分布式變頻供熱輸配系統(tǒng)的應用研究

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分布式變頻供熱輸配系統(tǒng)的應用研究

　前言
　　供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵傳統(tǒng)的設計方法是根據(jù)最遠、最不利用戶選擇循環(huán)水泵，并設置在熱源處，用于克服熱源、熱網(wǎng)和熱用戶系統(tǒng)阻力。這種設計思想，從根本上帶來了如下難以克服的缺點：
　　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，必須設置流量調節(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)水泵設計方法本身造成的。
　　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，在沒有很好的調節(jié)手段的情況下，近端熱用戶流量超標，是很難避免的；這種近端流量超標，必然又帶來遠端流量不足，形成供熱系統(tǒng)冷熱不均現(xiàn)象。
　　3、為落后的大流量運行方式提供了平臺。在出現(xiàn)冷熱不均現(xiàn)象的同時，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)末端增設加壓泵的作法，從而使供熱系統(tǒng)循環(huán)流量的超標，進而形成大流量小溫差運行方式。
　　4、造成了供熱系統(tǒng)能效水平的低下。我國目前供熱系統(tǒng)能效在30％左右，遠低于國外先進國家。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)水泵的設計方法不合理有直接關系。根據(jù)統(tǒng)計計算，冷熱不均產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)水泵設計思路，具有很大的節(jié)能潛力。
　　國家明確提出，今后國家建設，要遵循全面、協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展的方針與時俱進，目前能源建設是制約國家經(jīng)濟發(fā)展的重要方面，因此，節(jié)能工作已被提到了空前的高度。在這種形勢下，我們從學術角度探討供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵更加科學、先進的設計思想，不但對于技術更新具有重要意義，而且對于節(jié)約能源也會有很大的促進作用。
　　1　傳統(tǒng)設計與理想設計——分布式變頻設計方法比較
　　通過上述分析，供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵正確的設計思想應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：建立各熱用戶的設計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。按照有效電耗設計的水壓圖，稱為理想設計水壓圖。見圖1－a所示。而按照傳統(tǒng)的設計方法，在熱源處設計單泵系統(tǒng)的水壓圖稱為傳統(tǒng)設計水壓圖，見圖1－b所示。比較二個水壓圖，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)設計方法產生的無效電耗。這部分動力，將被各種流量調節(jié)閥(如手動平衡閥、自力式平衡閥、壓差調節(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，就調節(jié)流量、消除冷熱不均來說，是有效調節(jié)，行業(yè)內的專家們過去曾花費很大精力，進行了這方面的研究，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)水泵更加科學的設計思想的探討過程來說，熱用戶多余資用壓頭，確實變成了無效電耗，這是循環(huán)水泵傳統(tǒng)設計方法不經(jīng)濟的主要問題所在。
　　熱用戶多余資用壓頭的產生，又是因為只有熱源處設計單泵系統(tǒng)造成的，這一結論，通過無效電耗的實際計算看得更加明顯。無效電耗可以通過電學的特蘭根定律(公式(1))進行計算：
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，對圖1兩種水壓圖下的循環(huán)水泵進行功率N計算，(各管段的流量、壓降都是已知的設計值)，則公式(2)中的NW即為系統(tǒng)的無效電耗，其中Na、Nb分別為這二種設計方法下的循環(huán)泵電功率。從計算過程可以了解到：
NW=Nb－Na(2)
　　二種方案下，各對應管段的流量都相等，各外網(wǎng)對應管段的壓降也相等，那么Nb(傳統(tǒng)設計方案)大于Na(理想設計方案)的主要原因是傳統(tǒng)設計方案的各熱用戶(除最末端熱用戶)存在多余的資用壓頭。進一步考察這二種設計方案的主要區(qū)別：傳統(tǒng)設計方案只在熱源處設置單泵系統(tǒng)，而理想設計方案，則是除了在熱源處設置揚程較小的循環(huán)水泵外，還要在外網(wǎng)沿途設置多個加壓循環(huán)泵。由于多個沿途加壓循環(huán)泵，采用“接力棒”的辦法，共同實現(xiàn)了熱媒的輸送工作，雖然各外網(wǎng)管段的壓降與傳統(tǒng)方案對應管段的壓降相等，但這二個方案提供的功率卻是不同的。傳統(tǒng)方案因為循環(huán)水泵設置在熱源處，所提供的動力是在總循環(huán)流量(即最大流量)下實現(xiàn)的，而理想設計方案，熱源處的循環(huán)泵在總流量下，只提供部分動力(揚程)，其他動力(揚程)是在沿途加壓循環(huán)泵的分流量下實現(xiàn)的。因此，理想設計方案循環(huán)水泵的輸送功率小于傳統(tǒng)設計方案循環(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，但各個加壓循環(huán)泵的總功率卻減少了，這就是理想設計方案的優(yōu)勢。
　　2　多種分布式變頻系統(tǒng)
　　按照上述設計思路，擬定了6種理想的分布式變頻設計方案，與傳統(tǒng)方案進行比較。
　　2.1　設計模型
　　為方便起見，將供熱系統(tǒng)設計為10熱用戶(或10個熱力站)，供回水設計溫度85/70℃，各熱用戶設計流量均為30t/h，熱用戶資用壓頭10mH2O，供回水管道總長度7692.3m，設計比摩阻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。對于傳統(tǒng)設計方案，循環(huán)水泵揚程為80mH2O，循環(huán)流量為300t/h。
　　2.2　六種分布式變頻系統(tǒng)設計方案
　　所擬定的6種循環(huán)水泵理想設計方案為：
　　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)設計方案，即在熱源處設置單泵主循環(huán)泵。
　　根據(jù)特蘭根定律，應用供熱系統(tǒng)水力工況分析軟件HFS，對上述設計模型進行模擬計算和可及性分析。首先，根據(jù)用戶和管網(wǎng)所需，確定各水泵的設計流量和設計揚程，進而模擬計算各方案中各管段的運行流量和實際壓降，最后計算出各方案的循環(huán)水泵的總功率進行比較。計算結果表明：得出的計算結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管段上設置。對應的揚程為：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臺水泵：分別在1，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21管段上設置。對應的揚程為：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管段上設置。對應的揚程為：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臺水泵：分別在2，3，4，5，6，7，8，9，10，11管段上設置。對應的揚程為：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理想設計水壓圖與方案3相同。
2.3　能耗分析
　　通過上述的模擬計算，將節(jié)電數(shù)據(jù)列表如下，并可得出如下結論：
　　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)水泵設計方案即方案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，所不同的是進行了混水降溫，即熱源供回水設計溫度為95/70℃，熱用戶供回水設計溫度為85/70℃(混水系數(shù)2/3)，此時總耗電功率只有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，進而減少了熱源、外網(wǎng)的輸送壓頭，從而降低了多級循環(huán)泵系統(tǒng)的電機功率。方案5屬于直供系統(tǒng)。對于間接連接的供熱系統(tǒng)(即間供系統(tǒng))，其一次網(wǎng)的供回水設計溫差，通常比二次網(wǎng)的供回水設計溫差大，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，此時，可取消熱力站上一次網(wǎng)的電動調節(jié)閥，改由熱力站一次網(wǎng)上的加壓泵進行變頻調速，從而實現(xiàn)二次網(wǎng)供熱量的調節(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，又被電動調節(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，從工程實際考慮，難以實現(xiàn)，因為這樣做，熱源失去了對供熱系統(tǒng)的基本控制手段，不利于系統(tǒng)的安全運行。
　　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行方式，而方案6只是通過均壓罐來實現(xiàn)更好的運行與管理。這種均壓罐形式在我國的供熱系統(tǒng)中很少見，但是，對于實現(xiàn)一、二次網(wǎng)的獨立運行卻起著很好的作用。甚至對于如今正在深入探討的計量收費的系統(tǒng)形式，也有很好的借鑒作用。
　　關于這種形式的能耗分析，在水泵開啟時，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)合理的設計，可以把均壓罐作為混水器，用戶加壓泵作為混水泵，同樣可實現(xiàn)方案5中提到的節(jié)能效果。
　　5.任何一種理想設計方案都是靠多泵系統(tǒng)實現(xiàn)的，無論從設計還是從運行上考慮，其流量和揚程都必須精確計算和控制，否則供熱系統(tǒng)的理想工況即理想水壓圖難以實現(xiàn)。為此，各種形式的循環(huán)泵必須設計為變頻調速泵，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)水泵設計思想是在熱源處設置一個大循環(huán)泵，肩負熱源、熱網(wǎng)和熱用戶三種循環(huán)泵的功能?，F(xiàn)在，先進的設計思想，是將循環(huán)水泵這三種功能進行分離，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，其原則是盡量少設置沿途熱循環(huán)泵，多在熱力站設置熱網(wǎng)循環(huán)泵和熱用戶循環(huán)泵，具體的工程設計，要經(jīng)過技術經(jīng)濟比較來確定。一般沿途循環(huán)泵(加壓泵)要比在熱力站設置循環(huán)泵需要較多的投資，但有一點是明確的：當各種循環(huán)泵采用分布式變頻泵系統(tǒng)時，不但循環(huán)泵的裝機電功率明顯減少，而且變流量的運行電耗又可節(jié)電50％，因此，增加的初投資可以在幾年內回收。
　　2.貫徹全面、協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展的觀點。在推廣循環(huán)水泵先進設計方法的過程中，可能會碰到局部利益的考慮，比如雖然傳統(tǒng)設計方法電耗大，但這部分電耗量是由熱電廠承擔的，而且算在電廠用電的范圍里，相對費用便宜；而新的設計方案，雖然節(jié)電，但耗電費用卻從電廠轉嫁給了熱力公司，可能會影響熱力公司推廣的積極性。這種事實是存在的。但社會發(fā)展到現(xiàn)在階段，將逐步由“循環(huán)經(jīng)濟”代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“線性經(jīng)濟”，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，任何一個生產、消費環(huán)節(jié)都是經(jīng)濟運行中的不可或缺的循環(huán)鏈。如果有了這種全面、協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展的觀點，那么各部分之間的經(jīng)濟利益的均攤方法是不難找到的。
　　3.提倡創(chuàng)新精神。一個先進技術的推廣，往往會遇到許多阻力：設計部門習慣“不熟悉的技術不用”；運行管理部門即甲方，又堅持“沒有業(yè)績的標書不選”。如果社會上都遵循這樣的理念，那么任何一個先進技術只能“胎死腹中”。創(chuàng)新精神和先進技術是一對孿生兄弟，只有敢干創(chuàng)新的人，才能擁有先進技術。當然，這種創(chuàng)新，不是蠻干，要經(jīng)過理性思考和判斷；而只有掌握科學知識的人，才能進行理性思考和判斷。