調節零壓差控制點對動力分布式變頻供熱管網能耗影響的研究

鮮 勇

(成都紡織高等專科學校 機械工程學院，四川 成都 611731)

0 引言

現在，我國普遍達到了節能標準的第二個階段[1]，也即是：節能效率為50%，鍋爐效率為為68%，熱網能源的利用率為68%，可見熱網能源利用率還是相對較低，距離理想能源利用效率還存在巨大的差距。采暖節能研究的主要目的是在于提高熱網的能源利用率以及熱網的運行效率，這也是眾多節能減排專業技術人才努力的方向[2]。現在對于熱源的節能措施主要有以下幾個方面[3-4]：保證鍋爐受熱面的清潔；采用計算機控制程序自動控制燃燒過程；改善鍋爐系統的結構；采用分層燃燒技術減少爐渣的含碳量。動力分布式集中供熱管網，能夠提高熱網能源的利用效率，能夠用相對較低的能耗提供居民更加舒適的環境，實現節能效益、經濟效益、環境效益、社會效益，一步步實現可持續發展的目標[5]。相對南方而言，我國北方供熱能耗占建筑能耗的比例遠遠高于南方，因此北方是建筑采暖的重點[6]。隨著變頻技術的發展和應用，變頻技術在供熱管網得到了越來越廣泛的應用，并且變頻技術調節供熱管網流量和節能優勢越來越明顯[7]。通過對動力分布式變頻供熱管網的研究可以優化供熱管網結構，使供熱管網在更經濟、更可靠、更穩定、更節能的條件下運行。

1 調節零壓差控制點對動力分布式變頻供熱管網節能效果的影響

動力分布式變頻供熱管網優勢在于分布式變頻系統能根據用戶流量需求實現無極調速，提高能源利用效率。但并不是簡單的用變頻泵替代用戶支線上的閥門那么簡單，還要考慮變頻泵的布置形式，對于整個供熱管網來說，要綜合考慮各種因素和變頻泵的能耗來決定分布式變頻系統是否節能，下面將分析在動力分布式變頻供熱管網中，選擇不同的調節零壓差控制點對供熱管網節能效果的影響。

下面以河南油田高中小區為例，該小區一共有五棟，每棟樓等距離分布，供回水管線長為880 m，供回水主干線的管徑為100 mm，支干線的管徑為50 mm，循環泵的效率為70%。為模擬分析計算方便，把每一棟樓看成獨立的用戶，每棟樓的面積、額定熱負荷、額定流量如表1所示。

表1 用戶的原始數據

為了分析調節零壓差控制點對供熱管網能耗的影響，分5種方案分別討論調節零壓差控制點對供熱管網能耗的影響：(1)方案1：以用戶5為調節零壓差控制點；(2)方案2：以用戶4為調節零壓差控制點；(3)方案3：以用戶3為調節零壓差控制點；(4)方案4：以用戶2為調節零壓差控制點；(5)方案5：以用戶1為調節零壓差控制點。

2 以各用戶為調節零壓差控制點對變頻供熱管網能耗的影響

2.1 以用戶5為調節零壓差控制點

要分析調節零壓差控制點對動力分布式變頻供熱管網能耗的影響，首先就要確定調節零壓差控制點。首先將供熱管網中的閥門去掉，經過模擬計算后，要使得用戶5供回水壓差相等，就必須對供熱管網進行調節，當節點6的壓強為0.31 MPa、節點12的壓強為0.570 MPa時，用戶5供回水壓力相等，都為0.439 MPa，這樣就確定了用戶以用戶5為調節零壓差控制點的供熱管網運行狀態，這時供熱管網的流量和壓力分布如圖1所示。

圖1 調節后供熱管網流量和壓力分布

知道了閥門二端的壓降以及主循環泵、加壓泵1、加壓泵2、加壓泵3二端的壓力，就能確定閥門的開度、完成主循環泵和加壓泵的選擇，然后把主循環泵、加壓泵、閥門安裝在供熱管網對應位置，這時供熱管網的流量和壓力分布如圖2所示，供熱管網的水壓圖如圖3所示。

圖2 以用戶5為調節零壓差控制點的供熱管網壓力和流量分布

圖3 以用戶5為調節零壓差控制點的供熱管網水壓圖

現將把圖2供熱管網中各個用戶的設計流量、實際流量、主循環泵的揚程、供熱管網總流量統計于表2中。

表2 以用戶5為調節零壓差控制點的供熱管網水力失調度

從表2可以看出，用戶1、用戶2、用戶3、用戶4、用戶5的水力失調度分別為0.99、0.94、0.95、1.01、1.00，說明了各個用戶都到了水力平衡，系統總流量為80.7 m3/h說明了主循環泵選擇和加壓泵選擇的正確性。在此基礎上各用戶變頻泵能耗和主循環泵能耗統計于表3中。

表3 以用戶5為調節零壓差控制點的供熱管網能耗

2.2 以用戶4為調節零壓差控制點

確定用戶4為供熱管網調節零壓差控制點的方法與確定用戶5為供熱管網調節零壓差點控制點的方法相同，經過模擬分析計算，要使用戶4供回水壓力相等，那就必須在用戶4、用戶5、用戶6支路上安裝變頻泵，用戶1、用戶2滿足供熱需求，不安裝變頻泵，仍然采用閥門調節。經過模擬計算，供熱管網流量和壓力分圖、供水管網水壓圖分別見圖4、見圖5所示。

圖4 以用戶4為調節零壓差控制點的供熱管網流量和壓力分布

圖5 以用戶4為調節零壓差控制點的供熱管網水壓圖

現將把圖4供熱管網中各個用戶的實際流量、主循環泵的揚程、供熱管網總流量、統計于表4中。

表4 以用戶4為調節零壓差控制點的供熱管網水力失調度

從表4可以看出用戶1、用戶2、用戶3、用戶4、用戶5水力失調度分別為1.03、0.95、1.00、1.01、1.00，可見各個用戶都達到了水力平衡，供熱系統的總流量為80.83m3/h，說明了主循環泵和各用戶加壓泵選擇的正確性，在此基礎上將主循環泵和各用戶加壓泵的能耗統計于表5中。

表5 以用戶4為調節零壓差控制點的供熱管網水力失調度

2.3以用戶3為調節零壓差控制點

以用戶3為調節零壓差控制點，經過模擬分析計算，要使得用戶3供回水壓差為零，需要在用戶2、用戶3、用戶4、用戶5的支路上安裝變頻泵，用戶1滿足供熱需求，不需要安裝變頻泵，仍然采用閥門調節。這時供熱管網流量和壓力分布圖、供熱管網水壓圖如圖6、圖7所示。

圖6 以用戶3為零壓差控制點的供熱管網流量和壓力分布

圖7 以用戶3為調節零壓差控制點的供熱管網水壓圖

現在把圖6供熱管網中各個用戶的設計流量、實際流量、主循環泵的揚程、供熱管網流量統計于表6中。

表6 以用戶3為調節零壓差控制點的供熱管網水力失調度

從表6可以看出用戶1、用戶2、用戶3、用戶4、用戶5的水力失調度分別為1.03、1.00、0.98、1.00、0.99，說明各用戶都達到了水力平衡，供熱管網總流量為80.59m3/h，說明了主循環泵和加壓泵選擇的正確性，把主循環泵和各用戶加壓泵的能耗統計于表7中。

表7 以用戶3為調節零壓差控制點的供熱管網能耗

2.4 以用戶2為調節零壓差控制點

確定用戶2為調節零壓差控制點的方法與確定用戶5為調節零壓差控制點的方法相同，經過模擬分析計算，要使得用戶2供回水壓差為零，就需要在用戶2、用戶3、用戶4、用戶5的支路上安變頻泵，用戶1滿足供熱需求，不需要安裝變頻泵，仍然采用閥門調節。供熱管網流量和壓力分布圖、供熱管網水壓圖如圖8、圖9所示。

圖8 以用戶2為調節零壓差控制點的供熱管網流量和壓力分布

圖9 以用戶2為調節零壓差控制點的供熱管網水壓圖

現在把圖8供熱管網中各個用戶的設計流量、實際流量、主循環泵的揚程、供熱管網總流量統計于表8中。

從表8可以看出用戶1、用戶2、用戶3、用戶4、用戶5的水力失調度分別為1.12、0.98、0.99、1.00、0.99，說明各用戶都達到了水力平衡，供熱管網總流量為80.26m3/h，說明了主循環泵和加壓泵選擇的正確性，把主循環泵和各用戶加壓泵的能耗統計于表9中。

2.5 以用戶1為調節零壓差控制點

確定用戶1為調節零壓差控制點的方法與確定用戶5為調節零壓差控制點的方法相同，經過模擬分析計算，要使得用戶1供回水壓差為零，那么就需要在用戶1、用戶2、用戶3、用戶4、用戶5上都安裝變頻泵。供熱管網流量和壓力分布圖、供熱管網水壓圖如圖10、圖11所示。

圖10 以用戶1為零壓差控制點的供熱管網流量和壓力分布

圖11 以用戶1為調節零壓差控制點的供熱管網水壓圖

把圖10中供熱管網中各個用戶的設計流量、實際流量、主循環泵的揚程、系統總流量統計于表10中。

表10 以用戶1為調節零壓差控制點的供熱管網水力失調度

從表10可以看出各用戶的水力失調度分別為1.05、0.98、0.98、1.02、0.99，說明各個用戶都達到了水力平衡，供熱管網總流量為80.67m3/h，說明了主循環泵和加壓泵選擇的正確性，把主循環泵和加壓泵的能耗統計于表11中。

表11 以用戶1為調節零壓差控制點的供熱管網能耗

3 模擬結果分析

為了更直觀的顯示各個方案的能耗，把各個方案模擬的能耗繪制成柱狀圖，見圖12所示。

圖12 不同零壓差點能耗比較圖

從圖12可以看出方案1到方案4的能耗逐漸減小，方案5的能耗比方案4的能耗高，表明在動力分布式變頻供熱管網中，當調節零壓差控制點逐漸靠近熱源，主循環泵的揚程減小，這是因為主循環泵只需要克服調節零壓差控制點之前供熱管網的阻力，所以隨著調節零壓差控制點逐漸靠近熱源，主循環泵的揚程逐漸減小。也即說明了在動力分布式變頻供熱管網中存在一個臨界調節零壓差控制點，當選擇臨界調節零壓差控制點以前的用戶作為調節零壓差控制點時，供熱管網的能耗逐漸減小，選擇臨界調節零壓差控制點以后的用戶作為調節零壓差控制點時，供熱管網的能耗并無此規律；當選擇供熱管網末端作為調節零壓差控制點時，供熱管網的能耗最高，這也從側面證明了傳統式供熱管網是最不節能的；當選擇離熱源最近的用戶作為調節零壓差控制點時，供熱管網的能耗并非最低。因此在動力分布式變頻供熱管網中，選擇合適的調節零壓差控制點，可以提高供熱管網節能效果，因此選擇合適的調節零壓差控制點對供熱管網的運行具有十分重要的意義。

4 動力分布式變頻供熱管網的設計思路

動力分布式變頻供熱管網的設計不同于傳統式供熱管網的設計，動力分布式供熱管網的設計的首要問題就是選擇供熱管網中的調節零壓差控制點，調節零壓差控制點不同，供熱管網能耗不同。從理論上來講，主循環泵的選擇也尤為重要，在設計工況流量下，主循環泵應向離熱源最近的用戶提供的資用壓頭小于或等于用戶所需要的資用壓頭即可，但是這樣會造成各用戶回水加壓泵增大，造成用戶的初投資增大，綜合以上分析動力分布式供熱管網的設計思路如下

(1)選擇動力分布式變頻供熱管網中的調節零壓差控制點，選擇不同的調節零壓差控制點，供熱管網的能耗不同。

(2)選擇主循環，主循環泵的選擇應該考慮2個方面，1是主循環泵的設計流量應該是供熱管網所需總流量，2是主循環泵的揚程應該滿足熱源到供熱管網調節零壓差控制點之間的管網阻力。

(3)選擇各用戶支路上的變頻泵，各支路上的變頻泵應該滿足該用戶的流量及該用戶的阻力。

5 結論

分析了變頻泵的工作原理和運行調節特性，以五個熱用戶為研究對象，對以不同用戶作為調節零壓差控制點的動力分布式變頻供熱管網進行了能耗模擬計算，提出了動力分布式供熱管網的設計思路，得到了如下結論：

(1)在研究動力分布式變頻供熱管網調節零壓差控制點對供熱管網能耗影響時，得到了確定動力分布式變頻供熱管網調節零壓差控制點的方法。

(2)在動力分布式變頻供熱管網中，存在一個臨界調節零壓差控制點，當選擇臨界調節零壓差控制點之前的用戶作為調節零壓差控制點時，供熱管網的能耗隨著調節零壓差控制點逐漸靠近熱源時，供熱管網能耗逐漸減小，當選擇臨界調節零壓差差控制點之后的用戶作為調節零壓差控制點時，供熱管網能耗并無此規律。

(3)在動力分布式變頻供熱管網中，當調節零壓差控制點逐漸靠近熱源時，變頻泵的個數逐漸增加。

(4)在動力分布式變頻供熱管網中，當調節零壓差控制點越靠近熱源時，主循環泵的揚程就越小，各用戶加壓泵的揚程越大；當調節零壓差控制點遠離熱源時，主循環泵的揚程就越大，各用戶加壓泵的揚程越小。因此在動力分布式變頻供熱管網設計中，要選擇最優的調節零壓差控制點。