邵越

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

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

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.14.106

1前言

近年來，我國北方地區(qū)普遍建設(shè)集中供熱系統(tǒng)，并隨著國家對環(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)，也是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)供熱并實現(xiàn)科學(xué)供熱，節(jié)能降耗的關(guān)鍵。集中供熱二級泵的運行方式較傳統(tǒng)運行方式具有較明顯的優(yōu)勢，為此本文從二級泵系統(tǒng)的原理，設(shè)計選型和運行幾方面，從技術(shù)角度進(jìn)行分析和闡述。

2二級泵系統(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)，對一次側(cè)循環(huán)來講，其循環(huán)動力來自于一次循環(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)滿足克服鍋爐房內(nèi)部管道阻力，一次供回管道的阻力及換熱器的阻力（對直接供熱系統(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的課題。對于具有完整的整體設(shè)計的系統(tǒng)，從理論上講會達(dá)到一次管道各換熱站的平衡運行。但在實際，一個供熱站的供熱負(fù)荷往往是變化的，變化的因素有隨時變動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或手動的流量調(diào)節(jié)裝置來實現(xiàn)。

手動流量調(diào)節(jié)裝置根據(jù)一個支線（往往是一個換熱站）的熱負(fù)荷情況計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泵系統(tǒng)

近年來，集中供熱系統(tǒng)開始應(yīng)用二級泵技術(shù)。所謂二級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內(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）。

二級泵系統(tǒng)示意圖二級泵系統(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，克服鍋爐房內(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泵共同運行，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)入二級泵，并由二級泵的揚(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)。

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

3二級泵系統(tǒng)運行原理

3.1二級泵系統(tǒng)運行工況

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

二級泵系統(tǒng)中一個重要的管道，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)程僅作用于鍋爐房內(nèi)部。當(dāng)外界各換熱站二級泵因運行頻率調(diào)整揚(yáng)程發(fā)生變化時，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)到鍋爐運行被動調(diào)整的目的。

從一次水的運行調(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)能等級不同，所需要的二次水供回水溫度也不盡相同，而且同一個供熱系統(tǒng)熱用戶的建筑節(jié)能形式不盡相同。為了便于實現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)，根據(jù)多年供熱行業(yè)運行經(jīng)驗，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)行主動式的調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)因一次管道長度的因素，存在各支線換熱站時間不等的滯后性，尤其在外界氣溫短時間突變時往往造成供熱效果一定時間內(nèi)失衡，不利于滿足熱用戶需求或不利于節(jié)能降耗。二級泵系統(tǒng)運行中，原則上要求鍋爐一次水供水溫度在一定時期內(nèi)保持不變（整個采暖期可分成若干個時間段來確定一次水供水溫度）。根據(jù)外界氣溫的變化，通過各換熱站二級泵運行頻率的調(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，二級泵系統(tǒng)不存在因一次管道長度造成的調(diào)節(jié)滯后問題。

3.2二級泵運行調(diào)節(jié)方案

上面已經(jīng)闡述，二級泵運行中一次水的工況變化是由二級泵來調(diào)整。二級泵調(diào)整的方式是改變水泵運行頻率。改變二級泵頻率可以通過人工手動調(diào)整和自動調(diào)整來實現(xiàn)。人工手動調(diào)整原理比較簡單，通過運行監(jiān)護(hù)人員實時觀察室外溫度，對照（表1）隨時的對各換熱站二級泵進(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，如果不能實現(xiàn)各換熱站信號上傳和調(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)場進(jìn)行調(diào)整，勞動強(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。由于被動調(diào)節(jié)站同樣具備自動檢測和調(diào)節(jié)能力，它將隨之增加二級泵運行頻率，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。主動調(diào)節(jié)站二級泵頻率降低的現(xiàn)象也是同樣如此，對被動調(diào)節(jié)站二級泵運行產(chǎn)生影響。因此，各換熱站二級泵全網(wǎng)運行中，各換熱站二級泵的運行工況調(diào)整是聯(lián)動的，越是相鄰的換熱站，被動調(diào)整的現(xiàn)象越明顯。對于遠(yuǎn)端的換熱站，因管道阻力的抵消，被動調(diào)整越來越不明顯。

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

4.1二級泵的流量確定

二級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)能等級不同，所需熱負(fù)荷也不同，同時換熱器對一次溫差的設(shè)計各廠家也不同，因此某個換熱站的一次網(wǎng)流量一般根據(jù)建筑設(shè)計方提供的熱負(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)計中建筑物需熱量按照當(dāng)?shù)毓嵊嬎闶彝鉁囟龋ɡ缣旖虻貐^(qū)-9℃）為依據(jù)，因此一次水的流量也是適應(yīng)這個室外溫度的流量。Δt則參考換熱器在此熱負(fù)荷下的設(shè)計溫差。

4.2二級泵的揚(yáng)程確定

二級泵的揚(yáng)程用來克服一次管道全部阻力，為一次水的循環(huán)提供動力。因此在核算二級泵揚(yáng)程過程中，需要計算每個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，二級泵的揚(yáng)程選擇是由從鍋爐側(cè)以外到二級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。對于新設(shè)計的系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)在每一個管段選取統(tǒng)一的經(jīng)濟(jì)比摩阻，而既有管道的二級泵改造，則應(yīng)根據(jù)每個管段的流量和管徑，參照《熱水管道水力計算表》查找本管段的比摩阻。（表2）是《熱水管道水力計算表》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)量長度，經(jīng)過科學(xué)的測量將常用管件（三通，彎頭，擴(kuò)徑縮徑等）的阻力折算成相應(yīng)管徑管道長度的一個參考數(shù)值。在二級泵揚(yáng)程核算中應(yīng)根據(jù)所有管段內(nèi)的管件進(jìn)行累加計算。局部阻力當(dāng)量長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，其一，在樹狀一次管道系統(tǒng)全網(wǎng)二級泵揚(yáng)程計算中，需要計算此二級泵一次管道所有管段的阻力。某些管段并不僅僅承擔(dān)此二級泵的供水，而是承擔(dān)多個二級泵的供水，那么這樣的管段的流

量應(yīng)按照多個二級泵流量之和計算。其二應(yīng)核算一次供回水管道的阻力，不能僅僅計算供水管道或回水管道的阻力。

5二級泵系統(tǒng)實際運行的幾個問題

二級泵系統(tǒng)運行調(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)。

5.1二級泵運行0點現(xiàn)象

上文提到，二級泵系統(tǒng)某個換熱站的調(diào)節(jié)會影響到其他換熱站二級泵的運行。在相鄰換熱站二級泵揚(yáng)程選型差距較大的情況下，會對較小揚(yáng)程換熱站造成流量“0點”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，增加二級泵運行頻率時，揚(yáng)程較小的被動調(diào)節(jié)換熱站二級泵也隨之增加運行頻率。當(dāng)被動調(diào)節(jié)換熱站的二級泵增加到工頻而主動調(diào)節(jié)站仍在增加頻率時，被動調(diào)節(jié)換熱站運行工況將無法繼續(xù)調(diào)整，一次水流量急劇減小，此時二級泵運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，被動調(diào)節(jié)換熱站會被迫形成停止供熱。從這個現(xiàn)象可以看出，各換熱站二級泵科學(xué)的選型很重要。

5.2二級泵調(diào)節(jié)對鍋爐運行的影響

在供熱系統(tǒng)中，鍋爐，一次循環(huán)泵，二級泵及換熱器是一個封閉式的整體。二級泵運行工況的變化，會直接影響到鍋爐運行。當(dāng)在外界氣溫作用下，一次管道系統(tǒng)內(nèi)所有二級泵會同時趨向于流量與揚(yáng)程的增加或減小。當(dāng)流量減小時，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，保證鍋爐運行安全。而全部二級泵趨向于流量和揚(yáng)程增大時，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，在二級泵系統(tǒng)一次管道運行中，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泵工況的匹配，以及鍋爐運行工況與二級泵運行工況的匹配，將是一個專門的課題，本文不再詳述。

6結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

[1]田玉卓.供熱工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]夏敏文.熱能工程設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[3]李春.水泵現(xiàn)代設(shè)計方法[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2001.