分布式變頻系統與動力集中式系統運行調節特性對比分析

邵博，孫春華，賈萌，齊承英

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津 400301）

分布式變頻系統與動力集中式系統運行調節特性對比分析

邵博，孫春華，賈萌，齊承英

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津 400301）

通過對分布式變頻系統與動力集中式系統在供熱循環水泵的能耗、供熱調節穩定性方面的對比分析，總結分布泵系統供熱方面存在的優勢．以某實際動力集中式傳統管網為對象，對改造為設有均壓管的分布式變頻系統后水泵能耗進行對比分析；利用流體分析軟件對分布式變頻系統和傳統供熱系統的多種調節過程進行動態仿真模擬，并對分布式變頻系統熱源水泵事故工況進行動態仿真模擬，對比兩系統調節穩定性以及供熱安全性的差異．

分布式變頻系統；動力集中式系統；均壓管；運行調節

0 引言

近幾年，許多國內外專家和學者在區域供熱方面取得了相當大的成果．清華大學江億[1]院士在暖通空調領域，首次提出了用變頻風機和變頻泵代替風閥、水閥的調節方式，并驗證了這種改變不僅可以提高系統的可調節性還能減少能耗．清華同方股份有限公司秦緒忠[2-3]定量分析比較了分布式變頻供熱系統與其他幾種供熱系統的水力穩定性，得出分布式變頻供熱系統形式可以大大地提高系統的穩定性，并且該系統性能較好的結論．清華大學狄洪發[4]對分布式變頻供熱系統中以分布泵代閥門的節能效果進行了分析．石兆玉、王紅霞等[5-6]分別對幾種不同形式的分布式變頻供熱系統進行模擬計算，得到最佳的分布式供熱系統設計方案——沿途加壓泵、熱用戶混水泵和主循環泵相結合，利用該方法節能率高達75%．另外國外眾多學者[7-8]對分布泵系統均有研究，縱觀國內外專家學者們對分布式變頻供熱系統的研究，停留在理論研究階段，并沒有研究分布泵系統在實際工程中的應用．本文提出了在熱源出口設置均壓管的分布式系統并與動力集中式系統進行了對比分析．

1 分布式變頻系統與動力集中式系統

1.1 分布式變頻系統與動力集中式系統介紹

本文所述的分布泵系統的形式為用戶變頻泵+熱源主循環泵的系統形式，并且在熱源出口供回水主管上設置均壓管．均壓管可以保證熱源出入口處供、回水壓力相等，當各個用戶采用變頻調節時為了避免熱源處流量與各個用戶流量之和不相等，采用均壓管實現熱源和熱網解耦，系統方案如圖1所示．本文所述的動力集中式系統為傳統的鍋爐主循環泵加用戶節流閥的系統形式，系統方案如圖2所示．

圖1 用戶加壓變頻泵加鍋爐循環泵系統示意圖Fig.1 User pressurizing pump boiler primary circulating pump schematic

圖2 鍋爐主循環泵加用戶調節閥系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of boiler pump and the user control valve system

圖1所示分布泵管網熱源供回水之間設置有均壓管，均壓管安裝有閥門且為常開狀態．用戶的分布變頻循環泵設置在換熱站出口的回水管上．規定均壓管與回水管連接處為A端，均壓管與供水管連接處為B端，流體從A端流向B端為正流量說明用戶變頻泵1、2、3流量之和大于熱源主循環泵的流量，反之為負流量說明用戶變頻泵1、2、3流量之和小于熱源主循環泵的流量，當用戶變頻泵1、2、3流量之和恰好等于熱源主循環泵流量時均壓管的流量為0．由于各泵調節過程中會使得均壓管內流向發生改變，即造成熱源出口處由鍋爐出口高溫水向A端分流一部分轉變為鍋爐出口高溫水和由均壓管A端來的部分水合流供給用戶，因而會造成外網供水溫度改變．在此稱均壓管內無流量時的外網流量為臨界流量．

1.2 分布式變頻泵管網與動力集中式管網水壓圖

如圖3所示由于用戶變頻泵設置在換熱站的回水管上導致供水壓線低于回水壓線，圖中虛線表示的是均壓管的表壓．圖4所示為熱源主循環泵+用戶調節閥系統水壓圖．

圖3 用戶變頻泵+鍋爐循環泵系統水壓圖Fig.3 User frequency conversion pump+boiler circulating pump hydraulic diagrams

圖4 熱源主循環泵+用戶調節閥系統水壓圖Fig.4 User control valve heat circulating pump system pressure diagram

2 理論依據

對于離心式水泵選型和調節規律，其軸功率計算公式見式(1)

式中：P為水泵軸功率，W；Q為水泵流量，m3/h；H為水泵揚程，m；為介質平均密度，=977 kg/m3；g為重力加速度，g=9.807 m/s2；為水泵效率．

軸功率與轉速有計算公式見式(2)

式中：P0為水泵銘牌軸功率，W；n0為水泵銘牌轉數，r m in1；n為水泵轉數，r min1；f0為水泵變頻器額定頻率，f0=50 Hz；f為水泵變頻器頻率，Hz．

由此，根據實際管網流量和頻率之間實際數據，通過方程回歸得到，流量和頻率之間存在線性關系，通過調節各換熱站分布泵頻率來調節各換熱站流量．

3 分布式管網與動力集中式管網特性對比分析

3.1 工程概況

本文所研究的熱力管網一次網由熱源（總站）和18個換熱站組成，其中4#站位于熱源內部，分為4-1#站（散熱器供暖）與4-2#站（4#主站為地板輻射供暖）．設計供回水溫差為40℃．該熱力管網大部分熱用戶為多層及高層居住建筑，其余為商業及學校，總供熱面積約174萬m2．其一次網分布及換熱站位置如圖5所示．熱源位置以及均壓管的位置如圖5右下角所示（均壓管設在熱源出口處即第1個換熱站之前，與前面理論部分所述位置相同）．

3.2 運行能耗對比分析

熱力管網未改造前為動力集中式的供熱管網（統稱為傳統管網），改造后為加均壓管的分布式變頻系統形式．根據實際各換熱站所需流量，利用穩態模擬對分布式管網各站分布泵進行選型以及傳統管網各站初調節閥進行調節，以滿足各站設計流量．

分布式變頻系統鍋爐動力設備為實際工程現用的2臺流量800 m3/h、揚程15 m的水泵并聯．傳統管網動力設備為實際工程改造前的兩臺流量900 m3/h、揚程為60 m的水泵并聯．

對于分布式變頻系統，依據各站理論流量及各管段壓降，選取合適的分布泵，使各站流量分配滿足要求．對于傳統管網，依據各站理論流量，改變調節閥開度使各站流量分配滿足要求．分布式管網水泵選型具體結果見表1．

由表1可知，分布式管網各循環泵總運行電功率約為152 kW，傳統管網主循環泵運行電功率為355 kW．在選型恰當的前提下，采用動力分布式管網可節省電耗一半以上．對上述的傳統管網和分布式管網初調節后2種管網流量與設計流量對比如圖6所示，進行初調節后流量偏差對比如圖7所示．

圖5 管網分布及換熱站位置圖Fig.5 Network trend and heat map

表1 分布式管網水泵選型表Tab.1 Distribution pipeline netw ork pum ps selection table

由圖6和圖7可知傳統管網與分布式管網進行初調節后流量能滿足設計流量，流量偏差最大的為3#和14#站為7%，其余站均小于5%．由于所選用戶加壓循環泵規格所限，因此，除4-1#、11#、14#和16#站傳統管網流量偏差大于分布式管網外，其余各站流量相對偏差傳統管網均小于分布式管網．

3.3 供熱穩定性對比分析

本文所述的模擬均采用流體分析軟件Flowmaster進行模擬．Flowmaster軟件主要是針對系統中各個環節的流量、壓力、溫度等進行精確求解，從而迅速得到所建立模型中需要的點或元件相關參數的仿真數值，并與設計值進行比較分析．

3.3.1 分布式管網全網調節

3.3.1.1 流量變化

利用穩態模擬將分布式管網各站的流量調節至目標流量，調節至目標流量時各站分布泵的頻率見表2，分布式管網全網以相同流量目標進行調節時，各站對應的變頻器頻率基本相同．

動態模擬從0 s開始調節，約15 s完成調節（調節速度1 Hz/s）．選取11#、9#、8#、7#、4-1#和4-2#站作為參考，如圖8所示．調節開始后，各站流量隨即平穩下降．4-1#與4-2#位于熱源內，基本無管路阻力，與外網其他換熱站流量變化特性不相同，調節結束后流量即穩定，其余外網各站均有不同程度的滯后，基礎流量大的站流量穩定時間較基礎流量小的站長．

圖6 2種管網流量與設計流量對比圖Fig.6 Comparison of tw o network flow and design flow char

圖7 2種管網初調節后流量偏差對比Fig.7 2 kinds of pipe network initial adjustment of the back flow rate deviation in comparing

表2 目標流量下分布泵的頻率Tab.2 Target flow rate distribution of the frequency of the pump

圖8 各站流量變化Fig.8 Changes of flow stations

3.3.1.2熱量變化

調節過程中均壓管流量及供回水溫度變化如圖9所示．

利用穩態模擬求得管網處于臨界流量時，各站流量、對應水泵轉數及頻率，見圖10．

利用模擬的結果將初始流量、臨界流量及70%流量下的各換熱站供熱量對比，鍋爐初始供熱量為72 471 kW，臨界流量供熱量為71 160 kW，70%流量供熱量54612 kW．其余各站供熱量見圖11．

依據熱源出入口流量、溫度數據繪制相對供熱量與相對流量關系圖如圖12所示．

由圖12可知在相對流量大于臨界流量91.6%區間內，流量的降低使得出站供水溫度升高，供回水溫差增大，全網流量下降8.4%，而換熱站供熱量僅下降1.8%．如在此區間內只進行量調節，則不能滿足調節要求，達不到節熱、節能的目標．流量降低至臨界流量以下后，出站供水溫度即為鍋爐出口溫度，供回水溫差基本不再變化，流量的降低使得各站供熱量明顯下降．在此區間內只進行量調節，可滿足調節要求．

3.3.2 傳統管網全網調節

3.3.2.1 流量變化

圖9 分布式管網全網調節均壓管流量及供回水溫度變化Fig.9 Ad just the pressure of the whole network of distributed network flow and supply and return water temperature changes

圖10 分布式管網臨界流量及變頻器頻率Fig.10 Distributed pipeline critical discharge and inverter param eters

圖11 分布式管網臨界流量及70%流量下的供熱量Fig.11 Distributed heat at critical flow and 70%flow in pipe network

利用穩態模擬將各站的流量調節至目標流量時，調節閥開度見表3．

表3 傳統管網全網調節目標參數Tab.3 Target the entire network of traditional network parameters

由表3可知，傳統管網全網以相同流量目標進行調節時，各站運行調節閥開度變化無明顯規律．在熱源循環泵不進行變頻的情況下，外網調節至70%造成主循環泵效率由79%降低至67%，水泵運行偏離高效點．

瞬態模擬從0 s開始調節，35 s左右完成調節．各站流量變化如圖13所示．

圖12 分布式管網全網調節相對流量與相對耗熱量關系Fig.12 Distributed networks of the entire network to ad just relative relationship betw een flow and relative heat loss

圖13 各站流量變化Fig.13 Changes of flow stations

調節開始時，各站流量并未立即產生變化，而是待到運行調節閥開度減小至某一值后，換熱站流量才開始下降，基礎流量越大，則變化開始時間越靠前，所需穩定時間亦越長．受基礎流量大的站率先變化的影響，7#站和11#站在24 s時出現流量略微上升．由于4-1#站與4-2#站位于在熱源內，基本無管路阻力，故其流量變化特性與外網其他換熱站不相同．調節結束后，傳統管網較分布式管網流量穩定更為迅速．

3.3.2.2 熱量變化

調節前后各站供熱量見表4．

表4 傳統管網70%流量與供熱量Tab.4 Tradition flow pipe network 70%and heating capacity

外網各站供熱量變化基本與流量變化一致．外網流量降低后鍋爐出力隨即降低，無需人工對鍋爐進行調節．但如果主循環泵不配合進行變頻調節，則會造成主循環泵偏離高效點（水泵效率由78%降至69%），影響設備壽命，增大電耗．

3.4 分布式管網事故工況模擬分析

模擬熱源循環水泵因意外事故（故障、停電等）失效后的管網運行情況．鑒于傳統管網熱源循環水泵即管網動力來源，故停轉后管網即停止運行，此節中只對分布式管網進行模擬．

擬于0 s時熱源循環泵停止工作，為保護鍋爐，60 s后均壓管閥門關閉，關閉過程10 s．熱源流量變化如圖14所示．

由圖14可知，鍋爐循環泵關閉導致均壓管流量迅速上升，鍋爐流量迅速下降．均壓管關閉后，外網提供的動力使得鍋爐流量回升，1次震蕩后，穩定在相對較高的水平．部分換熱站流量變化如圖15所示．

圖14 鍋爐和均壓管流量變化Fig.14 Boiler and pressure-equalizing flow changes

圖15 部分換熱站流量變化Fig.15 Part heat flux

由圖15可知，鍋爐循環泵停止工作的瞬間，位于熱源內部的4-1#和4-2#站有小幅流量波動．鍋爐循環泵關閉后，外網各站流量均未發生變化．均壓管關閉的時刻開始，流量平穩下降，距離熱源越近穩定速度越快．均壓管關閉后，4-1#站和4-2#站分布泵提供的揚程小于此時外網的壓差，由于止回閥的存在，4-1#站與4-2#站無流量通過，無法正常運行．管網流量穩定后的供熱量變化見圖16，將管網穩定后鍋爐及所有換熱站的流量變化和供熱量變化繪制成柱狀圖，如圖17所示．

由圖17可知，分布式管網鍋爐循環泵關閉，繼而均壓管關閉后，外網提供的動力可使鍋爐流量穩定在設計工況的60.05%．除4-1#與4-2#站外的所有換熱站均有流量，處于管網遠端的換熱站相對流量大于處于近端的換熱站．除2#、5#、6#、7#、17#站之外，均能達到65%的故障工況流量標準．由于均壓管關閉后，鍋爐出口溫度即為出站溫度，供水溫度上升，一定程度上緩解了外網流量減小造成的供熱不足．除2#、5#、6#、7#、15#、17#以及4-1#與4-2#站以外其余10個換熱站供熱量均能維持在初始狀態的70%以上，其中5個換熱站甚至維持在85%以上，顯示出分布式管網在供熱安全性方面擁有傳統管網無可比擬的優勢．

圖16 管網穩定后供熱量變化Fig.16 Stable after heating of pipe network

圖17 熱源及所有換熱站流量與供熱量相對變化Fig.17 Heat sources and heat flow and heat changes

4 結論

通過對分布式變頻供熱系統和動力集中式供熱系統的特性進行模擬分析，得出以下幾點結論：

1）分布式管網比傳統管網運行電耗節省50%以上；

2）分布式管網易進行流量調節、調節精度高；

3）在鍋爐出口溫度恒定的情況下，傳統管網熱力變化與流量變化基本一致，而對于具有均壓管的分布式管網存在臨界流量，在臨界流量以上區間運行調節時因各分布泵流量和大于鍋爐循環流量，均壓管與鍋爐出口流量合流運行，使得管網熱力變化隨流量變化很小；反之在臨界流量以下區間運行調節時鍋爐出口流量分流運行，管網熱力變化隨流量變化明顯．

4）分布式管網在鍋爐循環泵出現故障后仍能對大部分換熱站進行供熱，在供熱安全性方面有無可比擬的優勢．

5）均壓管的存在使得熱源和熱網實現了解耦，但導致分布泵系統熱力特性較為復雜，更需要合理的整網調節方案，才能真正意義的實現節能．

[1]江億．用變頻泵和變頻風機代替調節用風閥水閥[J]．暖通空調，1997，27（2）：66-71．

[2]秦緒忠，江億．供熱空調水系統的穩定性分析[J]．暖通空調，2002，32（1）：12-16．

[3]秦冰，秦緒忠，謝勵人，等．分布式變頻泵供熱系統的運行調節方式[J]．煤氣與熱力，2007，27（2）：73-75．

[4]狄洪發，袁濤．分布式變頻調節系統在區域供熱中的節能分析[J]．暖通空調，2003，35（2）：41-46．

[5]王紅霞，石兆玉，李德英．分布式變頻供熱輸配系統的應用研究[J]．區域供熱，2005（1）：31-37．

[6]王紅霞，李德英，王隨林．供熱輸配系統的優化設計配置——分布式變頻系統的研究[J]．中國建設信息（供熱制冷專刊），2003：42-47．

[7]Lund H T．M ethods for operational optim ization of districts heating systems[D]．Denm ark：The Energy Research Cooperation of the Nordic Counci of Ministers，1989．

[8]Hansson T R．Operational optimization of districts heating systems[D]．Denmark：Technological University of Denmark，1991．

[責任編輯 田豐]

Distributed w ith power centralized system comparative analysis on adjustment characteristics

SHAO Bo，SUN Chunhua，JIA Meng，QI Chengying

(School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Based on distributed variable-frequency system with power-centralized energy consumption system in the heating circulation pump and heating regulation stability analysis,we analyzed pump systems of heat distribution advantages. By using a practical push-pull traditional network as objects,we compared w ith pressure equalizing tubes distributed variable-frequency transformation of system pumps energy consumption.By using fluid analysis software of distributed and conventional heating system dynam ic simulation,the process of many regulators,we did the dynam ic simulation about the heat pump and distributed variable-frequency system accident conditions to see the differences of the adjusting stability and heating safety in the two systems.

distributed variable-frequency system;centralized-pow er system;pressure balance pipeline;operational regulation

TU995.1

A

1007-2373(2015)06-0045-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.009

2015-02-28

國家十二五科技支撐計劃（2012BAJ06B00）；河北省自然科學基金（E2015202063）

邵博（1989-），男（漢族），碩士生．通訊作者：孫春華（1974-），女（漢族），副教授，博士，sunchunhuah@163.com．

數字出版日期：2015-11-18數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151118.1049.006.htm l