鮮 勇

(成都紡織高等?？茖W(xué)校 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引言

現(xiàn)在，我國普遍達(dá)到了節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的第二個階段[1]，也即是：節(jié)能效率為50%，鍋爐效率為為68%，熱網(wǎng)能源的利用率為68%，可見熱網(wǎng)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(jié)能研究的主要目的是在于提高熱網(wǎng)的能源利用率以及熱網(wǎng)的運行效率，這也是眾多節(jié)能減排專業(yè)技術(shù)人才努力的方向[2]?，F(xiàn)在對于熱源的節(jié)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(jī)控制程序自動控制燃燒過程；改善鍋爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；采用分層燃燒技術(shù)減少爐渣的含碳量。動力分布式集中供熱管網(wǎng)，能夠提高熱網(wǎng)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(huán)境，實現(xiàn)節(jié)能效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會效益，一步步實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[5]。相對南方而言，我國北方供熱能耗占建筑能耗的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南方，因此北方是建筑采暖的重點[6]。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，變頻技術(shù)在供熱管網(wǎng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并且變頻技術(shù)調(diào)節(jié)供熱管網(wǎng)流量和節(jié)能優(yōu)勢越來越明顯[7]。通過對動力分布式變頻供熱管網(wǎng)的研究可以優(yōu)化供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使供熱管網(wǎng)在更經(jīng)濟(jì)、更可靠、更穩(wěn)定、更節(jié)能的條件下運行。

1 調(diào)節(jié)零壓差控制點對動力分布式變頻供熱管網(wǎng)節(jié)能效果的影響

動力分布式變頻供熱管網(wǎng)優(yōu)勢在于分布式變頻系統(tǒng)能根據(jù)用戶流量需求實現(xiàn)無極調(diào)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(wǎng)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(tǒng)是否節(jié)能，下面將分析在動力分布式變頻供熱管網(wǎng)中，選擇不同的調(diào)節(jié)零壓差控制點對供熱管網(wǎng)節(jié)能效果的影響。

下面以河南油田高中小區(qū)為例，該小區(qū)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(huán)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(fù)荷、額定流量如表1所示。

表1 用戶的原始數(shù)據(jù)

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

2 以各用戶為調(diào)節(jié)零壓差控制點對變頻供熱管網(wǎng)能耗的影響

2.1 以用戶5為調(diào)節(jié)零壓差控制點

要分析調(diào)節(jié)零壓差控制點對動力分布式變頻供熱管網(wǎng)能耗的影響，首先就要確定調(diào)節(jié)零壓差控制點。首先將供熱管網(wǎng)中的閥門去掉，經(jīng)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(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)節(jié)點6的壓強(qiáng)為0.31 MPa、節(jié)點12的壓強(qiáng)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(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)運行狀態(tài)，這時供熱管網(wǎng)的流量和壓力分布如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)后供熱管網(wǎng)流量和壓力分布

知道了閥門二端的壓降以及主循環(huán)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(huán)泵和加壓泵的選擇，然后把主循環(huán)泵、加壓泵、閥門安裝在供熱管網(wǎng)對應(yīng)位置，這時供熱管網(wǎng)的流量和壓力分布如圖2所示，供熱管網(wǎng)的水壓圖如圖3所示。

圖2 以用戶5為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)壓力和流量分布

圖3 以用戶5為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水壓圖

現(xiàn)將把圖2供熱管網(wǎng)中各個用戶的設(shè)計流量、實際流量、主循環(huán)泵的揚程、供熱管網(wǎng)總流量統(tǒng)計于表2中。

表2 以用戶5為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水力失調(diào)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(diào)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(tǒng)總流量為80.7 m3/h說明了主循環(huán)泵選擇和加壓泵選擇的正確性。在此基礎(chǔ)上各用戶變頻泵能耗和主循環(huán)泵能耗統(tǒng)計于表3中。

表3 以用戶5為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)能耗

2.2 以用戶4為調(diào)節(jié)零壓差控制點

確定用戶4為供熱管網(wǎng)調(diào)節(jié)零壓差控制點的方法與確定用戶5為供熱管網(wǎng)調(diào)節(jié)零壓差點控制點的方法相同，經(jīng)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(diào)節(jié)。經(jīng)過模擬計算，供熱管網(wǎng)流量和壓力分圖、供水管網(wǎng)水壓圖分別見圖4、見圖5所示。

圖4 以用戶4為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)流量和壓力分布

圖5 以用戶4為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水壓圖

現(xiàn)將把圖4供熱管網(wǎng)中各個用戶的實際流量、主循環(huán)泵的揚程、供熱管網(wǎng)總流量、統(tǒng)計于表4中。

表4 以用戶4為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水力失調(diào)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(diào)度分別為1.03、0.95、1.00、1.01、1.00，可見各個用戶都達(dá)到了水力平衡，供熱系統(tǒng)的總流量為80.83m3/h，說明了主循環(huán)泵和各用戶加壓泵選擇的正確性，在此基礎(chǔ)上將主循環(huán)泵和各用戶加壓泵的能耗統(tǒng)計于表5中。

表5 以用戶4為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水力失調(diào)度

2.3以用戶3為調(diào)節(jié)零壓差控制點

以用戶3為調(diào)節(jié)零壓差控制點，經(jīng)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(diào)節(jié)。這時供熱管網(wǎng)流量和壓力分布圖、供熱管網(wǎng)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(wǎng)流量和壓力分布

圖7 以用戶3為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水壓圖

現(xiàn)在把圖6供熱管網(wǎng)中各個用戶的設(shè)計流量、實際流量、主循環(huán)泵的揚程、供熱管網(wǎng)流量統(tǒng)計于表6中。

表6 以用戶3為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水力失調(diào)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(diào)度分別為1.03、1.00、0.98、1.00、0.99，說明各用戶都達(dá)到了水力平衡，供熱管網(wǎng)總流量為80.59m3/h，說明了主循環(huán)泵和加壓泵選擇的正確性，把主循環(huán)泵和各用戶加壓泵的能耗統(tǒng)計于表7中。

表7 以用戶3為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)能耗

2.4 以用戶2為調(diào)節(jié)零壓差控制點

確定用戶2為調(diào)節(jié)零壓差控制點的方法與確定用戶5為調(diào)節(jié)零壓差控制點的方法相同，經(jīng)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(diào)節(jié)。供熱管網(wǎng)流量和壓力分布圖、供熱管網(wǎng)水壓圖如圖8、圖9所示。

圖8 以用戶2為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)流量和壓力分布

圖9 以用戶2為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水壓圖

現(xiàn)在把圖8供熱管網(wǎng)中各個用戶的設(shè)計流量、實際流量、主循環(huán)泵的揚程、供熱管網(wǎng)總流量統(tǒng)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(diào)度分別為1.12、0.98、0.99、1.00、0.99，說明各用戶都達(dá)到了水力平衡，供熱管網(wǎng)總流量為80.26m3/h，說明了主循環(huán)泵和加壓泵選擇的正確性，把主循環(huán)泵和各用戶加壓泵的能耗統(tǒng)計于表9中。

2.5 以用戶1為調(diào)節(jié)零壓差控制點

確定用戶1為調(diào)節(jié)零壓差控制點的方法與確定用戶5為調(diào)節(jié)零壓差控制點的方法相同，經(jīng)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(wǎng)流量和壓力分布圖、供熱管網(wǎng)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(wǎng)流量和壓力分布

圖11 以用戶1為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水壓圖

把圖10中供熱管網(wǎng)中各個用戶的設(shè)計流量、實際流量、主循環(huán)泵的揚程、系統(tǒng)總流量統(tǒng)計于表10中。

表10 以用戶1為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)水力失調(diào)度

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

表11 以用戶1為調(diào)節(jié)零壓差控制點的供熱管網(wǎng)能耗

3 模擬結(jié)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(wǎng)中，當(dāng)調(diào)節(jié)零壓差控制點逐漸靠近熱源，主循環(huán)泵的揚程減小，這是因為主循環(huán)泵只需要克服調(diào)節(jié)零壓差控制點之前供熱管網(wǎng)的阻力，所以隨著調(diào)節(jié)零壓差控制點逐漸靠近熱源，主循環(huán)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(wǎng)中存在一個臨界調(diào)節(jié)零壓差控制點，當(dāng)選擇臨界調(diào)節(jié)零壓差控制點以前的用戶作為調(diào)節(jié)零壓差控制點時，供熱管網(wǎng)的能耗逐漸減小，選擇臨界調(diào)節(jié)零壓差控制點以后的用戶作為調(diào)節(jié)零壓差控制點時，供熱管網(wǎng)的能耗并無此規(guī)律；當(dāng)選擇供熱管網(wǎng)末端作為調(diào)節(jié)零壓差控制點時，供熱管網(wǎng)的能耗最高，這也從側(cè)面證明了傳統(tǒng)式供熱管網(wǎng)是最不節(jié)能的；當(dāng)選擇離熱源最近的用戶作為調(diào)節(jié)零壓差控制點時，供熱管網(wǎng)的能耗并非最低。因此在動力分布式變頻供熱管網(wǎng)中，選擇合適的調(diào)節(jié)零壓差控制點，可以提高供熱管網(wǎng)節(jié)能效果，因此選擇合適的調(diào)節(jié)零壓差控制點對供熱管網(wǎng)的運行具有十分重要的意義。

4 動力分布式變頻供熱管網(wǎng)的設(shè)計思路

動力分布式變頻供熱管網(wǎng)的設(shè)計不同于傳統(tǒng)式供熱管網(wǎng)的設(shè)計，動力分布式供熱管網(wǎng)的設(shè)計的首要問題就是選擇供熱管網(wǎng)中的調(diào)節(jié)零壓差控制點，調(diào)節(jié)零壓差控制點不同，供熱管網(wǎng)能耗不同。從理論上來講，主循環(huán)泵的選擇也尤為重要，在設(shè)計工況流量下，主循環(huán)泵應(yīng)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(wǎng)的設(shè)計思路如下

(1)選擇動力分布式變頻供熱管網(wǎng)中的調(diào)節(jié)零壓差控制點，選擇不同的調(diào)節(jié)零壓差控制點，供熱管網(wǎng)的能耗不同。

(2)選擇主循環(huán)，主循環(huán)泵的選擇應(yīng)該考慮2個方面，1是主循環(huán)泵的設(shè)計流量應(yīng)該是供熱管網(wǎng)所需總流量，2是主循環(huán)泵的揚程應(yīng)該滿足熱源到供熱管網(wǎng)調(diào)節(jié)零壓差控制點之間的管網(wǎng)阻力。

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

5 結(jié)論

分析了變頻泵的工作原理和運行調(diào)節(jié)特性，以五個熱用戶為研究對象，對以不同用戶作為調(diào)節(jié)零壓差控制點的動力分布式變頻供熱管網(wǎng)進(jìn)行了能耗模擬計算，提出了動力分布式供熱管網(wǎng)的設(shè)計思路，得到了如下結(jié)論：

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

(2)在動力分布式變頻供熱管網(wǎng)中，存在一個臨界調(diào)節(jié)零壓差控制點，當(dāng)選擇臨界調(diào)節(jié)零壓差控制點之前的用戶作為調(diào)節(jié)零壓差控制點時，供熱管網(wǎng)的能耗隨著調(diào)節(jié)零壓差控制點逐漸靠近熱源時，供熱管網(wǎng)能耗逐漸減小，當(dāng)選擇臨界調(diào)節(jié)零壓差差控制點之后的用戶作為調(diào)節(jié)零壓差控制點時，供熱管網(wǎng)能耗并無此規(guī)律。

(3)在動力分布式變頻供熱管網(wǎng)中，當(dāng)調(diào)節(jié)零壓差控制點逐漸靠近熱源時，變頻泵的個數(shù)逐漸增加。

(4)在動力分布式變頻供熱管網(wǎng)中，當(dāng)調(diào)節(jié)零壓差控制點越靠近熱源時，主循環(huán)泵的揚程就越小，各用戶加壓泵的揚程越大；當(dāng)調(diào)節(jié)零壓差控制點遠(yuǎn)離熱源時，主循環(huán)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(wǎng)設(shè)計中，要選擇最優(yōu)的調(diào)節(jié)零壓差控制點。