动力分布式供热系统中背压对水泵运行调速范围的影响

孔祥睿，吴志湘，吕砚昭，张海涛

(1.西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710034；2.西安市建筑设计院，陕西 西安 710048)

动力分布式供热系统中背压对水泵运行调速范围的影响

孔祥睿1，吴志湘1，吕砚昭2，张海涛1

(1.西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710034；2.西安市建筑设计院，陕西 西安 710048)

为了保证动力分布式供热系统运行调节过程中变频泵的高效工作，讨论了分布式供热管网系统背压对用户泵运行调速的影响，提出了确定用户泵变频范围的方法，为分布式系统设计中水泵参数及台数确定提供选型参考。

动力分布式供热系统；背压；用户泵；运行调速；变频范围

1 引言

随着动力分布式供热输配系统技术的日趋成熟，它以较低的输配能耗、较高的节电率及良好的水力稳定性在城市区域供热管网设计和运行中得到推广和认可。但设计及运行人员对其变流量调节和控制的了解还不深入，盲目认为用户泵变频运行可以根据负荷变化而无限制调速。从而造成用户泵低效运行，不仅达不到预期的节能效果，还缩短了水泵的寿命。为了进一步推广动力分布式供热系统的应用，发挥该系统的节能潜力。本文从系统背压这一方面分析其对用户泵运行调速范围的影响并给出不同系统背压下变频调速范围确定的方法，为系统设计中水泵参数及台数确定提供选型参考。

2 影响水泵变频调速范围的因素

在动力分布式供热输配系统中，影响水泵变频运行调速范围的因素有三项：一是管网特性，主要是管网阻力损失和净扬程的比例。二是水泵工作状况点在水泵运行高效区的位置，一般选泵时尽量使参数靠近水泵高效区右端点以获得较大的调速范围。三是水泵的工作性能，主要是水泵高效区内扬程的变化幅度，而其变化幅度与水泵的比转数直接相关，比转速越大，其幅度越大，反之则越小。一般选用高比转速的供水泵可获得较大的调速区间。动力分布式供热系统中背压对水泵运行调速范围的影响属于第一项影响因素。

3 动力分布式供热系统中的背压

动力分布式供热系统是利用分布在用户端的循环水泵(用户泵)取代用户端的调节阀，由原来传统供热输配系统设计通过调节阀来消耗多余的资用压力改为应用分循环水泵提供用户侧所需要的资用压力[1]。而在动力分布式变频供热系统中，设在热源处的主循环水泵只承担热源内部的循环动力。由于采用变频泵调节替代传统系统的阀门调节,避免了管网的输送能量浪费，可以大幅度地减小输送泵的功率配置,既减少系统投资,又节约了系统输送能耗[2]。

动力分布式供热系统中大多数分布循环泵都在一定背压下工作，对于这种有背压系统，系统中流体经过水泵的压力增量，一部分用来提升流体的势能，在动力分布式系统中可理解为所在支路距零压差点间供回水干管的压力损失，在很多文献中称之为背压。一部分用于克服支路管网的流动阻力，则流体经过动力设备的压力增量可表述为：

H=h+SQ2

(1)

式中：H为流体经过泵或风机的压力增量，m；h为背压压头，mH2O；S为管网阻抗，kg/m7；Q为管网流量，m3/s。

图1为零压差点设在热源处的动力分布式供热系统示意图，背压为供回水管之间的压差(Pc-Pa)。

图1 动力分布式供热管网示意

图2 动力分布式供热管网水压

根据图2，所需水泵扬程H=Pb-Pa=ΔPy+(Pc-Pa)=ΔPy+h，式中h为支路背压，在水压图中为AC段。ΔPy为所在用户支路阻力损失，在图2中为BC段，它与管路阻力特性和流量有关。

根据水压图可以看出，供回水管水压线呈喇叭状，离热源越远喇叭开口越大，支路系统背压h也随之增大，在动力分布式供热管网中有很多情况下，用户支路系统背压所占水泵总扬程的比重会大于该支路的阻力损失水头所占比重。

4 动力分布式供热系统中的背压对水泵调速范围的影响

动力分布式供热系统管网阻力特性体现在两个方面：一是反映供回水管压差的支路系统背压，二是管路的阻力特性。其对供热系统中分布泵的调速范围的影响主要是用户支路系统背压与该支路阻力损失的比例。根据水泵相似率知用增加转速来增大流量时，能耗会反而增加。所以，一般情况下，不应该采用增大转速来调节工况。因此在选择水泵时，应按照系统最大设计工况参数来选择水泵的型号。水泵的调速运行一般是在额定转速之内降速运行，对调速范围的讨论关键是确定水泵的最低转速。

4.1 分布式供热系统中水泵调速范围的确定

在供热管网设计运行中，在确定水泵变频下限时，除了考虑流量扬程满足供热负荷要求外，还应考虑多台水泵同时供水时，若其他水泵转速提高，另一台水泵转速降低，该水泵将无法实现供水的情况。所以在很多文献中提出变频下限fL≥(30Hz～35Hz)[3]，它所对应的最低转速为。但在动力分布式供热管网中，影响分布泵的变频下限的主要因素还包括系统背压，所以应综合给予考虑。

据水泵的工作特性知，水泵运行的高效区为穿过水泵工频高效段的两条相似工况抛物线与水泵工频运行特性曲线包围的区域OAB(如图3)。图中曲线H=h+SQ2为分布式供热系统某一支路的管网特性曲线，它与该支路用户泵运行高效区相交于C、D两点。为了保证该用户泵的高效运行，可知C点为该用户泵对应的变频调速最低点。

图3 可调最低频率确定示意

根据水泵性能曲线和相似律知：

由于A、C两点位于同一条相似工况抛物线，所以它们之间工况相似，根据相似工况参数换算公式有：

(2)

由于C点位于H=h+SQ2曲线上，所以有：Hc=h+SQc2，将其带入上式有：

(3)

(4)

根据比转数公式有：

(5)

由此可确定用户泵运行的最低转速nmin。所以为了保证分布式供热系统支路水泵运行在高效区内工作并结合水泵稳定运行的变频下限的要求，当nmin≥nL时，水泵调速范围应控制在区间[nmin,n0] ，当nmin

4.2 背压对水泵调速范围的影响

为了更清晰的描述动力分布式供热系统中背压是如何影响水泵调速范围的，以下讨论暂且不考虑变频下限nL，如需确定最终变频范围，可通过上文所述方法给出。通过上述公式推导可知，用户泵运行调速的范围与分布式供热管网的支路背压h和管路阻抗S有关。为方便讨论这两个因素对水泵运行调速范围的影响，可将额定工频下的水泵工作状况点D进行固定。令Hd=const，Qd=const，它们之间满足Hd=h+SQd2。则可知分布式供热系统的背压h的理论取值范围为区间[0，Hd]，然后对h进行取值，可以得到一簇曲线(如图4)。

图4 h/Hd不同取值时变频范围示意

据图4可看出，随着h/Hd值的变大，也就是动力分布式供热管网系统背压占用户泵总扬程的比例的增大，运行可调最低频率将越来越靠近工频曲线(额定转速)，用户泵可调范围区间[nmin,n0]将变小。

通过对大量供热泵的统计分析计算知：Hd/Ha=1.13,Qd/Qa=0.6[4]。这样就能用动力分布式供热管网中用户泵的设计参数(Qd,Hd)替换nmin/n0式中高效区工频段左端点参数(Qa,Ha)即有：

(6)

通过上式可得出分布式供热管网系统背压占总用户泵扬程不同比例时相对应的运行可调最低频率和可调范围。其中可调速范围百分数F与最低可调频率满足的关系为F=(1-nmi)×100%。表1 为用户背压占所需水泵扬程不同百分比时对应的水泵调速范围。

由表1看出供热管网系统背压占总扬程不同比例时用户泵的调速范围变化很大，当背压占总扬程10%时，为保证用户泵高效运行可调最低频率为额定工况下频率的0.352倍，可调范围达64.8%。而随着供热管网系统背压的所占比重的增加，为保证用户泵在高效区运行所要求的最低频率也越来越大，可调范围区间会随之减小，如第九组，当系统背压占到90%时，调速范围不足10%。这种影响在动力分布式供热系统运行调节控制中应引起足够的重视。

表1 分布式供热管网系统背压占总扬程不同比例时用户泵调速范围

序号12345678910h/Hd0.10.20.30.40.50.60.70.80.91Nmin/N00.3520.4870.5850.6620.7250.7800.8280.8700.9070.941调速范围F/%64.851.341.533.827.522.017.213.09.35.9

5 结语

对于定零压差点(热源处)的动力分布式供热管网而言，支路系统背压随离热源距离的增加而增加，当供热半径很大时，尤其显著。当令各支路阻力损失相等时，距离热源越远用户支路系统背压占该支路用户泵扬程的比重也会越大，通过上文分析知，其用户泵调速范围也会变小。所以在一个供暖季里，水泵变频调速不能盲目的随供热负荷的变化而无限制的变化。设计及运行人员可找出水泵调速最不利点，应用水泵串并联技术手段，分泵消耗部分系统背压，这样可有效提高热负荷调控区间。然后对整个动力分布式供热系统进行统计并计算综合变频范围，采用分阶段改变供水温度的量调节这一运行策略，由此保证该系统的高效节能运行。

[1]江 亿.用变频泵和变频风机代替调节用风阀水阀[J].暖通空调，2002，32(1)：12～16.

[2]石兆玉.分布式变频供热输配系统的应用研究[J].区域供热，2005(1)：31～37.

[3]赵贤兵,李芳芹.变频技术在泵与风机系统中应用的节能分析[J].实用节能技术,2005(5):52～54.

[4]吴自凯,余承烈,薛学功.水泵变频调速应用的注意事项[J].工业用水与废水,2002(5):45～47.

[5]秦绪忠.区域供热供冷输配系统动力学特性研究(博士学位论文)[D].北京:清华大学,2000.

Influence of BackpressureonPump Operation Speed AdjustableRange inDistributedPower Heating System

Kong Xiangrui1, Wu Zhixiang1, Lü Yanzhao2, Zhang Haitao1

(1.SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,Xi'anPolytechnicUniversity,Xi'an710048,China;2.Xi'anArchitecturalDesignResearchInstitute,Xi'an710048,China)

In order to ensure the high-efficient work of variable frequency pump during operation and adjustment of the distributed powerheating system, the articlediscusses the effects of distributed heating network system's backpressure on thespeed governing operation of pump,and provides a method to determine the pump's frequency range.In addition, the article providesselection guide for water pump's parameters andnumber in the design of distributed system.

distributedpower heating system; backpressure; pump; operationspeed governing; frequency range

2015-10-19

孔祥睿(1990—)，男，宁夏银川人，硕士研究生，助理工程师，主要从事建筑节能方面的研究工作。

TU833

A

1674-9944(2015)12-0265-03