分布式供熱輸配系統(tǒng)理論解析

北京建筑大學(xué) 李德英

0 引言

所謂分布式變頻輸配系統(tǒng)就是分級泵變流量輸配系統(tǒng)，其主要特點是通過合理匹配分級泵，調(diào)節(jié)水泵電動機(jī)頻率改變其流量，以替代調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，從而起到“以泵代閥”的作用。其一增強(qiáng)了供熱系統(tǒng)流量的可調(diào)性，可有效解決系統(tǒng)水力失調(diào)現(xiàn)象，進(jìn)而減少因熱力失調(diào)導(dǎo)致過度供熱的熱損失；其二可以減少調(diào)節(jié)閥的節(jié)流電耗損失[1]。

從設(shè)計角度看，分布式變頻輸配系統(tǒng)和集中輸配系統(tǒng)相比較，無論多級循環(huán)水泵如何布置，二者管網(wǎng)系統(tǒng)的流量分配是完全相同的。根據(jù)特勒根定理進(jìn)行理論分析，2種輸配方式相比較，管網(wǎng)系統(tǒng)(管道)流量輸配所消耗的能量也是完全相同的。但是集中輸配系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)閥對近端用戶節(jié)流，必然要消耗能量，所以會額外增加循環(huán)水泵的電耗。

從水力工況看，二者的區(qū)別只是分布式變頻輸配系統(tǒng)比集中輸配系統(tǒng)減少了調(diào)節(jié)閥節(jié)流的能耗損失。所以從理論上講，前者循環(huán)水泵輸配電耗可減少20%～30%[2-3]。然而在實際工程應(yīng)用中，有的分布式變頻輸配系統(tǒng)的節(jié)能效果并不明顯，有時其輸配電耗比集中輸配系統(tǒng)還要高，自然引起質(zhì)疑，問題何在？

通過實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)工程設(shè)計和管理技術(shù)人員忽略了一個重要問題，那就是在循環(huán)水泵設(shè)計選配時沒有校核水泵可能達(dá)到的運行效率，運行管理使用者也沒有進(jìn)行水泵效率現(xiàn)場監(jiān)測。所以大多數(shù)供熱系統(tǒng)普遍存在水泵匹配遠(yuǎn)大于實際需要的功率，甚至誤以為“多多益善”，結(jié)果就造成了系統(tǒng)大流量和循環(huán)水泵低效率運行。現(xiàn)就此問題進(jìn)行解讀。

1 特勒根定理在供熱輸配系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 特勒根定理的物理意義

特勒根定理是研究分析電路網(wǎng)絡(luò)的重要理論之一，由荷蘭電氣工程師伯納德·特勒根(Bernard D.H.Tellegen)在1952年提出。特勒根定理給出了遵守基爾霍夫電路定理的電路之間的一個約束關(guān)系，即任一給定參數(shù)的電路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，其各支路的電功率之和為零[4]。即

No=∑IiΔVi

(1)

式中No為電源提供的總功率，W；Ii為供電系統(tǒng)各支路的電流，A；ΔVi為供電系統(tǒng)各支路的電壓降，V。

特勒根定理適用于與電路相類似的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，如神經(jīng)系統(tǒng)、管道網(wǎng)絡(luò)與化工過程網(wǎng)絡(luò)等。而在供熱系統(tǒng)中，管網(wǎng)系統(tǒng)作為流體網(wǎng)絡(luò)，其拓樸結(jié)構(gòu)和電路網(wǎng)絡(luò)的模式和基本規(guī)律是相同的，其流量輸配所消耗的功率是相似的。因此，特勒根定理完全可以應(yīng)用于供熱管網(wǎng)流體輸配能耗分析計算中。

1.2 分布式輸配系統(tǒng)在一次管網(wǎng)中的應(yīng)用

如上所述，電路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特勒根定理適用于流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即在供熱系統(tǒng)流體輸配網(wǎng)絡(luò)中，任何管網(wǎng)所消耗的功率，必然等于各管段流量與壓力降的乘積。即

Nf=a∑GiΔHi

(2)

式中Nf為管網(wǎng)流量輸配所消耗的總功率，W；a為單位換算系數(shù)，取2.73；Gi為供熱系統(tǒng)各管段的流量，t/h；ΔHi為供熱系統(tǒng)各管段的阻力損失，m。

分布式輸配系統(tǒng)在一次管網(wǎng)中應(yīng)用比較多，且容易實施。無論供熱系統(tǒng)有多少循環(huán)水泵，也不管該系統(tǒng)由多少管段組成，如果管網(wǎng)流量和阻力特性一定，則管網(wǎng)系統(tǒng)所消耗的總功率必然與該系統(tǒng)各管段所消耗功率之和相等。對于這一基本規(guī)律，不論是集中輸配系統(tǒng)，還是分布式輸配系統(tǒng)都適用。所不同的是二者循環(huán)水泵消耗的功率不同，即使所有水泵實際工作效率都一樣，集中輸配系統(tǒng)還要增加調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)時節(jié)流的能耗損失。該能耗損失取決于管網(wǎng)系統(tǒng)的比摩阻及其主干線與支干線阻力的相關(guān)關(guān)系，即主干線各管段的比摩阻、長度增大，該能耗損失增大。所以對于主干線比摩阻較大或管線較長的集中供熱系統(tǒng),設(shè)計采用分布式變頻輸配技術(shù)或?qū)扔邢到y(tǒng)改造后節(jié)電效果更加明顯[5]。

1.3 分布式輸配系統(tǒng)能效評價

供熱管網(wǎng)采用分布式輸配系統(tǒng)時，實際運行輸送能效應(yīng)該通過耗電輸熱比進(jìn)行評價，即在供熱期間，系統(tǒng)循環(huán)水泵的全部耗電量與總供熱量的比例關(guān)系，或稱之為單位供熱量的耗電量。據(jù)不完全統(tǒng)計，大多數(shù)供熱系統(tǒng)一次管網(wǎng)的耗電輸熱比為0.010～0.015，二次管網(wǎng)的耗電輸熱比為0.015～0.020，長輸管線的耗電輸熱比為0.020～0.030。

2 分布式輸配系統(tǒng)在二次管網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 二次管網(wǎng)輸配系統(tǒng)的特點

目前，分布式變頻輸配供熱系統(tǒng)多在一次管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用。在二次管網(wǎng)系統(tǒng)中，大多數(shù)采用集中輸送方式，即各用戶加裝各類調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。這種集中設(shè)計方法根據(jù)二次管網(wǎng)系統(tǒng)的最大流量和最不利用戶選擇循環(huán)水泵，用于克服熱源(換熱站)、熱網(wǎng)和熱用戶的系統(tǒng)阻力。這種傳統(tǒng)的設(shè)計思想，客觀上存在難以克服的問題：

1) 在供熱系統(tǒng)近端(靠近熱源處)的熱用戶，自然會形成過多的資用壓頭。所以必須設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，將多余的資用壓頭消耗掉。這種“無謂”的節(jié)流所產(chǎn)生的能量損失是集中輸配系統(tǒng)設(shè)計方法不可避免的問題。

2) 從水力工況的角度考慮，系統(tǒng)末端易出現(xiàn)資用壓頭不足，造成系統(tǒng)熱用戶流量近大遠(yuǎn)小，出現(xiàn)室溫冷熱不均的現(xiàn)象。為滿足末端用戶的供熱效果，必須增加末端熱用戶的資用壓頭，工程設(shè)計或運行管理人員往往采用加大熱源循環(huán)水泵的方式來解決，結(jié)果管網(wǎng)系統(tǒng)就會形成大流量小溫差的運行狀態(tài)。從而增加了二次管網(wǎng)系統(tǒng)的輸配能耗，同時也增大了近端熱用戶的過度供熱，降低了供熱系統(tǒng)的能效水平。

然而，考量一個供熱系統(tǒng)能效的高低主要取決于兩方面因素：一是無效供熱量的多少；二是管網(wǎng)熱媒輸送中無效電耗的多少。其中冷熱不均的無效熱量和熱媒輸送過程中的無效電耗與循環(huán)水泵的設(shè)計方法選擇、是否與系統(tǒng)合理匹配相關(guān)聯(lián)。

2.2 分布式輸配技術(shù)在二次管網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

在實際供熱工程中，二次管網(wǎng)系統(tǒng)的輸配調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，且調(diào)節(jié)條件差，調(diào)節(jié)難度也大。所以二次管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡及流量是否合理分配成為影響供熱系統(tǒng)全網(wǎng)水力工況的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然分布式輸配系統(tǒng)在技術(shù)上有先進(jìn)性，但是還沒有在二次管網(wǎng)和熱用戶系統(tǒng)中得到充分的應(yīng)用。供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵正確的設(shè)計思想是盡量減少熱媒輸送過程中的無效電耗。為各熱用戶提供所需的資用壓頭，克服管網(wǎng)輸配的阻力是必須的有效電耗。而集中輸配設(shè)計方法必然產(chǎn)生無效電耗，即熱用戶多余的資用壓頭被各種流量調(diào)節(jié)閥以節(jié)流的方式消耗掉。就調(diào)節(jié)流量、消除冷熱不均現(xiàn)象來說是有效調(diào)節(jié)，似乎也不可能完全取消必要節(jié)流的無效電耗，這就是集中輸配設(shè)計方法不可避免的問題所在。

而熱用戶多余資用壓頭的產(chǎn)生，是因為只在熱源處設(shè)計單一水泵系統(tǒng)造成的結(jié)果，通過管網(wǎng)系統(tǒng)無效電耗的理論計算會一目了然?？梢岳秒娐肪W(wǎng)絡(luò)中的特勒根定理計算流體管網(wǎng)輸配所消耗的功率，得出無效電耗。這樣可為分布式變頻輸配系統(tǒng)多級水泵的選擇提供理論依據(jù)。

可見，供熱系統(tǒng)實現(xiàn)全網(wǎng)分布式輸配供熱，還需要不斷完善二次管網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控計量條件，利用先進(jìn)的通訊技術(shù)，推進(jìn)二次管網(wǎng)分布式輸配系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)水力平衡技術(shù)的推廣與應(yīng)用，提高供熱全網(wǎng)系統(tǒng)的運行管理水平，逐步實現(xiàn)量化、精細(xì)化的高效運行模式。

3 分布式變頻循環(huán)水泵的選擇

3.1 分布式變頻循環(huán)水泵的耗功率計算

分布式變頻系統(tǒng)循環(huán)水泵的設(shè)計選擇首先要考慮管網(wǎng)系統(tǒng)所消耗的功率(理論值)，即根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)的水力計算，得到各管段流量(Gi)與壓力降(ΔHi，即阻力)的乘積之和；再根據(jù)計算得到的總流量(Gz)和總阻力(Hz)，以及循環(huán)水泵可能達(dá)到的效率，計算循環(huán)水泵的總功率。根據(jù)特勒根定理，可按如下公式計算：

(3)

或

(4)

(5)

式(3)～(5)中N為供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的總功率，W；Ni為供熱系統(tǒng)各級循環(huán)水泵的功率，W；ηi為各級循環(huán)水泵的效率；η為各級循環(huán)水泵的平均效率；Nfi為各級管網(wǎng)流量輸配所消耗的功率，W。

集中輸配設(shè)計方法只在熱源處設(shè)置循環(huán)水泵，而分布式變頻輸配設(shè)計方法(理想設(shè)計方案)除了在熱源處設(shè)置揚程較小的循環(huán)水泵外，還要在外網(wǎng)沿途設(shè)置多個加壓循環(huán)水泵。由多個沿途加壓循環(huán)水泵進(jìn)行“接力”，各級水泵共同實現(xiàn)熱媒的輸送。雖然系統(tǒng)管網(wǎng)各管段的壓降與集中輸配設(shè)計方法的壓降相等，但二者要求循環(huán)水泵提供的功率卻不盡相同。因為集中輸配設(shè)計方法循環(huán)水泵設(shè)置在熱源處，所提供的動力(揚程)是在總循環(huán)流量(即最大流量)下實現(xiàn)的。而理想設(shè)計方案，熱源處的循環(huán)水泵在總流量下，只提供部分動力(揚程)，其他動力(揚程)是在沿途接力循環(huán)水泵的分流量下實現(xiàn)的，流體輸配全過程沒有調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失。因此，理想設(shè)計方案循環(huán)水泵的輸送功率必然小于集中輸配設(shè)計方法循環(huán)水泵的輸送功率，這就是分布式變頻輸配設(shè)計方案的獨特優(yōu)勢。

3.2 分布式變頻循環(huán)水泵的選擇原則

在分布式變頻設(shè)計選擇循環(huán)水泵時，應(yīng)符合下列要求[6]：

1) 因為熱源循環(huán)水泵的特點是大流量小揚程，所以確定流量時應(yīng)直接采用管網(wǎng)系統(tǒng)總流量，一般不必加富余量；揚程應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)水壓圖實際值選擇。選定水泵后必須繪制水泵-管網(wǎng)特性曲線(多臺水泵并聯(lián)運行必須繪制綜合特性曲線)，確定其工作點在高效區(qū)(70%～80%)，否則應(yīng)該更換其他型號的水泵。

2) 多級循環(huán)水泵(接力泵)的特點是小流量大揚程(末端水泵揚程最大)，選擇水泵時必須繪制水泵-管網(wǎng)特性曲線，確認(rèn)每臺水泵在高效區(qū)工作。

3) 選擇水泵流量-揚程特性曲線時，在水泵工作點附近應(yīng)比較平緩，以便在管網(wǎng)水力工況發(fā)生變化時，循環(huán)水泵的揚程變化較小，可保持管網(wǎng)系統(tǒng)壓力波動范圍小。

4) 循環(huán)水泵的承壓、耐溫能力應(yīng)與熱網(wǎng)的設(shè)計參數(shù)相適應(yīng)。多級循環(huán)水泵一般應(yīng)安裝在熱網(wǎng)回水管上(起降壓作用)，水泵允許的工作溫度一般不應(yīng)低于80 ℃。如有必要安裝在熱網(wǎng)供水管上(起加壓作用)，則必須采用可耐供水溫度的熱水循環(huán)水泵。

5) 所有分布式循環(huán)水泵都應(yīng)采用變頻調(diào)速，且在頻率改變時，水泵的工作點也應(yīng)在水泵高效工作范圍內(nèi)。

6) 有條件時，應(yīng)采用水泵設(shè)計選擇軟件。

3.3 循環(huán)水泵的效率計算

供熱系統(tǒng)運行過程中，循環(huán)水泵的實際效率是一個關(guān)鍵指標(biāo)，對于供熱系統(tǒng)節(jié)能運行非常重要，特別是分級泵系統(tǒng)更是如此。然而循環(huán)水泵的運行效率看不見也摸不著，管理者似乎也不太關(guān)心。就離心水泵的銘牌效率看，一般在70%～80%之間。但在實際運行過程中，大部分供熱系統(tǒng)水泵效率普遍為50%～60%，甚至更低(30%～40%)，因此造成輸配電能的極大浪費。循環(huán)水泵運行效率如此低的主要原因是設(shè)計選擇的水泵與系統(tǒng)不匹配，造成水泵實際運行工況點偏離了高效區(qū)。

一般來說，工程設(shè)計人員在設(shè)計選擇水泵時，應(yīng)該根據(jù)水泵性能曲線和管網(wǎng)系統(tǒng)特性曲線進(jìn)行繪圖驗證，校核水泵的性能曲線工作點是否在高效區(qū)。如果多臺水泵并聯(lián)運行時更應(yīng)該核實水泵的工作效率，如圖1所示。

圖1 2臺水泵并聯(lián)運行時的效率分析

在供熱系統(tǒng)運行過程中，大多數(shù)循環(huán)水泵的實際效率無從知曉。所以應(yīng)該現(xiàn)場測試水泵的流量、揚程和軸功率，再進(jìn)行計算分析才可以作出判定。但是現(xiàn)場測試水泵性能參數(shù)比較困難：1) 水泵軸功率在現(xiàn)場沒法測試，只能通過測試電功率來替代水泵軸功率。2) 測試水泵的揚程時要求測壓表高度相等，測壓點(即壓力表導(dǎo)壓孔)管道流體的流速和流態(tài)相同(即等高、等速、等流態(tài))。如果測壓點管徑不同，流體流速不相等，則必須利用伯努利能量方程進(jìn)行動壓/靜壓能量轉(zhuǎn)換計算。3) 測量水泵的流量時要求流量計前后有一定長度的直管段(流量計前直管段長度Lq≥7D，流量計后直管段長度Lh≥5D，其中D為管徑)，保證流態(tài)均勻穩(wěn)定。

循環(huán)水泵的運行效率用下式計算：

(6)

式中ηo為水泵測試期效率；G為循環(huán)流量，t/h；H為循環(huán)水泵的揚程，m；Nz為循環(huán)水泵的軸功率(現(xiàn)場測試只能用電功率替代)，W。

通過循環(huán)水泵現(xiàn)場效率測試情況來判定水泵工作狀態(tài)，如果效率太低(如ηo<50%)，就說明水泵和系統(tǒng)不匹配，應(yīng)該及時更換。有一點需要特別注意，改變水泵電動機(jī)頻率不會提高水泵的效率，相反可能會降低其工作效率。所以分布式變頻輸配系統(tǒng)一定要校核所有的變頻水泵的實際效率，這一點對提高系統(tǒng)能效、減少輸送能耗至關(guān)重要。

4 分布式變頻輸配系統(tǒng)運行調(diào)控方法

分布式變頻輸配系統(tǒng)運行控制是動態(tài)調(diào)控過程，根據(jù)負(fù)荷變化各個循環(huán)水泵需要聯(lián)動或同步調(diào)節(jié)管網(wǎng)系統(tǒng)的流量，總流量隨負(fù)荷改變時，各分級泵流量至少是等比例變化方可滿足用戶隨氣候變化的熱力需求。而目前大多數(shù)分布式變頻輸配供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)依據(jù)不明確。針對上述問題作如下解讀，并提出相應(yīng)調(diào)控方法。

4.1 分布式供熱系統(tǒng)應(yīng)實行“變頻變流量”運行

目前大多數(shù)供熱系統(tǒng)采用分布式變頻輸配技術(shù)，主要承擔(dān)了最大流量分配的初調(diào)節(jié)問題。實際上變頻系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性主要解決了循環(huán)水泵與系統(tǒng)的匹配和流量分配問題，在實際運行過程中基本保持定頻定流量運行。即使采用動態(tài)變頻調(diào)節(jié)，調(diào)控依據(jù)也不明確。有的系統(tǒng)甚至采用所謂的“壓差控制法”，即根據(jù)管網(wǎng)某一位置的壓差變化來改變頻率。如此調(diào)控方法基本失去了分布式變頻輸配技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢。

其實供熱系統(tǒng)采用分布式變頻輸配技術(shù)最有效的調(diào)控方法應(yīng)該是根據(jù)系統(tǒng)供熱負(fù)荷同步比例調(diào)節(jié)各分級水泵電動機(jī)的頻率，或采用“等溫差調(diào)節(jié)法”調(diào)節(jié)各級水泵的流量，可大大減少管網(wǎng)輸配能耗，且滿足熱用戶的熱量需求。

4.2 合理匹配循環(huán)水泵，以提升其運行效率

供熱系統(tǒng)所有循環(huán)水泵的運行效率應(yīng)該進(jìn)行現(xiàn)場測試，如果實測效率太低就應(yīng)該及時更換。而大部分技術(shù)管理人員只是聽水泵的聲音，僅此而已，結(jié)果造成大部分循環(huán)水泵低效率(30%～50%)運行，浪費嚴(yán)重。

4.3 系統(tǒng)供熱全過程動態(tài)調(diào)控策略

大多數(shù)供熱系統(tǒng)的供熱量根據(jù)熱源的供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是說把供水溫度當(dāng)熱量用，并非按需要的供熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)。結(jié)果使得分布式變頻輸配系統(tǒng)的作用沒有得到充分發(fā)揮，節(jié)能效果也不明顯，甚至有的分布式變頻輸配系統(tǒng)的輸配能耗比集中輸配系統(tǒng)還高。

供熱系統(tǒng)最有效的供熱調(diào)節(jié)方法應(yīng)該是根據(jù)氣象條件采用熱量總量控制，即“熱量調(diào)節(jié)法”。所以分布式供熱輸配系統(tǒng)的循環(huán)水泵變頻控制應(yīng)以供熱負(fù)荷為依據(jù)，“逐日、同步、等比例”調(diào)節(jié)頻率，從而實現(xiàn)逐日動態(tài)調(diào)節(jié)熱負(fù)荷及供熱量，以滿足熱用戶的需求。

在采用分布式變頻循環(huán)水泵的設(shè)計方法時，應(yīng)該貫徹全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的理念。在綠色、低碳、節(jié)能、高效的供熱智能化大環(huán)境下，尤其是隨著熱網(wǎng)系統(tǒng)長輸管線技術(shù)的推廣，分布式變頻輸配系統(tǒng)在實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)水力工況動態(tài)調(diào)節(jié)及智能化供熱方面，具有不可替代的優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見，在未來的供熱行業(yè)發(fā)展中，可以更好地利用分布式變頻輸配技術(shù)進(jìn)一步提升能效，實行精細(xì)化管理、按需供熱、精確控制，從而使供熱系統(tǒng)真正實現(xiàn)智慧供熱、高效運行。

5 結(jié)論

1) 分布式變頻輸配系統(tǒng)運行調(diào)控策略至關(guān)重要，合理的調(diào)控方法可有效地提升系統(tǒng)輸送能效，有利于降低耗電輸熱比。

2) 分布式變頻輸配系統(tǒng)循環(huán)水泵的運行效率是關(guān)鍵，且決定了系統(tǒng)節(jié)能效果。設(shè)計時應(yīng)該通過繪制水泵-管網(wǎng)性能曲線進(jìn)行效率驗證；在運行過程中必須對每一臺水泵進(jìn)行效率測試，若效率低于50%應(yīng)更換水泵。

3) 采用熱量總量調(diào)節(jié)控制策略，采用“熱量調(diào)節(jié)法”量化管理措施，實現(xiàn)逐日動態(tài)調(diào)節(jié)供熱量，以滿足熱用戶的需求。