一種新的分布式水泵供熱布置方案分析

王海　王海鷹　朱彤

摘要：

供熱管網的用戶端應用分布式水泵代替閥門來調節水力工況有助于節約水泵能耗。在比較單熱源枝狀管網采用傳統閥門調節和分布式水泵調節供熱方案的水力工況和節能性能的基礎上，提出一種新的分布式水泵供熱布置方案。通過理論及案例分析了多熱源環狀管網應用這一新方案下的變工況水力調節性能、水溫穩定性能及節能性能。結果表明，新的分布式水泵布置方案有利于降低供熱系統的功耗、減緩用戶水溫波動，并具有供熱質與量的調節相對獨立、調節控制策略簡便的特點。

關鍵詞：區域供熱；分布式水泵；水力調節裝置；管網；節能

近年來，區域供熱技術的發展越來越重視節能技術在多熱源的分布式系統中的應用[13]。熱源方面，熱源形式由鍋爐房和熱電廠擴展到來源廣泛的可再生能源[47]；熱源的地理位置影響系統耗能[89]。流體輸送方面，多熱源供熱系統需要采用更加節能且高效的輸送方式將能源送到用戶端使用[1012]。近年來，一些文獻提出在區域供熱管網輸配中采用分布式水泵代替閥門來調節水力工況的技術[1314]。這種輸配技術不僅有助于節約水泵能耗也更適應于多熱源的綜合能源利用。

在傳統集中供熱系統中，為滿足熱源遠端熱用戶的供熱需求，近端熱用戶的資用壓頭都大于其需用壓頭。為了達到設計的水力工況，多余的壓頭必須通過閥門等部件節流消耗。在大中型供熱系統中，閥門的節流損失造成的能源浪費可達到30%以上[15]。當采用分布式水泵供熱系統后，通過在用戶端采用變頻水泵代替閥門，可達到節能的目的[1618]。文獻[19]討論了一種分布式水泵供熱系統的調節方式，提出采用定零壓差點運行調節方式將使得供熱系統運行調節較為簡單，輸送能耗也較小。文獻[20]討論了分布式水泵供熱系統零壓差點與輸送功率的關系。在供熱技術研究、工程應用方面，分布式變頻調節系統均取得進展[21]。

但是，現有分布式水泵系統的節能分析和故障工況分析大多針對單熱源、枝狀供熱系統[2223]，其應用于多熱源環狀管網的分析很少[24]。而多熱源環狀供熱管網由于具有顯著提高供熱系統運行的可靠性、經濟性和可擴展性的特點[2527]，被應用于越來越多的供熱工程設計、改造項目。當前，在多熱源、環狀供熱管網中應用分布式變頻水泵來輸送動力，還存在多水泵之間的聯合調節較困難、供熱網絡的水力工況變化復雜等問題。針對這一問題，本文提出一種無熱源循環泵的分布式變頻水泵布置方案。與現有分布式水泵系統只適用于枝狀管網不同，新方案可用于多熱源環狀管網供熱系統的水力工況調節。為分析、對比這一供熱方案的水力調節性能，下文將分別探討：單熱源枝狀管網采用傳統閥門調節、有熱源循環泵的分布式水泵調節及無熱源循環泵的分布式水泵調節3種供熱方案的水力工況；多熱源環狀管網系統應用新的方案時供熱系統的變工況性能；最后結合某一供熱管網系統進行案例分析。

王海，等：一種新的分布式水泵供熱布置方案分析

1單熱源枝狀管網的水力分析

小型的供熱管網常采用單熱源枝狀管網，其傳統的供熱布置方案如圖1所示，其水壓分布如圖2所示。圖1所示的單熱源集中供熱系統中，管網中熱水循環動力都由熱源循環泵提供。那么，在熱源近端的用戶就存在資用壓頭大于需用壓頭的情況。此時，需要在用戶處采用閥門進行節流，才能消耗多余的壓頭。由其對應水壓圖2可以看出，管道接入口d、e和f點后連接的用戶支路均需要閥門節流，才能保證供、回水管路水力平衡及用戶供水管入口的壓力不超過用戶散熱器所能承受的壓力。

圖1傳統單熱源枝狀管網布置方案

圖2傳統單熱源枝狀管網水壓圖

如果采用分布式水泵提供循環動力，有多種方案可選擇[16，20，28]。圖3所示為一種無閥門調節的供熱系統布置方案，由熱源循環泵和用戶循環泵提供水流的動力。在設計工況下運行時，其對應水壓圖如圖4方案a（實線）所示。在這種方式下，熱源循環泵僅承擔熱源處水流的動力，用戶的循環水泵提供該用戶所用水量在管網中的循環動力。此時管網供水壓線和回水壓線的交點，即“零壓差點”，在熱源循環泵的入口點a或熱源出口點c處。對于這種供、回水管對稱的管網，其零壓差點處于同一個地理位置。

圖3單熱源枝狀管網分布式水泵布置方案

圖4單熱源枝狀管網分布式水泵水壓圖

文獻[16，20，28]中所提出的分布式水泵供熱系統方案中，零壓差點都位于熱源處或熱源與用戶n之間某處。當零壓差點位于熱源處時，熱源循環泵和用戶循環水泵所提供的壓頭都用于熱水動力循環，此時所有熱用戶都沒有使用閥門調節，故節能率高[23]。方案a中，熱源循環泵的揚程為：

用戶處循環泵的揚程用于該用戶水量在其支路和供回水干管的動力消耗。其中，用戶1、2…末端用戶n的水泵揚程分別為：

其中：ΔH為水泵揚程，m（H2O）；Sr為熱源的阻力特性系數；Si（i=1， 2， …， n）為管段的阻力特性系數，m（H2O）/（m3·h-1）2；G為通過熱源或用戶的熱水流量，m3/h。

然而，在實際運行中若要保持零壓差點始終位于熱源處是非常困難的。即便是在簡單的單熱源枝狀管網的供熱系統中，各用戶循環泵和熱源循環泵之間的配合也很難協調。比如在用戶3處的熱量需求增大，那么用戶3處的水泵流量隨之增大。為了保證水力平衡，那么熱源循環泵的流量也要相應增大。如果熱源處的流量增加量不恰當，就會影響其他用戶的水力平衡。當多個用戶流量都可能隨時調整時，即便所有水泵都采用變頻技術，協調各水泵的壓頭和流量的策略也會變得非常復雜。如果為多熱源環狀管網的供熱系統，各水泵的協調策略復雜性將進一步增大。

為了盡可能節約循環水的動力消耗，同時簡化各個水泵協調運行的控制策略，本文提出一種新的運行方式，其水壓圖如圖4中方案b（虛線）所示。即稍微提高每個用戶的水泵揚程，并取消熱源循環泵。此時，每個用戶的循環水克服熱源阻力所需的動力由各用戶的循環泵提供。從節能效果上看，方案a和b是等效的，都不采用閥門。但采用方案b后，省掉了熱源處的循環泵設備，并有利于簡化水泵協調運行控制策略。

調整后各處水泵需要提高的揚程不多，方案b中用戶1、2…及末端用戶n處循環水泵的揚程為，

由水壓圖4可知，此時零壓差點是虛交點，位于熱源的左端，供、回水壓線ha和g′b的延長線上。顯然，方案b的布置可看成是傳統布置方案圖2的一種反向布置。在各用戶處將回水加壓后流向熱源，而熱源處僅提高水溫。在熱源處，可認為來流都是用戶當前供熱所需的流量。在采用分布式水泵系統時，熱源入口的熱水壓力明顯比傳統方式低，所以一般不會出現超壓。但為了保障熱源（鍋爐）供水安全，也可考慮在熱源入口處添加調節閥，使入口壓力和流量不超過熱源負荷的規定。

系統中，通過變頻調節可使水泵的揚程提高或降低并不會產生流量變化。取消了熱源循環泵之后，各用戶循環泵已可完全獨立的根據自身需求進行定流量控制，而無需考慮其他泵的工作狀態。從水泵協同調節的角度來看，各循環泵之間的水力調節已形成一種松耦合關系，可制定簡單可靠的調節策略。

在單熱源枝狀管網中，這種新的分布式水泵系統的主要特點是：

1）供水管的壓頭始終低于同位置處的回水管。用戶處的水泵流量完全為自身用量服務，所得到的資用壓頭取決于該處水泵的工作曲線。可通過調頻技術將水泵的揚程和流量調節到適當的工作點，無需閥門調節。

2）越是遠離熱源的用戶，所需配置水泵的最高揚程也越高，但水泵的最大流量根據用戶的需要確定。若用戶處用量較小，可選擇高揚程小流量泵。這種系統的缺點是在遠離熱源處的用戶需配置更高揚程的水泵。

3）循環泵一般安裝在用戶回水管上。這樣布置可使用戶散熱器出口處表壓較低，避免壓壞用戶底層散熱器。同時，循環泵的進口水溫也較低，有利于泵的選型和效率提升。值得注意的是，隨著供水線壓力逐漸降低，再加上經過用戶支管段的壓頭消耗，那么遠端熱用戶的循環泵入口處可能會因為壓力過低而出現氣蝕。

4）本文所提出的這種新的布置方案（b）與已有的分布式水泵布置方案相比，在單熱源枝狀管網設計工況下具有等效的節能性能。但采用新方案（b）后，不僅可節省熱源循環泵，還有利于在變工況下簡化水泵協調運行控制策略。

2多熱源環狀管網的變工況水力分析

在多熱源環狀管網的布置方案下，與單熱源枝狀管網相比，其分布式水泵調節系統的消耗可進一步減小，并獲得更高的可靠性。首先，在多熱源條件下，原先采用單熱源時的遠端用戶可能變為其他熱源的近熱源用戶，降低了用戶水泵的揚程。其次，用戶可能得到環狀管網多個管路的水量支持，進一步減少水力失衡。另外，當有管段或熱源需要檢修時，環狀管網使得分布式水泵系統用戶的可及性提高。

對于多熱源環狀管網，新的分布式水泵系統仍然可采用類似方案b的布置形式，如圖5所示。取消在熱源處的循環泵，僅在用戶處設置循環泵。值得注意的是，在多熱源環狀管網中，對于位于環網水力交匯處的用戶，其水力工況與其他用戶有所不同。假設分布式水泵系統中的某用戶N位于兩熱源之間的水力交匯點，如圖5及其對應水壓圖6所示。

圖5多熱源環狀管網分布式水泵布置方案

圖6多熱源環狀管網分布式水泵水壓圖

在水壓圖6中，實線為設計工況，HS1′為熱源1回水線，GS1′為熱源1的供水線；HS2′為熱源2回水線，GS2′為熱源2的供水線。虛線為變工況，HS1為熱源1回水線，GS1為熱源1的供水線；HS2為熱源2回水線，GS2為熱源2的供水線。上標“′”表示設計工況。