【定压补水装置怎么选型】复杂条件下供热系统的静压

摘要

本文介绍了变频调速在多泵系统中的应用，包括多热源联网、分布式输电和配电系统。结合分布式输配电系统，改进了高低层直接供暖装置的结构形式。指出了补充泵、循环泵的正确设计方法。

前言

随着我国工业化和城市化的发展，数百万人以上的城市不断涌现，城市集中供热规模越来越大。由于高层建筑的提拔地带，多热源联网的方兴未艾及分布式输电系统的出现，供热系统的运行条件越来越复杂。热用户的需求多种多样，热源的种类繁杂，系统的参数各不相同。在这种情况下，在如何满足供暖效果的前提下，实现节能减排、安全运行尤为重要。综观各种安全事故的发生，“热平衡、流量平衡、压力平衡”这三个平衡的基本原则并不到位。特别是压力平衡对系统的安全运行尤为重要。本文对在复杂的工作条件下如何实现压力平衡，特别是静压方式的合理处理进行了一些探讨，希望引起业界相关人士的共同研究。

1、多泵系统静压

在供热系统中实现压力平衡的最重要原则是作出四项保证。也就是说，保证没有按，没有空，没有汽化，足够的资源压力得到保证。这是供热系统正常运行，不发生安全事故的最重要的技术保证。为了实现上述四项保证，关键技术是在系统的静压点压力——系统的静压线保持不变的情况下，正确选择系统。系统静压的根本功能是使系统保持在可变工作条件下。压力的波动总是在基本安全范围内。这就像盖房子，系统静压相当于建筑物的柱子。只要柱子不动，地板就不会塌。在系统恒压的实施过程中，最基本的任务是确定供热系统恒压点的位置。对于这一点，在我们的传统习惯中，经常使用循环泵的入口点作为静压点，但这是错误的。因为，如果循环泵不能转动，进入点的压力就会波动。因为循环水泵旋转的情况下，入口点的压力低于循环水泵不旋转时的压力。因此，循环水泵的入口点不是系统的实际恒压点，显然这种恒压方式是错误的。如果供暖规模比较小，是一对一(一个热源一个供暖系统)供暖系统，这种错误的正压方式大多数不会引起严重的安全事故。但是，复杂的供热系统，如多热源网络供热系统、分布式输电和配电供暖系统，属于多泵供热系统。对于有很多循环泵的供热系统，当然有很多循环泵的入口点，其压力会根据工作条件不断变化，此时系统应该选择什么循环泵的入口点进行静压？按照传统方法实施显然是不可能的。

在传统的循环水泵设置中，循环水泵安装在热源上，热水和热量被循环水泵从热源推向热望。在水压图中，水压线往往高于逆水压力线，供水压力线很少与逆水压力线相交。但是，在分布式输电和配电的多泵加热系统中，特别是在整个网络分布式输电和配电的多泵加热系统中(除了热站有分布式泵外，热入口、热用户都有分布式泵)，水压图中供水压力线与逆水压力线相交的情况可能会发生多次。部分管网供水压力线高于逆水压力线，部分管道输水压力线可能高于供水压力线。在这种情况下，如何选择合理的静压方式尤为重要。在实际施工中，我们经常看到在热源(包括火力发电厂)使用循环水泵入口点正压或膨胀水箱(或膨胀管)正压方式在热力站采用混合水连接方式，结果导致数百万加热面积的供热系统出现大面积串烧现象，被迫停运，严重影响供暖效果。原因分析：主要是对这种多泵供热系统的压力条件的复杂性缺乏基本的了解，因此很难想象水压度的交叉导致局部管道网络压力过低，甚至出现负压状态而产生缝隙的现象。这些工程实例表明，在多泵复杂供热系统中，如何分析压力条件的变化，如何确定系统静压点的位置，如何正确选择定压方法，更加迫切。

供热系统，特别是多热源、多泵供热系统，最简单合理的静压方式应该采用变频调节、防桶、水分静压方式。对于这种静压方式，作者在《供热系统运行调节与控制》 [1]本书和《多热源联网运营再思考》[2]和《分布式循环水泵设计》[3]等文章中做了很多介绍。这种固定压力方式最突出的优点是，在单压力计旁通管中可以很容易地确定系统恒压点的位置，由于压力波动小，可以很容易地实现定压语言，避免其他定压方式的误控。适用于多种形式的供暖系统。可以是单点补充，单点静压；可以补充很多水分，还可以做很多静修。实现无人驾驶全自动控制，控制补充泵的变速速度，节能效果明显。4分布式泵系统的均压管与防痛静压相结合，可以减少动压管直径(与相邻毛细管相同的直径，不再是毛管直径的3倍)，从而降低造价，便利分布式泵加热系统的普及。

复杂结构的多泵加热系统，采取什么静压方式？到目前为止，这仍然是业内人士讨论的重要课题，包括国际同行在内，没有开展深入研究。一位外国技术人员曾询问丹麦大学、瑞典大学和美国相关大学的教授关于多泵供暖系统的静压方式，他在与作家的讨论中介绍了这种补水静压方式。他应用于中国的实际工程。这个例子表明，我们中国供热行业也有创新。盲目鄙视自己是没有道理的。

2、高、低层直接固定压力

随着高层建筑的不断出现，对静压方式也提出了新的课题。过去铸铁散热器，最大压力容量为0.4MPa，随着目前生产过程的进展，铸铁散热器的最大压力容量可能会增加到0.5~0.8MPa。也就是说，如果建筑物高度超过16层，通常需要考虑楼层静压问题。否则，底部散热器可能会破碎。过去主要通过换板间接连接，解决了楼层静压问题，但由于供水温度低，难以满足热用户需求，所以存在局限性。近年来，国内一些厂家开发了高低层直接供暖装置[4] [5]，解决了高低层直接静压问题，应用效果基本可以满足供暖

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，完全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，最大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特有的，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最低位置，即低层用户水压图的最低点与外网水压图最低点持平。这时低层散热器处于最安全状态。

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，系统最高层不倒空，系统最底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，完全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，完全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。

参考文献：

[1]《供热系统运行调节与控制》，石兆玉，清华大学出版社，1994

[2]“供热系统多热源联网运行的再认识”，石兆玉，《供热与制冷》，2006.2

[3]“供热系统分布式变频循环水泵的设计”，《暖通空调标准与质检》，2006年三期

[4]“一种高低层直连供暖技术”，慕瑶，《开发区供热》，2012.4

[5]“论高低层建筑联合供暖装置”，胡范双，《区域供热》，2005.5