供热系统复杂工况下的定压

                                          蒙托克管道恒温阀整理


摘要：本文介绍了变频调速旁通补水定压在多泵系统（含多热源联网、分布式输配系统）中的应用。结合分布式输配系统，改进了高低层直连供热机组的结构形式。指出了补水泵、循环泵正

确的设计方法。

 

   随着我国工业化、城镇化的发展，百万人口以上的城市不断涌现，城镇集中供热规模愈来愈大。由于高层建筑的拔地林立，多热源联网的方兴未艾以及分布式输配系统的兴起，供热系的

运行工况愈来愈复杂。热用户的需求多样，热源的种类繁杂，系统的参数各异。

 

   在这种情况下，如何满足供热效果的前提下，实现节能减排、安全运行，就显得格外重要。统观各种安全事故的发生，不外乎，都是在运行中，“热量平衡、流量平衡、压力平衡”这三

个平衡的基本原则不到位，特别是压力平衡，对系统的安全运行尤为重要。本文想就复杂工况下，如何实现压力平衡特别是定压方式的合理处理，进行一些探讨，以引起业内人员的共同研究。

 

 1、多泵系统的定压题

   系统定压的根本功能，是保持系统在变工况下，压力的波动始终在预设的安全范围之内。这就像盖房子，系统定压，相当于建筑的立柱，只要柱子岿然不动，楼板就不会塌下来。在系

统定压的实施过程中，最基础的工作，首先是确定供热系统的恒压点位置。对于这一点，我们的传统习惯，往往采用循环水泵的入口点作为定压点，然而，这是错误的，因为在循环水泵转与

不转的情况下，入口点的压力是变动的，往往在循环水泵转动的情况下，入口点的压力低于循环水泵不转时的压力。
 

   因此，循环水泵的入口点，不是系统真正的恒压点，显然这种定压方式是错误的。当供热规模比较小，而且是一对一（一个热源对应一个供热系统）的供热系统时，这种错误的定压方

式多数还不致于造成严重的安全事故。但对于复杂的供热系统，如多热源联网的供热系统，分布式输配供热系统，都属于多泵供热系统。
 

   对于有众多循环泵的供热系统，自然有众多循环泵的入口点，它们的压力又随着工况变动不断变化，这时系统该选择哪个循环泵的入口点进行定压呢？按照传统的办法实施，肯定是不

可能的。在传统的循环水泵设置中，循环水泵安装在热源处，热水和热量是由循环水泵从热源推向热网。

   在水压图上，往往供水压力线高于回水压力线，而且几乎不可能出现供水压力线与回水压线相交叉的情形。但在分布式输配的多泵供热系统中，特别是全网分布式输配的多泵供热系统

（除热力站设有分布式水泵外，在热入口、热用户都设有分布式水泵）中，在水压图上，可能多次出现供水压力线与回水压力线相交叉的情形，有的管网供水压力线高于回水压力线，有的管

网回水压力线高于供水压力线。
 

   在这种情况下，如何选择合理的定压方式，就尤其重要了。在实际工程中，我们常看到在热源（含热电厂）处，采用循环水泵入口点定压方式或膨胀水箱（或膨胀管）定压方式，在热

力站采用混水连接方式，结果几百万供暖面积的供热系统出现大面积串气现象，以致被迫停运，严重影响供热效果。
 

   对于供热系统，特别是多热源，多泵供热系统，的定压方式，应该采用变频调速旁通补水定压方式。对于这种定压方式，作者在《供热系统运行调节与控制》[1]一书，以

及“再议多热源联网运行” [2]和“分布式循环水泵的设计”[3]等文章中多有介绍。这种定压方式的的优点是：
 

   ①在测压旁通管上，能简单方便确定系统恒压点位置，由于压力波动小，易于实现定压控制，避免其它定压方式的误控。

   ②适应于各种形式的供热系统。可以是单点补水、单点定压；也可以多点补水，多点定压。

   ③实现无人值守的全自动控制，补水泵的变频调速，节电效益明显。

   ④利用分布式水泵系统的均压管与旁通定压相结合，可以缩小均压管管径（与相邻母管同径，不再3倍于母管管径），降低造价，便于分布式水泵供热系统的推广。
 

   复杂结构的多泵供热系统，采取什么样的定压方式？

   至今仍是业内人员探讨的重要课题，包括国际同行，并未展开深入研究。一位外企公司的外籍技术人员，曾就多泵供热系统的定压方式问题，请教过丹麦大学、瑞典大学和美国有关大

学的教授，都没有得到现成的答案，他在和作者的探讨中，向他介绍了这种补水定压方式。

   他在中国的实际工程中加以了应用。这一实例说明，在我们中国供热行业，也是有创新的。盲目妄自菲薄，是没有道理的。

 

2、高低层直连定压

   随着高层建筑的不断涌现，也为定压方式提出了新的课题。过去铸铁散热器，承压能力为0.4MPa，现在，随着生产工艺的进步，铸铁散热器的承压能力可以提高到0.5～

0.8MPa，也就是说，建筑物层高在16层以上，一般要考虑分层定压的问题，否则底层散热器可能压坏。过去，主要靠板换间接连接，解决分层定压问题，但由于供水温度较低，难以满足热用

户需求，因而有一定的局限性。

   近年来，国内有些厂家研发了高低层直连供热机组[4] [5]，用来解决高低层直连定压问题，应用效果，基本能满足供热需求。

 

   高低层直连供热机组，不同厂家的产品，结构不禁相同，但基本原理，大体是一致的。图1给出了基本结构示意图。高低层直连供热机组，主要由加压泵和减压阀（或阻断器）组成。运

行期间，加压泵将外网供水抽送至高层热用户，再经减压阀（阻断器）节流，将高层热用户回水压力维持在高层热用户要求的静水压线（保证高层充满水），这样高层即可正常运行供热。

当停电，或高层停运时，外网按低层热用户的静水压线定压，则高层室内系统的循环热水将发生倒流，此时加压泵出口的止回阀和高层回水管上的减压阀同时关闭，阻止倒流现象发生，这

样，系统在停运状态下，形成高层、低层二个静水压区。加压泵重新启动，又可实现高、低层同时供热的目的。
 

   这种高低层直连供热机组存在的主要问题是不节能。核心技术又在于加压泵的选择和运行上。加压泵的设计流量按高层热用户的热负荷大小确定，一般不存在任何问题。

主要是加压泵设计扬程的确定，通常按公式

（1）计算:

H=△H+H1+H2  （mH2o） （1）

式中，H——加压泵的设计扬程，mH2o ；

 △H——高层热用户与低层热用户的静压差（即地形高差），mH2O ；

 H1——高层系统的阻力损失，即资用压头，mH2o ；

H2——安全裕量，3-5 mH2O 。

   从加压泵扬程的计算公式可知，高层热用户的室内系统，在运行前，并没有被水充满。在运行过程中，高层之所以能循环，是由加压泵的高扬程所提升。这种系统结构，在能源利

用上，本身就不是很合理。为了更有通用性，假定低层建筑高度为50m（若16层，每层3m），高层建筑高度为100m（约32层，每层3m），根据上述高低层直连供热机组的基本原理，可以绘制

出运行水压图，如图2所示。

   在图2，绘出了外网与低层热用户的水压图，其静水压线为50m（为简化起见，未考虑压头裕量），热用户资用压头按15 mH2O计。同时，也绘制了高层热用户的水压图，其静水压线为

100m，高层热用户资用压头也按15m计。

   不难看出：此时加压泵的扬程为45m，其中15m是高层热用户系统资用压头所需，剩余的35m只是为了提升建筑高差而增加的，而这种压头的增加又将威胁低层散热器压坏，因而不得不靠

减压节流的方式再消耗掉，这种能源（实际是电能）的无效损耗是工艺结构本身造成的。要克服上述缺点，需要从工艺更新上加以改进。

   上述高低层直连供热机组，能耗损失过大的缺点，是由于传统循环水泵的设置造成的。传统循环水泵一般安装在热源处，热水与供热量，均由热源向管网、热用户推送，至热用户，一

般供水压力均偏低（特别是中段、末端热用户），与高层建筑所需求的压头相差甚远，这就导致必须选择高扬程的加压泵来实现水头提升的功能，进而引起能耗的增加。要改变高低层直连供

热机组不节能的缺点，首先应将传统循环水泵的设计改造为分布式循环水泵的设计。

   因为分布式循环水泵，一般安装在热力站或热用户入口处，其入口端与供水干管相连，出口端与回水干管相连，且分布式循环水泵的出口端有较高的压力，基本能满足高层建筑所要求

的扬升水头，这样高层直连供热机组的加压泵的扬程，只要能满足高层室内系统的水循环就可以了（一般资用压头在5-15 mH2o之间），不再负担高层建筑所要求的提升水头的功能。

   这种分布式循环水泵工艺设计的更新，的优点是同时承担了热网的输送功能和高层建筑水头的扬升功能，而且后者是附代完成的，没有增加任何额外的能耗，因此，节能的作用十

分明显。这一更新的工艺理念，在图3中能够更清楚地表示明白。
 

   图3、给出了分布式高层直连供热混水机组示意图及其水压图。外网泵承担外网的热水循环，低层泵负责低层用户热水循环和混水功能，高层泵负责高层用户热水循环和混水功能。

为便于混水，高层、低层均设置有均压管。根据高层用户与低层用户的建筑高度的不同，外网泵与高层泵或外网泵与低层泵可以有不同的组合。当高层用户建筑高度为100m，低层用户建筑高

度为50m时（实际工程可能有较大出入），外网泵与高层泵都设置在供水管上，而低层泵则安装在低层用户的回水管上。

   从水压图可以看出：高层用户的水压图将置于外网水压图（外网泵为分布式水泵，回水压力线高于供水压力线）的顶端上部，而低层用户水压图，则在外网水压图顶端的下部。水泵的

这种布置方法，有如下一些好处：首先是降低了高层泵的扬程。

   与图1、图2相比较，原来方案，高层泵的扬程为50m，现在只需30m，减少了20m，原因是借助外网泵，额外的使水头提升了20m高，而这部分扬程是外网泵完成外网热水循环所必须的。

这种“巧借力“，是分布式水泵的设计理念所的，而传统的循环水泵是很难做到的。

   其次是在低层散热器不倒空的前提下，尽量压低低层用户的水压线。如果条件合适，低层用户部分，外网泵可安装在回水干管上，低层用户泵安装在供水管上，此时低层用户水压图处

于位置，即低层用户水压图的点与外网水压图点持平。这时低层散热器处于状态。

   在正常运行时，高层用户回水管上的减压阀可以适当调节，使高层用户的回水压力不低于高层静水压线。当高层泵停运时，回水管上的电磁阀与其联动而关闭，与此同时，高层泵前的

止回阀也关闭，使高层与低层系统断开，形成二个静压区。

   高层泵重新启动。止回阀、电磁阀同时开启，恢复高层用户供热。为进一步节电，可无人值守运行，所以水泵都可设计为变频调速控制。在停运状态，为防止高层亏水，设置了高层补

水泵，由外网补水。

3、补水泵的定压功能

 

   供热系统，特别是复杂工况的供热系统，为了安全运行，系统层不倒空，系统层不压坏是必须保证的。为此，供热系统一定要及时补水，保证在任何情况下，系统要在满管流

动下运行。

   因此，补水泵的补水、定压功能是非常重要的，其中，关键技术是监测系统恒压点的压力是否恒定，这是判断是否正确补水的基本依据。这一点是系统安全运行的重要技术保证。

但是，在多年的工程实践中，有相当多的工程技术人员对这些技术细节没有深入了解，以致在设计、运行工作中出现不少纰漏，直接影响了行业的技术进步。现拣最主要的做如下分析：
 

①混淆补水泵、循环泵的功能

   有相当多的技术人员分不清补水泵与循环泵的功能区别。常常在设计中，把建筑高差计算在循环泵的设计扬程中，认为不考虑建筑高差，系统运行不起来。

这种认识的错误，是典型的把循环泵与补水泵的功能混为一谈。必须明确，供热系统的特点是闭式满管循环流动，与给排水、河渠的开式不满管流协有本质的区别。

   后者，在流体输送过程中，其驱动力必须考虑地形高差，而供热系统，由于是闭式满管流动，热水输送过程，驱动力不必计算地形高差。供热系统只要满水，不管地形高差有多大，循

环水泵即使只有1 mH2o的扬程，系统照样可以驱动循环，只是扬程愈小，系统流速愈慢，循环流量愈小而已。

   因此，必须认识：系统循环水泵扬程的确定，是由设计循环流量和管网压力降决定，而与地形高差无关。至于系统是否充满水，决定于补水泵的功能。系统在充水的过程中，

属于不满管流动，因此，补水泵的扬程计算，必须考虑系统高度的影响。

   如果把二者的功能混淆了，就会在系统运行过程中带来一系列错误的操作。
 

②系统出现不满管流动

   在混淆补水泵、循环泵功能的情况下，最容易出现的现象是循环泵扬程选择过大（考虑了系统高度的影响，实际上是把补水泵的扬程张冠李戴放在了循环泵的名下），补水泵扬程选择过小。

   在实际运行中，在充水阶段，不可能靠补水泵使系统上满水。往往在系统没有上满水的情况下，启动循环水泵。

   此时，系统在补水泵补水，循环泵扬水的双重作用下，继续完成充水工作。不难发现，在这一过程中，系统处于不满管流动状态，常常带来一些不应有的安全故障:首先，系统难以正常

完成排气工作，以至于蹿气、涡气现象时有发生，系统不可能安全运行；

   其次，是在不满管流动下，系统高层出现扬水现象，高层形成断流，暖气不热就很容易理解了；对于锅炉运行，在水冷壁管不满流的情况下，受热不均，极易爆管，造成安全隐患。
 

③能源无效浪费

   这种设计错误，主要是循环泵代替了补水泵的功能。按正确的设计，补水泵扬程比较高，但流量比较小，因此，装机电动率不大，而且在系统失水率正常的情况下，采用变频调速补

水，补水泵可以间断运行，其耗电是很小的。

   如果改用循环泵代替补水泵，不但循环流量大，而且扬程也高，导致循环泵装机电耗远大于补水泵的电耗，显然用循环泵代替补水泵给系统补水，就如同杀鸡用牛刀一样的不合算了。

还应看到：当系统充水完毕，开始正常运行时，由于循环泵扬程过大，出口压力过高，又被迫节流降压，造成额外的能量损失，显然是与节能减排背道而驰的。