浅谈热网循环泵的特性及应用
随着“党的十八大”胜利召开，国家对能源的合理利用及节能减排进行了重大调整。减少对不可再生能源的利用、节能减排仍是社会发展一个不变的话题，并需要各行各业共同担负这份责任。对于供热企业而言，本身就是耗能大户，又是“保本微利”的行业，如若设备匹配、运行管理等方面未达到较高水平，不但浪费大量能源，还会出现严重的亏损。
对于供热系统来说主要从热、电、水三方面进行控制，实现节能的目的。循环泵作为热网的循环动力，需要克服整个系统的阻力损失，将热网中的循环水推动起来，以保证供暖正常。但往往由于对水泵的认识及了解不够深刻，在循环泵的选型、运行及与系统的匹配上出现不合理的情况，造成电能的浪费。现就如何达到循环水泵的最佳运行工况，从而达到节能效果进行论述。
2 单台水泵特性及变频
2.1 单台水泵的特性
循环泵的参数包括流量、扬程及功率，而对于管网中循环泵工作点的位置、流量的大小、做功的多少都与其特有的特性曲线及外网的特性曲线有关。循环泵的特性曲线通常可以用下列函数式来表示：
△P=a+bv+cv2+dv3 （2-1）
式中：a、b、c、d —— 根据水泵的特性曲线数据拟绘的数值。
循环泵的工作点在该曲线上工作，始终不会偏离，其实际工作点与下式的热网压降公式有关，即两个函数的交叉点为循环泵的工作点，
热网压降公式
△P=SV2 （2-2）
（2-1）、（2-2）两式联立即可求得：△P和V
也可用曲线求得△P和V（如下图1），即A为工作点。
图1
通过上式及上图可以看出，如果想改变水泵的工作点A，只能通过调节外网的S值来改变，使外网特性曲线向右偏移或者向左偏移。
2.2 变频调速
频率与转速的关系：
n=60ƒ（1-SN）/P （2-3）
式中：n——水泵转速，r/min；
ƒ——电流频率，Hz；
P——电动机的极对数；
SN——电动机额定转差，即定子旋转磁场与转子转速之差比值（5%）。
水泵流量、扬程和功率与转速的关系（比例定律）
（2-4）
（2-5）
（2-6）
为了得到确切的数据，安迪供热节能技术培训中心成立了专门的研究小组，制作了水泵的并联和变频演示台，对泵的运行情况进行剖析，通过以下实验数据可以真正认识泵的工作特性。
2.2.1 实验设备
循环泵试验台（系统图2如下：）
图2
（循环泵的参数均为：G=25m3/h；H=32m；N=4kw；额定电流7.9A）
2.2.2 实验原理
开启循环泵，通过流量计可以读出循环流量，泵进、出口的压力表差值可以计算出循环泵的实际扬程，根据以下公式算出净功率、实耗功率和效率；
水泵净功率计算公式：N净=G·H×2.778，，
水泵的实际耗电功率N实耗=√3U·I·COSθ，
循环泵的效率：
= N净/ N实耗。
2.2.3 实验数据
实验时通过改变泵出口阀门的开度来调节循环流量，同时记录对应的流量、压力、频率、电流等数据。
单台循环水泵工频及变频运行数据记录见表1。
表1
变频数 f（Hz） | 流量 G(m3/h） | 扬程 H（mH2O） | 电流 I(A) | 净功率N(kw) N=2.778GH | 实耗功率W(kw) W=√3UIcosθ | 效率 η(%) |
50 | 10 | 34 | 6 | 0.94 | 3.16 | 29.9 |
15 | 32 | 6.6 | 1.33 | 3.48 | 38.4 | |
20 | 31 | 7.2 | 1.72 | 3.79 | 45.4 | |
25 | 28 | 7.7 | 1.94 | 4.05 | 48.0 | |
30 | 24 | 8.2 | 2.00 | 4.32 | 46.3 | |
40 | 14 | 9.2 | 1.56 | 4.84 | 32.1 | |
45 | 10 | 28 | 5.2 | 0.78 | 2.74 | 28.4 |
15 | 26 | 5.7 | 1.08 | 3.00 | 36.1 | |
20 | 24 | 6.4 | 1.33 | 3.37 | 39.6 | |
25 | 20 | 6.7 | 1.39 | 3.53 | 39.4 | |
30 | 17 | 7.3 | 1.42 | 3.84 | 36.9 | |
40 | 8 | 8 | 0.89 | 4.21 | 21.1 | |
40 | 10 | 22 | 4.8 | 0.61 | 2.53 | 24.2 |
15 | 20 | 5.3 | 0.83 | 2.79 | 29.9 | |
20 | 18 | 5.9 | 1.00 | 3.11 | 32.2 | |
25 | 15 | 6.4 | 1.04 | 3.37 | 30.9 | |
30 | 11 | 6.8 | 0.92 | 3.58 | 25.6 | |
35 | 7 | 7.1 | 0.68 | 3.74 | 18.2 | |
35 | 10 | 17 | 4.4 | 0.47 | 2.32 | 20.4 |
15 | 15 | 5 | 0.63 | 2.63 | 23.7 | |
20 | 13 | 5.6 | 0.72 | 2.95 | 24.5 | |
25 | 10 | 6 | 0.69 | 3.16 | 22.0 | |
30 | 6 | 6.4 | 0.50 | 3.37 | 14.8 | |
35 | 2 | 6.7 | 0.19 | 3.53 | 5.5 | |
30 | 10 | 12 | 3.9 | 0.33 | 2.05 | 16.2 |
15 | 9 | 4.4 | 0.38 | 2.32 | 16.2 | |
20 | 7.5 | 5 | 0.42 | 2.63 | 15.8 | |
25 | 5 | 5.4 | 0.35 | 2.84 | 12.2 | |
28.5 | 2 | 5.7 | 0.16 | 3.00 | 5.3 |
2.2.4 实验结论
水泵特性曲线及变频曲线如下图3
图3
效率曲线如下图4
图4
功率曲线如下图5
图5
通过以上数据得出，循环泵变频后随着频率的逐渐降低
（1）循环水泵的特性曲线向左下方偏移；
（2）效率曲线的轴线向左偏移，效率逐渐快速降低，40Hz变频运行，效率比50Hz将降低25%左右，因此不建议循环泵频率在40Hz以下运行；同时不要认为泵可选大点，通过变频去找合理的工作点，减少电能；
（3）功率曲线则是随着流量的增加呈上升趋势，也就是电耗逐渐升高，即在外网阻力较小且没有控制手段的的情况下，会出现超流的现象。
3 水泵并联
有些人认为，两台循环泵并联运行，总流量小于单台泵运行的两倍，由此说两台泵运行效率低，尽量不要采取两台泵并联运行。实际是否如此呢？安迪节能技术培训中心，为了较准确的回答这个问题，专门制作了一个试验台。
3.1 实验设备
循环泵并联试验台（系统图如图6）
图6
（1#、2#、3#、4#循环泵的参数均为：G=25m3/h；H=32m；N=4kw，额定电流7.9A。）
3.2 实验原理
该实验相当于一个简单的供热系统，3#、4#循环泵为动力设备，闸阀为外网的阀门，流量计就相当于热用户。开启3#循环泵，通过调节闸阀将流量调到循环泵的额定流量25m3/h，阀门的开度不再变化，记录流量与扬程（泵进、出口压力）；然后开启4#循环泵，此时在记录循环泵的两台泵并联后的流量与扬程，即可确定泵并联后流量是否加倍、扬程是否不变。最后两台泵仍然工频运行，调节闸阀，记录流量由零到最大所对应的数据，将对应的数据在坐标轴上标出并用平滑的曲线连接到一起即为两台泵并联后的曲线。
同规格两台水泵并联运行数据见表2
表2
序号 | 流量 G（t/h） | 扬程 H(mH2O) | 电流 I(A) | 净功率 N(kw) N=2.778GH | 实耗功率 W(kw) W=√3UIcosθ | 效率 η(%) |
1 | 17 | 34 | 11.3 | 1.61 | 5.95 | 0.27 |
2 | 33 | 32 | 13 | 2.93 | 6.84 | 0.43 |
3 | 42 | 30 | 14.5 | 3.50 | 7.63 | 0.46 |
4 | 50 | 28 | 15.3 | 3.89 | 8.06 | 0.48 |
5 | 63 | 24 | 16.9 | 4.20 | 8.90 | 0.47 |
6 | 69 | 22 | 17.4 | 4.22 | 9.16 | 0.46 |
7 | 74.5 | 20 | 18.2 | 4.14 | 9.58 | 0.43 |
8 | 78.5 | 18 | 18.3 | 3.93 | 9.64 | 0.41 |
3.3.2 实验结论
循环泵并联曲线如下图7
图7
效率曲线如下图8
图8
通过数据及特性曲线可以看出，两台同规格的循环泵并联运行：
（1）在同一扬程下流量叠加；
（2）并联后循环泵的效率发生变化，两台泵并联后的高效点稍有降低（2%左右），但高效区与单台循环泵相比要宽很多（两倍以上），因此说，在要求同样参数的情况下，两台循环泵并联运行未必就比一台循环泵效率低，并很容易在高效区工作。
有些人认为两台同规格的循环泵并联运行，效率降低，这种想法是错误的，原因是：
两台同规格的循环水泵并联运行时，其特性曲线由每个扬程相对应单台水泵流量的两倍(2GB'=GB)为工作点组成。但实际运行时水泵工作点，针对某一热网，单台水泵运行时其工作点在A点；当两台泵运行时流量增加（GB＞GA），扬程增加（HB＞HA），造成了水泵工作点的左移，每台水泵工作点在B'点（GB'＜GA）。因此两台泵运行的流量小于单台泵运行流量的两倍，而非效率所致（见图9）。
图9
3.4 一台水泵工频与一台水泵变频运行（水泵参数仍为以上的水泵）
3.4.1 实验数据（见表3）
表3
总流量(m3/h) | 1#水泵工频运行 | 2#水泵变频运行 | |||||||
水泵出口压力（Mpa） | 水泵进口压力（MPa） | 扬程（m） | 电流(A) | 水泵出口压力（MPa） | 水泵进口压力（MPa） | 扬程（m） | 电流(A) | 变频数（Hz） | |
27.0 | 0.59 | 0.26 | 33.0 | 6.5 | 0.59 | 0.26 | 33.0 | 6.1 | 50 |
25.0 | 0.56 | 0.27 | 29.3 | 7.5 | 0.56 | 0.27 | 29.2 | 4.3 | 45 |
22.5 | 0.51 | 0.27 | 24.5 | 8.2 | 0.51 | 0.28 | 23.0 | 3.2 | 40 |
20.5 | 0.49 | 0.28 | 21.0 | 8.5 | 0.48 | 0.29 | 19.0 | 3.3 | 35 |
19.0 | 0.47 | 0.29 | 18.0 | 8.8 | 0.47 | 0.30 | 16.5 | 4.0 | 30 |
18.0 | 0.46 | 0.29 | 17.0 | 9.0 | 0.46 | 0.31 | 15.0 | 5.0 | 25 |
17.0 | 0.45 | 0.30 | 15.0 | 9.1 | 0.45 | 0.30 | 15.0 | 5.6 | 20 |
以上数据测试由，1#循环泵通过调节阀门将其工作点达到其额定工作点（G=25m3/h；H=32m），然后开启2#循环泵，不再调节任何阀门，逐渐降低其频率而测得的数据。通过以上的数据表可以分析出，在整个热网阻力值S不变的情况下，单单从循环泵调节来改变外网供暖效果并不理想，流量不会像人们所想象的一样，一台泵工频运行，其出力不够再由另一台变频泵通过变频来实现外网流量“缺多少补多少”的目的。由测试数据可以看出：随着变频泵的频率的降低，工频泵的出力越来越大，电流越来越高，甚至严重超过额定电流，时间长了有烧泵的危险。也就是说一台工频泵与一台变频泵（两台泵参数相同）并联运行是不可取的，彼此之间会相互影响！
对于热网的设计，都有一个未来规划面积，因此循环泵的选型多数会按照规划面积来与外网匹配，设计为一用一备或者两用一备（参数相同）。而在热力单位成立初期，负荷较小，又没有小规格循环泵，只能以“大马拉小车”的方式运行设计的循环泵。只有当热网的负荷达到规划面积后，设计的循环泵才能起到其真正的作用。
因此，在热网设计时，建议采用两种规格的循环泵，一台按照满负荷（规划面积）的70%设计（流量、扬程、功率均较小）；另一台按照满负荷设计，随着负荷的变化运行不同的循环泵。此时两台泵之间互为备用，既减少了初投资的成本，又节省了电能，（初期负荷如果较小，可以按照满负荷的50%增设一台循环泵）。
所谓“三分设备，七分安装”，用在此处固然有些夸张，但循环泵作为热网运行不可或缺的设备，如果安装时不扩径，循环泵出口的阻力损失会很大。
4.1 实验设备（实验系统图10如下）
图10
（水泵参数：G=25m3/h；H=32m；N=4kw ）
（1#循环泵在安装时同径安装，且加有止回阀；2#循环泵在安装时，泵的进、出口管径规格全部扩大两号）
4.2 实验原理
开启1#循环泵，调节压力表A后的阀门，记录在不同流量的情况下1#泵出口压力表与压力表A的数值；开启2#循环泵，记录该泵在不同流量情况下的压力值。通过记录的数据，比较在同流量下，两泵出口位置的压力损失。
4.3 实验数据（见表4）
表4
1#水泵 | 2#水泵 | |||||||
管网流量（m3/h） | 水泵出口压力（MPa） | A表压力（Mpa） | 1#泵出表与A表压差(mH2O) | 电流(A) | 水泵出口压力（MPa） | A表压力（Mpa） | 2#泵出表与A表压差(mH2O) | 电流(A) |
10.0 | 0.482 | 0.478 | 0.4 | 6.5 | 0.49 | 0.49 | 0 | 6.0 |
15.0 | 0.468 | 0.462 | 0.6 | 6.3 | 0.49 | 0.485 | 0.5 | 6.8 |
20.0 | 0.46 | 0.44 | 2.0 | 7.0 | 0.475 | 0.475 | 0 | 7.0 |
25.0 | 0.448 | 0.418 | 3.0 | 7.5 | 0.45 | 0.448 | 0.2 | 8.0 |
30.0 | 0.425 | 0.39 | 3.5 | 8.0 | 0.44 | 0.44 | 0 | 8.2 |
35.0 | 0.4 | 0.358 | 4.2 | 8.6 | 0.43 | 0.43 | 0 | 8.7 |
注：1#水泵出口装有止回阀、未变径；2#水泵出口变径但未安装止回阀 | ||||||||
通过实验数据可以得出：1#泵出口压力与压力表A的差值随着流量的增大而逐渐变大，证明该管段的阻力损失变大，而2#泵出口压力与压力表A的差值几乎为0，最大仅0.5mH2O，因此，循环泵在安装时，泵出口需要扩径，尽量不装止回阀。
5 总结
通过本文的实验数据和分析可得出如下结论：水泵变频应不小于40Hz，否则效率降低25%以上；两台水泵并联，比单台泵的运行有一定的优势，且效率并不太低，排斥双泵运行是片面的；工频泵和变频泵并联运行是不妥当的，工频泵容易烧电机；依据规划面积选泵时，宜按全负荷和70%负荷选两台泵，根据不同负荷运行不同的泵，利于运行和节电；水泵进、出口要扩管变径，出口管尽量不装止回阀，这样可节电10%左右。总之，在选型、匹配及运行管理方面，都加以研究并加以实施，可以得到节电和提高经济效率的目的。以上是我们对水泵的一点体会，拿出来与大家分享，有不妥之处，请大家指教！