動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)的應(yīng)用分析

王鵬飛 吳志湘 岳斌佑

摘要：為研究動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)的應(yīng)用效果，闡述了動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)在環(huán)狀供熱管網(wǎng)應(yīng)用的形式，比較了傳統(tǒng)枝狀熱網(wǎng)和環(huán)狀熱網(wǎng)的區(qū)別，以及動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)的原理、水壓圖及運(yùn)行方式。并同傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行了能耗對(duì)比，結(jié)果表明：環(huán)狀管網(wǎng)和動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)的結(jié)合既提升了供熱系統(tǒng)的可靠性，也達(dá)到了節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng);環(huán)狀管網(wǎng);枝狀管網(wǎng);熱源泵;用戶泵

中圖分類號(hào)：TU833

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）4-0185-05

1 引言

動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)[1]作為節(jié)能的一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用廣泛，隨著人民生活水平的提高，供熱系統(tǒng)的可靠性越來(lái)越受到關(guān)注。通常采用枝狀管網(wǎng)改為環(huán)狀管網(wǎng)等方案來(lái)提高系統(tǒng)可靠性。動(dòng)力分布式與環(huán)狀管網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合，對(duì)減少供熱管網(wǎng)輸配能耗，提高供熱系統(tǒng)可靠性具有重要作用。然而目前動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)的研究只局限在枝狀管網(wǎng)，針對(duì)環(huán)狀管網(wǎng)的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)少有提及，此外環(huán)狀管網(wǎng)運(yùn)行方式對(duì)動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)影響的理論研究也少有論述。本研究通過(guò)借鑒動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，從管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、水壓圖、壓差控制點(diǎn)及循環(huán)水泵的選擇對(duì)動(dòng)力分布式在環(huán)狀及枝狀管網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)合傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)，對(duì)動(dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行了能耗計(jì)算，為動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)的應(yīng)用提供思路。

2 動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)

2.1 概述

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的循環(huán)泵根據(jù)最遠(yuǎn)的、最不利的用戶選擇，并設(shè)置在熱源處，以克服熱源、熱網(wǎng)及用戶系統(tǒng)阻力。這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，在供熱系統(tǒng)的近端用戶處形成了過(guò)多資用壓頭。為降低近端用戶流量，須設(shè)置調(diào)節(jié)閥，將多余資用壓頭消耗掉，使得無(wú)效電耗相應(yīng)增加。此外，傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)還易形成冷熱不均現(xiàn)象，由于近端用戶出現(xiàn)過(guò)多資用壓頭，若缺乏有效調(diào)節(jié)，造成近端用戶流量超標(biāo)，遠(yuǎn)端用戶流量不足，供回水壓差小。這種情況下，為改善供熱效果須提高遠(yuǎn)端用戶資用壓頭，常采用加大循環(huán)泵或在末端增設(shè)加壓泵以改善供熱效果，然而這種方式容易造成供熱系統(tǒng)流量超標(biāo)，導(dǎo)致大流量小溫差。為解決傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中水力失調(diào)、冷熱不均等問(wèn)題，常采用動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)。

動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)分為動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)和動(dòng)力分布式三級(jí)泵供熱系統(tǒng)兩類，其中動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)常被應(yīng)用。動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)利用分布在用戶端的循環(huán)泵取代調(diào)節(jié)閥，使得原來(lái)在調(diào)節(jié)閥上消耗的多余壓頭變?yōu)橛煞植际阶冾l泵提供的資用壓頭，同時(shí)將熱媒由熱源泵被動(dòng)“推送”到各用戶處變?yōu)橛捎脩舯脧臒嵩刺幹鲃?dòng)的“抽取”流體。

2.2 動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)是不同于傳統(tǒng)集中供熱的，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃與傳統(tǒng)的集中供熱管網(wǎng)也有所不同[2]，在進(jìn)行動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按以下思路進(jìn)行。

（1）管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，計(jì)算管網(wǎng)的阻力。

（2）選擇壓差控制點(diǎn)，不同的壓差控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的設(shè)備初投資和管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用，應(yīng)按技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)行選擇。

（3）選擇主循環(huán)泵，主循環(huán)泵的選擇考慮兩方面。①流量要求，應(yīng)能提供管網(wǎng)的全部循環(huán)流量，其計(jì)算公式如下：

G= 0.86×Q/△t

（1）

式（1）中：G為系統(tǒng)的循環(huán)水流量（m3/h）;Q為熱量需求（kW）;△t為供回水溫差（℃）。②揚(yáng)程要求，應(yīng)滿足熱源到壓差控制點(diǎn)間管網(wǎng)阻力。

（4）分布式變頻泵的選擇，主要考慮滿足該分支用戶的阻力和流量。動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行的前提，為達(dá)到合理設(shè)計(jì)，首要問(wèn)題是分布式系統(tǒng)壓差控制點(diǎn)的確定和主循環(huán)泵的選取。當(dāng)壓差控制點(diǎn)選在供熱管網(wǎng)中部時(shí)，系統(tǒng)各處壓力隨流量變化較小，系統(tǒng)運(yùn)行更為穩(wěn)定。主循環(huán)泵的揚(yáng)程應(yīng)滿足熱源到壓差控制點(diǎn)間管網(wǎng)阻力。主循環(huán)泵的揚(yáng)程選擇合理，可以降低動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)的初投資。從理論上講，在設(shè)計(jì)工況流量下，應(yīng)使主循環(huán)泵向第一個(gè)用戶所提供的資用壓頭等于或小于用戶所需要的壓頭即可，但這樣選擇可能會(huì)造成各用戶的回水加壓泵選擇過(guò)大，造成初投資過(guò)大。因此，主循環(huán)泵揚(yáng)程要通過(guò)綜合分析主循環(huán)泵和回水加壓泵的投資來(lái)確定，這主要是從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)考慮的[2]。

3 動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)和枝狀管網(wǎng)的應(yīng)用

由于動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)和枝狀管網(wǎng)的應(yīng)用差異實(shí)質(zhì)就是兩種管網(wǎng)的差異?？赏ㄟ^(guò)借鑒動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，從管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、水壓圖、壓差控制點(diǎn)及循環(huán)水泵的選擇幾個(gè)方面，來(lái)對(duì)環(huán)狀管網(wǎng)與枝狀管網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

所謂“拓?fù)洹本褪前褜?shí)體抽象成與其大小、形狀無(wú)關(guān)的“點(diǎn)”，而把連接實(shí)體的線路抽象成“線”，進(jìn)而以圖的形式來(lái)表示這些點(diǎn)與線之間關(guān)系的方法，其目的在于研究這些點(diǎn)、線之間的相連關(guān)系。表示點(diǎn)和線之間關(guān)系的圖被稱為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。兩種管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖見圖1。圖a為枝狀供熱管網(wǎng)，其中r為熱源，u1、u2、u3、u4、u5分別為熱用戶。假定供回水管路完全對(duì)稱，若將熱用戶u3、u4用管路連接，則供熱管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變?yōu)榄h(huán)狀管網(wǎng)，環(huán)狀管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖b[3]。觀察兩種管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，枝狀管網(wǎng)中，用戶u3的用水量須經(jīng)用戶u2所在的通路，而環(huán)狀管網(wǎng)，用戶u3的用水量可由兩條通路提供，分別經(jīng)過(guò)用戶u2和u4。若熱用戶u2到u3管段發(fā)生故障無(wú)法供水，用戶u3可經(jīng)u4所在通路獲得水量。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀管網(wǎng)相較于枝狀管網(wǎng)供水可靠性得到提高。

3.2 水壓圖

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)論是布置成枝狀還是環(huán)狀，普遍做法是在熱源處布置循環(huán)泵，循環(huán)泵揚(yáng)程根據(jù)最遠(yuǎn)的、最不利的用戶選擇，克服熱源、熱網(wǎng)和用戶系統(tǒng)阻力。熱源循環(huán)泵下兩種管網(wǎng)水壓圖見圖2。

觀察兩種管網(wǎng)水壓圖發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀管網(wǎng)供回水壓力線變化較為平緩，這是因?yàn)榄h(huán)狀管網(wǎng)有一定的備用結(jié)構(gòu)，使得熱網(wǎng)干線管徑相對(duì)較大，比摩阻較小，從而干線損失小。此外，相同資用壓頭，環(huán)狀管網(wǎng)熱源處水泵的總壓頭比枝狀管網(wǎng)小。圖中陰影部分為需要用閥門的節(jié)流損失，觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱用戶所需壓降相同時(shí)，環(huán)狀管網(wǎng)的節(jié)流損失比枝狀管網(wǎng)少，這是因?yàn)闊崴诃h(huán)狀供熱管網(wǎng)中分布均勻，從而滿足遠(yuǎn)離熱源的用戶u3的流量分配，使得熱網(wǎng)總節(jié)流損失減少。

相比枝狀管網(wǎng)，環(huán)狀管網(wǎng)具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）安全可靠。環(huán)網(wǎng)上如果某處出了事故，只要關(guān)閉該管段兩側(cè)的閥門進(jìn)行搶修，其他管段照常運(yùn)行，而枝狀管網(wǎng)辦不到。

（2）可擴(kuò)展性較強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)環(huán)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，可以一次設(shè)計(jì)分別實(shí)施，條件具備后再連接成多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱的大環(huán)型管網(wǎng)。這樣做可以保證熱用戶增長(zhǎng)的需要，節(jié)省初期投資。

（3）適應(yīng)性較強(qiáng)。由于設(shè)計(jì)時(shí)不可能準(zhǔn)確預(yù)計(jì)未來(lái)負(fù)荷的增長(zhǎng)情況，所以隨著熱用戶增加在枝狀管網(wǎng)上常出現(xiàn)某一支管線所承擔(dān)的負(fù)荷超出設(shè)計(jì)能力，而另一支相臨管線則熱負(fù)荷嚴(yán)重不足，這時(shí)把該二支管線適當(dāng)位置連接起來(lái)就可以“互通有無(wú)”，同時(shí)也節(jié)約了循環(huán)水泵的電能。由此可見，環(huán)狀管網(wǎng)在一定程度上可以適應(yīng)供熱負(fù)荷的變化。

3.3 動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)在枝網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)中的應(yīng)用對(duì)比

動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)在兩種供熱管網(wǎng)的應(yīng)用布置見圖3，其中圖3（a）為動(dòng)力分布式二級(jí)泵系統(tǒng)在枝狀管網(wǎng)的布置圖，圖3b為動(dòng)力分布式二級(jí)泵系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)的布置圖。從圖中看可以看出，兩種布置方案除了本身的管網(wǎng)布置區(qū)別外，都是在熱源處和用戶ul～u5處設(shè)置變頻水泵。在設(shè)計(jì)工況下，兩種管網(wǎng)的動(dòng)力分布式布置方案中的水流方向如圖中實(shí)線箭頭方向所示。

動(dòng)力分布式枝狀供熱管網(wǎng)水壓圖見圖4，觀察水壓圖發(fā)現(xiàn)，熱源泵只負(fù)責(zé)熱源內(nèi)部循環(huán)和到零壓差點(diǎn)的阻力，用戶泵負(fù)責(zé)提供的揚(yáng)程用來(lái)克服零壓差點(diǎn)到用戶所在環(huán)路阻力，所有用戶處均無(wú)節(jié)流損失，所需用量根據(jù)用戶需要在本地調(diào)節(jié)水泵。動(dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)中熱源循環(huán)泵除負(fù)責(zé)熱源內(nèi)部的循環(huán)外，還負(fù)責(zé)承擔(dān)熱源至供水干網(wǎng)的輸配功能，其揚(yáng)程應(yīng)包括熱源內(nèi)部（包括鍋爐）的系統(tǒng)壓降和至供水干網(wǎng)的輸送壓降。分布式用戶泵的揚(yáng)程為用戶（熱力站）到主干網(wǎng)之間的循環(huán)環(huán)路的壓降之和水壓圖見圖5，水壓圖實(shí)線部分是熱源循環(huán)泵建立的，由于熱源循環(huán)泵，熱水，熱量由熱源“推向”供水干網(wǎng)的，因此，供水干網(wǎng)的水壓圖是供水壓力大于回水壓力，在水力匯交點(diǎn)（用戶u3）處，供水壓力最低，回水壓力最高。且水力坡線比較平緩，資用壓頭的最大值和最小值相差不大，設(shè)計(jì)時(shí)可將最小壓差值保持在5～10m Hz0之間。水壓圖虛線部分表明了主干網(wǎng)到用戶（熱力站）之間的壓力分布狀況。以用戶u2為例，其零壓差點(diǎn)02設(shè)計(jì)在熱力站之前，主干網(wǎng)上的供回水資用壓頭全部變?yōu)橐患?jí)網(wǎng)的輸出動(dòng)力，避免了節(jié)流損失造成的無(wú)功電耗[4]。

對(duì)比得到動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)與枝狀管網(wǎng)應(yīng)用差異如下。

（1）環(huán)狀管網(wǎng)的主干線是環(huán)狀，部分支線仍是枝狀，枝狀管網(wǎng)中主干線和用戶支線均為枝狀。

（2）環(huán)狀管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較枝狀管網(wǎng)更為復(fù)雜，部分管段因?yàn)楣r變化流向可能也會(huì)發(fā)生變化。

（3）環(huán)狀管網(wǎng)因?yàn)橛兄辽賰蓚€(gè)回路，所以主環(huán)網(wǎng)上存在水力匯交點(diǎn)，該點(diǎn)用戶的水源來(lái)自兩個(gè)方向，這也導(dǎo)致動(dòng)力分布式應(yīng)用時(shí)壓差控制點(diǎn)會(huì)有不同。

（4）動(dòng)力分布式在環(huán)狀管網(wǎng)的零壓差點(diǎn)分布在每條用戶支線用戶（熱力站）之前，枝狀管網(wǎng)分布在主干線上。

（5）因?yàn)橛脩艨梢詮牟煌芈饭┧?，所以?dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)對(duì)工況變化的適應(yīng)能力較動(dòng)力分布式枝狀管網(wǎng)更好。

4 動(dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)與傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)的比較

4.1 系統(tǒng)布置

傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)與動(dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)布置見圖5。其中，圖5a環(huán)狀管網(wǎng)采用的是傳統(tǒng)熱源循環(huán)泵，圖5b環(huán)狀管網(wǎng)中采用動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)布置，兩者的管道布置相同，不同的是動(dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)中用戶泵代替了傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)中用戶處的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)用戶需要變流量時(shí)，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)用戶泵的頻率即可完成。

4.2 能耗

為分析動(dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)與傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)間能耗差異，以某環(huán)狀管網(wǎng)為例，進(jìn)行案例計(jì)算。某環(huán)狀管網(wǎng)布置見圖6。其中，設(shè)計(jì)供、回水溫為95℃/70℃;熱用戶的需用壓頭都為10 mH2O，用量為100 m³/h;熱源內(nèi)部的消耗壓頭為15 mH20，局部阻力為沿程阻力的30%。

為方便討論，傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)為方案1，系統(tǒng)布置見圖5a，動(dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)為方案2，系統(tǒng)布置見圖5b。

4.2.1 設(shè)計(jì)工況能耗

循環(huán)泵的能耗為：N=QH/367η

（2）

式（2）中：N-泵的能耗kW;Q-泵的循環(huán)流量，m³/h;H泵的揚(yáng)程，mH2O;η-泵的效率，熱源泵效率取η=80%，用戶泵效率η=75%。經(jīng)水力計(jì)算，熱源和用戶的流量及水泵的揚(yáng)程，計(jì)算結(jié)果見表1。

對(duì)比表1中泵的能耗，該案例設(shè)計(jì)工況條件下，動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)水泵方案比傳統(tǒng)的熱源循環(huán)泵方案可節(jié)省泵功消耗23.9%。

4.2.2 裝機(jī)容量

由泵耗可知，方案2的泵耗較方案1的泵耗低，這會(huì)導(dǎo)致方案2配電室的裝機(jī)容量較方案1的低，采用方案2比方案1節(jié)電。

4.2.3 運(yùn)行能耗

以用戶ul變流量調(diào)節(jié)為例，運(yùn)行調(diào)節(jié)工作點(diǎn)變化見圖7，觀察圖形發(fā)現(xiàn)，Ql到Q2有兩種調(diào)節(jié)方案，其工作流程：方案1通過(guò)調(diào)節(jié)閥門改變管網(wǎng)特性曲線由I到Ⅱ，并與水泵特性曲線ni交于點(diǎn)C，此時(shí)，揚(yáng)程為HC，HCCQ20的面積為水泵的有效功率;方案2中，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，水泵工作曲線由n1到n2，工作點(diǎn)由A到B，流量由Q1到Q2，轉(zhuǎn)速由m1降至m2，根據(jù)相似原理[6]，水泵的特性曲線由，n1變?yōu)榍€m2，而管網(wǎng)的特性曲線不變，管網(wǎng)特性曲線I與水泵特性曲線n2交于點(diǎn)B，揚(yáng)程變?yōu)镠B，相比Hc揚(yáng)程減小。HBBQ2O面積即為水泵的有效功率，可以看出，兩種方法都可以達(dá)到變流量的效果。由于方案1通過(guò)閥門調(diào)節(jié)需要的有效功率遠(yuǎn)高于通過(guò)降低水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需要的有效功率，圖中HCCBHB的陰影面積即為變頻調(diào)節(jié)比閥門調(diào)節(jié)節(jié)省的功率AP。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)比傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)節(jié)能[7，8]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析得到，動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)應(yīng)用于環(huán)狀管網(wǎng)后，供熱系統(tǒng)的可靠性不僅得到提高，管網(wǎng)輸配的能耗也相應(yīng)減少;當(dāng)管段出現(xiàn)故障需要檢修時(shí)，環(huán)狀管網(wǎng)使動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)的可及性得到提高;一定條件下，環(huán)狀管網(wǎng)的水力分配更均勻，動(dòng)力分布式二級(jí)泵供熱系統(tǒng)應(yīng)用到單熱源環(huán)狀管網(wǎng)節(jié)能率較應(yīng)用于單熱源枝狀管網(wǎng)要低一些。隨著供熱規(guī)模越來(lái)越大，供熱管網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性十分重要，動(dòng)力分布式環(huán)狀管網(wǎng)將是一個(gè)合理經(jīng)濟(jì)的供熱輸配方式。

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