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分布式供熱輸配系統理論解析與應用

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-03-17

北京建筑大學  李德英
自由博創公司  楊松

       【摘  要】隨著集中供熱系統不斷擴容,熱源布局和管網系統水力工況變得更加復雜,所以管網水力平衡調節技術要求也越來越高,從而使得分布式輸配變頻調節替代調節閥調節技術應運而生。分布式輸配變頻調節技術增強了系統的可調節性,且具有很大的節能潛力。本文針對供熱輸配系統進行理論分析,旨在就智能化為主導的現代供熱系統中,使分布式變頻供熱輸配系統能夠在設計和運行中應用更為廣泛、更加有效。通過理論分析計算,分布式變頻技術的應用與集中設計方法相比,會帶來很好的節能效應,逐步凸顯其優勢。當今熱網水力計算軟件智能化水平越來越高,對不同的分布式變頻系統進行模擬計算與可及性分析,可得到供熱系統最優輸配設計數據,進而可以提高系統的輸送能效。

       【關鍵詞】分布式輸配系統,變流量分配,以泵代閥,能效提升,動態調節

1 前言

       所謂分布式變頻系統就是分級泵變流量輸配系統,其主要特點就是通過合理匹配分級泵,調節水泵電機頻率改變其流量,以替代調節閥調節流量,從而起到了“以泵代閥”的作用。其一增強了供熱系統流量的可調性,可有效的解決系統水力失調現象,進而減少因熱力失調導致過度供熱的熱損失;其二可以減少調節閥的節流電耗損失[1]。

       從設計角度看,分布式變頻輸配系統和集中輸配系統相比較,無論多級循環水泵如何布置,無論管網零壓差點的位置如何控制,二者管網系統的流量分配是完全一樣的。根據特勒根功率定理進行理論分析,兩種輸配方式相比較,管網系統流量輸配所消耗的能量也是完全相同的。但是集中輸配系統采用調節閥對近端用戶節流,必然要消耗能量,所以也會額外增加循環水泵的功率。

       從水力工況看,二者的區別只是分布式變頻輸配系統比集中輸配系統減少了調節閥節流的能耗損失。所以,在理論上講,前者循環水泵輸配電耗可減少20%-30%[2,3]。然而在實際工程應用中,有的分布式變頻輸配系統節能效果并不明顯,有時候其輸配電耗比集中輸配系統還要高,自然引起質疑,問題何在?

       通過實際調查發現,大多數工程設計和管理技術人員忽略了一個重要問題,那就是在循環水泵設計選配時沒有校核水泵可能達到的運行效率,運行管理使用者也沒有進行水泵效率現場監測。所以大多數供熱系統普遍存在水泵匹配遠大于實際需要的功率,甚至誤以為“多多益善”,結果就造成了系統大流量和循環水泵低效率運行?,F就此問題在下文進行解讀。

2 特勒根定理在供熱輸配系統中的應用

       2.1 特勒根定理的物理意義

       特勒根定理是電路網絡中研究分析的重要理論之一,由荷蘭電氣工程師伯納德·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電路網絡理論中大多數能量分布定理和極值定理。而特勒根定理給出了遵守基爾霍夫電路定理的電路之間的一個約束關系,即任一給定參數的電路網絡系統中,其各支路的電功率之和為零(ΣIk*Vk=0)。也就是說,在給定的電網絡中,電源提供的電功率等于各支路消耗的電功率之和[4]。即

       No=ΣIi*ΔVi            W         (1)

       式中 No—特勒根定理中電源提供的總功率,W;

       Ii—供電系統各支路的電流,A;

       ΔVi—供電系統各支路的電壓降,V。

       特勒根定理適用于許多電路網絡,只要該網絡滿足總電流守恒(基爾霍夫電流定律(KCL)),且所有閉合回路電壓代數和為零(基爾霍夫電壓定律(KVL))。特勒根定理在分析電路和與電路相類似的復雜網絡(如神經系統、管道網絡與化工過程網絡等)中是一種非常有效的工具。然而,在供熱系統中,管網系統作為流體網絡,其拓樸結構和電路網絡的模式基本規律是相同的,其流量輸配所消耗的功率是相似的??梢?,特勒根定理完全可以應用于供熱管網流體輸配能耗分析計算中。

       2.2 分布式輸配系統在一次網的應用

       如上所述,電路網絡系統的特勒根定理適用于流體網絡系統,即在供熱系統流體輸配網絡中,任何管網所消耗的功率,必然等于各管段流量與壓力降的乘積。即

       Nf=a×ΣGiΔHi  W   (2)

       式中 Nf—管網流量輸配所消耗的總功率,W;

       a—單位換算系數,取2.73;

       Gi—供熱系統各管段的流量,t/h;

       ΔHi—供熱系統各管段的阻力損失,mH2O。

       分布式輸配系統在一次管網中應用比較多,且容易實施。無論供熱系統有多少循環水泵,也不管該系統由多少管段組成,如果管網流量和阻力特性一定,則管網系統所消耗的總功率必然與該系統各管段所消耗功率之和相等。對于這一基本規律,不論循環水泵是集中設置,還是分布式輸配系統都適用。所不同的是二者的循環水泵消耗的功率不同,即使所有水泵實際工作效率都一樣,集中輸配系統還要增加調節閥調節時節流的能耗損失。該能耗損失大小決定于管網系統的比摩阻及其主干線與支干線阻力的相關關系,即主干線各管段的比摩阻、長度增大而該能耗損失增大。所以對于主干線比摩阻較大或管線較長的集中供熱系統, 設計采用分布式輸配變頻技術或對既有系統改造后節電效果更加明顯 [5]。

       2.3 分布式輸配系統能效評價

       供熱管網采用分布式輸配系統實際運行輸送能效應該通過耗電輸熱比進行評價,即在供熱期間,系統的循環水泵全部耗電量與總供熱量的比例關系, 或稱之為單位供熱的耗電量。據不完全統計,大多數供熱系統一次管網的耗電輸熱比為0.01-0.015,二次管網的的耗電輸熱比為0.015-0.02,長輸管線的耗電輸熱比為0.02-0.03。

3 分布式輸配系統在二次網的應用

       3.1 二次網輸配系統的特點

       目前,分布式變頻輸配供熱系統多在一級網系統應用。在二級管網系統中,大多數采用集中輸送方式,即各用戶加裝各類調節閥調節流量。這種集中設計方法是根據二次網系統的最大流量和最不利用戶選擇循環水泵,用于克服熱源(換熱站)、熱網和熱用戶的系統阻力。這種傳統的設計思想,客觀上存在難以克服的問題:

       1、在供熱系統的近端(靠近熱源處)的熱用戶,自然會形成了過多的資用壓頭。所以必須設置流量調節閥,將多余的資用壓頭消耗掉。這種“無謂”的節流所產生的能量損失是集中輸配系統設計方法不可避免的問題。

       2、從水力工況的角度考慮,系統末端易會出現資用壓頭不足現象,造成系統熱用戶流量近大遠小、出現室溫冷熱冷熱不均的現象。為滿足末端用戶的供熱效果,必須增加末端熱用戶的資用壓頭,工程設計或運行管理者往往采用加大熱源循環水泵的方式來解決,結果管網系統就會形成大流量小溫差的運行狀態。從而增加了二次網系統的輸配能耗,同時也增大了近端熱用戶的過度供熱,降低了供熱系統能效水平。

       然而,考量一個供熱系統能效的高與低主要取決二方面因素:一是無效供熱量的多少;二是管網熱媒輸送中無效電能消耗量的多少。其中冷熱不均的無效熱量和熱媒輸送過程中的無效電量消耗與循環水泵的設計方法選擇、是否與系統合理匹配非常重要。

       3.2 分布式輸配技術在二次管網系統中如何應用

       在實際供熱工程中,二級管網系統的輸配調節比較復雜,且調節條件差,調節難度也大。所以二次網系統的水力平衡及流量是否合理分配卻成了影響供熱系統全網水力工況的關鍵環節。很顯然,分布式輸配系統在技術上的先進性,還沒有在二級網和熱用戶系統上得到充分的應用。

       供熱系統循環水泵正確的設計思想是盡量減少熱媒輸送過程中的無效電耗,提供保證各熱用戶所需的資用壓頭,克服管網輸配的阻力所必須的有效電耗。而集中設計方法必然產生無效電耗,即熱用戶多余的資用壓頭被各種流量調節閥以節流的方式消耗掉。就調節流量、消除冷熱不均現象來說是有效調節,似乎也不可能完全取消必要節流的無效電耗,這就是集中輸配設計方法不可避免的問題所在。

       而熱用戶多余資用壓頭的產生,是因為只在熱源處設計單一水泵系統造成的結果,通過管網系統無效電耗的理論計算會一目了然。無效電耗可以利用電路網絡中的特勒根定理計算流體管網輸配所消耗的功率。這樣可為分布式變頻系統多級水泵的選擇提供了理論依據。

       可見,供熱系統實現全網分布式輸配供熱,還需要不斷完善二次管網系統的監控計量條件,利用先進的通訊技術,推進二次管網分布式輸配系統的智能調節水力平衡技術的推廣與應用,提高供熱全網系統的運行管理水平,逐步實現量化、精細化的高效運行模式。

4 分布式變頻循環水泵的選擇

       4.1 分布式變頻循環水泵的耗功率計算

       分布式變頻系統循環水泵的設計選擇首先要算考慮管網系統所消耗的功率(理論值),即根據管網系統的水力計算,得到各管段流量(Gi)與壓力降(Hi,即阻力)的乘積之和;再根據計算得到的總流量(Gz)和總阻力(Hz),以及循環水泵可能達到的效率計算循環水泵的總功率。根據特勒根定理,可按如下公式計算: 

       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—供熱系統循環水泵的總功率,W;

       Ni—供熱系統各級循環水泵的功率,W;

       Nf—管網流量輸配所消耗的總功率,W;

       Nfi—各級管網流量輸配所消耗的功率,W;

       Hz—供熱系統總阻力,mH2O;

       Gz—供熱系統總流量,t/h;

       η—各級循環水泵的平均效率,%;

       ηi—各級循環水泵的效率,%。

       集中設計方法只在熱源處設置循環水泵,而分布式變頻設計方法(理想設計方案),則是除了在熱源處設置揚程較小的循環水泵外,還要在外網沿途設置多個加壓循環泵。由多個沿途加壓循環泵采用“接力”方式,各級水泵共同實現熱媒的輸送目的。雖然系統管網各管段的壓力降與建筑設計方法壓力降相等,但二者要求循環水泵提供的功率卻不盡相同。因為集中設計方法循環水泵設置在熱源處,所提供的動力(揚程)是在總循環流量(即最大流量)下實現的。而理想設計方案,熱源處的循環泵在總流量下,只提供部分動力(揚程),其他動力(揚程)是在沿途接力循環泵的分流量下實現的,流體輸配全過程沒有調節閥節流損失。因此,理想設計方案循環水泵的輸送功率必然小于集中設計循環水泵的輸送功率,這就是分布式變頻輸配設計方案的獨特優勢。

       4.2 分布式變頻循環水泵的選擇原則

       在分布式變頻設計選擇循環水泵時,應符合下列規定[6]: 

       1)因為熱源循環水泵的特點是大流量小揚程,所以確定流量時應直接采用管網系統總流量即可,一般不必加富裕量;揚程應根據系統水壓圖實際值選擇。選定水泵后必須繪制水泵—管網特性曲線(多臺水泵并聯運行必須繪制綜合特性曲線),確定其工作點否在高效區(70%-80%),否則應該更換其它型號的水泵。如圖1所示。

       2)多級循環水泵(接力泵)的特點是小流量大揚程(末端水泵揚程最大),選擇水泵時必須繪制水泵—管網特性曲線,確認每臺水泵在高效區工作。

       3)選擇水泵流量—揚程特性曲線時,熱源處循環水泵在水泵工作點附近應比較平緩,以便在管網水力工況發生變化時,循環水泵的揚程變化較小,可使管網系統壓力波動范圍小。

       4)循環水泵的承壓、耐溫能力應與熱網的設計參數相適應。多級循環水泵一般應安裝在熱網回水管上(降壓作用),水泵允許的工作溫度一般不應低于80℃。如有必要安裝在熱網供水管上(加壓作用),則必須采用可耐供水溫度的熱水循環水泵。

       5)所有循環水泵都應采用變頻調速,且在頻率改變時,水泵的工作點也應在水泵高效工作范圍內。

       6)分布式變頻設計選擇循環水泵有條件時,應采用水泵設計選擇軟件。 

       4.3 循環水泵的效率計算

       供熱系統運行過程中,循環水泵的實際效率是一個關鍵指標,對于供熱系統節能運行非常重要,特別是分級泵系統更是如此。然而循環水泵的運行效率看不見也摸不著,管理者似乎也不太關心。就離心水泵的效率名牌效率看,一般在70-80%之間。但在實際運行過程中,大部分供熱系統水泵效率普遍為50-60%,甚至更低30-40%,因此造成輸配電能的極大浪費。循環水泵運行效率如此低的主要原因是設計選擇的水泵與系統不匹配,造成水泵實際工況點偏離了高效區。

       一般來說,工程設計人員在設計選擇水泵時,應該根據水泵性能曲線和管網系統特性曲線進行繪圖驗證,校核水泵的性能曲線工作點是否在高效區工作。如果多臺水泵并聯運行時更應該核實水泵的工作效率,如圖1所示。


圖1 兩臺水泵并聯運行時的效率分析

       在供熱系統運行過程中,大多數循環水泵的實際效率無從知曉。所以應該通過現場測試水泵的流量、揚程和軸功率,再進行計算分析才可以做出判定。但是現場測試水泵性能參數比較困難:(1)水泵軸功率在現場沒辦法測試,只好通過測試電功率來替代水泵軸功率。(2)測試水泵的揚程要求測壓表高度相等,測壓點(即壓力表導壓孔)管道流體的流速和流態相同(即等高、等速、等流態)。如果測壓點管徑不同,流體流速不相等,則必須利用伯努利能量方程進行動壓/靜壓能量轉換計算;測量水泵流量要求流量計前后有一定長度的直管段(Lq≧7D,Lh≧5D),保證流態均勻穩定。
循環水泵的運行效率計算方法見下式:

           (6)

       式中η —水泵效率,%;

       G—循環流量,t/h; 

       H—循環水泵的揚程,mH20;

       N—循環水泵的軸功率(現場測試用軸功率替代),W。

       通過循環水泵現場效率測試情況來判定水泵工作狀態,如果效率太低(如η<50%)就說明水泵和系統不匹配,應該及時更換。有一點需要特別注意,改變水泵電機頻率不會提高水泵的效率,相反可能會降低其工作效率。所以分布式變頻系統一定要校核所有的變頻水泵的實際效率,這一點對提高系統能效,節約輸送能耗至關重要。

5 分布式變頻系統運行調控方法

       分布變頻系統運行控制是動態調控過程,是根據負荷變化各個循環水泵需要聯動或同步調節管網系統的流量,總流量隨負荷改變時,各分級泵流量至少是等比例變化方可滿足用戶隨氣候變化的熱力需求。而目前大多數分布式變頻供熱系統運行調節依據不明確。針對上述問題作如下解讀,并提出相應調控方法。

       5.1 供熱系統運行存在“變頻定流量”現象

       目前大多數供熱系統采用分布式輸配變頻技術,主要承擔了最大流量分配的初調節問題。實際上變頻系統的可調節性主要解決了循環水泵與系統的匹配和流量分配問題,在實際運行過程中基本保持定頻定流量運行。即使采用動態變頻調節,調控依據也不明確。有的系統甚至采用所謂“壓差控制法”,即根據管網某一位置的壓差變化來改變頻率。如此調控方法基本失去了分布式輸配變頻節能的優勢。

       其實供熱系統采用分布式輸配變頻技術最有效的調控方法應該是根據系統供熱負荷進行比例同步調節各分級水泵電機的頻率即可,或采用“等溫差調節法”也非常有效。

       5.2 循環水泵運行效率問題

       供熱系統所有循環水泵的運行效率應該進行現場測試,如果實測效率太低就應該及時更換。而大部分技術管理人員只是聽水泵的聲音,僅此而已。結果造成大部分循環水泵低效率運行,浪費嚴重。

       5.3 供熱管理不執行量化管理按需供熱量

       大多數供熱系統的供熱量根據熱源的供水溫度進行調節,也就是說把供水溫度當熱量用,很少采用按需供熱量調節方式。結果使得分布式變頻系統的作用沒有得到充分發揮,節能效果并不明顯,甚至有的分布變頻系統輸配能耗比集中輸配系統還要高。

       供熱系統最有效的供熱調節方法應該根據氣象條件采用熱量總量調節實行“熱量調節法”,實現逐日動態調節供熱量以滿足熱用戶的需求。

       在采用分布式變頻循環水泵的設計方法過程中,應該貫徹全面、協調、可持續發展的理念。在綠色、低碳、節能、高效的供熱智能化大環境下,尤其是熱網系統長輸管線技術的推廣,分布式變頻系統對管網系統水力工況動態調節,以及智能化供熱的實現,具有不可替代的優勢??梢灶A見,在未來的供熱行業發展中,可以更好的利用分布式變頻技術進一步提升能效,實行精細化管理、按需供熱、精確控制,從而使供熱系統真正實現智慧供熱、高效運行。

6 分布式變頻技術工程應用

       近幾年來,分布式變頻輸配技術在實際過程中應用廣泛,節能效果比較顯著?,F在通過若干工程案例進行分析如下:

       案例1:山東煙臺某熱力公司,2010年供面積80萬m2,非節能建筑約占90%。系統由熱電廠供70座換熱站給熱用戶供熱。主干管網DN700,供熱半徑5km。系統水力失調、冷熱不均嚴重,供暖季供熱0.49 GJ/m2.a,耗電3.68 kWh/m2.a,其耗電輸熱比為0.027,且失水量大。2011年進行分布式變頻輸配技術改造,供暖面積為100萬m2,首站只保留一臺水泵,各換熱站改為分布式混水站,全網統一調度,各站自動調平衡解決冷熱不均。輸配水泵總裝機功率減少了40%,各站實現自主精細化調控,電耗1.2 kWh/m2.a,節電69%;熱耗指標降到0.43 GJ/m2.a,節約12.2%;該系統的耗電輸熱比由原來的0.027降為0.01,效果比較明顯。

       案例2:山西臨汾某熱力公司,2017年供熱面積710萬m2,由電廠供熱給97座換熱站,且供暖面積增加300多萬m2,主干管網DN1200,供熱半徑20km(屬于長輸管線)。采用分布式輸配方案對一次網進行改造,以分布泵代替原有調節閥,完成流量分配平衡調節,改善了水力熱力平衡,水泵裝機減少44.4%。各換熱站獨立可調,一次網耗電量從改造前的2.5kWh/m2.a降至1.3kWh/m2.a,節電48%;供熱指標從0.35GJ/m2.a降低到0.31GJ/m2.a,節約熱能11.4%。該系統的耗電輸熱比由原來的0.093降為0.0302,節電效果顯著。

7 結論    

       1)分布式變頻輸配系統運行調控策略至關重要,合理的調控方法可有效的提升系統輸送能效,有利于降低耗電輸熱比。

       2)分布式變頻輸配系統對于熱用戶流量大,系統主管網比摩阻較大的既有集中供熱系統, 改造后輸送節電效果較明顯。而系統輸配節電率隨著熱用戶流量增大而增大。

       3)該技術對于既有系統熱源內部阻力和熱用戶資用水頭較小的供熱系統, 改造后節電效果也比較明顯。對于新建的供熱系統, 熱源可以選擇阻力小的設備, 有利于降低系統耗電量。

       4)分布式變頻輸配系統循環水泵的運行效率是關鍵,且決定了系統節能效果。設計時應該通過繪制水泵—管網性能曲線進行效率驗證;在運行過程中必須對每一臺水泵進行效率測試,其效率低于50%應該更換水泵。

       5)采用熱量總量調節控制策略,實行“熱量調節法”量化管理措施,實現逐日動態調節供熱量,以滿足熱用戶的需求。

參考文獻

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       備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期(第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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