分布式供熱輸配系統理論解析

北京建筑大學 李德英

0 引言

所謂分布式變頻輸配系統就是分級泵變流量輸配系統，其主要特點是通過合理匹配分級泵，調節水泵電動機頻率改變其流量，以替代調節閥調節流量，從而起到“以泵代閥”的作用。其一增強了供熱系統流量的可調性，可有效解決系統水力失調現象，進而減少因熱力失調導致過度供熱的熱損失；其二可以減少調節閥的節流電耗損失[1]。

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

從水力工況看，二者的區別只是分布式變頻輸配系統比集中輸配系統減少了調節閥節流的能耗損失。所以從理論上講，前者循環水泵輸配電耗可減少20%～30%[2-3]。然而在實際工程應用中，有的分布式變頻輸配系統的節能效果并不明顯，有時其輸配電耗比集中輸配系統還要高，自然引起質疑，問題何在？

通過實際調查發現，大多數工程設計和管理技術人員忽略了一個重要問題，那就是在循環水泵設計選配時沒有校核水泵可能達到的運行效率，運行管理使用者也沒有進行水泵效率現場監測。所以大多數供熱系統普遍存在水泵匹配遠大于實際需要的功率，甚至誤以為“多多益善”，結果就造成了系統大流量和循環水泵低效率運行。現就此問題進行解讀。

1 特勒根定理在供熱輸配系統中的應用

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絡的重要理論之一，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系，即任一給定參數的電路網絡系統中，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為供電系統各支路的電流，A；ΔVi為供電系統各支路的電壓降，V。

特勒根定理適用于與電路相類似的復雜網絡，如神經系統、管道網絡與化工過程網絡等。而在供熱系統中，管網系統作為流體網絡，其拓樸結構和電路網絡的模式和基本規律是相同的，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用于供熱管網流體輸配能耗分析計算中。

1.2 分布式輸配系統在一次管網中的應用

如上所述，電路網絡系統的特勒根定理適用于流體網絡系統，即在供熱系統流體輸配網絡中，任何管網所消耗的功率，必然等于各管段流量與壓力降的乘積。即

Nf=a∑GiΔHi

(2)

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

分布式輸配系統在一次管網中應用比較多，且容易實施。無論供熱系統有多少循環水泵，也不管該系統由多少管段組成，如果管網流量和阻力特性一定，則管網系統所消耗的總功率必然與該系統各管段所消耗功率之和相等。對于這一基本規律，不論是集中輸配系統，還是分布式輸配系統都適用。所不同的是二者循環水泵消耗的功率不同，即使所有水泵實際工作效率都一樣，集中輸配系統還要增加調節閥調節時節流的能耗損失。該能耗損失取決于管網系統的比摩阻及其主干線與支干線阻力的相關關系，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,設計采用分布式變頻輸配技術或對既有系統改造后節電效果更加明顯[5]。

1.3 分布式輸配系統能效評價

供熱管網采用分布式輸配系統時，實際運行輸送能效應該通過耗電輸熱比進行評價，即在供熱期間，系統循環水泵的全部耗電量與總供熱量的比例關系，或稱之為單位供熱量的耗電量。據不完全統計，大多數供熱系統一次管網的耗電輸熱比為0.010～0.015，二次管網的耗電輸熱比為0.015～0.020，長輸管線的耗電輸熱比為0.020～0.030。

2 分布式輸配系統在二次管網中的應用

2.1 二次管網輸配系統的特點

目前，分布式變頻輸配供熱系統多在一次管網系統應用。在二次管網系統中，大多數采用集中輸送方式，即各用戶加裝各類調節閥調節流量。這種集中設計方法根據二次管網系統的最大流量和最不利用戶選擇循環水泵，用于克服熱源(換熱站)、熱網和熱用戶的系統阻力。這種傳統的設計思想，客觀上存在難以克服的問題：

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

2) 從水力工況的角度考慮，系統末端易出現資用壓頭不足，造成系統熱用戶流量近大遠小，出現室溫冷熱不均的現象。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，工程設計或運行管理人員往往采用加大熱源循環水泵的方式來解決，結果管網系統就會形成大流量小溫差的運行狀態。從而增加了二次管網系統的輸配能耗，同時也增大了近端熱用戶的過度供熱，降低了供熱系統的能效水平。

然而，考量一個供熱系統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水泵的設計方法選擇、是否與系統合理匹配相關聯。

2.2 分布式輸配技術在二次管網系統中的應用

在實際供熱工程中，二次管網系統的輸配調節比較復雜，且調節條件差，調節難度也大。所以二次管網系統的水力平衡及流量是否合理分配成為影響供熱系統全網水力工況的關鍵環節。雖然分布式輸配系統在技術上有先進性，但是還沒有在二次管網和熱用戶系統中得到充分的應用。供熱系統循環水泵正確的設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，克服管網輸配的阻力是必須的有效電耗。而集中輸配設計方法必然產生無效電耗，即熱用戶多余的資用壓頭被各種流量調節閥以節流的方式消耗掉。就調節流量、消除冷熱不均現象來說是有效調節，似乎也不可能完全取消必要節流的無效電耗，這就是集中輸配設計方法不可避免的問題所在。

而熱用戶多余資用壓頭的產生，是因為只在熱源處設計單一水泵系統造成的結果，通過管網系統無效電耗的理論計算會一目了然。可以利用電路網絡中的特勒根定理計算流體管網輸配所消耗的功率，得出無效電耗。這樣可為分布式變頻輸配系統多級水泵的選擇提供理論依據。

可見，供熱系統實現全網分布式輸配供熱，還需要不斷完善二次管網系統的監控計量條件，利用先進的通訊技術，推進二次管網分布式輸配系統的智能調節水力平衡技術的推廣與應用，提高供熱全網系統的運行管理水平，逐步實現量化、精細化的高效運行模式。

3 分布式變頻循環水泵的選擇

3.1 分布式變頻循環水泵的耗功率計算

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

(3)

或

(4)

(5)

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

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

3.2 分布式變頻循環水泵的選擇原則

在分布式變頻設計選擇循環水泵時，應符合下列要求[6]：

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

2) 多級循環水泵(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-管網特性曲線，確認每臺水泵在高效區工作。

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

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

5) 所有分布式循環水泵都應采用變頻調速，且在頻率改變時，水泵的工作點也應在水泵高效工作范圍內。

6) 有條件時，應采用水泵設計選擇軟件。

3.3 循環水泵的效率計算

供熱系統運行過程中，循環水泵的實際效率是一個關鍵指標，對于供熱系統節能運行非常重要，特別是分級泵系統更是如此。然而循環水泵的運行效率看不見也摸不著，管理者似乎也不太關心。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。循環水泵運行效率如此低的主要原因是設計選擇的水泵與系統不匹配，造成水泵實際運行工況點偏離了高效區。

一般來說，工程設計人員在設計選擇水泵時，應該根據水泵性能曲線和管網系統特性曲線進行繪圖驗證，校核水泵的性能曲線工作點是否在高效區。如果多臺水泵并聯運行時更應該核實水泵的工作效率，如圖1所示。

圖1 2臺水泵并聯運行時的效率分析

在供熱系統運行過程中，大多數循環水泵的實際效率無從知曉。所以應該現場測試水泵的流量、揚程和軸功率，再進行計算分析才可以作出判定。但是現場測試水泵性能參數比較困難：1) 水泵軸功率在現場沒法測試，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(即壓力表導壓孔)管道流體的流速和流態相同(即等高、等速、等流態)。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行動壓/靜壓能量轉換計算。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)，保證流態均勻穩定。

循環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為循環流量，t/h；H為循環水泵的揚程，m；Nz為循環水泵的軸功率(現場測試只能用電功率替代)，W。

通過循環水泵現場效率測試情況來判定水泵工作狀態，如果效率太低(如ηo<50%)，就說明水泵和系統不匹配，應該及時更換。有一點需要特別注意，改變水泵電動機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，這一點對提高系統能效、減少輸送能耗至關重要。

4 分布式變頻輸配系統運行調控方法

分布式變頻輸配系統運行控制是動態調控過程，根據負荷變化各個循環水泵需要聯動或同步調節管網系統的流量，總流量隨負荷改變時，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。而目前大多數分布式變頻輸配供熱系統運行調節依據不明確。針對上述問題作如下解讀，并提出相應調控方法。

4.1 分布式供熱系統應實行“變頻變流量”運行

目前大多數供熱系統采用分布式變頻輸配技術，主要承擔了最大流量分配的初調節問題。實際上變頻系統的可調節性主要解決了循環水泵與系統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。即使采用動態變頻調節，調控依據也不明確。有的系統甚至采用所謂的“壓差控制法”，即根據管網某一位置的壓差變化來改變頻率。如此調控方法基本失去了分布式變頻輸配技術的節能優勢。

其實供熱系統采用分布式變頻輸配技術最有效的調控方法應該是根據系統供熱負荷同步比例調節各分級水泵電動機的頻率，或采用“等溫差調節法”調節各級水泵的流量，可大大減少管網輸配能耗，且滿足熱用戶的熱量需求。

4.2 合理匹配循環水泵，以提升其運行效率

供熱系統所有循環水泵的運行效率應該進行現場測試，如果實測效率太低就應該及時更換。而大部分技術管理人員只是聽水泵的聲音，僅此而已，結果造成大部分循環水泵低效率(30%～50%)運行，浪費嚴重。

4.3 系統供熱全過程動態調控策略

大多數供熱系統的供熱量根據熱源的供水溫度進行調節，也就是說把供水溫度當熱量用，并非按需要的供熱量進行調節。結果使得分布式變頻輸配系統的作用沒有得到充分發揮，節能效果也不明顯，甚至有的分布式變頻輸配系統的輸配能耗比集中輸配系統還高。

供熱系統最有效的供熱調節方法應該是根據氣象條件采用熱量總量控制，即“熱量調節法”。所以分布式供熱輸配系統的循環水泵變頻控制應以供熱負荷為依據，“逐日、同步、等比例”調節頻率，從而實現逐日動態調節熱負荷及供熱量，以滿足熱用戶的需求。

在采用分布式變頻循環水泵的設計方法時，應該貫徹全面、協調、可持續發展的理念。在綠色、低碳、節能、高效的供熱智能化大環境下，尤其是隨著熱網系統長輸管線技術的推廣，分布式變頻輸配系統在實現管網系統水力工況動態調節及智能化供熱方面，具有不可替代的優勢。可以預見，在未來的供熱行業發展中，可以更好地利用分布式變頻輸配技術進一步提升能效，實行精細化管理、按需供熱、精確控制，從而使供熱系統真正實現智慧供熱、高效運行。

5 結論

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

2) 分布式變頻輸配系統循環水泵的運行效率是關鍵，且決定了系統節能效果。設計時應該通過繪制水泵-管網性能曲線進行效率驗證；在運行過程中必須對每一臺水泵進行效率測試，若效率低于50%應更換水泵。

3) 采用熱量總量調節控制策略，采用“熱量調節法”量化管理措施，實現逐日動態調節供熱量，以滿足熱用戶的需求。