分布式變頻泵集中供熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能量特性模擬

顏愛斌,趙 軍,朱 強(qiáng)

(天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300072)

0 引 言

分布式變頻泵系統(tǒng)(一次網(wǎng)回水加壓變頻泵系統(tǒng))是隨著電機(jī)變頻技術(shù)的成熟與應(yīng)用發(fā)展起來(lái)的一種新型集中供熱系統(tǒng),該系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)靈活、能大幅度節(jié)約輸送能耗、適用于計(jì)量供熱等突出的優(yōu)點(diǎn)[1],而且適宜用于基于傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能升級(jí)改造,因此有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。和傳統(tǒng)的單泵系統(tǒng)相比,分布式變頻泵集中供熱系統(tǒng)在運(yùn)行模式與策略上有著重要的差異,其中主要的差異之一是,傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)采用熱源根據(jù)氣溫進(jìn)行熱網(wǎng)負(fù)荷主動(dòng)調(diào)節(jié),而分布式變頻集中供熱系統(tǒng)是依據(jù)用戶熱負(fù)荷變動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)調(diào)節(jié)[1,2]。

鍋爐是集中供熱的熱源設(shè)備,在集中供熱系統(tǒng)中處于核心位置,而且具有大慣性、大延遲、變參數(shù)的特性,因此,根據(jù)外部負(fù)荷需求變化進(jìn)行適當(dāng)響應(yīng)既是供熱質(zhì)量的保證,也是實(shí)現(xiàn)鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的重要技術(shù)措施與手段[3]。

本文建立了熱源與一次網(wǎng)的負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型,并以一公共建筑的分時(shí)供熱為例分析了熱網(wǎng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)特征,為合理調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行于自動(dòng)控制策略提供了依據(jù)與基礎(chǔ)。

1 分布式變頻集中供熱系統(tǒng)的原理與負(fù)荷特性

分布式變頻泵系統(tǒng)的原理見圖1,熱源泵只需克服鍋爐及其附件以及均壓管之間的阻力,各熱用戶的熱量需求由一次回水加壓泵調(diào)節(jié)換熱站一次網(wǎng)的熱水流量調(diào)節(jié),對(duì)于公共建筑熱用戶,利用分布式變頻系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)分時(shí)段供熱,由于采用變頻泵調(diào)節(jié)替代傳統(tǒng)系統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié),避免了管網(wǎng)的輸送能量浪費(fèi),可以大幅度地減小輸送泵的功率配置,既減少系統(tǒng)投資,又節(jié)約了系統(tǒng)輸送能耗[1,4,5]。

圖1 分布式變頻泵集中供熱系統(tǒng)原理Fig.1 Simplified scheme of a centralized heating system with distributed variable speed pump

傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)按不保證的設(shè)計(jì)系統(tǒng)容量,然而,系統(tǒng)工作在額定負(fù)荷與設(shè)計(jì)工況的情況極為少見[4]。在絕大多數(shù)時(shí)間,系統(tǒng)工作于部分負(fù)荷工況,特別是在計(jì)量供熱的背景下,用戶對(duì)用熱調(diào)節(jié)擁有大部分自主權(quán),因此,用戶對(duì)用熱的調(diào)節(jié),不但調(diào)節(jié)時(shí)間具有隨機(jī)性,而且負(fù)荷量調(diào)節(jié)也具有隨機(jī)性。所以,即使是在極冷天氣,用戶也會(huì)因?yàn)榉偶?公共建筑熱用戶)、上班(家庭熱用戶)或個(gè)人喜好等原因調(diào)節(jié)用熱負(fù)荷,因而,基于需求側(cè)運(yùn)行管理方式的分布式變頻集中供熱系統(tǒng),部分負(fù)荷是常態(tài);隨機(jī)性變工況是常態(tài)。因此,部分負(fù)荷變工況的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究更為基本并且極為重要。

2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性與數(shù)學(xué)模型

對(duì)于分布式變頻集中供熱系統(tǒng),其中鍋爐、輸送管網(wǎng)、散熱器末端的能量負(fù)荷特性,均具有換熱器的基本特征,可以由一組方程描述[6]:

能量平衡方程:

金屬管壁吸放熱方程:

式中:H1,H2分別為換熱環(huán)節(jié)進(jìn)出口水的焓;G為該環(huán)節(jié)水流量;Qw為該環(huán)節(jié)水與管壁間的換熱量;下標(biāo)m表示為金屬特性參數(shù)。對(duì)于鍋爐,增加管壁傳熱方程:

式中:k為傳熱系數(shù);n=0.8。

管網(wǎng)熱損失按傳輸熱量的5%考慮,管壁傳熱方程:

式中:Re,Pr分別為管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù);d為管網(wǎng)內(nèi)徑。

換熱站板式換熱器傳熱方程[7,8]:

第i個(gè)節(jié)點(diǎn)能量守恒方程:

第i個(gè)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量守恒方程:

第k編號(hào)的管道系統(tǒng)的伯努利方程:

一次變頻回水加壓泵的能量方程:

根據(jù)上述模型,可以對(duì)分布式變頻泵集中供熱系統(tǒng)的鍋爐、管網(wǎng)及換熱站等各能量環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬計(jì)算,得出階躍性流量變化引起的供熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

3 模擬結(jié)果與分析

本文利用上述模型對(duì)一組公共建筑進(jìn)行分時(shí)供熱的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬,該組建筑的建筑面積324 100 m2,由一座換熱站負(fù)責(zé)供熱,供熱鍋爐容量為47 MW熱水鍋爐,額定進(jìn)出水溫度130/70℃,額定流量475 m3/h,2009年1月1日的計(jì)算熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)最大熱負(fù)荷的比如圖2,采用分布式變頻泵集中供熱系統(tǒng)供熱時(shí),其運(yùn)行策略設(shè)計(jì)為:早晨8點(diǎn)至晚上20:00按需求負(fù)荷運(yùn)行,晚上20:00至第二天早晨8:00按值班負(fù)荷運(yùn)行,鍋爐、管網(wǎng)及換熱器均采用碳鋼材料,為避免出現(xiàn)各建筑出現(xiàn)垂直失調(diào),二次泵采用定速泵,一次回水加壓泵采用變頻調(diào)速,采用二次網(wǎng)出水溫度為調(diào)節(jié)量,一次網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度130℃,回水設(shè)計(jì)溫度70℃,二次網(wǎng)供水溫度調(diào)節(jié)可由一次網(wǎng)流量變化實(shí)現(xiàn)。

圖2 建筑物計(jì)算負(fù)荷與運(yùn)行策略Fig.2 Calculated load and operation strategy of a building

在設(shè)定的運(yùn)行策略下運(yùn)行系統(tǒng)時(shí),當(dāng)一次網(wǎng)的供水流量分別為10%、25%、40%階躍流量時(shí),二次網(wǎng)階系統(tǒng)負(fù)荷響應(yīng)曲線如圖3,從圖中可以看出,在模擬條件下,二次網(wǎng)的負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)間從60～100 min左右,充分說明了集中供熱系統(tǒng)的大慣性、大延遲特性,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)應(yīng)有較充分的預(yù)測(cè)與判斷。

圖3 一次網(wǎng)25%階躍流量時(shí)的二次網(wǎng)負(fù)荷響應(yīng)特性Fig.3 Response of the second loop according to the change of the flow rate in the first loop

一次網(wǎng)流量的階躍調(diào)節(jié)也會(huì)直接導(dǎo)致一次網(wǎng)的負(fù)荷輸出特性和一次網(wǎng)回水溫度變化,一次網(wǎng)的回水溫度變化與階躍流量的變化如圖4,一次網(wǎng)流量增加會(huì)使輸出功率增加的同時(shí)減少供回水溫差,而且響應(yīng)時(shí)間特性會(huì)隨階躍流量的大小變化,當(dāng)階躍流量較大時(shí),系統(tǒng)的水流速會(huì)明顯加快,這和二次網(wǎng)的定速系統(tǒng)反應(yīng)特性明顯不同。

圖4 一次網(wǎng)階躍流量時(shí)一次網(wǎng)回水溫度響應(yīng)特性Fig.4 Response of the temperature in the first loop according to the change of the flow rate in the first loop

由一次網(wǎng)變頻回水加壓泵產(chǎn)生階躍型流量增加時(shí),鍋爐的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖5,從圖中可以看出,在模擬的條件下,回水泵加壓泵產(chǎn)生的階躍性流量越小,鍋爐的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間越短,但是達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間也約需50 min以上,而當(dāng)階躍性流量增加到25%和40%時(shí),鍋爐動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間會(huì)增加到約2 h左右,這是因?yàn)橄到y(tǒng)的大的熱慣性和時(shí)滯性起到重要作用,由此可以合理地制定鍋爐的負(fù)荷響應(yīng)策略,增加系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和合理性。

圖5 一次網(wǎng)階躍流量時(shí)鍋爐熱負(fù)荷響應(yīng)特性Fig.5 Response of the load of the boiler according to the change of the flow rate in the first loop

由系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性制定的運(yùn)行調(diào)節(jié)策略及系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律如圖6,從圖中可以看出,為了實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)所需的負(fù)荷要求,系統(tǒng)需要提前90 min左右開始調(diào)節(jié),根據(jù)不同的負(fù)荷變化所需要的調(diào)節(jié)時(shí)間不同,可以大體實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)提供的熱量與系統(tǒng)所需的熱負(fù)荷相匹配,從而實(shí)現(xiàn)按需供熱,實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性供熱,減少系統(tǒng)能量浪費(fèi)。

圖6 按設(shè)計(jì)運(yùn)行策略運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)負(fù)荷特性Fig.6 Response of the load of the system according to the designed operation strategy

4 結(jié) 論

集中供熱系統(tǒng)是一個(gè)大慣性、大時(shí)滯性系統(tǒng),傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)很難具有靈活的調(diào)節(jié)性,分布式變頻泵系統(tǒng)的采用,大大增強(qiáng)了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性,便于實(shí)現(xiàn)按需供熱。本文通過一分布式變頻集中供熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬,得到了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律,根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和負(fù)荷需求特性制定合理的運(yùn)行調(diào)節(jié)策略,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與節(jié)能提供了參考。

從模擬的結(jié)果可以看到,針對(duì)特定的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的合理調(diào)節(jié)具有總要的意義,而系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不但和調(diào)節(jié)策略相關(guān),而且和系統(tǒng)的規(guī)模以及一次管網(wǎng)的服務(wù)半徑有直接聯(lián)系,分布式變頻集中供熱系統(tǒng)的各部分動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不盡相同,本文僅從能量角度進(jìn)行了模擬和分析。由于系統(tǒng)屬于不同容量的多泵系統(tǒng)的并聯(lián)運(yùn)行,且運(yùn)行工況處于多變狀態(tài),因此水力工況千變?nèi)f化,而系統(tǒng)的水力特征會(huì)直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與效果,研究系統(tǒng)的優(yōu)化服務(wù)半徑以及水力工況的穩(wěn)定性,將對(duì)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義,有待于進(jìn)一步深入研究。

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