多级泵

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分布式二级/多级泵系统的节能性

摘要

本文主要介绍了传统供热系统循环泵设计方式存在的一些弊端以及在欧洲广泛使用的分布式二级、多级泵系统的优势。从理论原理和实际使用案例介绍了这种循环泵设计方式在改善水系统水力失调、减少系统能耗(热源能耗及输配能耗)、提升系统稳定性所发挥的作用。

引言

在我国,传统的供热系统的循环泵设计方案基本都是采用母管制单泵系统,供热系统由一套水泵满足整个供热系统循环所需要的流量和压头,即系统中的热源、管网、热用户共用一套循环泵,系统处于大流量、小温差的运行状态。采取这种设计方式跟我们的供热模式有很大的关系,但是其也存在很大的弊端。

图1母管制单泵直供系统

传统循环泵设计方案的原因

1、母管制设计,备用性好,投资低,我国供热系统中热用户多数没有温控阀,即使有也不主动调节供热量。这样的特点决定了系统必须是定流量系统,而且一般是大流量运行。锅炉和热用户可以共用一套泵,系统没用二级泵也是有一定合理性。欧洲系统设计师一直不理解为什么中国设计师设计锅炉房时总是用一套泵,这里有习惯的原因,吃大锅饭,都是沿用苏联模式。

2、我们供热目前还是按照面积收费为主,热计量还未大面积实施,但是欧洲集中供热计量收费已经普及,末端散热器都已经安装有恒温阀,系统都是典型的变流量系统,系统中锅炉对于流量也有一定的要求。整个系统只用一套水泵很难既满足末端需求也满足热源需求,所以需要设置二级泵分别满足锅炉和热用户的流量需求。而我们传统的供热系统,大部分是定流量系统。系统流量和锅炉流量基本匹配。所以没有必要分开设计锅炉泵和热网泵。

传统循环泵设计方案的弊端

1、采用一套泵,水泵扬程需满足最不利热用户的资用压头,这样,必然造成近端的热用户的服务压头远远大于其实际需要的资用压头。为了克服由此造成的水力失调,近端热用户必须设置大量的平衡阀,通过平衡阀消除多余的压头。也就是说水泵的会消耗大量的无功电能在这些调节阀上,管网的输配能耗非常高。

2、由于上述的水力失调,系统会选择很大的水泵来弥补失调,大流量水泵造就了我们目前普遍存在的“大流量、小温差”的低效系统。这种落后的系统导致水力失调的同时,还会导致热用户的冷热不均。而由于冷热不均产生的系统无效热量增多,近端热用户甚至采用开窗的方式来散失过剩的热量,整个供热系统的舒适性无法保证。

3、采用一套泵,锅炉的设计流量和热用户的设计流量存在不匹配,锅炉供回水温度和热用户的供回水温度也存在不匹配性。例如:大多数锅炉设计供回水温差为20℃;风机盘管的供水温差一般为10℃,常规地暖的设计供回水温度不高于10℃;毛细管辐射供暖供回水温度为5℃以内;钢制锅炉最低回水温度一般要求不低于55℃;冷凝锅炉回水温度要尽可能低。锅炉对于流量的变化幅度范围有其一定要求,大多锅炉最低流量一般不建议低于设计流量的1/3~1/4,这些要求,一套泵如何满足?

分布式多级泵输配系统

图2 分布式二级(混水)泵系统

分布式二级/多级泵输配系统是在冷热源处设置冷热源循环泵,提供冷热源的流量及资用压力。根据系统实际情况,在管网的沿程、小区换热站、楼宇入口、分层支管、热用户入户支管等处设置与热源循环泵相串联的多级泵或多级混水泵。每个用户按需从管网里提取热媒,主管网在大温差、小流量的工况下运行,各个热用户可根据实际需求按照不同的供回水工况运行,实现同管网内不同类型热用户不同供回水温度的运行方式,各个热用户可采用大流量小温差的工况运行,从而降低了供热系统整体的输配能耗,减少了无功电耗。提高了水力系统的稳定性,降低了由于水力失调带来的无效电能,消除了由于冷热不均引起的无效热量,节电节热。

分布式二级/多级泵系统中按水泵在系统中安装位置和作用,可将水泵定义为热源泵、管网泵、沿程泵、用户泵或用户混水泵。如何避免和降低各个水泵之间的相互影响,这里必须要提到一个很重要的概念—平衡管。

T形管定律及平衡管的设计

在说“平衡管”之前,我们需要说下“T形管定律”。简单地说,这个定律的内容就是“流入T形管的流量必定等于其流出的流量”。例如,10m

3
/h的水流量由T形管左侧流入,5m
3
/h的水流量由顶部流出,那么右端必会流出5m
3
/h的水流量。又如3m
3
/h的水量从T形管左侧流入,7m
3
/h的水量从T形管右侧流入,则顶端必定会流出10m
3
/h的水量。

图3 T形管定律

这个定律是不是很简单?但是它可以变得稍微复杂一点,当两个T形管结合在一起时,又会发生什么现象呢?我们将两个T形管之间以一小段管路紧紧相连时,中间的连接管路AB段压降非常小。如图所示。这种连接方式,引导出了一个很重要的系统概念:“二级泵系统”。

图4 T形管定律

二级泵系统在1950年代早期应用,最常用来处理定流量系统和变流量系统共存时之间互相耦合的问题。如今,该设计理念被广泛应用于暖通水系统中,尤其普遍应用于分布式多级泵输配系统中。

二级泵系统中安装着两个在水力位置上非常接近的T形管,这两个T形管被用于和另外一个分支回路进行结合。这个分支回路就是我们所谓的“二次侧”。由于两个T形管距离非常接近,所以之间压力降几乎为零。以这两个T形管连接的管路系统,可以说在水力上被分开了,他们管路的内流动是彼此独立互不影响的。而这个两个T形管之间共同拥有的管路,称为“共有管路”,也叫“平衡管”。

图5 二级泵无流量

如图所示,当有10m

3
/h的流量流过一级泵,而二级泵停运的话。那么由于“二次”回路的压力降将远远大于A至B的压力降。所以,不会有任何流量流经二次侧,几乎全部由T形管A和B之间共有管路流过。

如果二级泵开始运行,经过调节二次侧阀门,二次侧回路的流量也为10m

3
/h,如图所示,则A和B之间则没有流量流经,A与B点之间压力降完全为零。

图6 二级泵流量 = 一级泵流量

再次调整二次侧的阀门,可以使得流量降低为3m

3
/h,如图7所示,按照T形管定律,因为有10m
3
/h流量流经A点,3m
3
/h往上流入二次侧,所以,必然会有7m3/h的流量流入A和B之间的平衡管,且方向是由A向B,在B点和二次侧的3m
3
/h的流量进行汇流。

图7 二级泵流量小于一级泵流量


还有另外一种情况,调整二次侧回路阀门使得二次侧流量增大到20m

3
/h。此时,一次侧的流量仍然为10m
3
/h,按照T形管定律,因为有20m
3
/h的流量流入B点,且有10m
3
/h流出B点回到一次侧。所以这20m
3
/h流入B点后必须还有10m
3
/h流向A点。

图8 二级泵流量大于一级泵流量

在一般供热系统中,AB间共有管路安装位置位于热源机房内,在供回水管之间热源和热网分界面处。

图9 共有管路的布置

关于平衡管的设计


平衡管的引入,可以为我们解决很多问题,但是也存在弊端。由于平衡管内高温的供水和低温的回水不可避免的热混合,会影响设备的运行效率。例如,当二次侧流量大于热源侧流量时,我们希望的是二次的低温回水全部回到锅炉,然而事实是会有部分热混合,导致回锅炉水温高于二次侧回水温度,这就会降低冷凝锅炉的热效率。当二次侧流量小于一次侧流量时,这种现象会更加明显。

图10 共有管路处的热混合

遵循以下几个原则,可以使得减少不必要热混合:

A、共有管路即平衡管的压力损失必须尽可能小,这是基本的设计原则,如果平衡管的压力损失过大,一、二次侧的水泵如同串联运行,所以保持最小化的压力损失很最重要。

B、使两个T形管之间有三倍一次侧管径的距离。这个距离也正是共有管路的长度。经过测试表明,这三倍的管径的分隔距离可以有效降低热混合现象的发生。

C、考虑二次侧和共有管路结合处配管时,应该考虑当二次侧最大流量情况下,二次侧流速在1.5m/s以下。

设置去藕罐的运行原理

去藕罐对于大家应该都不陌生,如图11所示,去藕罐设置在锅炉和热网之间,将水系统分割为彼此独立的锅炉循环和热网循环,消除了两者之间在流量和压力上的相互影响。锅炉的高温水流进去藕罐后返回锅炉;对于热网侧,热媒水从去藕罐中流出经过水泵循环后返回去藕罐。锅炉循环和热网循环分别单独设置循环泵。循环泵的大小根据各自循环需求精确计算。

去藕罐的设置在欧洲的供暖系统中比较流行,而在美国空调及供暖系统中则普遍流行旁通管(平衡管)的设置。两者的原理类似,但是理论上去藕罐的对于消除热源和热网之间互相影响的效果会更好。设置去藕罐的二级泵系统中,锅炉循环和热网循环之间并不是完全隔离,在其内部存在质交换,质交换的同时也伴随了热交换,但是两者水力工况是互不影响的,主要是因为去藕罐内部水流速很低,形成一个无压损的解耦区域。

当锅炉循环的流量和热网循环的流量相等时,去藕罐内部水流如图11,相当于直供;当锅炉循环的流量小于热网循环的流量时,去藕罐内部形成图11混水的水流;当锅炉循环的流量大于热网循环的流量时,去藕罐内部水流如图11形成旁通的效果。这里实际上是满足了T形管原理。

图11 去藕罐运行时内部水流

设置分布式二级/多级泵系统的节能分析

“你们的系统怎么要设置这么多水泵?”

“我们以前做系统都是一个大泵,你们是很多个小泵?”

“这么多水泵,有必要吗?初投资会很高吧?”

“这么多水泵,能耗肯定高吧?”

在行业内,我们经常会遇到这些问题,尤其是面对行业内的传统的机电安装工程师,即便是在国内一些大型建筑设计院做推广的时候,很多暖通设计师也会有这样的疑问。

关于分布式二级/多级泵系统的节能性,我们可以通过一个案例来分析一下:

图12 单泵直供系统

如图12所示,采用传统的单泵系统设计,热源、热网、热用户共用一套循环水泵。系统采用单泵泵直供,P1为系统循环泵,1~3为热用户编号,V1~3为每个热用户的调节阀。

此供热系统中,一共有3个热用户,每个热用户正常工作所需的资用压头为80kPa,热源锅炉的阻力为20kPa,热源和第一个热用户之间的管程距离为500m,每个热用户之间的管程也为500m,总管程为3km,系统的设计比摩阻为60Pa/m,系统局部阻力占沿程阻力30%,每个热用户正常工作需要的流量为30m

3
/h,系统水压图如图13所示,下面我们分析下系统的水泵选型及耗能。

图13母管制单泵直供系统水压图

系统所需总水流量为30+30+30=90m

3
/h

系统所需压头为80+20+(3x60)x1.3=334 kPa。

通过下表1分析下,系统在工作过程中,每个热用户及其配套的调节阀消耗的实际压头。

表1各热用户及其配套的调节阀消耗实际压头

时间

热用户1

热用户2

热用户3

 所需资用压头

 80 kPa

80 kPa

 80 kPa

所需流量

 30m³/h

30m³/h

热网提供压头

236 kPa

158 kPa

 80 kPa

调节阀消耗的压头

156 kPa

78 kPa

0 kPa

调节阀消耗压头的占比%

66.1%

49.4%

 0

若水泵效率取70%,则循环水泵的耗能功率为(轴功率)为:

N0= ρGH / 367.2η                    (1)

其中:N0——水泵轴功率(W);

G——水泵流量(m³/h);

H——水泵扬程(m水柱);

η——水泵效率,此处取70%;

由公式(1)计算得,水泵能耗为11.7kW

这其中很大一部分都消耗在调节阀门上作为系统的无效电能白白浪费。例如热用户1,热网提供的压头中只有33.9%的供给有效的资用压头。这里举出的案例仅仅只是三个热用户,在实际的工程案例中,并联的热用户数量会更多,管网越长,调节阀也会更多,浪费的无效电能也必然越多。

由此我们想到一种思路,尽量减少甚至取消热网中的平衡用调节阀,用“以泵代阀”的方法来满足各个热用户循环,在热源处设置一级主循环泵负责锅炉房内循环流量及循环动力,保证热源的流量。在各换热站/楼宇处设置分布式二级泵满足各个热用户的流量,二级泵和一级泵之间通过去平衡管进行分割,消除两个循环之间的相互影响。分布式二级循环泵取消或减少了传统系统中的大量的调节阀门,由原来在阀门上消耗多余的资用压头,更改为循环泵提供必要的资用压头。

图14 带平衡管的分布式二级泵系统

如图14所示,锅炉循环中一级主循环泵Pa流量为60/h,扬程2.5m,锅炉循环侧设计温差为20℃;热网循环中,P1循环泵的流量为30m3/h,扬程15.8m,P2循环泵的流量为30/h,扬程23.6m,P3循环泵的流量为30/h,扬程31.4m。用户循环温差为15℃。系统水压图如15所示,下面我们再分析下水泵的能耗:

图15 分布式二级泵系统水压图

假设水泵的效率不变,仍然为70%,利用公式(1)计算得到Pa水泵的能耗为0.46kW,P1水泵能耗为1.84kW,P2水泵能耗为2.75kW,P3水泵能耗为3.66kW。

则系统水泵总耗能为0.46+1.84+2.75+3.66=

8.71kW。比传统设计方案的单泵系统水泵用电能耗减少了34%。而且减少了大量的平衡阀的调节,更加利于系统的水力平衡,杜绝了冷热不均的现象,减少由于冷热不均所带来的过度供热。为锅炉、热用户也各自创造了更加稳定运行环境。

如果同时对各热用户的二级循环水泵做变频控制。当供热负荷减小的时候,变频水泵相应地降低供水流量,节约热能,还可进一步节约大量电能。另外,对二级循环水泵进行变频改造可实现水泵软启动,减少水泵启动电流,延长水泵使用寿命。

传统设计方案的功率大于分布式二级泵系统,其主要原因是传统设计方案只在热源处设置单泵系统,所提供的动力压头是在总循环流量(即最大流量)下实现的,而分布式二级泵系统,则是除了在热源处设置扬程较小的循环水主泵外,还在外网各热用户前设置二级循环泵。采用“接力棒”的办法,共同实现了热媒的输送工作,热源处的一级循环泵在总流量下,只提供部分动力(扬程),其他动力(扬程)是在二级循环泵的分流量下实现的。因此,分布式二级泵系统输送功率小于传统设计方案循环水泵的输送功率。

根据此思路我们在二级泵的设计基础上继续改进:系统中的每一个热用户实际上又是由很多的小的独立热用户构成的,例如每个小区看成一个热用户的话,小区内又有很多幢楼构成,每幢楼的又是一个单独的热用户。把每栋楼看成一个热用户的话,每层住户又是一个独立的热用户。所以,我们可以在在二级泵的基础上进一步把系统设计成三级泵,甚至是多级泵。这样的话,系统的节能性可以发挥到最大值。

图16分布式三级泵系统

如图16所示一个典型的三级泵系统,锅炉循环泵满足锅炉循环的需求,二级泵只承担其所在支路的干管循环所需要的流量和压头(很小),而每个末端热用户由三级热用户混水泵满足末端用户所需求的流量和压头。在这里需要注意多级泵系统各回路流量的区别,锅炉循环按锅炉温差,各立管循环按锅炉供水温度和地暖回水的温差(此温差大、流量小),用户循环按地暖循环温差计算流量。

在这样一个三级泵系统中,每台锅炉配锅炉循环泵加去藕罐,锅炉彼此之间流量互不影响,每个立管一个循环,每个立管的流量之间没有影响,每个末端用户一个循环,用户和用户之间没有影响。流量由各个水泵保证。虽然水泵数量增多,但是系统不必要的压头损耗没有了,减少大量平衡阀的使用。

在欧洲集中供热系统中,分布式多级泵系统的应用非常普遍,不仅是在市政集中供暖系统中,对于燃气独立供暖系统,这种系统的应用也比较普遍。

在欧洲,以建筑物为单位的分布式集中供暖系统广泛存在。

下图17为以建筑物为单位的分布式集中供暖/供热水系统的示意图。

设备1为小型商用燃气冷凝热水锅炉,有壁挂型和落地型。模块化联机控制,作为整栋建筑冬季采暖的热源,以及生活热水的补充热源。结构紧凑,占地面积小,重量轻,可布置在建筑地下室或楼顶。

设备2为生活热水保温水箱,储存生活热水。

设备3为系统去藕罐。

设备4为系统二级循环水泵,将供暖及生活热媒水输送至楼内用户处。

设备5为家庭能源中心(Home Energy Center,简称HEC),也是系统三级混水泵,安装在用户家中(或楼层管道井中),集热计量、温度控制为一体,能同时提供采暖及卫生热水,并有多种采暖方式可选择。用户使用前需购买热量,刷卡按需用热。控制系统采集室、内外温度情况,结合用户设定的温度智能选择工作曲线,全自动高效运行。设备具备远程控制接口,可将用能效率、运行状态、故障信息实时传递到控制中心,发现异常及时报警,售后服务人员在故障未发生之前就能进行维修,防范于未然。

图17以建筑物为单位的分布式集中供暖/供热水系统

BDR热能集团的产品线中早已存在分户式三级混水泵集成模块(家庭能源中心)类似的产品,模块内除了混水泵系统、气候补偿、还还内置了热计量功能,还有一些产品将生活热水功能也集成在其中。如图5所示。

图18家庭能源中心

下面是BDR产燃气锅炉产品近年应用的一些分布式多级泵系统的锅炉房实例,供大家参考:

总结

供热系统的节能主要体现在整体系统的节能,不能仅仅停留在设备的热效率上面,系统的节能体现在系统的各个环节,从热源、热输送、末端都要考虑在内,设计方案是源头,本文介绍的分布式二级泵系统、多级泵系统设计是目前供热系统水泵布置设计的优化方案,为系统节能带来很大的改善。随着热计量的推广和应用,日后的供热系统也将向实时变流量方向发展,水泵变频也会普及,当分布式二级循环泵、三级循环泵采用变频泵时,不仅循环泵的整体装机电功率明显下降,而且变流量的运行电耗又可节电30%以上,因此,节能潜力及其可观,由于分布式多级泵增加的初投资在短时间内回收完全可以实现。