動力分布式輸配系統的零壓差控制點分析

李姣,吳志湘,呂硯昭,林迪

(1.西安工程大學,陜西 西安 710048;2.西安市建筑設計研究院,陜西 西安 710054;3.中國新時代國際工程公司,陜西 西安 710054)

動力分布式輸配系統的零壓差控制點分析

李姣1,吳志湘1,呂硯昭2,林迪3

(1.西安工程大學,陜西 西安 710048;2.西安市建筑設計研究院,陜西 西安 710054;3.中國新時代國際工程公司,陜西 西安 710054)

摘要:分析了動力分布式供熱輸配系統的零壓差控制點的分類及運行調節、位置的影響因素,利用工程實例對不同位置的零壓差控制點方案進行了模擬計算,對零壓差控制點的選取進行了總結歸納。以期為以后動力分布式輸配系統的工程設計提供一些參考,以利該技術的推廣應用。

關鍵詞:零壓差控制點;動力分布式輸配系統;運行調節;能耗

1引言

隨著變頻技術的成熟發展,動力分布式輸配系統在諸多方面的優越性也逐漸得到業內人士的認可。動力分布式系統的最大優勢即節電節能,零壓差控制點選取的位置不同,計算出的節能率也不同,且對節能效果的影響也是不可忽視的。零壓差控制點的位置不僅影響其節能效果,也在水力穩定性、初期投資等各方面都有不同程度的影響。由于零壓差控制點不同對動力分布式輸配系統的特點有若干影響,因此合理選取零壓差控制點對動力分布式輸配系統具有重要的意義。

2　零壓差控制點的分類及運行調節分析

在動力分布式輸配系統的干管上可以找到一點,該點的供、回水壓差值為零,此點被成為零壓差控制點。系統在運行過程中,隨著流量的改變,零壓差控制點的位置可能也會改變。零壓差控制點根據其位置的變化與否,可以分為兩類:定零壓差控制點和變零壓差控制點。

2.1　定零壓控制差點的運行調節分析

定零壓差控制點調節即在系統流量的變化過程中,通過改變熱源循環泵的轉速以調節管網供回水壓差,保持零壓差控制點的位置不變。各用戶根據其各自需求調整用戶泵的轉速以獲得相應的流量。

圖1　不同水力工況水壓

由水壓圖1可知,定零壓差控制點的運行調節方式下,雖然在系統的整個運行過程中水力工況不斷變化但均為相似工況,即各用戶流量與資用壓頭成等比變化。當各用戶流量變化時,應調節熱源循環泵的轉速變流量,保證零壓差點的位置不變。各用戶循環泵轉速隨之改變以獲取各自所需的流量。這種調節方式減少了開啟和停止用戶循環泵的次數,降低了熱網運行調節的難度,且能耗低[1]。

2.2　變零壓差控制點的運行調節

變零壓差控制點調節,即在系統整個運行過程中零壓差控制點的位置處于不斷變化的狀態,這種調節方式主要是盡量利用熱源循環泵滿負荷運行,滿足供熱系統的輸送要求。在該運行中零壓差控制點的位置隨流量的改變而變化。變零壓差控制點運行調節過程為:①供暖初期,室外氣溫較高,熱負荷較低,則系統循環流量較小;熱源循環泵即可滿足最不利用戶的資用壓頭,各用戶循環泵不用開啟,零壓差控制點不存在,此時相當于傳統供熱系統模式運行。②供熱中期,隨著室外氣溫的不斷降低,系統的循環流量逐漸增大,零壓差控制點逐漸向熱源移動,遠端各用戶循環泵由遠及近逐漸開啟,此時變為動力分布式供熱輸配系統模式。③供熱末期,室外氣溫緩慢升高,系統循環流量又開始逐漸減小,零壓差控制點逐漸又遠離熱源,從熱源由近及遠的各用戶循環泵依次關閉,直至全部關閉。動力分布式供熱輸配系統逐漸過度為傳統系統。

變零壓差控制點的運行調節過程中各用戶循環泵的工作時間短,調節過程為非相似工況,這種方式的運行沒有定零壓差控制點運行節能;且此種運行調節是一個相當復雜的過程,對操作人員的要求較高;此種運行調節方式要求熱源循環泵的流量變化范圍大,且用戶循環泵開啟關閉的頻率較高,會造成泵的故障率較高使用壽命較短。因此在實際工程中大多還是采用定零壓差點的控制方式。

3零壓差控制點的位置及選取分析

動力分布式供熱輸配系統的合理設計可以實現管網的高效節能運行,設計的首要工作就是要合理選擇零壓差控制點的位置。一般情況熱網存在一個使能耗最低的壓差控制點,也存在一個使熱網穩定性最好的壓差控制點,當這兩個壓差控制點在熱網的同一位置時,管網的設計是最優的[2]。

3.1　零壓差控制點的位置影響因素

供回水干線的總阻力損失為ΔP,管段長度l,S是管網的總阻抗,流量為G。設熱源循環泵的揚程為H提供的是熱源內部損失及熱源至零壓差點之間的供回水干管的阻力損失。熱源內部損失為,熱源到零壓差控制點之間的部分供回水干線阻力損失為ΔP′,熱源至零壓差點供回水管段總阻抗為S′,零壓差控制點與熱源距離為l′,則有以下公式:

H=h+ΔP′

(1)

ΔP′=S′G2

(2)

綜合以上兩式:

H-h=S′G2

(3)

根據流體輸配知識,在室外管網的熱水管路中,S是管網的總阻抗,影響S值的參數有:摩擦阻力系數λ、管段長度l、直徑(或當量直徑)d、局部阻力系數∑ζ、流體密度ρ。其中λ取決于流態。由流體力學知識可知,當流動處于阻力平方區時,λ僅與K/d(管段的相對粗糙度)有關。在給定管路的條件下,若λ值可視為常數,則有:S=f(l,d,K,∑ζ,ρ)可知,S正比于l、∑ζ、K、ρ,反比于d。對于某一具體管網,l、∑ζ、K、ρ、d等均已確定。

動力分布式系統若零壓差點位置不同,則熱源至零壓差控制點供回水管段總阻抗S′與l′成正比變化。設a為定值,公式(3)可寫成:

H-h=al′G2

(4)

由公式(4)可得:理論上,零壓差控制點的位置與各用戶的流量分配、熱網總流量及熱源循環泵的揚程等因素相關。若零壓差控制點之前的用戶流量需求增大或系統總循環流量增大時,熱源循環泵的揚程H不變,l′較小,即零壓差控制點的位置在靠近熱源處;當熱源循環泵揚程H增大系統總循環流量不變時,l較大,即零壓差控制點的位置遠離熱源。

3.2　工程實例能耗分析

某工程實例為位于西安市的室外工程,工程平面圖如圖2。供熱范圍包括5個住宅建筑,供熱站一次熱源蒸汽,壓力為0.3MPa,供熱站汽水換熱。本小區供熱管網及采暖用戶均采用變流量系統,本工程二次網采用動力分布式二級泵供熱輸配系統,本文僅討論二次網系統。供熱站二次采暖的供回水溫度為80~60℃,熱水管網與用戶采用直接連接,最遠供熱距離為170m,最大管徑為DN125,室外部分采用異程式雙管系統,供熱管段為半通行地溝敷設,供回水立管設在管井內。

以這5個熱用戶的熱網為例,總流量為135m3/h用戶1~5的流量分別為26m3/h、30m3/h、28m3/h、24m3/h、27m3/h,用戶1~5的總阻力均為90kPa。設計方案如下。

方案1:如圖3將零壓差控制點設在支路E-E′上,此時熱源循環泵可滿足用戶1、2、3的要求,支路上不設用戶循環泵,用戶循環泵設在4、5支路上。

圖2　西安市某小區供熱工程平面

圖3　方案1熱網流程

方案2:如圖4將零壓差控制點設在支路D-D′上,此時熱源循環泵可滿足用戶1、2的要求,支路上不設用戶循環泵,用戶3~5支路上設用戶循環泵。

圖4　方案2熱網流程

方案3:如圖5將零壓差控制點設在支路C-C′上,此時熱源循環泵可滿足用戶1的要求,支路上不設用戶循環泵,其他用戶2~5支路上均設用戶循環泵。

圖5　方案3熱網流程

方案4:如圖6壓差控制點設在支路B-B′上,此時熱源循環泵只承擔機房內的循環,用戶1~5支路上均設用戶循環泵。

圖6　方案4熱網流程

已知流量和阻力,查出泵的效率,計算所得各方案的能耗如表1。

通過表1分析可得,對于動力分布式輸配系統,方案1零壓差控制點的位置在熱網遠端處,此時耗電量最大,節能效果最差。方案3的電功耗相對其他方案較小,靠近熱源的用戶1資用壓頭恰好等于設計需用壓頭,而其它用戶2~5的資用壓頭不足則需設用戶循環泵。理論上,此時系統中無任何閥門阻力節流,熱水輸送的動力消耗為需用能耗。零壓差控制點的最佳位置即設在熱網中部靠近熱源處(熱網1/3處),系統節能效果較好。

表1　各方案電功耗表

2.3　零壓差控制點的選取分析

零壓差控制點的位置不同,對應著不同的設備數量,對系統的水力穩定性、初期投資和運行費用等均有影響[4]。特別是對系統能耗影響較大,零壓差點位置不同其節能效果不同。分為以下兩種情況。

(1)對于系統形式較為簡單,規模較小的枝狀連接管網,當零壓差控制點的位置取在熱網的兩端時,能耗較高,節能效果較差;取在熱網最末端時,此時相當于傳統系統,電功率最高,節能效果最差;當零壓差控制點移向熱網中部時,系統的電功率逐漸減小,取在中部靠近熱源(即熱網的1/3處),系統的總能耗可能最低。

(2)對于系統形式較為復雜,規模較大的枝狀連接管網,零壓差控制點選在負荷較為集中處,有利于提高系統的經濟性和節能性[4]。

3結語

本文結合現有的研究理論,在此基礎上利用某工程實例,對零壓差控制點位置不同的方案進行了模擬計算分析。并對零壓差控制點的選取做了一定的歸納總結。目的是通過本文的分析,為以后的設計應用提供一定的參考幫助,促進分布式輸配系統這一新技術的發展。在建設投資方面,零壓差點位置不同,用戶泵的數量也不同,因此初投資費用不同[5];在節能方面,不同零壓差點對應不同的能耗,節能效果不一樣,因此造成運行費用的差異;從系統的水力工況角度出發,零壓差點的不同對系統的水力穩定性也會造成一定的影響。

合理選取系統的零壓差控制點對分布式供熱輸配系統具有重要的意義,同時,又因零壓差控制點不同,對分布式輸配系統的特點有若干影響。因此,對零壓差控制點的選取要經過綜合分析確定。

參考文獻:

[1] 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(2):73~75.

[2] 姚東文,邱林.分布式變頻泵供熱系統節能影響因素[J].煤氣與熱力,2010(4):14~17.

[3] 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):31~38.

[4] 陳亞芹.分布式變頻熱網的運行調節方案[D].北京:清華大學,2005.

[5] 劉曉敏.淺談分布式變頻調節系統[J].科技情報開發與經濟,2003(10):259~260.

Analysis on the Zero-pressure Control Point of Distributed Heating System

Li Jiao1,Wu Zhixiang1,Lü Yanzhao2,Lin Di3

(1.Xi'anpolytechnicuniversity,Xian710048China;2.Xi'anarchitecturaldesignand

researchinstitute,Xian710054China;3.Chinanewerainternationalengineering

corporation,Xian710054China)

Abstract:This paper briefly analyzes the classification,operation and position factors of zero-pressure control points in a distributed heating system.Then simulates different position of zero-pressure point according to practical engineering projects.Finally,it summarizes the selection of zero-pressure control point.The purpose of this paper is to provide a reference for engineering design of distributed heating systems and facilitate this technology application in the future.

Key words:zero-pressure control points;distributed heating system;operation regulation;energy consumption

中圖分類號:TB65

文獻標識碼:A

文章編號:1674-9944(2015)01-0269-03

作者簡介:李姣(1989—),女,陜西延安人,西安工程大學碩士研究生。

收稿日期:2014-12-05