集中供熱二級(jí)泵系統(tǒng)原理與運(yùn)行

邵越

摘要： 主要闡述集中供熱系統(tǒng)二級(jí)泵的原理，水泵的選型設(shè)計(jì)和運(yùn)行的調(diào)節(jié)，旨在對(duì)傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行二級(jí)泵改造及運(yùn)行提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：集中供熱系統(tǒng)；一次管道；一次循環(huán)泵；二級(jí)泵；二次供回水溫度

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.14.106

1前言

近年來，我國(guó)北方地區(qū)普遍建設(shè)集中供熱系統(tǒng)，并隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視及燃?xì)赓Y源的日益充足，各地區(qū)陸續(xù)取消燃煤鍋爐改造為燃?xì)忮仩t。但工業(yè)燃?xì)鈿庠床⒉荒軡M足分散供熱，因此大型的集中供熱系統(tǒng)將是未來發(fā)展的方向。從多年的集中供熱運(yùn)行來看，管道的平衡調(diào)整是比較關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)供熱并實(shí)現(xiàn)科學(xué)供熱，節(jié)能降耗的關(guān)鍵。集中供熱二級(jí)泵的運(yùn)行方式較傳統(tǒng)運(yùn)行方式具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，為此本文從二級(jí)泵系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行幾方面，從技術(shù)角度進(jìn)行分析和闡述。

2二級(jí)泵系統(tǒng)闡述

2.1傳統(tǒng)間接集中供熱系統(tǒng)

傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)，分為直接供熱與間接供熱兩種方式。直接供熱系統(tǒng)，鍋爐燃燒產(chǎn)生的熱水通過設(shè)置于鍋爐房的循環(huán)水泵及管道系統(tǒng)直接輸送到熱用戶，經(jīng)熱用戶散熱后水溫下降并通過管道輸送回鍋爐再次加熱。間接供熱系統(tǒng)則是通過設(shè)置于鍋爐房的循環(huán)水泵及管道系統(tǒng)，將高溫?zé)崴斔偷綋Q熱站，通過換熱器換熱后低溫水輸送回鍋爐再次加熱。間接供熱系統(tǒng)中，鍋爐-管道-換熱器-管道-鍋爐的閉式循環(huán)稱為一次側(cè)循環(huán)，相應(yīng)的設(shè)備及管道稱為一次循環(huán)泵，一次管道。而換熱器-管道-用戶-管道-換熱器的閉式循環(huán)系統(tǒng)稱為二次側(cè)，相應(yīng)的設(shè)備及管道稱為二次循環(huán)泵和二次管道。因二級(jí)泵系統(tǒng)應(yīng)用于間接供熱系統(tǒng)，因此下文所闡述的供熱系統(tǒng)均為間接供熱系統(tǒng)（圖1）。

接供熱系統(tǒng)無論是直接供熱系統(tǒng)還是間接供熱系統(tǒng)，對(duì)一次側(cè)循環(huán)來講，其循環(huán)動(dòng)力來自于一次循環(huán)泵。一次循環(huán)泵的流量應(yīng)滿足于熱負(fù)荷需要，揚(yáng)程應(yīng)滿足克服鍋爐房?jī)?nèi)部管道阻力，一次供回管道的阻力及換熱器的阻力（對(duì)直接供熱系統(tǒng)則是熱用戶的阻力）。從傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的水壓圖（圖2），我們可以了解管道系統(tǒng)壓力分布情況。

圖2傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)一次側(cè)水壓圖傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)，由于一次管道往往存在多個(gè)換熱器（換熱站），因此一次管道大多呈樹狀分布。在傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中，各換熱器的一次水流量平衡分配是中藥的問題，一次水量分布不平衡而造成的供熱質(zhì)量問題也是必須面對(duì)的課題。對(duì)于具有完整的整體設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，從理論上講會(huì)達(dá)到一次管道各換熱站的平衡運(yùn)行。但在實(shí)際，一個(gè)供熱站的供熱負(fù)荷往往是變化的，變化的因素有隨時(shí)變動(dòng)的各換熱站的供熱負(fù)荷，也有供熱站不斷增加的供熱負(fù)荷（對(duì)于發(fā)展中的供熱站尤其如此）。因此，一次管道的平衡是經(jīng)常需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的。而調(diào)節(jié)的方式傳統(tǒng)上使用在各分支一次管道安裝自動(dòng)或手動(dòng)的流量調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)。

手動(dòng)流量調(diào)節(jié)裝置根據(jù)一個(gè)支線（往往是一個(gè)換熱站）的熱負(fù)荷情況計(jì)算出一次水的流量并進(jìn)行人工設(shè)定。這種流量調(diào)節(jié)方式不能應(yīng)對(duì)一次管道的流量或阻力變化，需要經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整。自動(dòng)流量調(diào)節(jié)裝置除了設(shè)定一次水的流量外，可根據(jù)管道阻力的變化進(jìn)行自行調(diào)節(jié)并恢復(fù)設(shè)定流量，具有一定的適應(yīng)管道流量和阻力變化能力。但傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的這兩種一次管道流量調(diào)節(jié)方式，必須保證一次循環(huán)泵提供足夠的流量和揚(yáng)程，否則仍然造成一次水的失調(diào)。

2.2集中供熱一次管道二級(jí)泵系統(tǒng)

近年來，集中供熱系統(tǒng)開始應(yīng)用二級(jí)泵技術(shù)。所謂二級(jí)泵是指在一次管道的各換熱站，加裝水泵用以滿足本換熱站的流量需求。在二級(jí)泵系統(tǒng)中，鍋爐房的循環(huán)泵不再承擔(dān)克服一次管道全部阻力的功能，而僅僅用來克服鍋爐房?jī)?nèi)部阻力。當(dāng)然，鍋爐房的循環(huán)泵流量必須滿足全部一次管道的流量需求（圖3）。

二級(jí)泵系統(tǒng)示意圖二級(jí)泵系統(tǒng)的水壓圖特性也與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)方式不同。如（圖4）所示，鍋爐房循環(huán)泵在一次管道回水位置將回水壓力提升，克服鍋爐房?jī)?nèi)部阻力后，一次供水壓力降低。而一次管道各支線換熱站的二級(jí)泵共同運(yùn)行，從一次供水管道“抽水”，完成一次水在主管道的輸送。一次供水到達(dá)換熱器后經(jīng)過換熱，低溫水進(jìn)入二級(jí)泵，并由二級(jí)泵的揚(yáng)程通過一次回水管道輸送回鍋爐房的一次循環(huán)泵入口，完成一次水的封閉循環(huán)。

二級(jí)泵系統(tǒng)水壓圖從水壓圖可以看到，二級(jí)泵系統(tǒng)運(yùn)行中，一次管道的供水壓力低于回水壓力（P11

3二級(jí)泵系統(tǒng)運(yùn)行原理

3.1二級(jí)泵系統(tǒng)運(yùn)行工況

二級(jí)泵系統(tǒng)是由分布在一次管道各支線末端的二級(jí)泵分別抽取流量，并從一次回水管道提供揚(yáng)程以克服一次管道的阻力。而鍋爐房?jī)?nèi)部阻力則由鍋爐房?jī)?nèi)揚(yáng)程相比于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)小的循環(huán)泵來克服。因此二級(jí)泵系統(tǒng)運(yùn)行中，一次管道回水壓力高于供水壓力。

二級(jí)泵系統(tǒng)中一個(gè)重要的管道，是位于一次網(wǎng)循環(huán)泵后端的連接一次供回的管道，稱為解耦管。解耦管應(yīng)安裝有可自動(dòng)調(diào)節(jié)開度的閥門。解耦管的作用在于抵消一次循環(huán)泵的富余揚(yáng)程，使得一次循環(huán)泵的揚(yáng)程僅作用于鍋爐房?jī)?nèi)部。當(dāng)外界各換熱站二級(jí)泵因運(yùn)行頻率調(diào)整揚(yáng)程發(fā)生變化時(shí)，解耦管的調(diào)節(jié)閥門隨之進(jìn)行開度調(diào)整，從而調(diào)整通過解耦管的一次水流量，達(dá)到適應(yīng)一次管道外界流量和揚(yáng)程需求的目的，進(jìn)而達(dá)到鍋爐運(yùn)行被動(dòng)調(diào)整的目的。

從一次水的運(yùn)行調(diào)節(jié)方面，供熱系統(tǒng)的一次水供回水水溫是根據(jù)外界氣溫來進(jìn)行調(diào)節(jié)。一次水供回水水溫的高低，直接影響通過換熱器換熱后二次水的供水溫度T21和回水溫度T22。而二次水是最終進(jìn)入熱用戶的，因此二次水供回水溫度是考量供熱效果最直接的參數(shù)。根據(jù)熱用戶的建筑節(jié)能等級(jí)不同，所需要的二次水供回水溫度也不盡相同，而且同一個(gè)供熱系統(tǒng)熱用戶的建筑節(jié)能形式不盡相同。為了便于實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)，根據(jù)多年供熱行業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出不同外界氣溫下普遍適合的二次水供回水溫度參考值（表1）。

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)根據(jù)室外氣溫并參考二次水反饋的供回水溫度，由鍋爐房進(jìn)行主動(dòng)式的調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)因一次管道長(zhǎng)度的因素，存在各支線換熱站時(shí)間不等的滯后性，尤其在外界氣溫短時(shí)間突變時(shí)往往造成供熱效果一定時(shí)間內(nèi)失衡，不利于滿足熱用戶需求或不利于節(jié)能降耗。二級(jí)泵系統(tǒng)運(yùn)行中，原則上要求鍋爐一次水供水溫度在一定時(shí)期內(nèi)保持不變（整個(gè)采暖期可分成若干個(gè)時(shí)間段來確定一次水供水溫度）。根據(jù)外界氣溫的變化，通過各換熱站二級(jí)泵運(yùn)行頻率的調(diào)節(jié)，達(dá)到減少或增加一次水流量的目的，從而達(dá)到調(diào)節(jié)二次水回水溫度的效果，以適應(yīng)外界氣溫的變化。因一次水供水溫度不變化，二級(jí)泵系統(tǒng)不存在因一次管道長(zhǎng)度造成的調(diào)節(jié)滯后問題。

3.2二級(jí)泵運(yùn)行調(diào)節(jié)方案

上面已經(jīng)闡述，二級(jí)泵運(yùn)行中一次水的工況變化是由二級(jí)泵來調(diào)整。二級(jí)泵調(diào)整的方式是改變水泵運(yùn)行頻率。改變二級(jí)泵頻率可以通過人工手動(dòng)調(diào)整和自動(dòng)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。人工手動(dòng)調(diào)整原理比較簡(jiǎn)單，通過運(yùn)行監(jiān)護(hù)人員實(shí)時(shí)觀察室外溫度，對(duì)照（表1）隨時(shí)的對(duì)各換熱站二級(jí)泵進(jìn)行頻率調(diào)整，從而達(dá)到增加或降低一次水揚(yáng)程和流量的目的（圖5），以達(dá)到適應(yīng)外界氣溫的二次水供回水溫度。人工調(diào)整很占用人力，如果不能實(shí)現(xiàn)各換熱站信號(hào)上傳和調(diào)整指令下傳的集中調(diào)控，則需要人工分別到各換熱站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，且調(diào)整滯后問題較突出。

流量減少的結(jié)果反映到二次網(wǎng)便是二次回水溫度降低。由于被動(dòng)調(diào)節(jié)站同樣具備自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)節(jié)能力，它將隨之增加二級(jí)泵運(yùn)行頻率，增加一次水的流量與揚(yáng)程（圖5），以修復(fù)二次回水溫度的降低。主動(dòng)調(diào)節(jié)站二級(jí)泵頻率降低的現(xiàn)象也是同樣如此，對(duì)被動(dòng)調(diào)節(jié)站二級(jí)泵運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此，各換熱站二級(jí)泵全網(wǎng)運(yùn)行中，各換熱站二級(jí)泵的運(yùn)行工況調(diào)整是聯(lián)動(dòng)的，越是相鄰的換熱站，被動(dòng)調(diào)整的現(xiàn)象越明顯。對(duì)于遠(yuǎn)端的換熱站，因管道阻力的抵消，被動(dòng)調(diào)整越來越不明顯。

圖6被動(dòng)調(diào)節(jié)換熱站二級(jí)泵H-Q參數(shù)變化示意圖4二級(jí)泵的選型依據(jù)

4.1二級(jí)泵的流量確定

二級(jí)泵作為換熱站流量的提供者，需要滿足所在換熱站的流量需求。由于建筑節(jié)能等級(jí)不同，所需熱負(fù)荷也不同，同時(shí)換熱器對(duì)一次溫差的設(shè)計(jì)各廠家也不同，因此某個(gè)換熱站的一次網(wǎng)流量一般根據(jù)建筑設(shè)計(jì)方提供的熱負(fù)荷q，供熱的建筑面積S，以及換熱器廠商提供的一次側(cè)溫差Δt來確定，其關(guān)系表達(dá)式為：

一般來說建筑設(shè)計(jì)中建筑物需熱量按照當(dāng)?shù)毓嵊?jì)算室外溫度（例如天津地區(qū)-9℃）為依據(jù)，因此一次水的流量也是適應(yīng)這個(gè)室外溫度的流量。Δt則參考換熱器在此熱負(fù)荷下的設(shè)計(jì)溫差。

4.2二級(jí)泵的揚(yáng)程確定

二級(jí)泵的揚(yáng)程用來克服一次管道全部阻力，為一次水的循環(huán)提供動(dòng)力。因此在核算二級(jí)泵揚(yáng)程過程中，需要計(jì)算每個(gè)管段的沿程阻力和局部阻力。其關(guān)系式為：

從公式（2）可以看出，二級(jí)泵的揚(yáng)程選擇是由從鍋爐側(cè)以外到二級(jí)泵所在換熱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。對(duì)于新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)在每一個(gè)管段選取統(tǒng)一的經(jīng)濟(jì)比摩阻，而既有管道的二級(jí)泵改造，則應(yīng)根據(jù)每個(gè)管段的流量和管徑，參照《熱水管道水力計(jì)算表》查找本管段的比摩阻。（表2）是《熱水管道水力計(jì)算表》的局部截取，從此表可以了解流量，管徑與比摩阻的相互關(guān)系（全部數(shù)據(jù)可參考相關(guān)文獻(xiàn)）。

中ζ為局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度，經(jīng)過科學(xué)的測(cè)量將常用管件（三通，彎頭，擴(kuò)徑縮徑等）的阻力折算成相應(yīng)管徑管道長(zhǎng)度的一個(gè)參考數(shù)值。在二級(jí)泵揚(yáng)程核算中應(yīng)根據(jù)所有管段內(nèi)的管件進(jìn)行累加計(jì)算。局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度因管件形式不同而不同且比較繁多，因篇幅所限本文不予摘錄，其數(shù)值選取可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

值得注意的兩點(diǎn)，其一，在樹狀一次管道系統(tǒng)全網(wǎng)二級(jí)泵揚(yáng)程計(jì)算中，需要計(jì)算此二級(jí)泵一次管道所有管段的阻力。某些管段并不僅僅承擔(dān)此二級(jí)泵的供水，而是承擔(dān)多個(gè)二級(jí)泵的供水，那么這樣的管段的流

量應(yīng)按照多個(gè)二級(jí)泵流量之和計(jì)算。其二應(yīng)核算一次供回水管道的阻力，不能僅僅計(jì)算供水管道或回水管道的阻力。

5二級(jí)泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的幾個(gè)問題

二級(jí)泵系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)不同于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)依靠分支流量調(diào)節(jié)閥定流量運(yùn)行，其各換熱站及一次主管道的流量是根據(jù)外界氣溫變化的，定流量并依靠一次水溫度來適應(yīng)某外界氣溫的調(diào)節(jié)方式稱為質(zhì)調(diào)節(jié)。二級(jí)泵系統(tǒng)一次網(wǎng)溫度恒定而依靠一次水流量變化來適應(yīng)某外界氣溫的調(diào)節(jié)方式稱為量調(diào)節(jié)。

5.1二級(jí)泵運(yùn)行0點(diǎn)現(xiàn)象

上文提到，二級(jí)泵系統(tǒng)某個(gè)換熱站的調(diào)節(jié)會(huì)影響到其他換熱站二級(jí)泵的運(yùn)行。在相鄰換熱站二級(jí)泵揚(yáng)程選型差距較大的情況下，會(huì)對(duì)較小揚(yáng)程換熱站造成流量“0點(diǎn)”現(xiàn)象。也就是說，當(dāng)揚(yáng)程較大的換熱站為了適應(yīng)外界氣溫變化，增加二級(jí)泵運(yùn)行頻率時(shí)，揚(yáng)程較小的被動(dòng)調(diào)節(jié)換熱站二級(jí)泵也隨之增加運(yùn)行頻率。當(dāng)被動(dòng)調(diào)節(jié)換熱站的二級(jí)泵增加到工頻而主動(dòng)調(diào)節(jié)站仍在增加頻率時(shí)，被動(dòng)調(diào)節(jié)換熱站運(yùn)行工況將無法繼續(xù)調(diào)整，一次水流量急劇減小，此時(shí)二級(jí)泵運(yùn)行工況偏離水泵工作區(qū)，其流量趨向于0，通俗形容為“頂不出去水”了。這種情況發(fā)生后，被動(dòng)調(diào)節(jié)換熱站會(huì)被迫形成停止供熱。從這個(gè)現(xiàn)象可以看出，各換熱站二級(jí)泵科學(xué)的選型很重要。

5.2二級(jí)泵調(diào)節(jié)對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

在供熱系統(tǒng)中，鍋爐，一次循環(huán)泵，二級(jí)泵及換熱器是一個(gè)封閉式的整體。二級(jí)泵運(yùn)行工況的變化，會(huì)直接影響到鍋爐運(yùn)行。當(dāng)在外界氣溫作用下，一次管道系統(tǒng)內(nèi)所有二級(jí)泵會(huì)同時(shí)趨向于流量與揚(yáng)程的增加或減小。當(dāng)流量減小時(shí)，為了保證鍋爐的最低內(nèi)部循環(huán)水量的需求，必須增加解耦管的流量，也就是說由一次管道循環(huán)泵來向鍋爐提供流量，保證鍋爐運(yùn)行安全。而全部二級(jí)泵趨向于流量和揚(yáng)程增大時(shí)，需要減小解耦管流量，避免造成過多的一次管道回水（低溫水）不經(jīng)過鍋爐加熱再次回到一次供水管道，從而使供熱效果整體惡化。因此，在二級(jí)泵系統(tǒng)一次管道運(yùn)行中，解耦管的有效調(diào)節(jié)是十分重要的。解耦管的閥門開度和流量與二級(jí)泵工況的匹配，以及鍋爐運(yùn)行工況與二級(jí)泵運(yùn)行工況的匹配，將是一個(gè)專門的課題，本文不再詳述。

6結(jié)束語

本文從集中供熱系統(tǒng)二級(jí)泵的運(yùn)行原理，二級(jí)泵的選型和運(yùn)行工況三個(gè)方面進(jìn)行反洗和闡述，目的在于為二級(jí)泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)進(jìn)行二級(jí)泵改造提供借鑒，同時(shí)也從水泵控制工藝要求方面淺顯的涉及了自控方案，為二級(jí)泵設(shè)計(jì)或改造工作的控制方案提供參考。

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