動力分布式二級泵供熱系統在環狀管網的應用分析

王鵬飛 吳志湘 岳斌佑

摘要：為研究動力分布式二級泵供熱系統在環狀管網的應用效果，闡述了動力分布式二級泵供熱系統在環狀供熱管網應用的形式，比較了傳統枝狀熱網和環狀熱網的區別，以及動力分布式二級泵供熱系統的原理、水壓圖及運行方式。并同傳統環狀管網進行了能耗對比，結果表明：環狀管網和動力分布式二級泵供熱系統的結合既提升了供熱系統的可靠性，也達到了節能的目的。

關鍵詞：動力分布式二級泵供熱系統;環狀管網;枝狀管網;熱源泵;用戶泵

中圖分類號：TU833

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0185-05

1 引言

動力分布式供熱系統[1]作為節能的一項新技術應用廣泛，隨著人民生活水平的提高，供熱系統的可靠性越來越受到關注。通常采用枝狀管網改為環狀管網等方案來提高系統可靠性。動力分布式與環狀管網的有機結合，對減少供熱管網輸配能耗，提高供熱系統可靠性具有重要作用。然而目前動力分布式供熱系統的研究只局限在枝狀管網，針對環狀管網的應用國內外文獻少有提及，此外環狀管網運行方式對動力分布式供熱系統影響的理論研究也少有論述。本研究通過借鑒動力分布式供熱系統的設計思路，從管網拓撲結構、水壓圖、壓差控制點及循環水泵的選擇對動力分布式在環狀及枝狀管網的應用進行了對比分析，結合傳統環狀管網，對動力分布式環狀管網進行了能耗計算，為動力分布式供熱系統在環狀管網的應用提供思路。

2 動力分布式供熱系統

2.1 概述

傳統供熱系統的循環泵根據最遠的、最不利的用戶選擇，并設置在熱源處，以克服熱源、熱網及用戶系統阻力。這種傳統設計，在供熱系統的近端用戶處形成了過多資用壓頭。為降低近端用戶流量，須設置調節閥，將多余資用壓頭消耗掉，使得無效電耗相應增加。此外，傳統供熱系統還易形成冷熱不均現象，由于近端用戶出現過多資用壓頭，若缺乏有效調節，造成近端用戶流量超標，遠端用戶流量不足，供回水壓差小。這種情況下，為改善供熱效果須提高遠端用戶資用壓頭，常采用加大循環泵或在末端增設加壓泵以改善供熱效果，然而這種方式容易造成供熱系統流量超標，導致大流量小溫差。為解決傳統供熱系統中水力失調、冷熱不均等問題，常采用動力分布式供熱系統。

動力分布式供熱系統分為動力分布式二級泵供熱系統和動力分布式三級泵供熱系統兩類，其中動力分布式二級泵供熱系統常被應用。動力分布式二級泵供熱系統利用分布在用戶端的循環泵取代調節閥，使得原來在調節閥上消耗的多余壓頭變為由分布式變頻泵提供的資用壓頭，同時將熱媒由熱源泵被動“推送”到各用戶處變為由用戶泵從熱源處主動的“抽取”流體。

2.2 動力分布式供熱系統的設計思路

動力分布式供熱系統是不同于傳統集中供熱的，該系統的設計規劃與傳統的集中供熱管網也有所不同[2]，在進行動力分布式供熱系統設計時應按以下思路進行。

（1）管網系統設計，計算管網的阻力。

（2）選擇壓差控制點，不同的壓差控制點對應不同的設備初投資和管網運行費用，應按技術經濟分析進行選擇。

（3）選擇主循環泵，主循環泵的選擇考慮兩方面。①流量要求，應能提供管網的全部循環流量，其計算公式如下：

G= 0.86×Q/△t

（1）

式（1）中：G為系統的循環水流量（m3/h）;Q為熱量需求（kW）;△t為供回水溫差（℃）。②揚程要求，應滿足熱源到壓差控制點間管網阻力。

（4）分布式變頻泵的選擇，主要考慮滿足該分支用戶的阻力和流量。動力分布式供熱系統的合理設計是實現該系統高效節能運行的前提，為達到合理設計，首要問題是分布式系統壓差控制點的確定和主循環泵的選取。當壓差控制點選在供熱管網中部時，系統各處壓力隨流量變化較小，系統運行更為穩定。主循環泵的揚程應滿足熱源到壓差控制點間管網阻力。主循環泵的揚程選擇合理，可以降低動力分布式供熱系統的初投資。從理論上講，在設計工況流量下，應使主循環泵向第一個用戶所提供的資用壓頭等于或小于用戶所需要的壓頭即可，但這樣選擇可能會造成各用戶的回水加壓泵選擇過大，造成初投資過大。因此，主循環泵揚程要通過綜合分析主循環泵和回水加壓泵的投資來確定，這主要是從經濟性角度來考慮的[2]。

3 動力分布式供熱系統在環狀管網和枝狀管網的應用

由于動力分布式供熱系統在環狀管網和枝狀管網的應用差異實質就是兩種管網的差異。可通過借鑒動力分布式供熱系統設計思路，從管網拓撲結構、水壓圖、壓差控制點及循環水泵的選擇幾個方面，來對環狀管網與枝狀管網進行對比分析。

3.1 拓撲結構

所謂“拓撲”就是把實體抽象成與其大小、形狀無關的“點”，而把連接實體的線路抽象成“線”，進而以圖的形式來表示這些點與線之間關系的方法，其目的在于研究這些點、線之間的相連關系。表示點和線之間關系的圖被稱為拓撲結構圖。兩種管網拓撲結構示意圖見圖1。圖a為枝狀供熱管網，其中r為熱源，u1、u2、u3、u4、u5分別為熱用戶。假定供回水管路完全對稱，若將熱用戶u3、u4用管路連接，則供熱管網的拓撲結構變為環狀管網，環狀管網拓撲結構見圖b[3]。觀察兩種管網拓撲結構發現，枝狀管網中，用戶u3的用水量須經用戶u2所在的通路，而環狀管網，用戶u3的用水量可由兩條通路提供，分別經過用戶u2和u4。若熱用戶u2到u3管段發生故障無法供水，用戶u3可經u4所在通路獲得水量。對比發現，環狀管網相較于枝狀管網供水可靠性得到提高。

3.2 水壓圖

傳統供熱系統在設計時無論是布置成枝狀還是環狀，普遍做法是在熱源處布置循環泵，循環泵揚程根據最遠的、最不利的用戶選擇，克服熱源、熱網和用戶系統阻力。熱源循環泵下兩種管網水壓圖見圖2。

觀察兩種管網水壓圖發現，環狀管網供回水壓力線變化較為平緩，這是因為環狀管網有一定的備用結構，使得熱網干線管徑相對較大，比摩阻較小，從而干線損失小。此外，相同資用壓頭，環狀管網熱源處水泵的總壓頭比枝狀管網小。圖中陰影部分為需要用閥門的節流損失，觀察發現，當熱用戶所需壓降相同時，環狀管網的節流損失比枝狀管網少，這是因為熱水在環狀供熱管網中分布均勻，從而滿足遠離熱源的用戶u3的流量分配，使得熱網總節流損失減少。

相比枝狀管網，環狀管網具有以下優勢。

（1）安全可靠。環網上如果某處出了事故，只要關閉該管段兩側的閥門進行搶修，其他管段照常運行，而枝狀管網辦不到。

（2）可擴展性較強。對于一個環網來說，可以一次設計分別實施，條件具備后再連接成多熱源聯網供熱的大環型管網。這樣做可以保證熱用戶增長的需要，節省初期投資。

（3）適應性較強。由于設計時不可能準確預計未來負荷的增長情況，所以隨著熱用戶增加在枝狀管網上常出現某一支管線所承擔的負荷超出設計能力，而另一支相臨管線則熱負荷嚴重不足，這時把該二支管線適當位置連接起來就可以“互通有無”，同時也節約了循環水泵的電能。由此可見，環狀管網在一定程度上可以適應供熱負荷的變化。

3.3 動力分布式供熱系統在枝網和環網中的應用對比

動力分布式供熱系統在兩種供熱管網的應用布置見圖3，其中圖3（a）為動力分布式二級泵系統在枝狀管網的布置圖，圖3b為動力分布式二級泵系統在環狀管網的布置圖。從圖中看可以看出，兩種布置方案除了本身的管網布置區別外，都是在熱源處和用戶ul～u5處設置變頻水泵。在設計工況下，兩種管網的動力分布式布置方案中的水流方向如圖中實線箭頭方向所示。

動力分布式枝狀供熱管網水壓圖見圖4，觀察水壓圖發現，熱源泵只負責熱源內部循環和到零壓差點的阻力，用戶泵負責提供的揚程用來克服零壓差點到用戶所在環路阻力，所有用戶處均無節流損失，所需用量根據用戶需要在本地調節水泵。動力分布式環狀管網中熱源循環泵除負責熱源內部的循環外，還負責承擔熱源至供水干網的輸配功能，其揚程應包括熱源內部（包括鍋爐）的系統壓降和至供水干網的輸送壓降。分布式用戶泵的揚程為用戶（熱力站）到主干網之間的循環環路的壓降之和水壓圖見圖5，水壓圖實線部分是熱源循環泵建立的，由于熱源循環泵，熱水，熱量由熱源“推向”供水干網的，因此，供水干網的水壓圖是供水壓力大于回水壓力，在水力匯交點（用戶u3）處，供水壓力最低，回水壓力最高。且水力坡線比較平緩，資用壓頭的最大值和最小值相差不大，設計時可將最小壓差值保持在5～10m Hz0之間。水壓圖虛線部分表明了主干網到用戶（熱力站）之間的壓力分布狀況。以用戶u2為例，其零壓差點02設計在熱力站之前，主干網上的供回水資用壓頭全部變為一級網的輸出動力，避免了節流損失造成的無功電耗[4]。

對比得到動力分布式二級泵供熱系統在環狀管網與枝狀管網應用差異如下。

（1）環狀管網的主干線是環狀，部分支線仍是枝狀，枝狀管網中主干線和用戶支線均為枝狀。

（2）環狀管網的拓撲結構較枝狀管網更為復雜，部分管段因為工況變化流向可能也會發生變化。

（3）環狀管網因為有至少兩個回路，所以主環網上存在水力匯交點，該點用戶的水源來自兩個方向，這也導致動力分布式應用時壓差控制點會有不同。

（4）動力分布式在環狀管網的零壓差點分布在每條用戶支線用戶（熱力站）之前，枝狀管網分布在主干線上。

（5）因為用戶可以從不同回路供水，所以動力分布式環狀管網對工況變化的適應能力較動力分布式枝狀管網更好。

4 動力分布式環狀管網與傳統環狀管網的比較

4.1 系統布置

傳統環狀管網與動力分布式環狀管網布置見圖5。其中，圖5a環狀管網采用的是傳統熱源循環泵，圖5b環狀管網中采用動力分布式二級泵供熱系統布置，兩者的管道布置相同，不同的是動力分布式環狀管網中用戶泵代替了傳統環狀管網中用戶處的調節閥，當用戶需要變流量時，經過調節用戶泵的頻率即可完成。

4.2 能耗

為分析動力分布式環狀管網與傳統環狀管網間能耗差異，以某環狀管網為例，進行案例計算。某環狀管網布置見圖6。其中，設計供、回水溫為95℃/70℃;熱用戶的需用壓頭都為10 mH2O，用量為100 m³/h;熱源內部的消耗壓頭為15 mH20，局部阻力為沿程阻力的30%。

為方便討論，傳統環狀管網為方案1，系統布置見圖5a，動力分布式環狀管網為方案2，系統布置見圖5b。

4.2.1 設計工況能耗

循環泵的能耗為：N=QH/367η

（2）

式（2）中：N-泵的能耗kW;Q-泵的循環流量，m³/h;H泵的揚程，mH2O;η-泵的效率，熱源泵效率取η=80%，用戶泵效率η=75%。經水力計算，熱源和用戶的流量及水泵的揚程，計算結果見表1。

對比表1中泵的能耗，該案例設計工況條件下，動力分布式二級泵供熱系統水泵方案比傳統的熱源循環泵方案可節省泵功消耗23.9%。

4.2.2 裝機容量

由泵耗可知，方案2的泵耗較方案1的泵耗低，這會導致方案2配電室的裝機容量較方案1的低，采用方案2比方案1節電。

4.2.3 運行能耗

以用戶ul變流量調節為例，運行調節工作點變化見圖7，觀察圖形發現，Ql到Q2有兩種調節方案，其工作流程：方案1通過調節閥門改變管網特性曲線由I到Ⅱ，并與水泵特性曲線ni交于點C，此時，揚程為HC，HCCQ20的面積為水泵的有效功率;方案2中，通過調節水泵轉速，水泵工作曲線由n1到n2，工作點由A到B，流量由Q1到Q2，轉速由m1降至m2，根據相似原理[6]，水泵的特性曲線由，n1變為曲線m2，而管網的特性曲線不變，管網特性曲線I與水泵特性曲線n2交于點B，揚程變為HB，相比Hc揚程減小。HBBQ2O面積即為水泵的有效功率，可以看出，兩種方法都可以達到變流量的效果。由于方案1通過閥門調節需要的有效功率遠高于通過降低水泵轉速調節需要的有效功率，圖中HCCBHB的陰影面積即為變頻調節比閥門調節節省的功率AP。對比發現，動力分布式環狀管網比傳統環狀管網節能[7，8]。

5 結語

通過對比分析得到，動力分布式二級泵供熱系統應用于環狀管網后，供熱系統的可靠性不僅得到提高，管網輸配的能耗也相應減少;當管段出現故障需要檢修時，環狀管網使動力分布式供熱系統的可及性得到提高;一定條件下，環狀管網的水力分配更均勻，動力分布式二級泵供熱系統應用到單熱源環狀管網節能率較應用于單熱源枝狀管網要低一些。隨著供熱規模越來越大，供熱管網運行的安全性、經濟性十分重要，動力分布式環狀管網將是一個合理經濟的供熱輸配方式。

參考文獻：

[1]賈云飛，吳志湘，翟夢嫻，等.動力分布式系統中用戶背壓及其變化的討論[J].節能，2017 （1）：25～27.

[2]時榮劍.動力分布式集中供熱管網研究[D].南京：南京理工大學，2007.

[3]王海，周海艦，朱彤.新一代節能供熱網絡的立體拓撲結構建模[J].暖通空調，2017，47（8）：138～144.

[4]石兆玉.多熱源聯網中分布式輸配供熱系統的應用[J].區域供熱，2014（4）：1～4.9.

[5]王海，王海鷹，朱彤.一種新的分布式水泵供熱布置方案分析[J].土木建筑與環境工程，2013，35（5）：98～105.

[6]秦冰，秦緒忠，陳泓，等.淺析分布式變頻泵系統的多熱源聯合供熱[J].區域供熱，2008（1）：19～24.

[7]張鼎蓉，吳志湘，呂硯昭.動力分布式二級泵供熱系統的水力計算方法分析[J].綠色科技，2017 （18）：181～183.

[8]孔祥睿，吳志湘，呂硯昭，等.動力分布式供熱系統中背壓對水泵運行調速范圍的影響[J].綠色科技，2015（12）：265～267.