間接供熱一級泵系統壓差控制方案研究*

曹榮光

(中國中元國際工程有限公司,北京)

0 引言

隨著城鎮化的推進,我國供熱規模和供熱半徑越來越大。區域供熱管網多為間接連接,即熱源與熱用戶間設置換熱站隔開,熱源與換熱站之間通過一次網連接,換熱站與熱用戶間通過二次網連接。由于熱網的熱惰性,區域供熱一次網采用質調節會產生供熱過量或不足現象,影響供熱質量或造成能源浪費。一次網集中量調節比質調節更優越,供熱質量更高,經濟性更好[1]。

隨著區域供熱系統設備水平的提升,熱用戶末端裝置具備了自主調節能力,變流量運行逐步在供熱系統中得到推廣應用。區域供熱輸配變流量系統一般采用壓差控制,通過調節循環泵的運行臺數和轉速控制熱網壓差保持恒定,以滿足末端用戶的熱量需求。現有研究大多針對供熱一次網變流量調節的調控方法,缺少基于熱用戶逐時負荷分析的輸配系統工況變化和節能性研究[2-6]。本文以某建筑綜合體區域供熱輸配系統為例,基于供熱期各單體建筑的逐時熱負荷,通過建立管網動力學數學模型,定量分析間接供熱系統中一級泵在不同壓差控制方案下的全年逐時運行工況變化和運行能耗,以供工程設計參考。

1 工程概況

1.1 建筑概況

某建筑綜合體項目(如圖1所示)位于北京市,涵蓋辦公、商業、公寓等功能業態,采用區域集中供熱,規劃用地面積為6.82萬m2。集中供熱區域內有13棟建筑,包括9棟辦公樓(辦公樓1～9)、2棟公寓樓(公寓樓1、2)及2棟配套商業樓(配套商業樓1、2),總供熱建筑面積為16.89萬m2,各建筑供熱面積及最大熱負荷見表1。

注:J1～J16為供水側節點編號;E1～E15為供水側管段編號。圖1 某建筑綜合體熱水輸送管網平面示意圖

表1 各建筑供熱面積及最大熱負荷

1.2 逐時熱負荷

該項目建筑逐時熱負荷計算采用EnergyPlus軟件,該軟件主要用于建筑能量特性模擬與負荷計算,它吸收了DOE-2和BLAST 2個軟件的優點,并具備很多新的功能[7-9]。該項目供暖季為11月15日到次年3月15日,共121 d。模擬采用的北京地區室外氣象參數從EnergyPlus氣象數據庫中選取,來源為CSWD(中國典型氣象年數據)[10]。負荷計算時考慮了各建筑的使用功能、平時及節假日運行時間、房間同時使用率等參數,由于篇幅所限,本文不再贅述。各建筑及總體的熱負荷最大值見表1,供暖季逐時熱負荷見圖2～8。

圖2 辦公樓1～5逐時熱負荷

圖3 辦公樓6、7逐時熱負荷

圖4 辦公樓8逐時熱負荷

圖5 辦公樓9逐時熱負荷

圖6 公寓樓1、2逐時熱負荷

圖7 配套商業樓1逐時熱負荷

圖8 配套商業樓2逐時熱負荷

根據表1的統計結果,該項目綜合最大熱負荷為6 605.95 kW,折合單位建筑面積熱指標為39.1 W/m2。供暖期總供熱量為504.71萬kW·h,折合單位面積供熱量為29.88 kW·h/m2。區域建筑逐時熱負荷見圖9,逐日耗熱量見圖10。

圖9 區域建筑逐時熱負荷

圖10 區域建筑逐日耗熱量

2 輸配系統

2.1 系統概況

熱源:該工程供熱熱源采用地埋管地源熱泵系統,如圖1所示,熱泵機組設置于辦公樓8南側的地下冷熱機房內,地埋換熱管布置于相鄰地塊的城市公園綠地內。熱水設計供/回水溫度為50 ℃/40 ℃,總設計熱水流量為568.0 m3/h。

輸配系統:該工程采用間接供熱,供熱輸配系統原理圖見圖11。一級泵B1設置于冷熱機房內,承擔一次網阻力;各用戶二次網循環泵(B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16)分別設置于1#～4#站房內,承擔用戶側熱水系統阻力。熱源側熱泵機組設置熱水循環泵,承擔熱源阻力,熱源側與輸配側通過平衡管隔開。熱水一次網從冷熱機房到最遠端的4#站房的管線長度約為388.6 m。

注:J17～J32為回水側節點編號;E16～E30為回水側管段編號;B1、B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16為泵組編號。圖11 供熱輸配系統原理圖

熱用戶:供熱區域內共8個熱用戶,各用戶設計熱水流量見表1。

2.2 輸送管網

如圖11所示,供熱輸配系統供水側共有15個管段,編號分別為E1～E15;該項目熱水輸送管網采用枝狀布置,為簡化分析,設定回水側管網參數與供水側相同,則回水側共有15個管段,編號分別為E16～E30。根據各用戶節點的流量和經濟比摩阻,經設計計算,各管段的內徑、管長及局部阻力系數設計值見表2。管徑小于DN300的管道采用無縫鋼管,大于等于DN300的管道采用螺旋焊接鋼管。

表2 各管段設計參數

2.3 循環泵選型

2.3.1一級泵B1

該項目換熱站內換熱器一次側及站內管線設計總壓頭為10 m,輸配系統補水定壓水頭為63 m,定壓點為一級泵B1吸入口,管壁粗糙度為0.5 mm。根據管網參數計算設計流量下各節點的供回水壓力,結果如圖12所示,節點J1處供回水壓頭差為13.6 m,第一個用戶分支節點J3處供回水壓頭差為12.3 m,一次網末端最不利用戶節點J8處供回水壓頭差為10.0 m。

圖12 熱水輸配一級泵系統設計工況下的管網節點水壓圖

2.3.2二次網循環泵

該項目各換熱站內換熱器二次網及站內管線設計總壓頭為10.0 m,各用戶側設計壓頭均為12.5 m,二次網循環泵設計揚程為上述2項壓頭之和,均為22.5 m。

根據上述一級泵及二次網循環泵的揚程參數及表1中列出的各用戶節點的設計熱水流量選擇水泵參數,結果見表3。

表3 一級泵及二次網循環泵選型

根據水泵樣本[11],采用拉格朗日插值法擬合得到一級泵及二次網循環泵變頻運行的性能方程,見表4。

表4 一級泵及二次網循環泵性能方程

2.4 運行策略

區域供熱輸配系統的設計目標一方面是要保證各末端用戶隨時得到所需流量,另一方面要降低循環水泵能耗。由于用戶末端設備換熱具有顯著的非線性特征及水系統存在熱惰性,溫度控制方法在控制機理上存在不穩定性,而壓差控制方法可以對用戶末端負荷的變化快速響應,控制參數簡單明確,在國內眾多大型項目中得到了應用,是現階段工程設計中水系統控制普遍采用的方法[12-22]。

2.4.1二次網循環泵運行策略

熱用戶末端負荷調節采用量調節,供熱系統二次網變流量運行。通過調節各二次網循環泵(B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16)的運行臺數和轉速,保持換熱站出口處供回水壓頭差恒定為設計值12.5 m,實時滿足末端設備的用熱需求。

2.4.2一級泵運行策略

隨著換熱站供熱量的變化,實時調節換熱器一次側電動調節閥保持二次側供水溫度恒定,一次側變流量運行,一級泵B1的運行策略有如下3種:

1) 始端定壓差運行。通過調節一級泵B1的運行臺數和轉速,保持一次網第一個用戶分支節點J3處供回水壓頭差恒定為12.3 m。

2) 末端定壓差運行。通過調節一級泵B1的運行臺數和轉速,保持一次網末端最不利用戶節點J8處供回水壓頭差為10.0 m。

3) 變壓差運行。監測一次網供熱系統內各換熱站一次側電動調節閥開度和回水溫度,如所有用戶熱力入口閥門開度低于100%,則一級泵B1變頻降速(結合水泵臺數控制)降低一次網系統運行流量,如存在任何一個換熱站一次側電動調節閥開度為100%,且回水溫度低于一次網總回水溫度,則一級泵變頻提速(結合水泵臺數控制)提高一次網系統運行流量。

3 輸配能耗量化分析

3.1 輸配能耗計算方法

輸配能耗計算按下列步驟進行。

1) 計算供冷季各用戶的逐時冷負荷,根據逐時負荷值求解各用戶節點的逐時熱水流量;

2) 參照文獻[22-23],根據表2及圖11的管網信息,建立管網動力學數學模型;

3) 根據步驟1)、2)的結果及系統壓差控制方案,求解輸配管網各時刻的節點水壓,得到一級泵B1及各二次網循環泵的運行揚程;

4) 將步驟1)、3)計算得到的流量和揚程值代入循環泵性能方程求解各水泵的運行頻率、效率,進而求解一級泵B1及各二次網循環泵的逐時能耗;

5) 將一級泵B1及各二次網循環泵的逐時能耗累加求和,即得到輸配能耗值。

3.2 一級泵運行能耗

一級泵在始端定壓差、末端定壓差、變壓差等3種運行策略下的年運行能耗見表5,各運行策略下一級泵B1的逐時運行頻率、效率、耗電量見圖13～15。

表5 一級泵年運行能耗

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數據。圖13 一級泵B1逐時運行頻率

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數據。圖14 一級泵B1逐時運行效率

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數據。圖15 一級泵B1逐時運行耗電量

3.3 二次網循環泵運行能耗

各二次網循環泵年運行能耗見表6,逐時能耗見圖16。

表6 二次網循環泵運行能耗

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數據。圖16 二次網循環泵逐時運行耗電量

4 分析與討論

4.1 輸配能耗

由表5可見,變壓差下一級泵系統的年耗電量最低,比始端定壓差下的年耗電量低64.3%,節能效果顯著。根據上一章的計算結果,統計各壓差控制方案的一級泵及二次網循環泵年運行能耗之和,結果見表7。由表7可見,相比始端定壓差,一級泵變壓差運行策略可以節約29.7%的輸配系統電耗,節能效果顯著。

表7 各方案年運行總能耗

4.2 可調性

圖17顯示了管網節點供回水壓頭差。如圖17所示:在部分負荷下,始端定壓差運行時,各換熱站一次側的資用壓頭增大,電動調節閥的閥權度降低,調節性能降低;末端定壓差及變壓差運行時,在保證供給的前提下各換熱站的資用壓頭減小,電動調節閥的閥權度提高,調節性能提高。其中,基于末端閥門開度檢測的變壓差控制方式可以實時追蹤一次網系統最不利用戶的位置,保證系統閥門阻力最小,能耗最低,是最優的調節方式。

注:圖中不同曲線代表供暖期不同天的數據。圖17 管網節點供回水壓頭差

4.3 經濟性

基于末端閥門開度檢測的變壓差控制方式僅需集中采集各換熱站一次側閥門開度和回水溫度,相對始端定壓差和末端定壓差方案基本不增加系統初投資,經濟性較好。

5 結束語

本文以北京某建筑綜合體集中供熱項目為例,定量分析了間接供熱系統中一級泵在不同壓差控制方案下的全年逐時運行能耗。結果表明,相比常規的始端定壓差和末端定壓差,基于末端閥門開度檢測的一級泵變壓差運行可以顯著降低供熱輸配能耗,提高換熱站一次側電動調節閥的調節精度,具有較好的經濟性,建議大規模推廣應用。