動力分布式輸配系統(tǒng)的零壓差控制點分析

李姣,吳志湘,呂硯昭,林迪

(1.西安工程大學(xué),陜西 西安 710048;2.西安市建筑設(shè)計研究院,陜西 西安 710054;3.中國新時代國際工程公司,陜西 西安 710054)

動力分布式輸配系統(tǒng)的零壓差控制點分析

李姣1,吳志湘1,呂硯昭2,林迪3

(1.西安工程大學(xué),陜西 西安 710048;2.西安市建筑設(shè)計研究院,陜西 西安 710054;3.中國新時代國際工程公司,陜西 西安 710054)

摘要:分析了動力分布式供熱輸配系統(tǒng)的零壓差控制點的分類及運行調(diào)節(jié)、位置的影響因素,利用工程實例對不同位置的零壓差控制點方案進(jìn)行了模擬計算,對零壓差控制點的選取進(jìn)行了總結(jié)歸納。以期為以后動力分布式輸配系統(tǒng)的工程設(shè)計提供一些參考,以利該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:零壓差控制點;動力分布式輸配系統(tǒng);運行調(diào)節(jié);能耗

1引言

隨著變頻技術(shù)的成熟發(fā)展,動力分布式輸配系統(tǒng)在諸多方面的優(yōu)越性也逐漸得到業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可。動力分布式系統(tǒng)的最大優(yōu)勢即節(jié)電節(jié)能,零壓差控制點選取的位置不同,計算出的節(jié)能率也不同,且對節(jié)能效果的影響也是不可忽視的。零壓差控制點的位置不僅影響其節(jié)能效果,也在水力穩(wěn)定性、初期投資等各方面都有不同程度的影響。由于零壓差控制點不同對動力分布式輸配系統(tǒng)的特點有若干影響,因此合理選取零壓差控制點對動力分布式輸配系統(tǒng)具有重要的意義。

2　零壓差控制點的分類及運行調(diào)節(jié)分析

在動力分布式輸配系統(tǒng)的干管上可以找到一點,該點的供、回水壓差值為零,此點被成為零壓差控制點。系統(tǒng)在運行過程中,隨著流量的改變,零壓差控制點的位置可能也會改變。零壓差控制點根據(jù)其位置的變化與否,可以分為兩類:定零壓差控制點和變零壓差控制點。

2.1　定零壓控制差點的運行調(diào)節(jié)分析

定零壓差控制點調(diào)節(jié)即在系統(tǒng)流量的變化過程中,通過改變熱源循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)管網(wǎng)供回水壓差,保持零壓差控制點的位置不變。各用戶根據(jù)其各自需求調(diào)整用戶泵的轉(zhuǎn)速以獲得相應(yīng)的流量。

圖1　不同水力工況水壓

由水壓圖1可知,定零壓差控制點的運行調(diào)節(jié)方式下,雖然在系統(tǒng)的整個運行過程中水力工況不斷變化但均為相似工況,即各用戶流量與資用壓頭成等比變化。當(dāng)各用戶流量變化時,應(yīng)調(diào)節(jié)熱源循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速變流量,保證零壓差點的位置不變。各用戶循環(huán)泵轉(zhuǎn)速隨之改變以獲取各自所需的流量。這種調(diào)節(jié)方式減少了開啟和停止用戶循環(huán)泵的次數(shù),降低了熱網(wǎng)運行調(diào)節(jié)的難度,且能耗低[1]。

2.2　變零壓差控制點的運行調(diào)節(jié)

變零壓差控制點調(diào)節(jié),即在系統(tǒng)整個運行過程中零壓差控制點的位置處于不斷變化的狀態(tài),這種調(diào)節(jié)方式主要是盡量利用熱源循環(huán)泵滿負(fù)荷運行,滿足供熱系統(tǒng)的輸送要求。在該運行中零壓差控制點的位置隨流量的改變而變化。變零壓差控制點運行調(diào)節(jié)過程為:①供暖初期,室外氣溫較高,熱負(fù)荷較低,則系統(tǒng)循環(huán)流量較小;熱源循環(huán)泵即可滿足最不利用戶的資用壓頭,各用戶循環(huán)泵不用開啟,零壓差控制點不存在,此時相當(dāng)于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)模式運行。②供熱中期,隨著室外氣溫的不斷降低,系統(tǒng)的循環(huán)流量逐漸增大,零壓差控制點逐漸向熱源移動,遠(yuǎn)端各用戶循環(huán)泵由遠(yuǎn)及近逐漸開啟,此時變?yōu)閯恿Ψ植际焦彷斉湎到y(tǒng)模式。③供熱末期,室外氣溫緩慢升高,系統(tǒng)循環(huán)流量又開始逐漸減小,零壓差控制點逐漸又遠(yuǎn)離熱源,從熱源由近及遠(yuǎn)的各用戶循環(huán)泵依次關(guān)閉,直至全部關(guān)閉。動力分布式供熱輸配系統(tǒng)逐漸過度為傳統(tǒng)系統(tǒng)。

變零壓差控制點的運行調(diào)節(jié)過程中各用戶循環(huán)泵的工作時間短,調(diào)節(jié)過程為非相似工況,這種方式的運行沒有定零壓差控制點運行節(jié)能;且此種運行調(diào)節(jié)是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程,對操作人員的要求較高;此種運行調(diào)節(jié)方式要求熱源循環(huán)泵的流量變化范圍大,且用戶循環(huán)泵開啟關(guān)閉的頻率較高,會造成泵的故障率較高使用壽命較短。因此在實際工程中大多還是采用定零壓差點的控制方式。

3零壓差控制點的位置及選取分析

動力分布式供熱輸配系統(tǒng)的合理設(shè)計可以實現(xiàn)管網(wǎng)的高效節(jié)能運行,設(shè)計的首要工作就是要合理選擇零壓差控制點的位置。一般情況熱網(wǎng)存在一個使能耗最低的壓差控制點,也存在一個使熱網(wǎng)穩(wěn)定性最好的壓差控制點,當(dāng)這兩個壓差控制點在熱網(wǎng)的同一位置時,管網(wǎng)的設(shè)計是最優(yōu)的[2]。

3.1　零壓差控制點的位置影響因素

供回水干線的總阻力損失為ΔP,管段長度l,S是管網(wǎng)的總阻抗,流量為G。設(shè)熱源循環(huán)泵的揚程為H提供的是熱源內(nèi)部損失及熱源至零壓差點之間的供回水干管的阻力損失。熱源內(nèi)部損失為,熱源到零壓差控制點之間的部分供回水干線阻力損失為ΔP′,熱源至零壓差點供回水管段總阻抗為S′,零壓差控制點與熱源距離為l′,則有以下公式:

H=h+ΔP′

(1)

ΔP′=S′G2

(2)

綜合以上兩式:

H-h=S′G2

(3)

根據(jù)流體輸配知識,在室外管網(wǎng)的熱水管路中,S是管網(wǎng)的總阻抗,影響S值的參數(shù)有:摩擦阻力系數(shù)λ、管段長度l、直徑(或當(dāng)量直徑)d、局部阻力系數(shù)∑ζ、流體密度ρ。其中λ取決于流態(tài)。由流體力學(xué)知識可知,當(dāng)流動處于阻力平方區(qū)時,λ僅與K/d(管段的相對粗糙度)有關(guān)。在給定管路的條件下,若λ值可視為常數(shù),則有:S=f(l,d,K,∑ζ,ρ)可知,S正比于l、∑ζ、K、ρ,反比于d。對于某一具體管網(wǎng),l、∑ζ、K、ρ、d等均已確定。

動力分布式系統(tǒng)若零壓差點位置不同,則熱源至零壓差控制點供回水管段總阻抗S′與l′成正比變化。設(shè)a為定值,公式(3)可寫成:

H-h=al′G2

(4)

由公式(4)可得:理論上,零壓差控制點的位置與各用戶的流量分配、熱網(wǎng)總流量及熱源循環(huán)泵的揚程等因素相關(guān)。若零壓差控制點之前的用戶流量需求增大或系統(tǒng)總循環(huán)流量增大時,熱源循環(huán)泵的揚程H不變,l′較小,即零壓差控制點的位置在靠近熱源處;當(dāng)熱源循環(huán)泵揚程H增大系統(tǒng)總循環(huán)流量不變時,l較大,即零壓差控制點的位置遠(yuǎn)離熱源。

3.2　工程實例能耗分析

某工程實例為位于西安市的室外工程,工程平面圖如圖2。供熱范圍包括5個住宅建筑,供熱站一次熱源蒸汽,壓力為0.3MPa,供熱站汽水換熱。本小區(qū)供熱管網(wǎng)及采暖用戶均采用變流量系統(tǒng),本工程二次網(wǎng)采用動力分布式二級泵供熱輸配系統(tǒng),本文僅討論二次網(wǎng)系統(tǒng)。供熱站二次采暖的供回水溫度為80~60℃,熱水管網(wǎng)與用戶采用直接連接,最遠(yuǎn)供熱距離為170m,最大管徑為DN125,室外部分采用異程式雙管系統(tǒng),供熱管段為半通行地溝敷設(shè),供回水立管設(shè)在管井內(nèi)。

以這5個熱用戶的熱網(wǎng)為例,總流量為135m3/h用戶1~5的流量分別為26m3/h、30m3/h、28m3/h、24m3/h、27m3/h,用戶1~5的總阻力均為90kPa。設(shè)計方案如下。

方案1:如圖3將零壓差控制點設(shè)在支路E-E′上,此時熱源循環(huán)泵可滿足用戶1、2、3的要求,支路上不設(shè)用戶循環(huán)泵,用戶循環(huán)泵設(shè)在4、5支路上。

圖2　西安市某小區(qū)供熱工程平面

圖3　方案1熱網(wǎng)流程

方案2:如圖4將零壓差控制點設(shè)在支路D-D′上,此時熱源循環(huán)泵可滿足用戶1、2的要求,支路上不設(shè)用戶循環(huán)泵,用戶3~5支路上設(shè)用戶循環(huán)泵。

圖4　方案2熱網(wǎng)流程

方案3:如圖5將零壓差控制點設(shè)在支路C-C′上,此時熱源循環(huán)泵可滿足用戶1的要求,支路上不設(shè)用戶循環(huán)泵,其他用戶2~5支路上均設(shè)用戶循環(huán)泵。

圖5　方案3熱網(wǎng)流程

方案4:如圖6壓差控制點設(shè)在支路B-B′上,此時熱源循環(huán)泵只承擔(dān)機(jī)房內(nèi)的循環(huán),用戶1~5支路上均設(shè)用戶循環(huán)泵。

圖6　方案4熱網(wǎng)流程

已知流量和阻力,查出泵的效率,計算所得各方案的能耗如表1。

通過表1分析可得,對于動力分布式輸配系統(tǒng),方案1零壓差控制點的位置在熱網(wǎng)遠(yuǎn)端處,此時耗電量最大,節(jié)能效果最差。方案3的電功耗相對其他方案較小,靠近熱源的用戶1資用壓頭恰好等于設(shè)計需用壓頭,而其它用戶2~5的資用壓頭不足則需設(shè)用戶循環(huán)泵。理論上,此時系統(tǒng)中無任何閥門阻力節(jié)流,熱水輸送的動力消耗為需用能耗。零壓差控制點的最佳位置即設(shè)在熱網(wǎng)中部靠近熱源處(熱網(wǎng)1/3處),系統(tǒng)節(jié)能效果較好。

表1　各方案電功耗表

2.3　零壓差控制點的選取分析

零壓差控制點的位置不同,對應(yīng)著不同的設(shè)備數(shù)量,對系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性、初期投資和運行費用等均有影響[4]。特別是對系統(tǒng)能耗影響較大,零壓差點位置不同其節(jié)能效果不同。分為以下兩種情況。

(1)對于系統(tǒng)形式較為簡單,規(guī)模較小的枝狀連接管網(wǎng),當(dāng)零壓差控制點的位置取在熱網(wǎng)的兩端時,能耗較高,節(jié)能效果較差;取在熱網(wǎng)最末端時,此時相當(dāng)于傳統(tǒng)系統(tǒng),電功率最高,節(jié)能效果最差;當(dāng)零壓差控制點移向熱網(wǎng)中部時,系統(tǒng)的電功率逐漸減小,取在中部靠近熱源(即熱網(wǎng)的1/3處),系統(tǒng)的總能耗可能最低。

(2)對于系統(tǒng)形式較為復(fù)雜,規(guī)模較大的枝狀連接管網(wǎng),零壓差控制點選在負(fù)荷較為集中處,有利于提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性[4]。

3結(jié)語

本文結(jié)合現(xiàn)有的研究理論,在此基礎(chǔ)上利用某工程實例,對零壓差控制點位置不同的方案進(jìn)行了模擬計算分析。并對零壓差控制點的選取做了一定的歸納總結(jié)。目的是通過本文的分析,為以后的設(shè)計應(yīng)用提供一定的參考幫助,促進(jìn)分布式輸配系統(tǒng)這一新技術(shù)的發(fā)展。在建設(shè)投資方面,零壓差點位置不同,用戶泵的數(shù)量也不同,因此初投資費用不同[5];在節(jié)能方面,不同零壓差點對應(yīng)不同的能耗,節(jié)能效果不一樣,因此造成運行費用的差異;從系統(tǒng)的水力工況角度出發(fā),零壓差點的不同對系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性也會造成一定的影響。

合理選取系統(tǒng)的零壓差控制點對分布式供熱輸配系統(tǒng)具有重要的意義,同時,又因零壓差控制點不同,對分布式輸配系統(tǒng)的特點有若干影響。因此,對零壓差控制點的選取要經(jīng)過綜合分析確定。

參考文獻(xiàn):

[1] 秦冰,秦緒忠,謝勵人,等.分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)方式[J].煤氣與熱力,2007(2):73~75.

[2] 姚東文,邱林.分布式變頻泵供熱系統(tǒng)節(jié)能影響因素[J].煤氣與熱力,2010(4):14~17.

[3] 王紅霞,石兆玉,李德英.分布式變頻供熱輸配系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].區(qū)域供熱,2005(1):31~38.

[4] 陳亞芹.分布式變頻熱網(wǎng)的運行調(diào)節(jié)方案[D].北京:清華大學(xué),2005.

[5] 劉曉敏.淺談分布式變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2003(10):259~260.

Analysis on the Zero-pressure Control Point of Distributed Heating System

Li Jiao1,Wu Zhixiang1,Lü Yanzhao2,Lin Di3

(1.Xi'anpolytechnicuniversity,Xian710048China;2.Xi'anarchitecturaldesignand

researchinstitute,Xian710054China;3.Chinanewerainternationalengineering

corporation,Xian710054China)

Abstract:This paper briefly analyzes the classification,operation and position factors of zero-pressure control points in a distributed heating system.Then simulates different position of zero-pressure point according to practical engineering projects.Finally,it summarizes the selection of zero-pressure control point.The purpose of this paper is to provide a reference for engineering design of distributed heating systems and facilitate this technology application in the future.

Key words:zero-pressure control points;distributed heating system;operation regulation;energy consumption

中圖分類號:TB65

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1674-9944(2015)01-0269-03

作者簡介:李姣(1989—),女,陜西延安人,西安工程大學(xué)碩士研究生。

收稿日期:2014-12-05