優(yōu)化水泵設(shè)置

1、優(yōu)化水泵設(shè)置 降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗清華大學(xué)建筑學(xué)院蔡啟林摘要：本文從水泵在集中供熱中的功能出發(fā)，探討節(jié)能的系統(tǒng)模式，調(diào)節(jié)方法以及控制策略。提出在系統(tǒng)中優(yōu)化設(shè)置水泵以降低系統(tǒng)壓力等級(jí)和節(jié)省系統(tǒng)水泵總電耗；采用分階艮變供水溫度量調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低電耗運(yùn)行以及與其相適應(yīng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控策略。關(guān)鍵詞：供熱系統(tǒng)；優(yōu)化水泵設(shè)置；變流量運(yùn)行；系統(tǒng)能耗；監(jiān)控策略1 前言2005年12月8日建設(shè)部等八部委關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)城鎮(zhèn)供熱體制改革的意見中指出：“堅(jiān)持環(huán)保節(jié)能的原則，強(qiáng)化節(jié)約意識(shí)，大力推廣建筑節(jié)能和系統(tǒng)節(jié)能，降低能源消耗”是發(fā)展供熱的一個(gè)基本原則。為我們今后發(fā)展和改造集中供熱指明了方向。我國集中供熱發(fā)展迅速，但生產(chǎn)和

2、輸送的能耗仍比較高。在輸送方面，大流量、小溫差、高點(diǎn)耗的運(yùn)行方式普遍存在，筆者去年就在現(xiàn)場(chǎng)了解一平方米供熱面積循環(huán)水量最達(dá)7公斤小時(shí)，約為正常三倍的情況，水泵電耗之大可想而知。對(duì)于熱水供熱來說，供熱經(jīng)營單位的熱成本組成，除購熱(鍋爐房生產(chǎn)熱)費(fèi)是主要外，水泵的電耗開支占重要份額，因此，采用先進(jìn)適用技術(shù)，設(shè)計(jì)和改造管網(wǎng)系統(tǒng)，充分挖掘系統(tǒng)節(jié)能潛力，特別是降低水泵電耗是系統(tǒng)節(jié)能的重要途徑。最近幾年，有的供熱企業(yè)，以部分用戶設(shè)置終端加壓泵降低循環(huán)水泵揚(yáng)程：以用戶設(shè)置終端加壓泵代替中繼泵；以設(shè)置終端加壓泵提高用戶資用壓頭等，都取得減少投資、改善水力工況和降低系統(tǒng)水泵能耗的效果。前幾年，蒙古國利用國際融資

3、大規(guī)模改造供熱系統(tǒng)，大量采用終端用戶混水回路技術(shù)，擴(kuò)大熱網(wǎng)溫差以降低系統(tǒng)能耗?？梢?，科學(xué)和優(yōu)化系統(tǒng)中水泵設(shè)置，對(duì)降低系統(tǒng)能耗有重要的作用。下面僅就系統(tǒng)中水泵設(shè)置和運(yùn)行調(diào)節(jié)的節(jié)能問題談幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和意見。2供熱系統(tǒng)中水泵的設(shè)置和功能按用途分，供熱系統(tǒng)中水泵設(shè)置如圖1所示：l循環(huán)水泵 2供水中繼泵 3回水中繼泵 4用戶加壓泵5l_補(bǔ)水泵 6用戶混水泵 7熱網(wǎng)混水泵 8熱源混水泵圖l 供熱系統(tǒng)水泵設(shè)置圖2.1循環(huán)水泵：一般安裝在供熱廠(對(duì)于二級(jí)網(wǎng)是熱力站)內(nèi)，位于制熱設(shè)備(鍋爐或熱交換設(shè)備)進(jìn)口出口的主干管上。它驅(qū)動(dòng)全系統(tǒng)供熱介質(zhì)循環(huán)，并通過管網(wǎng)把熱量疆配給用戶主要?jiǎng)恿υO(shè)備(圖1中的1)。循環(huán)水泵安裝在

4、進(jìn)口的主干管上，制熱設(shè)備承壓高(系統(tǒng)的高壓點(diǎn))，但水泵耐溫低(系統(tǒng)的回水溫度)；安裝在出口的主干管上，制熱設(shè)備承壓低(系統(tǒng)的低壓點(diǎn))，但水泵耐溫高(系統(tǒng)的水溫度)。循環(huán)水泵的流量和揚(yáng)程隨供熱規(guī)模擴(kuò)大而增加，熱網(wǎng)的壓力也隨之增大。2.2熱網(wǎng)中繼(加壓)泵：根據(jù)供熱系統(tǒng)水力工況要求，設(shè)置在熱網(wǎng)主管路上的(增壓)水泵。與循環(huán)水泵串聯(lián)，一起驅(qū)動(dòng)全系統(tǒng)供熱介質(zhì)循環(huán)，并通過管網(wǎng)把熱量分配給用戶。設(shè)置在系統(tǒng)供水豐管路上的水泵稱水中繼(加壓)泵(圖1中的2)；設(shè)置在系統(tǒng)回水主管路上的水泵稱同水中繼(加壓)泵(圖1中的3)。設(shè)置中繼(加壓)泵可以減少主循環(huán)水泵揚(yáng)程，降低熱網(wǎng)的壓力等級(jí)。合理設(shè)置熱網(wǎng)中繼(加壓)泵

5、，能有效降低系統(tǒng)水泵運(yùn)行電耗。由理論分析認(rèn)為：設(shè)置熱網(wǎng)中繼(加壓)泵減少系統(tǒng)運(yùn)行電耗系數(shù)范圍是l0.5，即：若熱網(wǎng)中繼(加壓)泵設(shè)置在空載(上段無用戶熱負(fù)荷)的熱網(wǎng)主管路上，其運(yùn)行電耗系數(shù)為1，不節(jié)省運(yùn)行電耗：若設(shè)置在非空載(上段有用戶熱負(fù)荷)的熱網(wǎng)主管路上，其系統(tǒng)運(yùn)行電耗系數(shù)小于1，且隨中繼(加壓)水泵站數(shù)目增多而降低。2·3補(bǔ)水泵：為保持供熱系統(tǒng)在某一設(shè)定點(diǎn)維持恒定壓力，而向供熱系統(tǒng)補(bǔ)充供熱介質(zhì)的水泵(圖1中的5)。在任何-況F保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，使熱網(wǎng)的任何位置不汽化、不倒空、不壓壞用熱設(shè)備，保證安全供熱。24終端加壓泵：設(shè)置在用戶(熱力站或供暖系統(tǒng))入El的供回水管上，以提升該

6、用戶壓差的水泵(圖l中的4)。當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)水泵揚(yáng)程不夠?qū)е孪的┒艘恍┯脩艄崃坎蛔銜r(shí)，在這些用戶處設(shè)置加壓泵，以降低該環(huán)路的管路特性，提高用戶資用壓頭，可以很好地解決因用戶資用壓頭不夠?qū)е碌乃κд{(diào)；這種技術(shù)措施與更換高揚(yáng)程水泵相比較，能減少改造資金和節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行電耗。優(yōu)化循環(huán)水泵和終端加壓泵的配置，是系統(tǒng)節(jié)能的新系統(tǒng)模式(下面敘述)。25混水泵：在供熱系統(tǒng)中，為抽取部分供水(回水)與回水(供水)混合以提升(降低)進(jìn)入設(shè)備水溫的水泵統(tǒng)稱混水泵。用戶系統(tǒng)混水泵：設(shè)置在用戶(熱力站或供暖系統(tǒng))入口，用部分回水與供水混合以降低用戶系統(tǒng)供水溫度的水泵稱用戶系統(tǒng)混水泵(圖l中的6)。用戶系統(tǒng)混水泵可以提高

7、熱網(wǎng)運(yùn)行供水溫度，增大其溫差，降低循環(huán)水泵單位供熱量能耗。同時(shí)，對(duì)于已有管網(wǎng)可以增加供熱量，對(duì)于新設(shè)計(jì)熱網(wǎng)可以降低建設(shè)投資。熱網(wǎng)混水泵：設(shè)置在熱網(wǎng)循環(huán)泵吸入口附近的供回水連通管上，用來抽取部分回水與熱源供水混合，以降低熱網(wǎng)供水溫度的水泵稱熱網(wǎng)混水泵(圖l中的7)。熱網(wǎng)混水泵可以使熱源出水溫度高于熱網(wǎng)供水溫度，降低熱源設(shè)備水阻力，減少循環(huán)水泵運(yùn)行電耗。熱源混水泵：設(shè)置在熱源(熱水鍋爐或首站)進(jìn)出口連通管上，用來抽取部分熱源供水與熱網(wǎng)回水混合，以提高進(jìn)入熱源的熱網(wǎng)回水溫度的水泵稱熱源混水泵。熱源混水泵可以提高進(jìn)入鍋爐的系統(tǒng)回水溫度，使鍋爐進(jìn)水溫度高于防止尾部腐蝕溫度，提高鍋爐使用壽命。3優(yōu)化供熱系

8、統(tǒng)模式31簡(jiǎn)單的供熱系統(tǒng)模式在熱網(wǎng)中只設(shè)置循環(huán)水泵和補(bǔ)水泵的供熱系統(tǒng)模式。這是當(dāng)前我國應(yīng)用最多的一種，該模式依據(jù)最不利環(huán)路的阻力損失(包括管路、附件、制熱設(shè)備)加用戶資用壓頭作為選擇系統(tǒng)循環(huán)水泵的揚(yáng)程；循環(huán)水泵設(shè)置在回水管上，補(bǔ)水泵的恒壓點(diǎn)設(shè)置在循環(huán)水泵吸入口附近。其特點(diǎn)是：(1)系統(tǒng)壓力取決于循環(huán)水泵揚(yáng)程和恒壓點(diǎn)取值，系統(tǒng)壓力隨規(guī)模擴(kuò)大而升高；(2)在沒有完善調(diào)控設(shè)備(如平衡閥、自力式流量調(diào)節(jié)閥、自力式壓差調(diào)節(jié)閥等)條件情況下，普遍存在水力失調(diào)現(xiàn)象，且隨系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大而嚴(yán)重，造成能源浪費(fèi)和影響供熱質(zhì)量；(3)為解決系統(tǒng)中的多數(shù)用戶存在資用壓頭的過大問題，在用戶入口設(shè)置完善調(diào)控設(shè)備，以節(jié)流增大用

9、戶阻力的方法實(shí)現(xiàn)各用戶環(huán)路的阻力平衡，這不但增加資金投入，而且存在著循環(huán)水泵潛在的能源浪費(fèi)。32終端用戶加壓的供熱系統(tǒng)模式在熱網(wǎng)中不僅在熱源處設(shè)置循環(huán)水泵和補(bǔ)水泵，而且在部分用戶入口還設(shè)置終端加壓泵的供熱系統(tǒng)模式。這種模式的流量輸配由循環(huán)水泵和終端加壓泵串聯(lián)共同完成，兩者揚(yáng)程之和等于系統(tǒng)的總阻力損失，終端加壓泵可以安裝在供水或回水管上。與第一種模式相比有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)由于循環(huán)泵揚(yáng)程減小，系統(tǒng)壓力降低；(2)由于各用戶環(huán)路的阻力基本相等或相差較小，系統(tǒng)經(jīng)初調(diào)節(jié)后不會(huì)出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象，避免能源浪費(fèi)和提高了供熱質(zhì)量；(3)由于所有的部分用戶終端加壓泵的流量總和小于循環(huán)泵的流量，各終端加壓泵的揚(yáng)程都

10、小于系統(tǒng)阻力需要補(bǔ)足的揚(yáng)程值(最不利環(huán)路用戶終端加壓泵的揚(yáng)程)，降低系統(tǒng)中水泵的總電耗，節(jié)約了能源；(4)如果終端加壓泵采用變頻的調(diào)速水泵，由它直接調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，則可以不必設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，簡(jiǎn)化設(shè)備配置，減少投資。33終端用戶混水回路的供熱系統(tǒng)模式在熱網(wǎng)中不僅在熱源處設(shè)置循環(huán)水泵和補(bǔ)水泵，而且在用戶入口還設(shè)置用戶系統(tǒng)混水泵的供熱系統(tǒng)模式。這種模式把直接連接熱網(wǎng)分成兩個(gè)流體不分離而水力工況分離的系統(tǒng)，即終端用戶采暖系統(tǒng)和熱網(wǎng)依不同工況運(yùn)行(如用戶采暖系統(tǒng)是恒流量質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，而熱網(wǎng)是變流量調(diào)節(jié)運(yùn)行方式)；根據(jù)用戶資用壓頭的情況，終端混水泵設(shè)置在連同管、或入口供水管、或入口回水管上，混水泵揚(yáng)程必須克

11、服終端用戶系統(tǒng)的阻力。與第一種模式相比有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)具有問接連接的功能，但不需要換熱器和補(bǔ)水泵，占地少、投資??；(2)熱網(wǎng)溫差大，向用戶輸送相同熱量的循環(huán)水量小，熱網(wǎng)和循環(huán)水泵的投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，熱成本降低低；(3)由于熱用戶的水力工況是獨(dú)立的，各用戶系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和調(diào)節(jié)方式可以自已確定，不會(huì)產(chǎn)生水力失調(diào)現(xiàn)象，避免能源浪費(fèi)又提高了供熱質(zhì)量；(4)混水回路適宜用于熱負(fù)荷在2Mw以下的終端用戶。34設(shè)中繼泵和旁通定壓的供熱系統(tǒng)模式在熱網(wǎng)中不僅在熱源處設(shè)置循環(huán)水泵和補(bǔ)水泵，而且在干管中間設(shè)置熱網(wǎng)中繼泵，且系統(tǒng)恒壓點(diǎn)不設(shè)定在循環(huán)水泵入口附近，而是設(shè)定在循環(huán)水泵進(jìn)出口的旁通管上。這種模式的流量輸配由

12、循環(huán)水泵和中繼加壓泵串聯(lián)共同完成，兩者揚(yáng)程之和等于系統(tǒng)的總阻力損失；根據(jù)實(shí)際需要，中繼泵可設(shè)置在供水或(和)回水干管上。與第一種模式相比有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)由于循環(huán)泵揚(yáng)程減小，系統(tǒng)壓力降低；(2)旁通管定壓可使動(dòng)態(tài)水壓圖下移到管網(wǎng)中任何點(diǎn)的流體壓力不產(chǎn)生汽化的位置(一般要求不小于5米)，可使系統(tǒng)壓力再降低；同時(shí)，也降低補(bǔ)水泵能耗；(3)除中繼泵設(shè)置在空載(前段沒有熱負(fù)荷)外，一般都有節(jié)省系統(tǒng)能耗的效果；(4)適宜用于大中型供熱系統(tǒng)。上述這些節(jié)能系統(tǒng)模式的水泵設(shè)置都應(yīng)以系統(tǒng)能耗最低和熱成本最低為原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以取得更佳的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。4變流量運(yùn)行與監(jiān)控策略41主要調(diào)節(jié)方法分析(1)質(zhì)調(diào)節(jié)

13、：運(yùn)行中保持熱網(wǎng)的循環(huán)水量不變，以改變供回水溫度調(diào)節(jié)熱負(fù)荷變化。這種調(diào)節(jié)方式，網(wǎng)路水力穩(wěn)定性好，運(yùn)行管理方便，但熱用戶不能自主調(diào)節(jié)和決定用熱水平，且負(fù)荷變化響應(yīng)速度慢，隨著系統(tǒng)增大，影響越大；在供暖期間，循環(huán)水泵都在最大功率下運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行能耗大。采用這種調(diào)節(jié)方法的系統(tǒng)通常使用恒速泵，為解決系統(tǒng)水力失調(diào)，在用戶(熱力站熱入口)入口安裝流量調(diào)節(jié)閥或平衡閥，用戶內(nèi)部系統(tǒng)沒有完善的調(diào)控設(shè)備。質(zhì)調(diào)節(jié)方式不適應(yīng)用戶自主調(diào)節(jié)、計(jì)量收費(fèi)、提高供熱質(zhì)量和節(jié)約能源的供熱體制改革要求。(2)量調(diào)節(jié)：運(yùn)行中保持熱網(wǎng)的供水溫度或供回水溫差不變，以改變循環(huán)水流量調(diào)節(jié)熱負(fù)荷變化。這種調(diào)節(jié)方式，負(fù)荷變化響應(yīng)速度快，熱用戶能

14、自主調(diào)節(jié)和決定用熱水平；在供暖期間，循環(huán)水泵運(yùn)行功率隨負(fù)荷的減少而減少，系統(tǒng)運(yùn)行能耗?。坏?dāng)熱負(fù)荷很小、循環(huán)流量減少過多時(shí)，會(huì)使供暖系統(tǒng)水力失調(diào)(主要表現(xiàn)是室內(nèi)供暖系統(tǒng)垂直失調(diào)，熱力站供熱量不足)。采用這種調(diào)節(jié)方法的系統(tǒng)應(yīng)使用變速泵；為解決系統(tǒng)水力失調(diào)，在室內(nèi)供暖系統(tǒng)的散熱設(shè)備(如暖氣片)入口支管上宜安裝溫控閥，熱力站熱力入口的進(jìn)口處應(yīng)安裝壓差調(diào)節(jié)閥，而不宜安裝流量調(diào)節(jié)閥。經(jīng)研究認(rèn)為：恒供水溫度量調(diào)節(jié)方式與恒供回水溫差量調(diào)節(jié)方式相比較，前者的節(jié)能量大于后者；前者的控制復(fù)雜性小于后者；前者的水力失調(diào)危險(xiǎn)大于后者。(3)分階段變供水溫度量調(diào)節(jié)：為解決恒供水溫度量調(diào)節(jié)弊端，在低負(fù)荷時(shí)降低供水溫度、增

15、加循環(huán)水量以提高熱網(wǎng)水力穩(wěn)定性，消除水力失調(diào)危險(xiǎn)，即根據(jù)熱負(fù)荷情況，以分階段變供水溫度量調(diào)節(jié)方法運(yùn)行。分階段變供水溫度量調(diào)節(jié)方法運(yùn)行能耗小、控制簡(jiǎn)單，最適合用戶自主調(diào)節(jié)、計(jì)量收費(fèi)、提高供熱質(zhì)量和節(jié)約能源的供熱體制改革要求。特別適合用于一級(jí)網(wǎng)的調(diào)節(jié)，與質(zhì)調(diào)節(jié)相比，其系統(tǒng)運(yùn)行電耗可節(jié)省40以上。42變流量調(diào)節(jié)控制的策略變流量調(diào)節(jié)控制的目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行計(jì)劃。節(jié)能系統(tǒng)模式和量調(diào)節(jié)的技術(shù)比簡(jiǎn)單系統(tǒng)模式和質(zhì)調(diào)節(jié)復(fù)雜，人工操作的調(diào)節(jié)控制是難于達(dá)到目標(biāo)的，必須采用相應(yīng)的先進(jìn)管理技術(shù)，即計(jì)算機(jī)監(jiān)控。(1)監(jiān)控方法：區(qū)域供熱的計(jì)算機(jī)監(jiān)控方法通常有兩種思路，即：中央集中監(jiān)控和中央與就地(現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī))工協(xié)作監(jiān)控。

16、前者是中央(調(diào)度監(jiān)控中心)獨(dú)攬大權(quán)，現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)只是參數(shù)的下情上達(dá)和指令的上情下達(dá)，本身沒有自動(dòng)調(diào)控的決策功能；后者是熱用戶供熱量的自動(dòng)調(diào)節(jié)決策功能完全“下放”給就地的現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)，中央只負(fù)責(zé)全網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)視及總供水溫度、總循環(huán)流量的自動(dòng)調(diào)控，保證任何熱用戶的流量和熱量需求。中央與就地(現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī))分工協(xié)作監(jiān)控的特點(diǎn)，概括起來說就是“中央監(jiān)測(cè)。統(tǒng)一調(diào)度，現(xiàn)場(chǎng)控制”的方法。它的優(yōu)點(diǎn)是比較靈活，故障率小，容易適應(yīng)熱網(wǎng)不同建設(shè)期的需要；適合用于變流量調(diào)節(jié)控制。(2)控制策略：完善的供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)與控制實(shí)際上應(yīng)該是四個(gè)環(huán)節(jié)的控制：室內(nèi)恒溫控制、熱力站(熱入口)流量調(diào)節(jié)控制、熱源供熱參數(shù)控制及熱力網(wǎng)最不利用戶的

17、供回水壓差控制室內(nèi)散熱器入口支管上安裝溫控閥，熱用戶能自主設(shè)定、調(diào)節(jié)與控制室內(nèi)溫度水平；溫控閥還有較好的消除室內(nèi)系統(tǒng)工況失調(diào)的功能。熱用戶(間接連接的熱力站直接連接熱入口)入口安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和壓差調(diào)節(jié)閥(當(dāng)有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，可通過采集的入口供回水壓力參數(shù)設(shè)定并控制壓差值，不必安裝壓差調(diào)節(jié)閥)，根據(jù)外溫變化的水溫調(diào)節(jié)曲線要求，通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)熱網(wǎng)進(jìn)入的循環(huán)水流量，控制用戶的供回水溫度，適應(yīng)熱負(fù)荷變化。(用戶供回水溫度的給定值根據(jù)外溫變化的水溫調(diào)節(jié)曲線給定，即室外溫度補(bǔ)償)。通過對(duì)熱源控制，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)統(tǒng)供水溫度的調(diào)節(jié)，滿足按需供熱的要求。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶供回水壓差，并與設(shè)定壓差比較，調(diào)節(jié)循環(huán)泵(增壓泵)水量(轉(zhuǎn)數(shù))，實(shí)現(xiàn)熱力網(wǎng)的供回水壓差控制，保證用戶足夠的循環(huán)水量。5結(jié)束語(1)建議：系統(tǒng)節(jié)能是多方面的，這里僅涉及水泵設(shè)置和運(yùn)行的節(jié)能。系統(tǒng)終端設(shè)置加壓泵或混水回路，以及變流量運(yùn)行調(diào)節(jié)方法，在“十五”期間已進(jìn)行不少研究和試點(diǎn)，也取得一些效果。但在推廣和實(shí)施中涉及到體制的不協(xié)調(diào)，影響熱力公司采用節(jié)能技術(shù)積極性。我國的體制是熱生產(chǎn)和熱輸配通常由兩個(gè)不同主管的獨(dú)立核算企業(yè)經(jīng)營，如系統(tǒng)