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利用虚拟工作点对供热循环水泵运行分析的技术应用 

 前言             
      作为闭式供热系统核心设备的循环水泵，其选型则关系到系统运行及供热质量是否正常的关键，但在实际的设计中，设计人员往往以估算为主，一般都会采用宁大勿小的设计理念，将泵参数有意识选大，特别是水泵扬程。结果造成水泵实际运行工作点严重偏离高效工作区，从而造成运行效率低，运行费用居高不下。本文以新疆油田公司供热公司某供热站为例，用虚拟工作点分析方法分析循环水泵运行存在的问题，并对循环水泵改造进行优化选型。
      此供热站供热媒质为95℃/70℃热水，2003年由锅炉房改为供热站，携带11.3MW热负荷，配置三台循环水泵。该站自投产以来一直处于不正常运行状态，一台运行或两台并联泵运行都存在水泵阀门不能全开、末端积气不热现象。蒸汽流量计,蒸汽流量表,蒸汽计量表,蒸汽表,涡街流量计,气体流量计,液体流量计,热水流量计 。

2 虚拟工作点的定义
      热水循环泵选择需要确定水泵运行工况点的流量与扬程，即确定水泵水力性能曲线与管路水力特性曲线的交点，该点的流量和扬程即为水泵运行时所能提供的实际运行参数，但该点参数难以确定，主要是由于管路特性难以确定。管路水力特性曲线方程为:
          h=S×G2（1）
      式中：
      h——管路阻力损失；
      G——运行流量；
      S——管路特性系数，表达式为：
        S=（∑λ+■+∑ζ）/2f 2
      由供热管路的复杂性和管路特性系数可以看出，在实际工作中管路水力特性曲线是难以确定或不能确定的。为解决这方面的问题，笔者通过多年的工作经验积累，提出了管路虚拟特性曲线方程的概念，即由计算循环流量和计算管路损失确定虚拟管路特性系数，从而确定管路虚拟特性曲线方程。管路虚拟特性曲线与水泵水力性能曲线的交点即为虚拟工作点，借助虚拟工作点可以量化分析水泵的工作状态和优化水泵配置。
      前文所提到的供热站，其计算流量为450m3/h、阻力损失为23mH2O，则管路虚拟特性曲线（h-G）方程为：
      h=1.14×10-4G2（2）

3 水泵装置曲线
      水泵装置曲线包括:
      水泵水力特性曲线（H-G）［1］:
        H＝a+a2G+a2G2（3）
      水泵效率曲线（η-G）［1］：
        η=b+b2G+b2G2（4）
      水泵功率曲线（Ne-G）:
        Ne=■（5）
      式中：
      a、b—为方程系数；
      Ne—泵的额定功率，kW；
      G—泵输送流量，m3/h；
        H—泵输送扬程，mH2O；
      ρ—输送液体的密度，kg/m3；
      η—泵的输送效率。
      根据水泵设备样本可以确定（H-G）和（η-G），对本文分析的供热站，

循环水泵配置电机功率为75kW，流量、扬程及效率见表1：
      将表中表中数据代入（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）
      将（6）、（7）代入（5）即可得到（Ne-G）。

4 确定虚拟工作点
      由（2）、（5）、（6）与（7）及工作点H=h的关系建立方程组：
      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方程组Ⅰ       
      通过对方程组Ⅰ求解可以得出虚拟工作点的流量、扬程、效率与轴功率四个参数，也可以通过作图法求得，在这里用直观的作图法求解（本文热水密度均按1000kg/m3考虑）。
      一台泵运行虚拟工作点为A点（图表1），此点工况参数为（G=553.4m3/h，H=h=34.78mH2O，η=74.11%，Ne=72.15kW）。
      依照曲线叠加原理，可以得出二泵并联运行曲线（图表2）：
      二台泵并联运行虚拟工作点为B点，Ne-G为按2台泵均衡出力时单台泵的额定功率曲线，B点的工况参数为（G=683m3/h，H=h=53mH2O，η=55.53%，Ne=163.1kW）。
      从两个虚拟工作点的工况参数来看，流量、扬程都能满足系统需要，而根据水泵配用电机选用原则，配备75kW电机的水泵最大输出额定功率为69.4kW，两个虚拟工作点的额定功率均超过电机的承载能力，在对泵不控制的情况下，这两个工作点是不可能实现的，所以两个运行方案均需要通过控制阀门开度来确保电机安全运行。

5 最大输出功率时，工作点工况分析
      单泵运行时，将最大输出额定功率69.4kW与方程（6）、（7）代入（5）式，可以求出最大输出流量为412m3/h，即可得出泵输出扬程H=49.21mH2O，管网此时损失为19.26
      mH2O，也就是说，通过阀门节流损失为29.95 mH2O，此时流量及出口压力均不能满足供热需求。
      二台并联运行时，按每台泵的出力完全相同，即都能输出最大功率考虑。将2×69.4kW与方程（6）、（7）代入（5）式，可以求出最大输出流量为531m3/h，即可得出泵输出扬程H=54.60mH2O，管网此时损失为32.01
      mH2O，也就是说，通过阀门节流损失为22.59 mH2O，此时流量及出口压力均能满足供热需求，即二台泵并联通过阀门节流调节后，可以满足供热需求。

蒸汽流量计