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虛擬工作點在供熱循環(huán)水泵運(yùn)行工況分析中的應(yīng)用

新疆油田公司供熱公司 王成軍 羅豫軍 王喜良

【摘 要】利用虛擬工作點對供熱循環(huán)水泵進(jìn)行定量分析，查找水泵運(yùn)行存在的問題，并用虛擬工作點校對循環(huán)泵進(jìn)行優(yōu)化改造選型，改善供熱效果，實現(xiàn)節(jié)能最大化。
【關(guān)鍵詞】虛擬工作點 管路特性曲線 水泵裝置特性曲線

1 前言
作為閉式供熱系統(tǒng)核心設(shè)備的循環(huán)水泵，其選型則關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行及供熱質(zhì)量是否正常的關(guān)鍵，但在實際的設(shè)計中，設(shè)計人員往往以估算為主，一般都會采用寧大勿小的設(shè)計理念，將泵參數(shù)有意識選大，特別是水泵揚(yáng)程。結(jié)果造成水泵實際運(yùn)行工作點嚴(yán)重偏離高效工作區(qū)，從而造成運(yùn)行效率低，運(yùn)行費(fèi)用居高不下。本文以新疆油田公司供熱公司某供熱站為例，用虛擬工作點分析方法分析循環(huán)水泵運(yùn)行存在的問題，并對循環(huán)水泵改造進(jìn)行優(yōu)化選型。
此供熱站供熱媒質(zhì)為95℃/70℃熱水，2003年由鍋爐房改為供熱站，攜帶11.3MW熱負(fù)荷，配置三臺循環(huán)水泵。該站自投產(chǎn)以來一直處于不正常運(yùn)行狀態(tài)，一臺運(yùn)行或兩臺并聯(lián)泵運(yùn)行都存在水泵閥門不能全開、末端積氣不熱現(xiàn)象。
2 虛擬工作點的定義
熱水循環(huán)泵選擇需要確定水泵運(yùn)行工況點的流量與揚(yáng)程，即確定水泵水力性能曲線與管路水力特性曲線的交點，該點的流量和揚(yáng)程即為水泵運(yùn)行時所能提供的實際運(yùn)行參數(shù)，但該點參數(shù)難以確定，主要是由于管路特性難以確定。管路水力特性曲線方程為:
    h=S×G2（1）
式中：
h——管路阻力損失；
G——運(yùn)行流量；
S——管路特性系數(shù)，表達(dá)式為：
  S=（∑λ+■+∑ζ）/2f 2
由供熱管路的復(fù)雜性和管路特性系數(shù)可以看出，在實際工作中管路水力特性曲線是難以確定或不能確定的。為解決這方面的問題，筆者通過多年的工作經(jīng)驗積累，提出了管路虛擬特性曲線方程的概念，即由計算循環(huán)流量和計算管路損失確定虛擬管路特性系數(shù)，從而確定管路虛擬特性曲線方程。管路虛擬特性曲線與水泵水力性能曲線的交點即為虛擬工作點，借助虛擬工作點可以量化分析水泵的工作狀態(tài)和優(yōu)化水泵配置。
前文所提到的供熱站，其計算流量為450m3/h、阻力損失為23mH2O，則管路虛擬特性曲線（h-G）方程為：
h=1.14×10-4G2（2）
3 水泵裝置曲線
水泵裝置曲線包括:
水泵水力特性曲線（H-G）［1］:
  H＝a+a2G+a2G2（3）
水泵效率曲線（η-G）［1］：
  η=b+b2G+b2G2（4）
水泵功率曲線（Ne-G）:
  Ne=■（5）
式中：
a、b—為方程系數(shù)；
Ne—泵的額定功率，kW；
G—泵輸送流量，m3/h；
  H—泵輸送揚(yáng)程，mH2O；
ρ—輸送液體的密度，kg/m3；
η—泵的輸送效率。
根據(jù)水泵設(shè)備樣本可以確定（H-G）和（η-G），對本文分析的供熱站，循環(huán)水泵配置電機(jī)功率為75kW，流量、揚(yáng)程及效率見表1：
將表中表中數(shù)據(jù)代入（3）、（4）可得出：
H-G：H=39.72+1.16×10-1G+2.26×10-4G2（6）
η-G：η＝22.11+2.86×10-1G+3.47×10-4G2         （7）
將（6）、（7）代入（5）即可得到（Ne-G）。
4 確定虛擬工作點
由（2）、（5）、（6）與（7）及工作點H=h的關(guān)系建立方程組：
H＝h＝1.14×10-4G2Ne＝■H=39.72+1.16×10-1G+2.26×10-4G2η＝22.11+2.86×10-1G+3.47×10-4G2方程組Ⅰ
  通過對方程組Ⅰ求解可以得出虛擬工作點的流量、揚(yáng)程、效率與軸功率四個參數(shù)，也可以通過作圖法求得，在這里用直觀的作圖法求解（本文熱水密度均按1000kg/m3考慮）。
一臺泵運(yùn)行虛擬工作點為A點（圖表1），此點工況參數(shù)為（G=553.4m3/h，H=h=34.78mH2O，η=74.11%，Ne=72.15kW）。
依照曲線疊加原理，可以得出二泵并聯(lián)運(yùn)行曲線（圖表2）：
二臺泵并聯(lián)運(yùn)行虛擬工作點為B點，Ne-G為按2臺泵均衡出力時單臺泵的額定功率曲線，B點的工況參數(shù)為（G=683m3/h，H=h=53mH2O，η=55.53%，Ne=163.1kW）。
從兩個虛擬工作點的工況參數(shù)來看，流量、揚(yáng)程都能滿足系統(tǒng)需要，而根據(jù)水泵配用電機(jī)選用原則，配備75kW電機(jī)的水泵最大輸出額定功率為69.4kW，兩個虛擬工作點的額定功率均超過電機(jī)的承載能力，在對泵不控制的情況下，這兩個工作點是不可能實現(xiàn)的，所以兩個運(yùn)行方案均需要通過控制閥門開度來確保電機(jī)安全運(yùn)行。
5 最大輸出功率時，工作點工況分析
單泵運(yùn)行時，將最大輸出額定功率69.4kW與方程（6）、（7）代入（5）式，可以求出最大輸出流量為412m3/h，即可得出泵輸出揚(yáng)程H=49.21mH2O，管網(wǎng)此時損失為19.26 mH2O，也就是說，通過閥門節(jié)流損失為29.95 mH2O，此時流量及出口壓力均不能滿足供熱需求。
二臺并聯(lián)運(yùn)行時，按每臺泵的出力完全相同，即都能輸出最大功率考慮。將2×69.4kW與方程（6）、（7）代入（5）式，可以求出最大輸出流量為531m3/h，即可得出泵輸出揚(yáng)程H=54.60mH2O，管網(wǎng)此時損失為32.01 mH2O，也就是說，通過閥門節(jié)流損失為22.59 mH2O，此時流量及出口壓力均能滿足供熱需求，即二臺泵并聯(lián)通過閥門節(jié)流調(diào)節(jié)后，可以滿足供熱需求。
分析結(jié)果與近六年的運(yùn)行情況完全吻合。二臺泵運(yùn)行雖然能滿足供熱要求，但同時由于閥門的節(jié)流損失至少為41.4%，有必要進(jìn)行節(jié)能改造。
6 循環(huán)泵節(jié)能改造選型
本文所討論的供熱站現(xiàn)有負(fù)荷需要循環(huán)流量450m3/h、揚(yáng)程23mH2O，代入（5）式得出水泵軸功率35.9kW（水泵效率取80%），水泵配用電機(jī)45kW，單臺運(yùn)行即可滿足現(xiàn)有熱負(fù)荷的需求?？紤]到近期要增加3MW熱負(fù)荷，負(fù)荷增加后需要循環(huán)流量520m3/h，揚(yáng)程按32mH2O考慮，則需要水泵軸功率57.8kW，水泵配用電機(jī)功率65kW即可，考慮到不是標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)和要充分利用已有的水泵配電系統(tǒng)及管線閥件及水泵基礎(chǔ)，最終確定水泵配置電機(jī)功率為75kW，流量、揚(yáng)程及效率見表2：
此水泵裝置曲線為：
H-G：H=18.25+0.08G-10-4G2（8）
η-G：η=49.75+0.11G-10-4G2（9）
建立方程組：
  H＝h＝1.14×10-4G2Ne＝■H=18.25+0.08-10-4G2η＝49.75+0.11G-10-4G2方程組Ⅱ
解方程組Ⅱ或?qū)x用泵利用作圖進(jìn)行校核（圖表3）：在現(xiàn)有負(fù)荷時工作點C的工況參數(shù)為（G=544m3/h，H=h=32.44mH2O，η=79.98%，Ne=60.2kW），流量與揚(yáng)程均能滿足現(xiàn)有負(fù)荷及預(yù)增負(fù)荷的需要，且節(jié)電（1-60.2/2×69.4）=756.64%?！?br>7 運(yùn)行效果分析
2009-2010采暖期，供熱站采用一臺新更換的循環(huán)水泵運(yùn)行，運(yùn)行效果良好，末端用戶積氣現(xiàn)象明顯減少、室溫普遍提高，投訴率降低。供熱站耗電量由改造前的3600kWh/天降低到1200kWh/天，節(jié)電率66.67%，高于預(yù)期。
8 結(jié) 論
利用水泵虛擬工作點，不但能夠定量分析水泵運(yùn)行工況，查找問題存在的原因，確定合理運(yùn)行調(diào)節(jié)模式，還能夠優(yōu)化水泵選型，實現(xiàn)節(jié)能最大化，同時改變了采用定性分析模式造成選泵型號偏差過大、與系統(tǒng)匹配性差而導(dǎo)致的供熱效果差、運(yùn)行費(fèi)用高等問題。

參考文獻(xiàn)

［1］王昭俊.采暖循環(huán)水泵的性能回歸曲線方程研究.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，2000，33（2）：66-69