阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

楊京新

摘要：本文在對阻力分布式變頻泵系統(tǒng)原理進(jìn)行概述基礎(chǔ)上，以某市的集中供熱系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)，并對比分析傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的熱耗能主要原因，對比傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的節(jié)能、技術(shù)成效。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)，節(jié)能技術(shù)效果更加顯著，以及運(yùn)用于城市集中供熱中的巨大優(yōu)勢。

Abstract： Based on an overview of the principle of the resistance distributed variable frequency pump system， this paper takes a city's centralized heating system as an example， and designs a resistance distributed variable frequency heating system， and compares and analyzes the main energy consumption of traditional heating systems. The reasons are compared with the energy saving and technical effects of traditional heating systems. The results show that the resistance distributed variable frequency heating system designed in this paper has more significant energy-saving technology effects and great advantages in urban central heating.

關(guān)鍵詞：阻力分布式變頻系統(tǒng);供熱;節(jié)能

0? 引言

本文設(shè)計(jì)提出的分布式變頻泵供熱系統(tǒng)，通過在熱源處設(shè)計(jì)主循環(huán)泵，該泵不僅可以實(shí)現(xiàn)對供熱系統(tǒng)循環(huán)的動(dòng)力所需有效滿足，還能夠借助用戶熱力站負(fù)責(zé)提供剩余動(dòng)力，這樣一來便可以達(dá)到預(yù)期降低主循環(huán)泵揚(yáng)程與電機(jī)功率的效率，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)流量避免節(jié)流引發(fā)能量損耗問題。[1]本文將結(jié)合某一城市供熱系統(tǒng)展開本次阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

1? 分布式變頻泵供熱系統(tǒng)原理及優(yōu)點(diǎn)

分布式變頻泵系統(tǒng)自提出運(yùn)用于供熱系統(tǒng)中的水壓圖（見圖1）。在傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)運(yùn)用中主要通過將循環(huán)水泵設(shè)計(jì)于熱源處，該循環(huán)水泵在運(yùn)用中必須滿足對于供熱系統(tǒng)最不利用戶的資用壓頭需求，揚(yáng)程作為熱源阻力損失、熱網(wǎng)阻力損失以及末端熱用戶的資用壓頭總和。相比傳統(tǒng)循環(huán)泵，分布式變頻泵供熱系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：[2]一有著較高的供熱管網(wǎng)熱負(fù)荷適應(yīng)能力，通過運(yùn)用分布式變頻泵供熱系統(tǒng)，可以減小熱力站的回水加壓泵功率，并且還能夠達(dá)到較強(qiáng)揚(yáng)程移動(dòng)能力和供熱管網(wǎng)熱負(fù)荷適應(yīng)性能;二是對于供熱管道的公稱壓力有所降低，并且可以縮減不必要的供熱管道成本投入，經(jīng)一半閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)主循環(huán)泵對最不利末端用戶的資用壓頭需求有效滿足前提下，熱源處的主循環(huán)泵僅提供部分動(dòng)力，各熱力處提供剩余動(dòng)力，有效降低了管道公稱壓力及總供水壓力;三是有效增加了供熱管網(wǎng)的輸送效率，避免傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)需要滿足最末端用戶資用壓頭需求，選擇消耗大量剩余壓頭的情況。

2? 案例概述

為了對比本文設(shè)計(jì)的阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)及傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)，選取某市集中供熱系統(tǒng)為了，該市的供熱系統(tǒng)集中于大型電廠主要供熱，小型電廠、區(qū)域鍋爐房輔助供熱的集中供熱形式。敷設(shè)供熱管網(wǎng)全長共計(jì)2×93.5km，DN1200的最大管徑和DN200的最小管徑。并新建了1座熱源廠中共計(jì)安裝2臺(tái)燃煤熱鍋爐，均為70MW功以及共計(jì)150座熱力站，達(dá)到2570m2的集中供熱面積，熱負(fù)荷的最大、最小比值為1：0.38。該項(xiàng)目定壓值=45.8mH2O，一級官網(wǎng)的最不利環(huán)路供回水形成1088kPa的阻力損失，最末端熱力站達(dá)0.10MPa的站內(nèi)阻力損失，熱電廠供熱首站達(dá)0.15MPa的內(nèi)部阻力損失。

3? 阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)供熱系統(tǒng)管網(wǎng)完成阻力值計(jì)算，對零壓差點(diǎn)的所在位置加以確定，并繪制系統(tǒng)水壓圖，對于不同零壓差點(diǎn)所需的差異化設(shè)備、管網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用投資，應(yīng)當(dāng)對應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析針對性選擇，但基本原則需要以盡可能達(dá)到靠近熱源節(jié)能效果最優(yōu)化[3]。在選擇主循環(huán)泵時(shí)需要考慮揚(yáng)程、流量兩方面問題，首先揚(yáng)程應(yīng)當(dāng)作為熱源、零壓力差之間形成的供、回水管網(wǎng)阻力值，流量則應(yīng)當(dāng)滿足熱用戶的流量總和。最后在選擇回水加壓泵時(shí)，同樣應(yīng)當(dāng)保證流量滿足熱用戶流量總和，揚(yáng)程滿足供水管的壓力消耗熱用戶產(chǎn)生阻力損失，之后所回水管的所需阻力損失值。

4? 供熱系統(tǒng)方案對比分析

4.1 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)方案

（見圖2）作為傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)水壓圖，由熱源循環(huán)水泵承擔(dān)管網(wǎng)系統(tǒng)的總阻力，循環(huán)水泵流量為管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的所有熱用戶流量總和，根據(jù)水壓圖想要滿足供熱系統(tǒng)需求，熱電廠的循環(huán)水泵揚(yáng)程便應(yīng)當(dāng)滿足133.8mH2O，但是供水最大壓力則達(dá)到179.6mH2O，所以供熱管網(wǎng)及熱力站設(shè)備壓力等級應(yīng)當(dāng)選擇2.5MPa，壓力等級選擇較一般選擇的1.6MPa，在整體投資上需要增加超出50%，所致供熱管網(wǎng)及熱力站設(shè)備投資要增加上億。也根據(jù)圖2可見想要達(dá)到供熱系統(tǒng)節(jié)能，就應(yīng)當(dāng)減少所使用的調(diào)節(jié)閥，運(yùn)行能耗最小化設(shè)計(jì)便是用戶均無運(yùn)用調(diào)節(jié)閥。

4.2 阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)

分別單獨(dú)設(shè)置熱源泵以及用戶泵，來達(dá)到節(jié)能目的，假若全部由用戶泵承擔(dān)所有供熱管網(wǎng)泵工功能，也同樣會(huì)所致供熱系統(tǒng)的末端部分熱力站超出1.6MPa的總壓力。因此本文設(shè)計(jì)主循環(huán)泵、用戶泵分擔(dān)熱網(wǎng)阻力損失。結(jié)合水力計(jì)算將壓力交匯點(diǎn)確定為管網(wǎng)內(nèi)的阻力損失中值，熱循環(huán)泵與熱力站的用戶泵承擔(dān)，分別承擔(dān)壓力交匯點(diǎn)前、后所產(chǎn)生的管網(wǎng)阻力損失，（見圖3）從而對供熱系統(tǒng)的供熱管網(wǎng)具體運(yùn)行壓力有效降低，達(dá)到供熱壓力值最小化。據(jù)下圖也反映了實(shí)現(xiàn)最小化供熱壓力值達(dá)到115.4mH2O。自壓力交匯點(diǎn)之后產(chǎn)生的供熱管道壓力損失，主要以變頻泵承擔(dān)，此種方式并未發(fā)生損失節(jié)流問題。不僅如此還有效降低了主熱源和供熱回水交匯點(diǎn)之間的供水、回水具體差值，有效減小了節(jié)流損失，證實(shí)阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠有效減少熱力站閥門節(jié)流損失，并且對循環(huán)供熱管網(wǎng)的輸送效率有效提升[4]。

根據(jù)圖3在外網(wǎng)向用戶1提供的資用壓頭，與其本來資用壓頭需求等同，所以供熱系統(tǒng)的近端用戶無需運(yùn)用閥門，降低了閥門成本投入，并且較原本所需的資用壓頭較少，甚至在用戶4發(fā)生回水壓力較供水壓力大的情況，所以想要確保供熱系統(tǒng)的運(yùn)行正常，便需要將變頻泵設(shè)于用戶2～4回水。根據(jù)圖3所示變頻泵揚(yáng)程主要用豎直線高度表示，與上文的揚(yáng)程計(jì)算方法描述結(jié)合，計(jì)算供熱系統(tǒng)用戶的回水加壓泵的揚(yáng)程結(jié)果，并計(jì)算供水管道的壓力所致各用戶站的熱阻力損耗，所得回水阻力損失值。對第2個(gè)用戶站的回水加壓泵揚(yáng)程計(jì)算公式為：即可得出斜線I、II差值。

4.3 阻力分布式系統(tǒng)水泵功耗計(jì)算

本小節(jié)僅僅針對最不利環(huán)路情況下的主循環(huán)泵揚(yáng)程計(jì)算情況，換言之就是說對于最不利環(huán)路設(shè)定零壓差點(diǎn)，計(jì)算所得的主循環(huán)泵流量，即表示熱力站的所有總流量值，揚(yáng)程即最不利環(huán)路的附加損失余量值，流量即回水加壓泵流量。揚(yáng)程即最不利、次不利兩個(gè)環(huán)路之間產(chǎn)生的阻力差值，泵總功耗公式如下：

式中：水泵產(chǎn)生的總功耗用Ne表示;系統(tǒng)的次最不利環(huán)路、次最不利環(huán)路的阻力損失值及選擇熱源水泵運(yùn)行效率分別用HK-1、？濁K-1表示;供熱系統(tǒng)末端用戶回水加壓泵運(yùn)行效率用？濁表示。

根據(jù)公式可知供熱系統(tǒng)的節(jié)能率密切相關(guān)次最不利環(huán)路和最不利環(huán)路之間的阻力比值，以及最不利環(huán)路和總流量之間的比值，二者呈負(fù)相關(guān)。

4.4 兩方案經(jīng)濟(jì)比較

通過對比以上兩方案對于排除考慮傳統(tǒng)方案在土建、征地等方面的所需費(fèi)用以及調(diào)節(jié)閥費(fèi)用情況下，經(jīng)計(jì)算本文涉及的阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)較傳統(tǒng)方案，節(jié)省了73.15萬元投資，所以無論是節(jié)能或是經(jīng)濟(jì)角度考慮，本文提出的阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)應(yīng)用效果都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)。

5? 結(jié)語

與以上技術(shù)、經(jīng)濟(jì)相結(jié)合能夠發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)不僅可以有效降低供熱系統(tǒng)的閥門節(jié)流損失，還能夠有效減少城市供熱系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的壓力值，降低所需的投資金額綜合提升供熱系統(tǒng)運(yùn)行安全性，并達(dá)到越明顯的節(jié)能效果。所以對于大規(guī)模城市集中供熱系統(tǒng)來講，運(yùn)用本文設(shè)計(jì)的阻力分布式變頻供熱系統(tǒng)，較傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)效果更優(yōu)。在未來的技術(shù)發(fā)展中仍然需要在我國多試點(diǎn)應(yīng)用，從而提高變頻供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平。

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