動力分散系統(tǒng)中零壓差點的分析.doc

動力分散系統(tǒng)中零壓差點的分析及水泵揚程的確定武漢科技大學(xué) 焦揚 符永正摘要：動力分散系統(tǒng)由于主循環(huán)泵不承擔(dān)系統(tǒng)循環(huán)的全部動力，所以系統(tǒng)的干管上必然存在一個供回水壓差為零的點零壓差點。運用水壓圖對零壓差點的變化進行分析，得到如下結(jié)論：以熱（冷）源為參照，零壓差點近于臨界點時，才能使系統(tǒng)消除調(diào)節(jié)閥能耗，從而使系統(tǒng)的輸配能耗最低。零壓差點位于熱（冷）源與臨界點之間的不同位置，系統(tǒng)中水泵的配置方案不同，但各水泵的輸出功率之和是相等的。運用水壓圖可以方便地確定動力分散系統(tǒng)的零壓差點以及水泵揚程的匹配方案。關(guān)鍵詞：零壓差點 臨界點 水壓圖 水泵揚程 1. 引言動力集中系統(tǒng)往往是由一個泵組來提供整個系統(tǒng)所需的動力，水泵揚程剛好滿足最遠(yuǎn)端用戶的壓頭需求，而對于其他用戶來說壓頭往往有富余，富余的壓頭則需用調(diào)節(jié)閥消耗（包括用其他增大阻抗的方式，比如縮小管徑等方式消耗多余的壓頭，下同）。動力分散系統(tǒng)中主循環(huán)泵提供部分壓頭，與各支路水泵共同構(gòu)成系統(tǒng)的循環(huán)動力。動力分散系統(tǒng)的干管上必然會出現(xiàn)一個供水壓力等于回水壓力的點，即零壓差點1。零壓差點位置的選取對系統(tǒng)的輸配能耗、水泵的選型、運行控制等都有影響。2. 異程系統(tǒng)的水壓圖分析2.1 分析模型如圖1所示，一個具有10個用戶支路的異程系統(tǒng)，假設(shè)各用戶支路的流量均為30m3/h， 圖1 動力集中系統(tǒng)各支路的管徑、管長、局部阻力系數(shù)（除調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)外）均相等，各用戶支路的間隔均為50m，且熱源處的水頭損失為10m。圖1所示為動力集中系統(tǒng)。若在各支路也設(shè)泵則變?yōu)閯恿Ψ稚⑾到y(tǒng)，即圖2所示。圖2 動力分散系統(tǒng)2.2 動力集中系統(tǒng)的水壓分析對圖1所示的系統(tǒng)進行水力計算，各管段的壓頭損失見表1表1 系統(tǒng)各管段壓頭損失計算表管段 編號設(shè)計流量（t/h）壓頭損失（m）管段 編號設(shè)計流量（t/h）壓頭損失（m）管段 編號設(shè)計流量（t/h）壓頭損失（m）z0300 10.27g32102.52z73032.46 g0300 1.66z43043.45 g7905.12z130 53.42g41801.84 z83027.35g1270 4.16z53041.60 g8602.28z230 49.25g51505.58 z93025.07g2240 3.28z63036.03 g9305.70z330 45.97g61203.56z103019.37根據(jù)表1各管段的壓頭損失，可繪制出整個系統(tǒng)的水壓圖，即圖3所示（注：由于靜水壓線高度的不同，系統(tǒng)水壓圖是上下平移的關(guān)系，本文的水壓圖以系統(tǒng)定壓點在水泵吸入口時的靜水壓線為橫坐標(biāo)軸，也就是說，圖中顯示的壓頭是實際壓頭與靜水壓線的高差）。圖中兩條粗實線為系統(tǒng)的供回水壓線，兩條線所夾的平行于y軸的一系列細(xì)實線為每個支路上的壓頭，點劃線與回水壓線之間所夾部分為每個用戶實際所需壓頭。循環(huán)水泵剛好提供最遠(yuǎn)端的用戶10所需的壓頭，對于用戶19所提供的壓頭比用戶實際需要壓頭高，所以要用閥門消耗多余壓頭（即供水水壓線與點劃線所夾部分）。水泵的揚程應(yīng)為65.35m，流量為300，水泵的輸出功率為53.42KW。圖3動力集中系統(tǒng)水壓圖2.3 動力分散系統(tǒng)的水壓圖分析對于動力分散系統(tǒng)，在干管上必然出現(xiàn)供回水壓差為零的點，即零壓差點。下面分別討論零壓差點位于不同位置時，系統(tǒng)的水壓分布。a. 零壓差點位于用戶10處時的水壓圖為圖4。由圖可以看出：系統(tǒng)在用戶10處供回水壓差相等，此時主循環(huán)泵不能為用戶10提供壓頭，需要在用戶支路上設(shè)泵。而對于用戶69，主循環(huán)泵只能提供部分壓頭，不能滿足用戶的壓頭需求，同樣需要在用戶支路設(shè)泵給予補充，而水泵的揚程為點劃線與供水壓線所夾的部分。用戶15處水泵提供的壓頭大于用戶所需的壓頭，故在用戶支路上不但不需要裝設(shè)水泵，反而需要裝設(shè)調(diào)節(jié)閥來消耗多余壓頭。圖4 零壓差點在用戶10處的水壓圖零壓差點位于用戶10處時各水泵的輸出功率見表2，各水泵輸出功率之和為41.95KW。表2 零壓差點在用戶10處各水泵的輸出功率水泵主循環(huán)泵支路6泵支路7泵支路8泵支路9泵支路10泵流量（t/h）3003030303030揚程（H）45.982.76.2611.3813.6619.36水泵的輸出功率（KW）37.590.220.510.931.121.58b. 零壓差點位于用戶7處時的水壓圖為圖5。由圖5 可以看出，用戶810的供回水壓差為負(fù)值，用戶支路的水泵揚程應(yīng)為用戶支路的壓頭損失與干管供回水壓差絕對值之和。用戶7的水泵揚程恰好就是用戶支路的壓頭損失。用戶26的供回水壓差為正值，但不能滿足用戶支路的壓頭需要，所以也需要裝設(shè)水泵，水泵揚程應(yīng)為用戶支路所需要的壓頭減去干管的供回水壓差。而用戶1處的供回水壓差則稍大于該用戶支路的壓頭損失，不需要裝設(shè)水泵，反而需要裝設(shè)調(diào)節(jié)閥，消耗多余的壓頭。圖5 零壓差點在用戶7處的水壓圖零壓差點位于用戶7處時系統(tǒng)中各水泵的輸出功率見表3，系統(tǒng)中各水泵輸出功率之和為38.77KW。表3 零壓差點在用戶7處各水泵的輸出功率水泵編號主循環(huán)泵支路2泵支路3泵支路4泵支路5泵支路6泵支路7泵支路8泵支路9泵支路10泵流量（t/h）300303030303030303030揚程（H）32.832.595.878.3910.2315.8119.3724.4926.7732.47水泵輸出功率（KW）26.840.210.480.690.841.291.582.002.192.65c. 零壓差點位于用戶6處時的水壓圖為圖6。由圖6 可以看出，用戶710的供回水壓差為負(fù)值，用戶支路的水泵揚程應(yīng)為用戶支路的壓頭損失與干管供回水壓差絕對值之和。用戶6的水泵揚程恰好就是用戶支路的壓頭損失。用戶15的供回水壓差為正值，但不能滿足用戶支路的壓頭需要，所以也需要裝設(shè)水泵，水泵揚程應(yīng)為用戶支路所需要的壓頭減去干管的供回水壓差。圖6 零壓差點在用戶6處的水壓圖零壓差點位于用戶6處時系統(tǒng)中各水泵的輸出功率見表4，系統(tǒng)中各水泵輸出功率之和為38.64KW。表4 零壓差點在用戶6處各水泵的輸出功率水泵編號主循環(huán)泵支路1泵支路2泵支路3泵支路4泵支路5泵支路6泵支路7泵支路8泵支路9泵支路10泵流量（t/h）30030303030303030303030揚程（H）29.271.996.159.3411.9513.7919.3722.9328.0530.3336.03水泵輸出功率（KW）26.840.210.480.690.841.291.582.002.192.652.65d. 零壓差點位于用戶1處時的水壓圖為圖7。如圖所示，用戶1的水泵揚程恰好就是用戶支路的壓頭損失。其余用戶的供回水壓差都為負(fù)值，用戶支路的水泵揚程應(yīng)為用戶支路的壓頭損失與干管供回水壓差絕對值之和。圖7 零壓差點在用戶1處的水壓圖零壓差點位于用戶1處時系統(tǒng)中各水泵的輸出功率見表5，系統(tǒng)中各水泵輸出功率之和也為38.64KW。表5 零壓差點在用戶1處各水泵的輸出功率水泵編號主循環(huán)泵支路1泵支路2泵支路3泵支路4泵支路5泵支路6泵支路7泵支路8泵支路9泵支路10泵流量（t/h）30030303030303030303030揚程（H）11.8919.3723.5326.8129.3331.1736.7540.3145.4347.7153.41水泵輸出功率（KW）9.721.581.922.192.402.553.003.303.713.904.37對比零壓差點位于用戶6處和用戶7處的水壓圖，零壓差點位于用戶7處時用戶1的供回水壓差大于用戶的需求，需要用調(diào)節(jié)閥消耗；而當(dāng)零壓差點位于用戶6處時，用戶1的供回水壓差小于用戶的需求，需在用戶支路裝設(shè)水泵補充動力，此時各用戶支路全部需要裝設(shè)水泵。顯然在干管上必然存在一點，當(dāng)該點的供回水壓差為零時，用戶1處的供回水壓差剛好滿足本支路的需求，可以將該點稱為臨界點。顯然本例中，臨界點位于用戶7和用戶6之間。以熱源為參照（本文所有關(guān)于零壓差點與臨界點相對位置的描述，均以熱（冷 ）源為參照），如果零壓差點近于臨界點，則各用戶支路均可裝設(shè)水泵，而不需要裝設(shè)調(diào)節(jié)閥，也就不存在調(diào)節(jié)閥能耗。零壓差點遠(yuǎn)于臨界點時，將會出現(xiàn)某些用戶支路的供回水壓差大于該支路的需求，必須裝設(shè)調(diào)節(jié)閥消耗多余的壓頭，因而存在調(diào)節(jié)閥能耗。臨界點的位置與供水壓線的斜率、用戶的資用壓頭等因素相關(guān)。用戶壓頭恒定時，供水壓線的斜率越大（即供水干管單位長度的壓力損失越大）則臨界點的位置越遠(yuǎn)離熱源，反之，斜率越小越靠近熱源；而供水壓線斜率一定時，用戶資用壓頭越小則臨界點的位置越遠(yuǎn)離熱源。由圖47,可以直觀的看出零壓差點對水泵臺數(shù)、水泵揚程等的影響，零壓差點位于其他位置時的計算方法相同，省略其運算過程，結(jié)果見表6表6 零壓差點在不同位置時的匯總表零壓差點位置用戶10處用戶9處用戶8處用戶7處用戶6處用戶5處用戶4處用戶3處用戶2處用戶1處系統(tǒng)中用戶支路水泵個數(shù)5689101010101010需要裝設(shè)調(diào)節(jié)閥的用戶支路個數(shù)5421-水泵的輸出功率（KW）41.9439.939.3938.7738.6438.6438.6438.6438.6438.64節(jié)能率%21.525.326.327.427.727.727.727.727.727.7通過以上水壓圖的顯示以及水泵能耗的計算，可以分析得出如下結(jié)論：（1）為了完全消除調(diào)節(jié)閥能耗，而在各支路裝設(shè)水泵，零壓差點需位于臨界點與熱源之間的干管上，就本例來說，臨界點位于用戶6、7之間。（2）以熱（冷）源為參照，如果零壓差點遠(yuǎn)于臨界點，則有些支路壓頭大于資用壓頭，需要裝設(shè)調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。如本例中，零壓差點位于用戶7、8、9、10處即是。零壓差點遠(yuǎn)于臨界點越多，需裝設(shè)調(diào)節(jié)閥的支路越多。（3）由表6可知，當(dāng)零壓差點近于臨界點，各支路都可由水泵代替調(diào)節(jié)閥，雖然水泵配置方案不同，但是水泵輸出功率的總和是相等的。3. 運用水壓圖確定零壓差點和水泵揚程運用水壓圖可以方便地確定動力分散系統(tǒng)的零壓差點以及系統(tǒng)中各水泵的揚程。具體方法是：首先根據(jù)水力計算結(jié)果繪制動力集中方式的水壓圖，然后，向下平行移動供水壓線，找到臨界點（用戶1處的供回水壓差恰好等于該用戶所需要的壓差時的零壓差點），既而在熱源和臨界點之間確定零壓差點。零壓差點確定之后，與此相應(yīng)的水壓圖即顯示了水泵的揚程方案。水壓圖上用戶的資用壓頭線（即本文水壓圖中的點劃線）和供水壓線之間的距離就是該用戶支路的水泵揚程。用這種方法確定水泵揚程顯然比文獻2提出的方法簡便。水泵揚程的匹配方案與零壓差點是一一對應(yīng)的。4. 結(jié)論以熱（冷）源為參照，動力分散