论文：集中供热二级泵系统原理与运行

摘要： 主要阐述集中供热系统二级泵的原理，水泵的选型设计和运行的调节，旨在对传统集中供热系统进行二级泵改造及运行提供技术支持。 关键词：集中供热系统；一次管道；一次循环泵；二级泵；二次供回水温度 前言 近年来，我国北方地区普遍建设集中供热系统，并随着国家对环境保护的重视及燃气资源的日益充足，各地区陆续取消燃煤锅炉改造为燃气锅炉。但工业燃气气源并不能满足分散供热，因此大型的集中供热系统将是未来发展的方向。从多年的集中供热运行来看，管道的平衡调整是比较关键的技术环节，也是实现优质供热并实现科学供热，节能降耗的关键。集中供热二级泵的运行方式较传统运行方式具有较明显的优势，为此本文从二级泵系统的原理，设计选型和运行几方面，从技术角度进行分析和阐述。 2二级泵系统阐述 2.1传统间接集中供热系统 传统的供热系统，分为直接供热与间接供热两种方式。直接供热系统，锅炉燃烧产生的热水通过设置于锅炉房的循环水泵及管道系统直接输送到热用户，经热用户散热后水温下降并通过管道输送回锅炉再次加热。间接供热系统则是通过设置于锅炉房的循环水泵及管道系统，将高温热水输送到换热站，通过换热器换热后低温水输送回锅炉再次加热。间接供热系统中，锅炉-管道-换热器-管道-锅炉的闭式循环称为一次侧循环，相应的设备及管道称为一次循环泵，一次管道。而换热器-管道-用户-管道-换热器的闭式循环系统称为二次侧，相应的设备及管道称为二次循环泵和二次管道。因二级泵系统应用于间接供热系统，因此下文所阐述的供热系统均为间接供热系统（图1）。 接供热系统无论是直接供热系统还是间接供热系统，对一次侧循环来讲，其循环动力来自于一次循环泵。一次循环泵的流量应满足于热负荷需要，扬程应满足克服锅炉房内部管道阻力，一次供回管道的阻力及换热器的阻力（对直接供热系统则是热用户的阻力）。从传统供热系统的水压图（图2），我们可以了解管道系统压力分布情况。 图2传统供热系统一次侧水压图传统的集中供热系统，由于一次管道往往存在多个换热器（换热站），因此一次管道大多呈树状分布。在传统供热系统中，各换热器的一次水流量平衡分配是中药的问题，一次水量分布不平衡而造成的供热质量问题也是必须面对的课题。对于具有完整的整体设计的系统，从理论上讲会达到一次管道各换热站的平衡运行。但在实际，一个供热站的供热负荷往往是变化的，变化的因素有随时变动的各换热站的供热负荷，也有供热站不断增加的供热负荷（对于发展中的供热站尤其如此）。因此，一次管道的平衡是经常需要进行调节的。而调节的方式传统上使用在各分支一次管道安装自动或手动的流量调节装置来实现。 手动流量调节装置根据一个支线（往往是一个换热站）的热负荷情况计算出一次水的流量并进行人工设定。这种流量调节方式不能应对一次管道的流量或阻力变化，需要经常进行调整。自动流量调节装置除了设定一次水的流量外，可根据管道阻力的变化进行自行调节并恢复设定流量，具有一定的适应管道流量和阻力变化能力。但传统供热系统的这两种一次管道流量调节方式，必须保证一次循环泵提供足够的流量和扬程，否则仍然造成一次水的失调。 2.2集中供热一次管道二级泵系统 近年来，集中供热系统开始应用二级泵技术。所谓二级泵是指在一次管道的各换热站，加装水泵用以满足本换热站的流量需求。在二级泵系统中，锅炉房的循环泵不再承担克服一次管道全部阻力的功能，而仅仅用来克服锅炉房内部阻力。当然，锅炉房的循环泵流量必须满足全部一次管道的流量需求（图3）。 二级泵系统示意图二级泵系统的水压图特性也与传统供热系统方式不同。如（图4）所示，锅炉房循环泵在一次管道回水位置将回水压力提升，克服锅炉房内部阻力后，一次供水压力降低。而一次管道各支线换热站的二级泵共同运行，从一次供水管道“抽水”，完成一次水在主管道的输送。一次供水到达换热器后经过换热，低温水进入二级泵，并由二级泵的扬程通过一次回水管道输送回锅炉房的一次循环泵入口，完成一次水的封闭循环。 二级泵系统水压图从水压图可以看到，二级泵系统运行中，一次管道的供水压力低于回水压力（P11 传统供热系统根据室外气温并参考二次水反馈的供回水温度，由锅炉房进行主动式的调节。这种调节因一次管道长度的因素，存在各支线换热站时间不等的滞后性，尤其在外界气温短时间突变时往往造成供热效果一定时间内失衡，不利于满足热用户需求或不利于节能降耗。二级泵系统运行中，原则上要求锅炉一次水供水温度在一定时期内保持不变（整个采暖期可分成若干个时间段来确定一次水供水温度）。根据外界气温的变化，通过各换热站二级泵运行频率的调节，达到减少或增加一次水流量的目的，从而达到调节二次水回水温度的效果，以适应外界气温的变化。因一次水供水温度不变化，二级泵系统不存在因一次管道长度造成的调节滞后问题。 3.2二级泵运行调节方案 上面已经阐述，二级泵运行中一次水的工况变化是由二级泵来调整。二级泵调整的方式是改变水泵运行频率。改变二级泵频率可以通过人工手动调整和自动调整来实现。人工手动调整原理比较简单，通过运行监护人员实时观察室外温度，对照（表1）随时的对各换热站二级泵进行频率调整，从而达到增加或降低一次水扬程和流量的目的（图5），以达到适应外界气温的二次水供回水温度。人工调整很占用人力，如果不能实现各换热站信号上传和调整指令下传的集中调控，则需要人工分别到各换热站现场进行调整，劳动强度较大，且调整滞后问题较突出。 流量减少的结果反映到二次网便是二次回水温度降低。由于被动调节站同样具备自动检测和调节能力，它将随之增加二级泵运行频率，增加一次水的流量与扬程（图5），以修复二次回水温度的降低。主动调节站二级泵频率降低的现象也是同样如此，对被动调节站二级泵运行产生影响。因此，各换热站二级泵全网运行中，各换热站二级泵的运行工况调整是联动的，越是相邻的换热站，被动调整的现象越明显。对于远端的换热站，因管道阻力的抵消，被动调整越来越不明显。 图6被动调节换热站二级泵H-Q参数变化示意图4二级泵的选型依据 4.1二级泵的流量确定 二级泵作为换热站流量的提供者，需要满足所在换热站的流量需求。由于建筑节能等级不同，所需热负荷也不同，同时换热器对一次温差的设计各厂家也不同，因此某个换热站的一次网流量一般根据建筑设计方提供的热负荷q，供热的建筑面积S，以及换热器厂商提供的一次侧温差t来确定，其关系表达式为： 一般来说建筑设计中建筑物需热量按照当地供热计算室外温度（例如天津地区-9）为依据，因此一次水的流量也是适应这个室外温度的流量。t则参考换热器在此热负荷下的设计温差。 4.2二级泵的扬程确定 二级泵的扬程用来克服一次管道全部阻力，为一次水的循环提供动力。因此在核算二级泵扬程过程中，需要计算每个管段的沿程阻力和局部阻力。其关系式为： 从公式（2）可以看出，二级泵的扬程选择是由从锅炉侧以外到二级泵所在换热站的全部供回水管道的沿程阻力和局部阻力之和。 公式（2）中R是管道的比摩阻。对于新设计的系统，应当在每一个管段选取统一的经济比摩阻，而既有管道的二级泵改造，则应根据每个管段的流量和管径，参照热水管道水力计算表查找本管段的比摩阻。（表2）是热水管道水力计算表的局部截取，从此表可以了解流量，管径与比摩阻的相互关系（全部数据可参考相关文献）。 中为局部阻力当量长度，经过科学的测量将常用管件（三通，弯头，扩径缩径等）的阻力折算成相应管径管道长度的一个参考数值。在二级泵扬程核算中应根据所有管段内的管件进行累加计算。局部阻力当量长度因管件形式不同而不同且比较繁多，因篇幅所限本文不予摘录，其数值选取可参考相关文献。 值得注意的两点，其一，在树状一次管道系统全网二级泵扬程计算中，需要计算此二级泵一次管道所有管段的阻力。某些管段并不仅仅承担此二级泵的供水，而是承担多个二级泵的供水，那么这样的管段的流 量应按照多个二级泵流量之和计算。其二应核算一次供回水管道的阻力，不能仅仅计算供水管道或回水管道的阻力。 5二级泵系统实际运行的几个问题 二级泵系统运行调节不同于传统供热系统依靠分支流量调节阀定流量运行，其各换热站及一次主管道的流量是根据外界气温变化的，定流量并依靠一次水温度来适应某外界气温的调节方式称为质调节。二级泵系统一次网温度恒定而依靠一次水流量变化来适应某外界气温的调节方式称为量调节。 5.1二级泵运行0点现象 上文提到，二级泵系统某个换热站的调节会影响到其他换热站二级泵的运行。在相邻换热站二级泵扬程选型差距较大的情况下，会对较小扬程换热站造成流量“0点”现象。也就是说，当扬程较大的换热站为了适应外界气温变化，增加二级泵运行频率时，扬程较小的被动调节换热站二级泵也随之增加运行频率。当被动调节换热站的二级泵增加到工频而主动调节站仍在增加频率时，被动调节换热站运行工况将无法继续调整，一次水流量急剧减小，此时二级泵运行工况偏离水泵工作区，其流量趋向于0，通俗形容为“顶不出去水”了。这种情况发生后，被动调节换热站会被迫形成停止供热。从这个现象可以看出，各换热站二级泵科学的选型很重要。 5.2二级泵调节对锅炉运行的影响 在供热系统中，锅炉，一次循环泵，二级泵及换热器是一个封闭式的整体。二级泵运行工况的变化，会直接影响到锅炉运行。当在外界气温作用下，一次管道系统内所有二级泵会同时趋向于流量与扬程的增加或减小。当流量减小时，为了保证锅炉的最低内部循环水量的需求，必须增加解耦管的流量，也就是说由一次管道循环泵来向锅炉提供流量，保证锅炉运行安全。而全部二级泵趋向于流量和扬程增大时，需要减小解耦管流量，避免造成过多的一次管道回水（低温水）不经过锅炉加热再次回到一次供水管道，从而使供热效果整体恶化。因此，在二级泵系统一次管道运行中，解耦管的有效调节是十分重要的。解耦管的阀门开度和流量与二级泵工况的匹配，以及锅炉运行工况与二级泵运行工况的匹配，将是一个专门的课题，本文不再详述。 6结束语 本文从集中供热系统二级泵的运行原理，二级泵的选型和运行工况三个方面进行反洗和阐述，目的在于为二级泵系统的设计或传统供热系统进行二级泵改造提供借鉴，同时也从水泵控制工艺要求方面浅显的涉及了自控方案，为二级泵设计或改造工作的控制方案提供参考。 参考文献 1田玉卓.供热工程M.北京：机械工业出版社，2008. 2夏敏文.热能工程设计手册M.北京：化学工业出版社，1998. 3李春.水泵现代设计方法M.上海：上海科学技术出版社，2001.