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聚氨酯保温管供热系统复杂工况下的定压
点击次数:127 发布时间:2018-01-09

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。

聚氨酯保温管供热系统复杂工况下的定压

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,供热系统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。2012年供暖季是我国28年来zui冷的一冬,一但出现供热的安全事故,就格外引人触目。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。

聚氨酯保温管供热系统复杂工况下的定压

1、多泵系统的定压

在供热系统中,实现压力平衡,zui主要的原则是做到四个保证:

保证不压坏,保证不倒空,保证不汽化和保证足够的资用压头,这是供热系统维持正常运行,不发生安全事故zui重要的技术保障。而实现上述四个保证,核心技术是正确选择系统的定压方式,即使系统的恒压点压力——系统静水压线保持不变。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,zui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。分析原因:主要是对这种多泵供热系统的压力工况的复杂性缺乏基本了解,很难想像由于水压图的交叉,导致局部管网压力过低,甚至出现负压状态,引起抽空现象。这些工程实例,告诉我们,在多泵的复杂供热系统中,如何分析压力工况的变动情况,如何确定系统的恒压点位置,以及如何正确选择定压方式,就更加迫切了。

对于供热系统,特别是多热源,多泵供热系统,zui简便zui合理的定压方式,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zui突出的优点是: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。

聚氨酯保温管供热系统复杂工况下的定压

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,zui高承压能力为0.4MPa,现在,随着生产工艺的进步,铸铁散热器的zui高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。

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。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。

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。

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,zui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。

 

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zui低位置,即低层用户水压图的zui低点与外网水压图zui低点持平。这时低层散热器处于zui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zui

高层不倒空,系统zui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zui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,zui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。

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