動力分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能性

紀(jì)博淵，吳志湘，呂硯昭

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710034；2.西安市建筑設(shè)計研究院，陜西 西安 710048)

動力分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能性

紀(jì)博淵1，吳志湘1，呂硯昭2

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710034；2.西安市建筑設(shè)計研究院，陜西 西安 710048)

總結(jié)分析了影響動力分布式系統(tǒng)穩(wěn)定性和節(jié)能性的因素，找到了在各自的影響因素中的共同影響因素，零壓差點和泵的選取，結(jié)果表明：零壓差點選在靠近熱源處對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能性都較好；主循環(huán)泵選陡峭型、用戶泵選平緩型的較好。

動力分布式系統(tǒng)；穩(wěn)定性；節(jié)能性

1 引言

近年來，集中供熱系統(tǒng)在不斷發(fā)展，但傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)存在著大流量小溫差、冷熱不均、能耗損失大等諸多不足。針對這些不足，江億院士提出了動力分布式供熱系統(tǒng)，且該系統(tǒng)也逐漸被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可，研究也越來越多。而現(xiàn)有的文獻中大多集中在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能性兩方面，但這些文獻對這兩方面的研究絕大多數(shù)是單方面的理論研究，很少有將兩者聯(lián)系起來針對分布式系統(tǒng)進行研究的。但實際中如果想將動力分布式供熱系統(tǒng)更為廣泛的被用戶所接受，兩者并須同時滿足才可以，所以本文針對兩者的關(guān)系進行初步的探討。

2 管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性

在供熱系統(tǒng)中，管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性應(yīng)該是設(shè)計者們首要考慮的問題，它是供熱系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。水力穩(wěn)定性是指在管網(wǎng)中各個管段或用戶，在其他管段或用戶的流量改變時，保持本身流量不變的能力。

2.1 影響因素

影響管網(wǎng)水力穩(wěn)定性因素有多個，但這些因素中主要是在零壓差點、水泵的性能兩個因素。動力分布式供熱系統(tǒng)由于熱源循環(huán)泵不承擔(dān)系統(tǒng)循環(huán)的全部動力，所以供熱系統(tǒng)的干管上必然存在一個供回水壓差為零的點，該點則稱為零壓差點。通過具體的案例定量的分析了零壓差點選在不同的位置處對系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響，得出在供熱系統(tǒng)中零壓差點選取在系統(tǒng)兩端的穩(wěn)定好，在系統(tǒng)的中間系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對比較差[1]。水泵的選型對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：“熱源處的循環(huán)水泵特性曲線平緩型的要比陡峭型的穩(wěn)定性要好，支路上的循環(huán)水泵的特性曲線陡峭型的要比平緩型的穩(wěn)定性要好[1，2]”。

2.2 判斷標(biāo)準(zhǔn)

影響穩(wěn)定性的因素很多，但如何判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用戶之間相互影響的大小。通常用管段或用戶的設(shè)計流量和工況變動后可能達到的最大流量的比值來衡量管道的水力穩(wěn)定性。

(1)

式中：y為管段或用戶的水力穩(wěn)定性系數(shù)；Vg為管段或用戶的設(shè)計流量；Vmax為管段或用戶的況變動后可能達到的最大流量；ΔPy為用戶在正常工況下的作用壓差；ΔPr為管網(wǎng)作用壓差；ΔPw為官網(wǎng)正常工況下的管網(wǎng)干管的壓力損失；Sy為用戶系統(tǒng)及用戶支管的總阻抗。

在式(1)中，能知道提高水力穩(wěn)定性的主要方法是減小干管壓降，提高用戶的壓降，但并不能判斷各用戶之間的關(guān)系。

偏離系數(shù)法：“供熱系統(tǒng)，在某一設(shè)計工況下，當(dāng)調(diào)節(jié)某支路時，其它各支路流量也發(fā)生變化。則第i個支路的新流量與設(shè)計工況下流量的比值稱為i支路的流量偏離系數(shù)。

(2)

(3)

可以看出當(dāng)Xi-j越接近1，表示j調(diào)節(jié)時，i支路受其影響越小，穩(wěn)定性越好；反之，則表示j進調(diào)節(jié)時，i支路受其影響越大，穩(wěn)定性越差。

對于i支路，當(dāng)其它支路分別進行調(diào)節(jié)時，流量偏離系數(shù)平均值為：

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 研究得出數(shù)據(jù)通過SPSS 19.0軟件統(tǒng)計處理，以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示計量資料，以 t檢驗；以數(shù)（n）或率（%）表示，計數(shù)資料，以 χ2檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

(4)

(5)

其中W越接近1則系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好，越偏離1穩(wěn)定性越差。但是接近1有從小于1接近和大于1接近的區(qū)別，為了更簡單明了地判斷，進一步提出一個新的量：

Ws=|W-1|

(6)

在初始條件相同，支路流量調(diào)節(jié)量相同時，系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定性或者不同系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以用WS值進行對比。WS越大系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差，反之則穩(wěn)定性越好[3]”。

從偏離系數(shù)法可以看出，不僅有單個支路之間的相互作用Xi-j，還有整體性的穩(wěn)定性的判斷Ws。

3 管網(wǎng)的節(jié)能性

能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)，同時也是影響經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素。近年來，我國的能源生產(chǎn)總量與能源消費總量呈現(xiàn)快速增長的趨勢，但是能源生產(chǎn)一直小于能源消耗，使我國的能源結(jié)構(gòu)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而采暖能耗又在建筑能耗中占有很大的比例，所以對采暖系統(tǒng)中進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計或改善是必要的。

3.1 零壓差點

供熱系統(tǒng)根據(jù)零壓差點是否可動分為變零壓差點和定零壓差點。變零差點調(diào)節(jié)系統(tǒng)是零壓差點會隨著室外溫度的變化而不斷改變。以圖1為例：以熱源為參考，在供暖期，最初的室外溫度相對較高，用戶所需要的流量較小，熱源泵可以提供10個用戶所需要的壓力，各支路上的泵是關(guān)閉的，和傳統(tǒng)的集中供熱一樣，水壓圖如圖2。

圖1 分布式供熱系統(tǒng)

圖2 供熱初期水壓

隨著室外的溫度逐漸降低，用戶所需要的熱量也開始增加，熱源泵的揚程不能滿足遠端用戶的資用壓力，不能滿足的用戶支路開啟循環(huán)水泵，水壓圖如圖3，從圖中可以看到，零壓差點在用戶4處。當(dāng)室外的溫度的溫度很低時，10個用戶可能均不能滿足，則各個支路上的水泵全部開啟，水壓圖如圖4，此時零壓差點逐漸移到1用戶處。

圖3 零壓差點移動到用戶4處的水壓

圖4 零壓差點移動到用戶1處的水壓

當(dāng)室外溫度開始回升時，用戶泵又開始關(guān)閉，零壓差點從近端用戶移到遠端用戶處。在一個供暖期，零壓差點在不斷地變化即為變零壓差點調(diào)節(jié)。但此調(diào)節(jié)系統(tǒng)最大的不足就是在整個供暖期內(nèi)，用戶泵不斷地開啟關(guān)閉，會使用戶泵的壽命大大下降，而且調(diào)節(jié)很繁瑣。所以一般分布式供熱系統(tǒng)中會選擇定零壓差點調(diào)節(jié)，即零壓差點通過熱源泵和用戶泵的調(diào)節(jié)或用平衡管段使其固定在系統(tǒng)某處不變。

以圖1系統(tǒng)為例，假設(shè)通過熱源泵和用戶泵的調(diào)節(jié)，零壓差點固定在用戶4處，則水壓圖如圖3。從水壓圖可以看出，零壓差點及以后(用戶4～10)，各個用戶的資用壓力通過支路水泵提供，用戶3的資用壓力一部分通過熱源泵提供，一部分通過用戶泵提供，用戶2的資用壓力恰好由熱源泵全部提供，但用戶1資用壓力雖也由熱源泵提供，但還有一部分需要通過閥門等消耗掉，存在無用功的消耗。同樣，對于圖2的無用功會更多，用戶1～9均有無用功的消耗。而如若將零壓差點定在用戶1處，則各個支路上則沒有無用的消耗。我們在供熱系統(tǒng)提出的節(jié)能的概念，就是減少或消除無用功的消除。所以零壓差點的選取對系統(tǒng)的節(jié)能有很大的影響，從節(jié)能的角度，零壓差點選在臨界點(熱源泵恰好提供最近端用戶的資用壓力，其他用戶的資用壓力由各支路循環(huán)泵提供，此時的零壓差點為臨界點)和熱源之間，系統(tǒng)支路均沒有無用功的消耗，是最好的。

3.2 背壓

背壓在分布式供熱系統(tǒng)中是針對支路提出的概念，即回供水壓差，對背壓有直接影響的是干管的總流量，總流量不變，則ΔPb不變。如圖4中，對于零壓差點(A)之前與BC段之間的用戶背壓為負值(P2-P1)，零壓差點之后的用戶背壓為正值。支路上的循環(huán)水泵的揚程：

H=P3-P1=(P3-P2)+(P2-P1)

其中：P3-P2=H1是用戶的需用壓力；P2-P1=ΔPb是背壓ΔPb，則支路循環(huán)水泵的揚程是該支路背壓和用戶資需用壓力之和。而管網(wǎng)特性曲線H=SQ2，其中Q是管網(wǎng)總流量，對于支路H=ΔPb+SQ2，這里的Q是支路的流量。當(dāng)管網(wǎng)其他支路的變化引起總流量增大時，ΔPb也會增大，支路要保持原有的流量，需要水泵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，如圖5，則水泵揚程從H1增加到H2，反之，當(dāng)ΔPb減小時，水泵揚程也會減小。所以在供熱系統(tǒng)中，應(yīng)該盡量減小背壓，使其消耗的能耗減少。

圖5 支路管網(wǎng)曲線和泵的曲線

3.3 泵的分散度

動力分布式供熱系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)，是用泵代替閥門，減少了無用功的消耗，但系統(tǒng)中節(jié)能率并不是隨著泵的分散度的增加而增加。隨著泵的分散度的增加，消耗的無用功在逐漸減少，但節(jié)能率也逐漸降低，而泵的數(shù)量卻大幅度的增加，使系統(tǒng)的維護和管理難度大大增加。所以供熱系統(tǒng)中泵一直分散到系統(tǒng)末端并不合理，其分散度應(yīng)該根據(jù)具體工程進行計算分析[4]。

4 穩(wěn)定性和節(jié)能性的關(guān)系

由以上綜述分析可知，影響分布式系統(tǒng)穩(wěn)定性和節(jié)能性的因素很多，但同時影響兩者的因素主要是零壓差點和泵的選取，在這兩個因素的選取時應(yīng)該同時兼顧穩(wěn)定性和節(jié)能性的要求。零壓差點的選取綜合這兩點可以看出，在分布式系統(tǒng)中零壓差點選取在靠近熱源處，對于穩(wěn)定性和節(jié)能性都比較好。同樣泵的選取綜合兩者的要求，干管主循環(huán)泵應(yīng)該選擇陡峭型，用戶泵應(yīng)該選擇平緩型的，但選取是二級泵系統(tǒng)還是三級泵系統(tǒng)或其他系統(tǒng)，應(yīng)該根據(jù)具體案例計算確定。這是對于兩個主要影響因素的確定，對于其他的影響因素來說，當(dāng)不能同時達到要求時，應(yīng)該更多的側(cè)重于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因為穩(wěn)定性是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是節(jié)能性的前提。

[1]陳亞芹.分布式變頻熱網(wǎng)的運行調(diào)節(jié)方案[D].北京：清華大學(xué)，2005.

[2]符永正.變流量系統(tǒng)穩(wěn)定性及減少輸送能耗的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[3]周 正.分布式變頻集中供熱系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[D].天津：天津大學(xué)機械工程學(xué)院，2012.

[4]焦 揚，符永正.關(guān)于動力分散系統(tǒng)分散程度的探討[J].建筑熱能通風(fēng)，2010，29(4):24～26.

Brief Introduction of Stability and Energy-saving Property ofthe Distributed Power System

Ji Boyuan1, Wu Zhixiang1, Lü Yanzhao2

(1.Xi'anPolytechnicUniversity,Xi'an710048,China;2.Xi'anArchitecturalDesignResearchInstitute,Xi'an710001,China)

Through the summary and analysis of the factors affecting the stability and energy-saving of distributed power system, the article, finds out the common influencing factors, namely the zero pressure difference point and pump selection. The results show that when the zero pressure difference point is close tothe heat source, it is good for the stability and energy-saving of the system; It's better to select steep type's pump for the main circulating pump and flat type's pump for users.

distributed power system; stability; energy-saving property

2015-10-08

紀(jì)博淵(1989—)，女，河北保定人，西安工程大學(xué)碩士研究生。

TK05

A

1674-9944(2015)12-0268-03