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    分布式供热输配系统理论解析与应用

    • 作者:
    • 中国暖通空调网
    • 发布时间:
    • 2021-03-17

    北京建筑大学  李德英
    自由博创公司  杨松

           【摘  要】随着集中供热系统不断扩容,热源布局和管网系统水力工况变得更加复杂,所以管网水力平衡调节技术要求也越来越高,从而使得分布式输配变频调节替代调节阀调节技术应运而生。分布式输配变频调节技术增强了系统的可调节性,且具有很大的节能潜力。本文针对供热输配系统进行理论分析,旨在就智能化为主导的现代供热系统中,使分布式变频供热输配系统能够在设计和运行中应用更为广泛、更加有效。通过理论分析计算,分布式变频技术的应用与集中设计方法相比,会带来很好的节能效应,逐步凸显其优势。当今热网水力计算软件智能化水平越来越高,对不同的分布式变频系统进行模拟计算与可及性分析,可得到供热系统最优输配设计数据,进而可以提高系统的输送能效。

           【关键词】分布式输配系统,变流量分配,以泵代阀,能效提升,动态调节

    1 前言

           所谓分布式变频系统就是分级泵变流量输配系统,其主要特点就是通过合理匹配分级泵,调节水泵电机频率改变其流量,以替代调节阀调节流量,从而起到了“以泵代阀”的作用。其一增强了供热系统流量的可调性,可有效的解决系统水力失调现象,进而减少因热力失调导致过度供热的热损失;其二可以减少调节阀的节流电耗损失[1]

           从设计角度看,分布式变频输配系统和集中输配系统相比较,无论多级循环水泵如何布置,无论管网零压差点的位置如何控制,二者管网系统的流量分配是完全一样的。根据特勒根功率定理进行理论分析,两种输配方式相比较,管网系统流量输配所消耗的能量也是完全相同的。但是集中输配系统采用调节阀对近端用户节流,必然要消耗能量,所以也会额外增加循环水泵的功率。

           从水力工况看,二者的区别只是分布式变频输配系统比集中输配系统减少了调节阀节流的能耗损失。所以,在理论上讲,前者循环水泵输配电耗可减少20%-30%[2,3]。然而在实际工程应用中,有的分布式变频输配系统节能效果并不明显,有时候其输配电耗比集中输配系统还要高,自然引起质疑,问题何在?

           通过实际调查发现,大多数工程设计和管理技术人员忽略了一个重要问题,那就是在循环水泵设计选配时没有校核水泵可能达到的运行效率,运行管理使用者也没有进行水泵效率现场监测。所以大多数供热系统普遍存在水泵匹配远大于实际需要的功率,甚至误以为“多多益善”,结果就造成了系统大流量和循环水泵低效率运行。现就此问题在下文进行解读。

    2 特勒根定理在供热输配系统中的应用

           2.1 特勒根定理的物理意义

           特勒根定理是电路网络中研究分析的重要理论之一,由荷兰电气工程师伯纳德·特勒根(Bernard D. H. Tellegen,1900.6.24-1990.8.30)在1952年提出 。由特勒根定理可以得到电路网络理论中大多数能量分布定理和极值定理。而特勒根定理给出了遵守基尔霍夫电路定理的电路之间的一个约束关系,即任一给定参数的电路网络系统中,其各支路的电功率之和为零(ΣIk*Vk=0)。也就是说,在给定的电网络中,电源提供的电功率等于各支路消耗的电功率之和[4]。即

           No=ΣIi*ΔVi            W         (1)

           式中 No—特勒根定理中电源提供的总功率,W;

           Ii—供电系统各支路的电流,A;

           ΔVi—供电系统各支路的电压降,V。

           特勒根定理适用于许多电路网络,只要该网络满足总电流守恒(基尔霍夫电流定律(KCL)),且所有闭合回路电压代数和为零(基尔霍夫电压定律(KVL))。特勒根定理在分析电路和与电路相类似的复杂网络(如神经系统、管道网络与化工过程网络等)中是一种非常有效的工具。然而,在供热系统中,管网系统作为流体网络,其拓朴结构和电路网络的模式基本规律是相同的,其流量输配所消耗的功率是相似的。可见,特勒根定理完全可以应用于供热管网流体输配能耗分析计算中。

           2.2 分布式输配系统在一次网的应用

           如上所述,电路网络系统的特勒根定理适用于流体网络系统,即在供热系统流体输配网络中,任何管网所消耗的功率,必然等于各管段流量与压力降的乘积。即

           Nf=a×ΣGiΔHi  W   (2)

           式中 Nf—管网流量输配所消耗的总功率,W;

           a—单位换算系数,取2.73;

           Gi—供热系统各管段的流量,t/h;

           ΔHi—供热系统各管段的阻力损失,mH2O。

           分布式输配系统在一次管网中应用比较多,且容易实施。无论供热系统有多少循环水泵,也不管该系统由多少管段组成,如果管网流量和阻力特性一定,则管网系统所消耗的总功率必然与该系统各管段所消耗功率之和相等。对于这一基本规律,不论循环水泵是集中设置,还是分布式输配系统都适用。所不同的是二者的循环水泵消耗的功率不同,即使所有水泵实际工作效率都一样,集中输配系统还要增加调节阀调节时节流的能耗损失。该能耗损失大小决定于管网系统的比摩阻及其主干线与支干线阻力的相关关系,即主干线各管段的比摩阻、长度增大而该能耗损失增大。所以对于主干线比摩阻较大或管线较长的集中供热系统, 设计采用分布式输配变频技术或对既有系统改造后节电效果更加明显 [5]

           2.3 分布式输配系统能效评价

           供热管网采用分布式输配系统实际运行输送能效应该通过耗电输热比进行评价,即在供热期间,系统的循环水泵全部耗电量与总供热量的比例关系, 或称之为单位供热的耗电量。据不完全统计,大多数供热系统一次管网的耗电输热比为0.01-0.015,二次管网的的耗电输热比为0.015-0.02,长输管线的耗电输热比为0.02-0.03。

    3 分布式输配系统在二次网的应用

           3.1 二次网输配系统的特点

           目前,分布式变频输配供热系统多在一级网系统应用。在二级管网系统中,大多数采用集中输送方式,即各用户加装各类调节阀调节流量。这种集中设计方法是根据二次网系统的最大流量和最不利用户选择循环水泵,用于克服热源(换热站)、热网和热用户的系统阻力。这种传统的设计思想,客观上存在难以克服的问题:

           1、在供热系统的近端(靠近热源处)的热用户,自然会形成了过多的资用压头。所以必须设置流量调节阀,将多余的资用压头消耗掉。这种“无谓”的节流所产生的能量损失是集中输配系统设计方法不可避免的问题。

           2、从水力工况的角度考虑,系统末端易会出现资用压头不足现象,造成系统热用户流量近大远小、出现室温冷热冷热不均的现象。为满足末端用户的供热效果,必须增加末端热用户的资用压头,工程设计或运行管理者往往采用加大热源循环水泵的方式来解决,结果管网系统就会形成大流量小温差的运行状态。从而增加了二次网系统的输配能耗,同时也增大了近端热用户的过度供热,降低了供热系统能效水平。

           然而,考量一个供热系统能效的高与低主要取决二方面因素:一是无效供热量的多少;二是管网热媒输送中无效电能消耗量的多少。其中冷热不均的无效热量和热媒输送过程中的无效电量消耗与循环水泵的设计方法选择、是否与系统合理匹配非常重要。

           3.2 分布式输配技术在二次管网系统中如何应用

           在实际供热工程中,二级管网系统的输配调节比较复杂,且调节条件差,调节难度也大。所以二次网系统的水力平衡及流量是否合理分配却成了影响供热系统全网水力工况的关键环节。很显然,分布式输配系统在技术上的先进性,还没有在二级网和热用户系统上得到充分的应用。

           供热系统循环水泵正确的设计思想是尽量减少热媒输送过程中的无效电耗,提供保证各热用户所需的资用压头,克服管网输配的阻力所必须的有效电耗。而集中设计方法必然产生无效电耗,即热用户多余的资用压头被各种流量调节阀以节流的方式消耗掉。就调节流量、消除冷热不均现象来说是有效调节,似乎也不可能完全取消必要节流的无效电耗,这就是集中输配设计方法不可避免的问题所在。

           而热用户多余资用压头的产生,是因为只在热源处设计单一水泵系统造成的结果,通过管网系统无效电耗的理论计算会一目了然。无效电耗可以利用电路网络中的特勒根定理计算流体管网输配所消耗的功率。这样可为分布式变频系统多级水泵的选择提供了理论依据。

           可见,供热系统实现全网分布式输配供热,还需要不断完善二次管网系统的监控计量条件,利用先进的通讯技术,推进二次管网分布式输配系统的智能调节水力平衡技术的推广与应用,提高供热全网系统的运行管理水平,逐步实现量化、精细化的高效运行模式。

    4 分布式变频循环水泵的选择

           4.1 分布式变频循环水泵的耗功率计算

           分布式变频系统循环水泵的设计选择首先要算考虑管网系统所消耗的功率(理论值),即根据管网系统的水力计算,得到各管段流量(Gi)与压力降(Hi,即阻力)的乘积之和;再根据计算得到的总流量(Gz)和总阻力(Hz),以及循环水泵可能达到的效率计算循环水泵的总功率。根据特勒根定理,可按如下公式计算: 

           N=∑(Nii)= 2.73*Nf/η                    W         (3)

           或 N=∑(Nii)=2.73*Gz*Hz/η           W        (4)

           Ni= 2.73*∑(Nfii)                        W        (5)

           式中  N—供热系统循环水泵的总功率,W;

           Ni—供热系统各级循环水泵的功率,W;

           Nf—管网流量输配所消耗的总功率,W;

           Nfi—各级管网流量输配所消耗的功率,W;

           Hz—供热系统总阻力,mH2O;

           Gz—供热系统总流量,t/h;

           η—各级循环水泵的平均效率,%;

           ηi—各级循环水泵的效率,%。

           集中设计方法只在热源处设置循环水泵,而分布式变频设计方法(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。由多个沿途加压循环泵采用“接力”方式,各级水泵共同实现热媒的输送目的。虽然系统管网各管段的压力降与建筑设计方法压力降相等,但二者要求循环水泵提供的功率却不尽相同。因为集中设计方法循环水泵设置在热源处,所提供的动力(扬程)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)是在沿途接力循环泵的分流量下实现的,流体输配全过程没有调节阀节流损失。因此,理想设计方案循环水泵的输送功率必然小于集中设计循环水泵的输送功率,这就是分布式变频输配设计方案的独特优势。

           4.2 分布式变频循环水泵的选择原则

           在分布式变频设计选择循环水泵时,应符合下列规定[6]: 

           1)因为热源循环水泵的特点是大流量小扬程,所以确定流量时应直接采用管网系统总流量即可,一般不必加富裕量;扬程应根据系统水压图实际值选择。选定水泵后必须绘制水泵—管网特性曲线(多台水泵并联运行必须绘制综合特性曲线),确定其工作点否在高效区(70%-80%),否则应该更换其它型号的水泵。如图1所示。

           2)多级循环水泵(接力泵)的特点是小流量大扬程(末端水泵扬程最大),选择水泵时必须绘制水泵—管网特性曲线,确认每台水泵在高效区工作。

           3)选择水泵流量—扬程特性曲线时,热源处循环水泵在水泵工作点附近应比较平缓,以便在管网水力工况发生变化时,循环水泵的扬程变化较小,可使管网系统压力波动范围小。

           4)循环水泵的承压、耐温能力应与热网的设计参数相适应。多级循环水泵一般应安装在热网回水管上(降压作用),水泵允许的工作温度一般不应低于80℃。如有必要安装在热网供水管上(加压作用),则必须采用可耐供水温度的热水循环水泵。

           5)所有循环水泵都应采用变频调速,且在频率改变时,水泵的工作点也应在水泵高效工作范围内。

           6)分布式变频设计选择循环水泵有条件时,应采用水泵设计选择软件。 

           4.3 循环水泵的效率计算

           供热系统运行过程中,循环水泵的实际效率是一个关键指标,对于供热系统节能运行非常重要,特别是分级泵系统更是如此。然而循环水泵的运行效率看不见也摸不着,管理者似乎也不太关心。就离心水泵的效率名牌效率看,一般在70-80%之间。但在实际运行过程中,大部分供热系统水泵效率普遍为50-60%,甚至更低30-40%,因此造成输配电能的极大浪费。循环水泵运行效率如此低的主要原因是设计选择的水泵与系统不匹配,造成水泵实际工况点偏离了高效区。

           一般来说,工程设计人员在设计选择水泵时,应该根据水泵性能曲线和管网系统特性曲线进行绘图验证,校核水泵的性能曲线工作点是否在高效区工作。如果多台水泵并联运行时更应该核实水泵的工作效率,如图1所示。


    图1 两台水泵并联运行时的效率分析

           在供热系统运行过程中,大多数循环水泵的实际效率无从知晓。所以应该通过现场测试水泵的流量、扬程和轴功率,再进行计算分析才可以做出判定。但是现场测试水泵性能参数比较困难:(1)水泵轴功率在现场没办法测试,只好通过测试电功率来替代水泵轴功率。(2)测试水泵的扬程要求测压表高度相等,测压点(即压力表导压孔)管道流体的流速和流态相同(即等高、等速、等流态)。如果测压点管径不同,流体流速不相等,则必须利用伯努利能量方程进行动压/静压能量转换计算;测量水泵流量要求流量计前后有一定长度的直管段(Lq≧7D,Lh≧5D),保证流态均匀稳定。
    循环水泵的运行效率计算方法见下式:

               (6)

           式中η —水泵效率,%;

           G—循环流量,t/h; 

           H—循环水泵的扬程,mH20;

           N—循环水泵的轴功率(现场测试用轴功率替代),W。

           通过循环水泵现场效率测试情况来判定水泵工作状态,如果效率太低(如η<50%)就说明水泵和系统不匹配,应该及时更换。有一点需要特别注意,改变水泵电机频率不会提高水泵的效率,相反可能会降低其工作效率。所以分布式变频系统一定要校核所有的变频水泵的实际效率,这一点对提高系统能效,节约输送能耗至关重要。

    5 分布式变频系统运行调控方法

           分布变频系统运行控制是动态调控过程,是根据负荷变化各个循环水泵需要联动或同步调节管网系统的流量,总流量随负荷改变时,各分级泵流量至少是等比例变化方可满足用户随气候变化的热力需求。而目前大多数分布式变频供热系统运行调节依据不明确。针对上述问题作如下解读,并提出相应调控方法。

           5.1 供热系统运行存在“变频定流量”现象

           目前大多数供热系统采用分布式输配变频技术,主要承担了最大流量分配的初调节问题。实际上变频系统的可调节性主要解决了循环水泵与系统的匹配和流量分配问题,在实际运行过程中基本保持定频定流量运行。即使采用动态变频调节,调控依据也不明确。有的系统甚至采用所谓“压差控制法”,即根据管网某一位置的压差变化来改变频率。如此调控方法基本失去了分布式输配变频节能的优势。

           其实供热系统采用分布式输配变频技术最有效的调控方法应该是根据系统供热负荷进行比例同步调节各分级水泵电机的频率即可,或采用“等温差调节法”也非常有效。

           5.2 循环水泵运行效率问题

           供热系统所有循环水泵的运行效率应该进行现场测试,如果实测效率太低就应该及时更换。而大部分技术管理人员只是听水泵的声音,仅此而已。结果造成大部分循环水泵低效率运行,浪费严重。

           5.3 供热管理不执行量化管理按需供热量

           大多数供热系统的供热量根据热源的供水温度进行调节,也就是说把供水温度当热量用,很少采用按需供热量调节方式。结果使得分布式变频系统的作用没有得到充分发挥,节能效果并不明显,甚至有的分布变频系统输配能耗比集中输配系统还要高。

           供热系统最有效的供热调节方法应该根据气象条件采用热量总量调节实行“热量调节法”,实现逐日动态调节供热量以满足热用户的需求。

           在采用分布式变频循环水泵的设计方法过程中,应该贯彻全面、协调、可持续发展的理念。在绿色、低碳、节能、高效的供热智能化大环境下,尤其是热网系统长输管线技术的推广,分布式变频系统对管网系统水力工况动态调节,以及智能化供热的实现,具有不可替代的优势。可以预见,在未来的供热行业发展中,可以更好的利用分布式变频技术进一步提升能效,实行精细化管理、按需供热、精确控制,从而使供热系统真正实现智慧供热、高效运行。

    6 分布式变频技术工程应用

           近几年来,分布式变频输配技术在实际过程中应用广泛,节能效果比较显著。现在通过若干工程案例进行分析如下:

           案例1:山东烟台某热力公司,2010年供面积80万m2,非节能建筑约占90%。系统由热电厂供70座换热站给热用户供热。主干管网DN700,供热半径5km。系统水力失调、冷热不均严重,供暖季供热0.49 GJ/m2.a,耗电3.68 kWh/m2.a,其耗电输热比为0.027,且失水量大。2011年进行分布式变频输配技术改造,供暖面积为100万m2,首站只保留一台水泵,各换热站改为分布式混水站,全网统一调度,各站自动调平衡解决冷热不均。输配水泵总装机功率减少了40%,各站实现自主精细化调控,电耗1.2 kWh/m2.a,节电69%;热耗指标降到0.43 GJ/m2.a,节约12.2%;该系统的耗电输热比由原来的0.027降为0.01,效果比较明显。

           案例2:山西临汾某热力公司,2017年供热面积710万m2,由电厂供热给97座换热站,且供暖面积增加300多万m2,主干管网DN1200,供热半径20km(属于长输管线)。采用分布式输配方案对一次网进行改造,以分布泵代替原有调节阀,完成流量分配平衡调节,改善了水力热力平衡,水泵装机减少44.4%。各换热站独立可调,一次网耗电量从改造前的2.5kWh/m2.a降至1.3kWh/m2.a,节电48%;供热指标从0.35GJ/m2.a降低到0.31GJ/m2.a,节约热能11.4%。该系统的耗电输热比由原来的0.093降为0.0302,节电效果显著。

    7 结论    

           1)分布式变频输配系统运行调控策略至关重要,合理的调控方法可有效的提升系统输送能效,有利于降低耗电输热比。

           2)分布式变频输配系统对于热用户流量大,系统主管网比摩阻较大的既有集中供热系统, 改造后输送节电效果较明显。而系统输配节电率随着热用户流量增大而增大。

           3)该技术对于既有系统热源内部阻力和热用户资用水头较小的供热系统, 改造后节电效果也比较明显。对于新建的供热系统, 热源可以选择阻力小的设备, 有利于降低系统耗电量。

           4)分布式变频输配系统循环水泵的运行效率是关键,且决定了系统节能效果。设计时应该通过绘制水泵—管网性能曲线进行效率验证;在运行过程中必须对每一台水泵进行效率测试,其效率低于50%应该更换水泵。

           5)采用热量总量调节控制策略,实行“热量调节法”量化管理措施,实现逐日动态调节供热量,以满足热用户的需求。

    参考文献

           [1]王红霞.分布式变频供热输配系统的应用研究,硕士学位论文.北京建筑工程学院.2003.12。
           [2]石兆玉,王红霞,李德英。供热系统循环水泵传统设计思想亟待更新。2004年全供热技术研讨会论文集。
           [3]王红霞,石兆玉,李德英。分布式变频供热输配系统的应用研究[J]区域供热.2005(1)。
           [4]Tellegen's Theorem and Electrical Networks by Paul Penfield, Jr., Robert Spence, and Simon Duinker, The MIT Press, Cambridge, MA, 1970。
           [5]李鹏,方修睦。多级循环泵供热系统节能分析[J]煤气与热力,2008,28(10)。
           [6]李德英主编。供热工程(第二版)[M]中国建筑工业出版社,北京,2018.7。
           [7]狄洪发, 袁涛。分布式变频调节系统在供热中的节能分析[J]暖通空调,2003,32(2)。
           [8]秦冰, 秦绪忠, 谢励人。分布式变频泵供热系统的运行调节方式[J]煤气与热力,2007,27(2)。
           [9]李姣,吴志湘,吕砚昭。浅析分布式供热输配系统的优越性[J]洁净与空调技术CC&AC,2015.3。
           [10]李德英,孙海霞,张春蕾。分布式变频调节系统的工程应用[J]节能,2011.1。

           备注:本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期(第22届全国暖通空调制冷学术年会文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。

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