分布式變頻供熱輸配系統(tǒng)的應(yīng)用研究

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分布式變頻供熱輸配系統(tǒng)的應(yīng)用研究

　前言
　　供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)最遠(yuǎn)、最不利用戶選擇循環(huán)水泵，并設(shè)置在熱源處，用于克服熱源、熱網(wǎng)和熱用戶系統(tǒng)阻力。這種設(shè)計(jì)思想，從根本上帶來了如下難以克服的缺點(diǎn)：
　　1、在供熱系統(tǒng)的近端(靠近熱源處)熱用戶，形成了過多的資用壓頭。為了滿足近端熱用戶循環(huán)流量，必須設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，將多余的資用壓頭消耗掉，這種無謂的節(jié)流損失是循環(huán)水泵設(shè)計(jì)方法本身造成的。
　　2、極易形成冷熱不均現(xiàn)象。由于近端熱用戶出現(xiàn)過多的資用壓頭，在沒有很好的調(diào)節(jié)手段的情況下，近端熱用戶流量超標(biāo)，是很難避免的；這種近端流量超標(biāo)，必然又帶來遠(yuǎn)端流量不足，形成供熱系統(tǒng)冷熱不均現(xiàn)象。
　　3、為落后的大流量運(yùn)行方式提供了平臺(tái)。在出現(xiàn)冷熱不均現(xiàn)象的同時(shí)，從水力工況的角度考慮，必然形成喇叭形的水壓圖，也就是系統(tǒng)的末端出現(xiàn)供回水壓差過小即熱用戶資用壓頭不足的現(xiàn)象。在這種情況下，為提高供熱效果，增加末端熱用戶的資用壓頭，往往采用加大循環(huán)水泵和(或)末端增設(shè)加壓泵的作法，從而使供熱系統(tǒng)循環(huán)流量的超標(biāo)，進(jìn)而形成大流量小溫差運(yùn)行方式。
　　4、造成了供熱系統(tǒng)能效水平的低下。我國(guó)目前供熱系統(tǒng)能效在30％左右，遠(yuǎn)低于國(guó)外先進(jìn)國(guó)家。供熱系統(tǒng)能效高低，取決于二方面因素：一是無效供熱量的多少，無效供熱量包括鍋爐熱損失、外網(wǎng)熱損失和系統(tǒng)冷熱不均引起的無效熱量；二是管網(wǎng)熱媒輸送中的無效電能的數(shù)量。其中冷熱不均的無效熱量和熱媒輸送過程的無效電能都與循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)方法不合理有直接關(guān)系。根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，冷熱不均產(chǎn)生的無效熱量約占系統(tǒng)總供熱量的30～40％。輸送管網(wǎng)的無效電耗約占30～60％，可見采用正確的系統(tǒng)循環(huán)水泵設(shè)計(jì)思路，具有很大的節(jié)能潛力。
　　國(guó)家明確提出，今后國(guó)家建設(shè)，要遵循全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展的方針與時(shí)俱進(jìn)，目前能源建設(shè)是制約國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方面，因此，節(jié)能工作已被提到了空前的高度。在這種形勢(shì)下，我們從學(xué)術(shù)角度探討供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵更加科學(xué)、先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，不但對(duì)于技術(shù)更新具有重要意義，而且對(duì)于節(jié)約能源也會(huì)有很大的促進(jìn)作用。
　　1　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與理想設(shè)計(jì)——分布式變頻設(shè)計(jì)方法比較
　　通過上述分析，供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵正確的設(shè)計(jì)思想應(yīng)該是盡量減少熱媒輸送過程中的無效電耗。那么，如何減少管網(wǎng)輸送的無效電耗呢?首先，需要承認(rèn)：建立各熱用戶的設(shè)計(jì)資用壓頭和克服輸送管網(wǎng)的阻力是必須保證的有效電耗。按照有效電耗設(shè)計(jì)的水壓圖，稱為理想設(shè)計(jì)水壓圖。見圖1－a所示。而按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在熱源處設(shè)計(jì)單泵系統(tǒng)的水壓圖稱為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)水壓圖，見圖1－b所示。比較二個(gè)水壓圖，可以明顯看出：圖上陰影部分為各熱用戶多余的資用壓頭，即循環(huán)水泵傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的無效電耗。這部分動(dòng)力，將被各種流量調(diào)節(jié)閥(如手動(dòng)平衡閥、自力式平衡閥、壓差調(diào)節(jié)閥)通過節(jié)流的方式消耗掉了。熱用戶多余壓頭，通過節(jié)流的方法加以消耗，就調(diào)節(jié)流量、消除冷熱不均來說，是有效調(diào)節(jié)，行業(yè)內(nèi)的專家們過去曾花費(fèi)很大精力，進(jìn)行了這方面的研究，是功不可沒的，今后也不可能完全取消必要的節(jié)流損失。但從循環(huán)水泵更加科學(xué)的設(shè)計(jì)思想的探討過程來說，熱用戶多余資用壓頭，確實(shí)變成了無效電耗，這是循環(huán)水泵傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不經(jīng)濟(jì)的主要問題所在。
　　熱用戶多余資用壓頭的產(chǎn)生，又是因?yàn)橹挥袩嵩刺幵O(shè)計(jì)單泵系統(tǒng)造成的，這一結(jié)論，通過無效電耗的實(shí)際計(jì)算看得更加明顯。無效電耗可以通過電學(xué)的特蘭根定律(公式(1))進(jìn)行計(jì)算：
N=∑GiΔHi(1)
式中N——循環(huán)水泵的功率；
　　Gi——供熱系統(tǒng)各管段的流量；
　　ΔHi——供熱系統(tǒng)各管段的阻力損失。
　　根據(jù)特蘭根定律，對(duì)圖1兩種水壓圖下的循環(huán)水泵進(jìn)行功率N計(jì)算，(各管段的流量、壓降都是已知的設(shè)計(jì)值)，則公式(2)中的NW即為系統(tǒng)的無效電耗，其中Na、Nb分別為這二種設(shè)計(jì)方法下的循環(huán)泵電功率。從計(jì)算過程可以了解到：
NW=Nb－Na(2)
　　二種方案下，各對(duì)應(yīng)管段的流量都相等，各外網(wǎng)對(duì)應(yīng)管段的壓降也相等，那么Nb(傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案)大于Na(理想設(shè)計(jì)方案)的主要原因是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的各熱用戶(除最末端熱用戶)存在多余的資用壓頭。進(jìn)一步考察這二種設(shè)計(jì)方案的主要區(qū)別：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案只在熱源處設(shè)置單泵系統(tǒng)，而理想設(shè)計(jì)方案，則是除了在熱源處設(shè)置揚(yáng)程較小的循環(huán)水泵外，還要在外網(wǎng)沿途設(shè)置多個(gè)加壓循環(huán)泵。由于多個(gè)沿途加壓循環(huán)泵，采用“接力棒”的辦法，共同實(shí)現(xiàn)了熱媒的輸送工作，雖然各外網(wǎng)管段的壓降與傳統(tǒng)方案對(duì)應(yīng)管段的壓降相等，但這二個(gè)方案提供的功率卻是不同的。傳統(tǒng)方案因?yàn)檠h(huán)水泵設(shè)置在熱源處，所提供的動(dòng)力是在總循環(huán)流量(即最大流量)下實(shí)現(xiàn)的，而理想設(shè)計(jì)方案，熱源處的循環(huán)泵在總流量下，只提供部分動(dòng)力(揚(yáng)程)，其他動(dòng)力(揚(yáng)程)是在沿途加壓循環(huán)泵的分流量下實(shí)現(xiàn)的。因此，理想設(shè)計(jì)方案循環(huán)水泵的輸送功率小于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案循環(huán)水泵的輸送功率就很容易理解了。雖然前者，采用了較多的水泵，但各個(gè)加壓循環(huán)泵的總功率卻減少了，這就是理想設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)。
　　2　多種分布式變頻系統(tǒng)
　　按照上述設(shè)計(jì)思路，擬定了6種理想的分布式變頻設(shè)計(jì)方案，與傳統(tǒng)方案進(jìn)行比較。
　　2.1　設(shè)計(jì)模型
　　為方便起見，將供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為10熱用戶(或10個(gè)熱力站)，供回水設(shè)計(jì)溫度85/70℃，各熱用戶設(shè)計(jì)流量均為30t/h，熱用戶資用壓頭10mH2O，供回水管道總長(zhǎng)度7692.3m，設(shè)計(jì)比摩阻60Pa/m，局部阻力系數(shù)為30％。各熱用戶之間的外網(wǎng)供、回水干管長(zhǎng)度各為384.62m。熱源所在管段的壓力損失為10mH2O，水泵效率按70％選取。對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，循環(huán)水泵揚(yáng)程為80mH2O，循環(huán)流量為300t/h。
　　2.2　六種分布式變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
　　所擬定的6種循環(huán)水泵理想設(shè)計(jì)方案為：
　　方案1，沿途供、回水加壓泵與主循環(huán)泵配套；
　　方案2，沿途供水加壓泵與主循環(huán)泵配套；
　　方案3，沿途供、回水加壓泵、熱用戶變頻加壓泵與主循環(huán)泵配套；
　　方案4，只有熱用戶加壓泵；
　　方案5，沿途加壓泵，熱用戶混水加壓泵與主循環(huán)泵配套；
　　方案6，利用均壓箱、熱用戶混水加壓泵與主循環(huán)泵配套；
　　注：方案0，為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，即在熱源處設(shè)置單泵主循環(huán)泵。
　　根據(jù)特蘭根定律，應(yīng)用供熱系統(tǒng)水力工況分析軟件HFS，對(duì)上述設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算和可及性分析。首先，根據(jù)用戶和管網(wǎng)所需，確定各水泵的設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程，進(jìn)而模擬計(jì)算各方案中各管段的運(yùn)行流量和實(shí)際壓降，最后計(jì)算出各方案的循環(huán)水泵的總功率進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果表明：得出的計(jì)算結(jié)果恰好滿足用戶和管網(wǎng)的需求，且沒有無效能耗。由于文章篇幅所限，各方案各管段的流量、壓力數(shù)據(jù)未一一列出，只列出了根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制出的水壓圖和各方案循環(huán)水泵的總功率即總電耗。
　　方案1　沿途供回水變頻加壓泵與主循環(huán)泵配套；其系統(tǒng)圖如圖2所示。
　　21臺(tái)水泵：分別在1，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31管段上設(shè)置。對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為：10mH2O，13mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O，3mH2O。其水壓圖如圖3所示。
　　方案2　沿途外網(wǎng)供水變頻加壓泵與主循環(huán)泵配套；其系統(tǒng)圖如圖4所示。
　　11臺(tái)水泵：分別在1，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21管段上設(shè)置。對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為：10mH2O，16mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O，6mH2O。其水壓圖如圖5所示。
　　方案3　沿途加壓泵(變頻)熱用戶變頻加壓泵與主循環(huán)泵配套；其系統(tǒng)圖如圖6所示。
　　31臺(tái)水泵：分別在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管段上設(shè)置。對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為：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。其水壓圖如圖7所示。
　　方案4　只有熱用戶加壓泵(變頻)；其系統(tǒng)圖如圖8所示。
　　10臺(tái)水泵：分別在2，3，4，5，6，7，8，9，10，11管段上設(shè)置。對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為：26mH2O，32mH2O，38mH2O，44mH2O，50mH2O，56mH2O，62mH2O，68mH2O，74mH2O，80mH2O。其水壓圖如圖9所示。
　　方案5　沿途加壓泵、熱用戶混水泵與主循環(huán)泵配套；其系統(tǒng)圖如圖10所示。
　　31臺(tái)變頻泵：分別在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管段上安裝。揚(yáng)程分別為：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。其水壓圖如圖11所示。
　　方案6　沿途變頻加壓泵、熱用戶混水加壓(帶均壓箱)與主循環(huán)泵配套；其系統(tǒng)圖如圖12所示。
　　注：42～51管段為均壓罐
　　31臺(tái)變頻泵，分別為為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管段上安裝。揚(yáng)程分別為：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理想設(shè)計(jì)水壓圖與方案3相同。
2.3　能耗分析
　　通過上述的模擬計(jì)算，將節(jié)電數(shù)據(jù)列表如下，并可得出如下結(jié)論：
　　1.方案1～4，無論何種加壓方式，只要按需提供了熱源、外網(wǎng)的所需壓頭和熱用戶的資用壓頭，而沒有剩余壓頭，那么，這四種方案的總耗電功率皆為61.90kw，與傳統(tǒng)循環(huán)水泵設(shè)計(jì)方案即方案0比較，其總耗電功率由93.43kw減少到31.53kw，即循環(huán)水泵的裝機(jī)功率節(jié)約了33.75％。即使采用本文未討論的任何一種方案，只要滿足上述條件，都可達(dá)到同樣的目的。
　　2.方案5為更優(yōu)方案。方案5，與方案1～4相比，所不同的是進(jìn)行了混水降溫，即熱源供回水設(shè)計(jì)溫度為95/70℃，熱用戶供回水設(shè)計(jì)溫度為85/70℃(混水系數(shù)2/3)，此時(shí)總耗電功率只有22.57kw，與傳統(tǒng)方案比較，耗電總功率減少了70.86kw，即節(jié)電75.84％，這種方案，之所以更加突出，其主要原因是降低了外網(wǎng)循環(huán)流量，進(jìn)而減少了熱源、外網(wǎng)的輸送壓頭，從而降低了多級(jí)循環(huán)泵系統(tǒng)的電機(jī)功率。方案5屬于直供系統(tǒng)。對(duì)于間接連接的供熱系統(tǒng)(即間供系統(tǒng))，其一次網(wǎng)的供回水設(shè)計(jì)溫差，通常比二次網(wǎng)的供回水設(shè)計(jì)溫差大，其效果類似直供系統(tǒng)的方案5，節(jié)電同樣明顯。對(duì)于間供系統(tǒng)，沿途加壓泵可不考慮提供熱力站的資用壓頭，而由熱力站中一次網(wǎng)的加壓泵承擔(dān)，此時(shí)，可取消熱力站上一次網(wǎng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，改由熱力站一次網(wǎng)上的加壓泵進(jìn)行變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)供熱量的調(diào)節(jié)。采用這種方案，可減少沿途加壓泵因提供熱用戶資用壓頭增加的能耗，又被電動(dòng)調(diào)節(jié)閥無謂消耗。
　　3.根據(jù)方案4，從理論上講，熱源處可以不設(shè)循環(huán)泵，完全由外網(wǎng)加壓泵(循環(huán)泵)和熱用戶加壓泵(循環(huán)泵)代替。供熱系統(tǒng)的熱媒輸送由原來的“推”變成“抽”。但這種輸送方案，從工程實(shí)際考慮，難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@樣做，熱源失去了對(duì)供熱系統(tǒng)的基本控制手段，不利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
　　4.方案6看上去很象方案5——用戶混水加壓泵的形式，但二者之間既有區(qū)別，又有聯(lián)系。
　　區(qū)別在于：方案5采用的是主網(wǎng)與用戶不同溫差的運(yùn)行方式，而方案6只是通過均壓罐來實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)行與管理。這種均壓罐形式在我國(guó)的供熱系統(tǒng)中很少見，但是，對(duì)于實(shí)現(xiàn)一、二次網(wǎng)的獨(dú)立運(yùn)行卻起著很好的作用。甚至對(duì)于如今正在深入探討的計(jì)量收費(fèi)的系統(tǒng)形式，也有很好的借鑒作用。
　　關(guān)于這種形式的能耗分析，在水泵開啟時(shí)，等同于前面提到的主循環(huán)泵＋沿途加壓泵＋用戶變頻泵，在此不再贅述。停泵后，只是一種一、二次網(wǎng)分離狀態(tài)，脫離用戶的系統(tǒng)狀態(tài)在此不作能耗分析。
　　然而二者之間又存在某種相似性。建議通過研究以及系統(tǒng)合理的設(shè)計(jì)，可以把均壓罐作為混水器，用戶加壓泵作為混水泵，同樣可實(shí)現(xiàn)方案5中提到的節(jié)能效果。
　　5.任何一種理想設(shè)計(jì)方案都是靠多泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，無論從設(shè)計(jì)還是從運(yùn)行上考慮，其流量和揚(yáng)程都必須精確計(jì)算和控制，否則供熱系統(tǒng)的理想工況即理想水壓圖難以實(shí)現(xiàn)。為此，各種形式的循環(huán)泵必須設(shè)計(jì)為變頻調(diào)速泵，這種供熱系統(tǒng)形式一般稱為分布式變頻泵系統(tǒng)。
　　4　實(shí)踐工程中的推廣
　　1.根據(jù)先易后難的原則逐漸推廣。過去傳統(tǒng)的循環(huán)水泵設(shè)計(jì)思想是在熱源處設(shè)置一個(gè)大循環(huán)泵，肩負(fù)熱源、熱網(wǎng)和熱用戶三種循環(huán)泵的功能。現(xiàn)在，先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，是將循環(huán)水泵這三種功能進(jìn)行分離，變?yōu)闊嵩囱h(huán)泵，熱網(wǎng)循環(huán)泵和熱用戶循環(huán)泵。第一步可先采用雙泵系統(tǒng)，即把熱源循環(huán)泵單獨(dú)分離出來，而讓熱網(wǎng)循環(huán)泵兼管熱用戶循環(huán)泵的功能。第二步，再將熱網(wǎng)循環(huán)泵與熱用戶循環(huán)泵分離，其原則是盡量少設(shè)置沿途熱循環(huán)泵，多在熱力站設(shè)置熱網(wǎng)循環(huán)泵和熱用戶循環(huán)泵，具體的工程設(shè)計(jì)，要經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來確定。一般沿途循環(huán)泵(加壓泵)要比在熱力站設(shè)置循環(huán)泵需要較多的投資，但有一點(diǎn)是明確的：當(dāng)各種循環(huán)泵采用分布式變頻泵系統(tǒng)時(shí)，不但循環(huán)泵的裝機(jī)電功率明顯減少，而且變流量的運(yùn)行電耗又可節(jié)電50％，因此，增加的初投資可以在幾年內(nèi)回收。
　　2.貫徹全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)。在推廣循環(huán)水泵先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的過程中，可能會(huì)碰到局部利益的考慮，比如雖然傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法電耗大，但這部分電耗量是由熱電廠承擔(dān)的，而且算在電廠用電的范圍里，相對(duì)費(fèi)用便宜；而新的設(shè)計(jì)方案，雖然節(jié)電，但耗電費(fèi)用卻從電廠轉(zhuǎn)嫁給了熱力公司，可能會(huì)影響熱力公司推廣的積極性。這種事實(shí)是存在的。但社會(huì)發(fā)展到現(xiàn)在階段，將逐步由“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“線性經(jīng)濟(jì)”，追求是資源利用的最大化和污染排放的最小化，甚至讓廢棄的排放物重新變?yōu)橛杏玫脑偕Y源。因此，任何一個(gè)生產(chǎn)、消費(fèi)環(huán)節(jié)都是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的不可或缺的循環(huán)鏈。如果有了這種全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)，那么各部分之間的經(jīng)濟(jì)利益的均攤方法是不難找到的。
　　3.提倡創(chuàng)新精神。一個(gè)先進(jìn)技術(shù)的推廣，往往會(huì)遇到許多阻力：設(shè)計(jì)部門習(xí)慣“不熟悉的技術(shù)不用”；運(yùn)行管理部門即甲方，又堅(jiān)持“沒有業(yè)績(jī)的標(biāo)書不選”。如果社會(huì)上都遵循這樣的理念，那么任何一個(gè)先進(jìn)技術(shù)只能“胎死腹中”。創(chuàng)新精神和先進(jìn)技術(shù)是一對(duì)孿生兄弟，只有敢干創(chuàng)新的人，才能擁有先進(jìn)技術(shù)。當(dāng)然，這種創(chuàng)新，不是蠻干，要經(jīng)過理性思考和判斷；而只有掌握科學(xué)知識(shí)的人，才能進(jìn)行理性思考和判斷。