分布式变频供热输配系统的应用研究

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

分布式变频供热输配系统的应用研究

　前言
　　供热系统循环水泵传统的设计方法是根据最远、最不利用户选择循环水泵，并设置在热源处，用于克服热源、热网和热用户系统阻力。这种设计思想，从根本上带来了如下难以克服的缺点：
　　1、在供热系统的近端(靠近热源处)热用户，形成了过多的资用压头。为了满足近端热用户循环流量，必须设置流量调节阀，将多余的资用压头消耗掉，这种无谓的节流损失是循环水泵设计方法本身造成的。
　　2、极易形成冷热不均现象。由于近端热用户出现过多的资用压头，在没有很好的调节手段的情况下，近端热用户流量超标，是很难避免的；这种近端流量超标，必然又带来远端流量不足，形成供热系统冷热不均现象。
　　3、为落后的大流量运行方式提供了平台。在出现冷热不均现象的同时，从水力工况的角度考虑，必然形成喇叭形的水压图，也就是系统的末端出现供回水压差过小即热用户资用压头不足的现象。在这种情况下，为提高供热效果，增加末端热用户的资用压头，往往采用加大循环水泵和(或)末端增设加压泵的作法，从而使供热系统循环流量的超标，进而形成大流量小温差运行方式。
　　4、造成了供热系统能效水平的低下。我国目前供热系统能效在30％左右，远低于国外先进国家。供热系统能效高低，取决于二方面因素：一是无效供热量的多少，无效供热量包括锅炉热损失、外网热损失和系统冷热不均引起的无效热量；二是管网热媒输送中的无效电能的数量。其中冷热不均的无效热量和热媒输送过程的无效电能都与循环水泵的设计方法不合理有直接关系。根据统计计算，冷热不均产生的无效热量约占系统总供热量的30～40％。输送管网的无效电耗约占30～60％，可见采用正确的系统循环水泵设计思路，具有很大的节能潜力。
　　国家明确提出，今后国家建设，要遵循全面、协调和可持续发展的方针与时俱进，目前能源建设是制约国家经济发展的重要方面，因此，节能工作已被提到了空前的高度。在这种形势下，我们从学术角度探讨供热系统循环水泵更加科学、先进的设计思想，不但对于技术更新具有重要意义，而且对于节约能源也会有很大的促进作用。
　　1　传统设计与理想设计——分布式变频设计方法比较
　　通过上述分析，供热系统循环水泵正确的设计思想应该是尽量减少热媒输送过程中的无效电耗。那么，如何减少管网输送的无效电耗呢?首先，需要承认：建立各热用户的设计资用压头和克服输送管网的阻力是必须保证的有效电耗。按照有效电耗设计的水压图，称为理想设计水压图。见图1－a所示。而按照传统的设计方法，在热源处设计单泵系统的水压图称为传统设计水压图，见图1－b所示。比较二个水压图，可以明显看出：图上阴影部分为各热用户多余的资用压头，即循环水泵传统设计方法产生的无效电耗。这部分动力，将被各种流量调节阀(如手动平衡阀、自力式平衡阀、压差调节阀)通过节流的方式消耗掉了。热用户多余压头，通过节流的方法加以消耗，就调节流量、消除冷热不均来说，是有效调节，行业内的专家们过去曾花费很大精力，进行了这方面的研究，是功不可没的，今后也不可能完全取消必要的节流损失。但从循环水泵更加科学的设计思想的探讨过程来说，热用户多余资用压头，确实变成了无效电耗，这是循环水泵传统设计方法不经济的主要问题所在。
　　热用户多余资用压头的产生，又是因为只有热源处设计单泵系统造成的，这一结论，通过无效电耗的实际计算看得更加明显。无效电耗可以通过电学的特兰根定律(公式(1))进行计算：
N=∑GiΔHi(1)
式中N——循环水泵的功率；
　　Gi——供热系统各管段的流量；
　　ΔHi——供热系统各管段的阻力损失。
　　根据特兰根定律，对图1两种水压图下的循环水泵进行功率N计算，(各管段的流量、压降都是已知的设计值)，则公式(2)中的NW即为系统的无效电耗，其中Na、Nb分别为这二种设计方法下的循环泵电功率。从计算过程可以了解到：
NW=Nb－Na(2)
　　二种方案下，各对应管段的流量都相等，各外网对应管段的压降也相等，那么Nb(传统设计方案)大于Na(理想设计方案)的主要原因是传统设计方案的各热用户(除最末端热用户)存在多余的资用压头。进一步考察这二种设计方案的主要区别：传统设计方案只在热源处设置单泵系统，而理想设计方案，则是除了在热源处设置扬程较小的循环水泵外，还要在外网沿途设置多个加压循环泵。由于多个沿途加压循环泵，采用“接力棒”的办法，共同实现了热媒的输送工作，虽然各外网管段的压降与传统方案对应管段的压降相等，但这二个方案提供的功率却是不同的。传统方案因为循环水泵设置在热源处，所提供的动力是在总循环流量(即最大流量)下实现的，而理想设计方案，热源处的循环泵在总流量下，只提供部分动力(扬程)，其他动力(扬程)是在沿途加压循环泵的分流量下实现的。因此，理想设计方案循环水泵的输送功率小于传统设计方案循环水泵的输送功率就很容易理解了。虽然前者，采用了较多的水泵，但各个加压循环泵的总功率却减少了，这就是理想设计方案的优势。
　　2　多种分布式变频系统
　　按照上述设计思路，拟定了6种理想的分布式变频设计方案，与传统方案进行比较。
　　2.1　设计模型
　　为方便起见，将供热系统设计为10热用户(或10个热力站)，供回水设计温度85/70℃，各热用户设计流量均为30t/h，热用户资用压头10mH2O，供回水管道总长度7692.3m，设计比摩阻60Pa/m，局部阻力系数为30％。各热用户之间的外网供、回水干管长度各为384.62m。热源所在管段的压力损失为10mH2O，水泵效率按70％选取。对于传统设计方案，循环水泵扬程为80mH2O，循环流量为300t/h。
　　2.2　六种分布式变频系统设计方案
　　所拟定的6种循环水泵理想设计方案为：
　　方案1，沿途供、回水加压泵与主循环泵配套；
　　方案2，沿途供水加压泵与主循环泵配套；
　　方案3，沿途供、回水加压泵、热用户变频加压泵与主循环泵配套；
　　方案4，只有热用户加压泵；
　　方案5，沿途加压泵，热用户混水加压泵与主循环泵配套；
　　方案6，利用均压箱、热用户混水加压泵与主循环泵配套；
　　注：方案0，为传统设计方案，即在热源处设置单泵主循环泵。
　　根据特兰根定律，应用供热系统水力工况分析软件HFS，对上述设计模型进行模拟计算和可及性分析。首先，根据用户和管网所需，确定各水泵的设计流量和设计扬程，进而模拟计算各方案中各管段的运行流量和实际压降，最后计算出各方案的循环水泵的总功率进行比较。计算结果表明：得出的计算结果恰好满足用户和管网的需求，且没有无效能耗。由于文章篇幅所限，各方案各管段的流量、压力数据未一一列出，只列出了根据这些数据绘制出的水压图和各方案循环水泵的总功率即总电耗。
　　方案1　沿途供回水变频加压泵与主循环泵配套；其系统图如图2所示。
　　21台水泵：分别在1，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31管段上设置。对应的扬程为：10mH2O，13mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O。其水压图如图3所示。
　　方案2　沿途外网供水变频加压泵与主循环泵配套；其系统图如图4所示。
　　11台水泵：分别在1，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21管段上设置。对应的扬程为：10mH2O，16mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O。其水压图如图5所示。
　　方案3　沿途加压泵(变频)热用户变频加压泵与主循环泵配套；其系统图如图6所示。
　　31台水泵：分别在1，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11管段上设置。对应的扬程为：10mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，10mH2O，10mH2O，10mH2O，10mH2O，10mH2O，10mH2O，10mH2O，10mH2O，10mH2O，10mH2O。其水压图如图7所示。
　　方案4　只有热用户加压泵(变频)；其系统图如图8所示。
　　10台水泵：分别在2，3，4，5，6，7，8，9，10，11管段上设置。对应的扬程为：26mH2O，32mH2O，38mH2O，44mH2O，50mH2O，56mH2O，62mH2O，68mH2O，74mH2O，80mH2O。其水压图如图9所示。
　　方案5　沿途加压泵、热用户混水泵与主循环泵配套；其系统图如图10所示。
　　31台变频泵：分别在1，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39，40，41管段上安装。扬程分别为：13.6mH2O，1.116mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，1.08mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O。其水压图如图11所示。
　　方案6　沿途变频加压泵、热用户混水加压(带均压箱)与主循环泵配套；其系统图如图12所示。
　　注：42～51管段为均压罐
　　31台变频泵，分别为为1，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39，40，41管段上安装。扬程分别为：10 mH2O，3.15mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O，10.05mH2O。
　　方案6理想设计水压图与方案3相同。
2.3　能耗分析
　　通过上述的模拟计算，将节电数据列表如下，并可得出如下结论：
　　1.方案1～4，无论何种加压方式，只要按需提供了热源、外网的所需压头和热用户的资用压头，而没有剩余压头，那么，这四种方案的总耗电功率皆为61.90kw，与传统循环水泵设计方案即方案0比较，其总耗电功率由93.43kw减少到31.53kw，即循环水泵的装机功率节约了33.75％。即使采用本文未讨论的任何一种方案，只要满足上述条件，都可达到同样的目的。
　　2.方案5为更优方案。方案5，与方案1～4相比，所不同的是进行了混水降温，即热源供回水设计温度为95/70℃，热用户供回水设计温度为85/70℃(混水系数2/3)，此时总耗电功率只有22.57kw，与传统方案比较，耗电总功率减少了70.86kw，即节电75.84％，这种方案，之所以更加突出，其主要原因是降低了外网循环流量，进而减少了热源、外网的输送压头，从而降低了多级循环泵系统的电机功率。方案5属于直供系统。对于间接连接的供热系统(即间供系统)，其一次网的供回水设计温差，通常比二次网的供回水设计温差大，其效果类似直供系统的方案5，节电同样明显。对于间供系统，沿途加压泵可不考虑提供热力站的资用压头，而由热力站中一次网的加压泵承担，此时，可取消热力站上一次网的电动调节阀，改由热力站一次网上的加压泵进行变频调速，从而实现二次网供热量的调节。采用这种方案，可减少沿途加压泵因提供热用户资用压头增加的能耗，又被电动调节阀无谓消耗。
　　3.根据方案4，从理论上讲，热源处可以不设循环泵，完全由外网加压泵(循环泵)和热用户加压泵(循环泵)代替。供热系统的热媒输送由原来的“推”变成“抽”。但这种输送方案，从工程实际考虑，难以实现，因为这样做，热源失去了对供热系统的基本控制手段，不利于系统的安全运行。
　　4.方案6看上去很象方案5——用户混水加压泵的形式，但二者之间既有区别，又有联系。
　　区别在于：方案5采用的是主网与用户不同温差的运行方式，而方案6只是通过均压罐来实现更好的运行与管理。这种均压罐形式在我国的供热系统中很少见，但是，对于实现一、二次网的独立运行却起着很好的作用。甚至对于如今正在深入探讨的计量收费的系统形式，也有很好的借鉴作用。
　　关于这种形式的能耗分析，在水泵开启时，等同于前面提到的主循环泵＋沿途加压泵＋用户变频泵，在此不再赘述。停泵后，只是一种一、二次网分离状态，脱离用户的系统状态在此不作能耗分析。
　　然而二者之间又存在某种相似性。建议通过研究以及系统合理的设计，可以把均压罐作为混水器，用户加压泵作为混水泵，同样可实现方案5中提到的节能效果。
　　5.任何一种理想设计方案都是靠多泵系统实现的，无论从设计还是从运行上考虑，其流量和扬程都必须精确计算和控制，否则供热系统的理想工况即理想水压图难以实现。为此，各种形式的循环泵必须设计为变频调速泵，这种供热系统形式一般称为分布式变频泵系统。
　　4　实践工程中的推广
　　1.根据先易后难的原则逐渐推广。过去传统的循环水泵设计思想是在热源处设置一个大循环泵，肩负热源、热网和热用户三种循环泵的功能。现在，先进的设计思想，是将循环水泵这三种功能进行分离，变为热源循环泵，热网循环泵和热用户循环泵。第一步可先采用双泵系统，即把热源循环泵单独分离出来，而让热网循环泵兼管热用户循环泵的功能。第二步，再将热网循环泵与热用户循环泵分离，其原则是尽量少设置沿途热循环泵，多在热力站设置热网循环泵和热用户循环泵，具体的工程设计，要经过技术经济比较来确定。一般沿途循环泵(加压泵)要比在热力站设置循环泵需要较多的投资，但有一点是明确的：当各种循环泵采用分布式变频泵系统时，不但循环泵的装机电功率明显减少，而且变流量的运行电耗又可节电50％，因此，增加的初投资可以在几年内回收。
　　2.贯彻全面、协调、可持续发展的观点。在推广循环水泵先进设计方法的过程中，可能会碰到局部利益的考虑，比如虽然传统设计方法电耗大，但这部分电耗量是由热电厂承担的，而且算在电厂用电的范围里，相对费用便宜；而新的设计方案，虽然节电，但耗电费用却从电厂转嫁给了热力公司，可能会影响热力公司推广的积极性。这种事实是存在的。但社会发展到现在阶段，将逐步由“循环经济”代替传统的“线性经济”，追求是资源利用的最大化和污染排放的最小化，甚至让废弃的排放物重新变为有用的再生资源。因此，任何一个生产、消费环节都是经济运行中的不可或缺的循环链。如果有了这种全面、协调和可持续发展的观点，那么各部分之间的经济利益的均摊方法是不难找到的。
　　3.提倡创新精神。一个先进技术的推广，往往会遇到许多阻力：设计部门习惯“不熟悉的技术不用”；运行管理部门即甲方，又坚持“没有业绩的标书不选”。如果社会上都遵循这样的理念，那么任何一个先进技术只能“胎死腹中”。创新精神和先进技术是一对孪生兄弟，只有敢干创新的人，才能拥有先进技术。当然，这种创新，不是蛮干，要经过理性思考和判断；而只有掌握科学知识的人，才能进行理性思考和判断。