阻力损失(包括管路、附件、制热设备)加用户资用压头作为选择系统循环水泵的扬程；循环水泵设置在回水管上，补水泵的恒压点设置在循环水泵吸入口附近。其特点是：(1)系统压力取决于循环水泵扬程和恒压点取值，系统压力随规模扩大而升高；(2)在没有完善调控设备(如平衡阀、自力式流量调节阀、自力式压差调节阀等)条件情况下，普遍存在水力失调现象，且随系统规模扩大而严重，造成能源浪费和影响供热质量；(3)为解决系统中的多数用户存在资用压头的过大问题，在用户入口设置完善调控设备，以节流增大用

9、户阻力的方法实现各用户环路的阻力平衡，这不但增加资金投入，而且存在着循环水泵潜在的能源浪费。32终端用户加压的供热系统模式在热网中不仅在热源处设置循环水泵和补水泵，而且在部分用户入口还设置终端加压泵的供热系统模式。这种模式的流量输配由循环水泵和终端加压泵串联共同完成，两者扬程之和等于系统的总阻力损失，终端加压泵可以安装在供水或回水管上。与第一种模式相比有如下优点：(1)由于循环泵扬程减小，系统压力降低；(2)由于各用户环路的阻力基本相等或相差较小，系统经初调节后不会出现水力失调现象，避免能源浪费和提高了供热质量；(3)由于所有的部分用户终端加压泵的流量总和小于循环泵的流量，各终端加压泵的扬程都

10、小于系统阻力需要补足的扬程值(最不利环路用户终端加压泵的扬程)，降低系统中水泵的总电耗，节约了能源；(4)如果终端加压泵采用变频的调速水泵，由它直接调节热负荷，则可以不必设置电动调节阀，简化设备配置，减少投资。33终端用户混水回路的供热系统模式在热网中不仅在热源处设置循环水泵和补水泵，而且在用户入口还设置用户系统混水泵的供热系统模式。这种模式把直接连接热网分成两个流体不分离而水力工况分离的系统，即终端用户采暖系统和热网依不同工况运行(如用户采暖系统是恒流量质调节运行方式，而热网是变流量调节运行方式)；根据用户资用压头的情况，终端混水泵设置在连同管、或入口供水管、或入口回水管上，混水泵扬程必须克

11、服终端用户系统的阻力。与第一种模式相比有如下优点：(1)具有问接连接的功能，但不需要换热器和补水泵，占地少、投资小；(2)热网温差大，向用户输送相同热量的循环水量小，热网和循环水泵的投资少，运行费用低，热成本降低低；(3)由于热用户的水力工况是独立的，各用户系统运行参数和调节方式可以自已确定，不会产生水力失调现象，避免能源浪费又提高了供热质量；(4)混水回路适宜用于热负荷在2Mw以下的终端用户。34设中继泵和旁通定压的供热系统模式在热网中不仅在热源处设置循环水泵和补水泵，而且在干管中间设置热网中继泵，且系统恒压点不设定在循环水泵入口附近，而是设定在循环水泵进出口的旁通管上。这种模式的流量输配由

12、循环水泵和中继加压泵串联共同完成，两者扬程之和等于系统的总阻力损失；根据实际需要，中继泵可设置在供水或(和)回水干管上。与第一种模式相比有如下优点：(1)由于循环泵扬程减小，系统压力降低；(2)旁通管定压可使动态水压图下移到管网中任何点的流体压力不产生汽化的位置(一般要求不小于5米)，可使系统压力再降低；同时，也降低补水泵能耗；(3)除中继泵设置在空载(前段没有热负荷)外，一般都有节省系统能耗的效果；(4)适宜用于大中型供热系统。上述这些节能系统模式的水泵设置都应以系统能耗最低和热成本最低为原则进行优化设计，以取得更佳的节能效果和经济效益。4变流量运行与监控策略41主要调节方法分析(1)质调节

13、：运行中保持热网的循环水量不变，以改变供回水温度调节热负荷变化。这种调节方式，网路水力稳定性好，运行管理方便，但热用户不能自主调节和决定用热水平，且负荷变化响应速度慢，随着系统增大，影响越大；在供暖期间，循环水泵都在最大功率下运行，系统运行能耗大。采用这种调节方法的系统通常使用恒速泵，为解决系统水力失调，在用户(热力站热入口)入口安装流量调节阀或平衡阀，用户内部系统没有完善的调控设备。质调节方式不适应用户自主调节、计量收费、提高供热质量和节约能源的供热体制改革要求。(2)量调节：运行中保持热网的供水温度或供回水温差不变，以改变循环水流量调节热负荷变化。这种调节方式，负荷变化响应速度快，热用户能

14、自主调节和决定用热水平；在供暖期间，循环水泵运行功率随负荷的减少而减少，系统运行能耗小；但当热负荷很小、循环流量减少过多时，会使供暖系统水力失调(主要表现是室内供暖系统垂直失调，热力站供热量不足)。采用这种调节方法的系统应使用变速泵；为解决系统水力失调，在室内供暖系统的散热设备(如暖气片)入口支管上宜安装温控阀，热力站热力入口的进口处应安装压差调节阀，而不宜安装流量调节阀。经研究认为：恒供水温度量调节方式与恒供回水温差量调节方式相比较，前者的节能量大于后者；前者的控制复杂性小于后者；前者的水力失调危险大于后者。(3)分阶段变供水温度量调节：为解决恒供水温度量调节弊端，在低负荷时降低供水温度、增

15、加循环水量以提高热网水力稳定性，消除水力失调危险，即根据热负荷情况，以分阶段变供水温度量调节方法运行。分阶段变供水温度量调节方法运行能耗小、控制简单，最适合用户自主调节、计量收费、提高供热质量和节约能源的供热体制改革要求。特别适合用于一级网的调节，与质调节相比，其系统运行电耗可节省40以上。42变流量调节控制的策略变流量调节控制的目标是为实现节能运行计划。节能系统模式和量调节的技术比简单系统模式和质调节复杂，人工操作的调节控制是难于达到目标的，必须采用相应的先进管理技术，即计算机监控。(1)监控方法：区域供热的计算机监控方法通常有两种思路，即：中央集中监控和中央与就地(现场控制机)工协作监控。

16、前者是中央(调度监控中心)独揽大权，现场控制机只是参数的下情上达和指令的上情下达，本身没有自动调控的决策功能；后者是热用户供热量的自动调节决策功能完全“下放”给就地的现场控制机，中央只负责全网参数的监视及总供水温度、总循环流量的自动调控，保证任何热用户的流量和热量需求。中央与就地(现场控制机)分工协作监控的特点，概括起来说就是“中央监测。统一调度，现场控制”的方法。它的优点是比较灵活，故障率小，容易适应热网不同建设期的需要；适合用于变流量调节控制。(2)控制策略：完善的供热系统调节与控制实际上应该是四个环节的控制：室内恒温控制、热力站(热入口)流量调节控制、热源供热参数控制及热力网最不利用户的

17、供回水压差控制室内散热器入口支管上安装温控阀，热用户能自主设定、调节与控制室内温度水平；温控阀还有较好的消除室内系统工况失调的功能。热用户(间接连接的热力站直接连接热入口)入口安装电动调节阀和压差调节阀(当有计算机监控系统时，可通过采集的入口供回水压力参数设定并控制压差值，不必安装压差调节阀)，根据外温变化的水温调节曲线要求，通过电动调节阀调节热网进入的循环水流量，控制用户的供回水温度，适应热负荷变化。(用户供回水温度的给定值根据外温变化的水温调节曲线给定，即室外温度补偿)。通过对热源控制，实现热网统供水温度的调节，满足按需供热的要求。通过实时监测用户供回水压差，并与设定压差比较，调节循环泵(增压泵)水量(转数)，实现热力网的供回水压差控制，保证用户足够的循环水量。5结束语(1)建议：系统节能是多方面的，这里仅涉及水泵设置和运行的节能。系统终端设置加压泵或混水回路，以及变流量运行调节方法，在“十五”期间已进行不少研究和试点，也取得一些效果。但在推广和实施中涉及到体制的不协调，影响热力公司采用节能技术积极性。我国的体制是热生产和热输配通常由两个不同主管的独立核算企业经营，如系统