動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)的應(yīng)用分析

動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)的應(yīng)用分析方案來提高系統(tǒng)可靠性。動力分布式與環(huán)狀管網(wǎng)的有機結(jié)合，對減少供熱管網(wǎng)輸配能耗，提高供熱系統(tǒng)可靠性具有重要作用。然而目前動力分布式供熱系統(tǒng)的研究只局限在枝狀管網(wǎng)，針對環(huán)狀管網(wǎng)的應(yīng)用國內(nèi)外文獻少有提及，此外環(huán)狀管網(wǎng)運行方式對動力分布式供熱系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計思路，從管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、水壓圖、壓差控制點及循環(huán)水泵的選擇對動力分布式在環(huán)狀及枝狀管網(wǎng)的應(yīng)用進行了對比分析，結(jié)合傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)，對動力分布式環(huán)狀管網(wǎng)進行了能耗計算，為動力分布式供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)的應(yīng)用提供思路。2動力分布式供熱系統(tǒng)概述傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的循環(huán)泵根據(jù)最遠的、最不利的用戶選擇，并設(shè)置在熱源處，以克服熱源、熱網(wǎng)及用戶系統(tǒng)阻力。這種傳統(tǒng)設(shè)計，在供熱系統(tǒng)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(shè)置調(diào)節(jié)閥，將多余資用壓頭消耗掉，使得無效電耗相應(yīng)增加。此外，傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)還易形成冷熱不均現(xiàn)象，由于近端用戶出現(xiàn)過多資用壓頭，若缺乏有效調(diào)節(jié)，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(huán)泵或在末端增設(shè)加壓泵以改善供熱效果，然而這種方式容易造成供熱系統(tǒng)流量超標，導致大流量小溫差。為解決傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中水力失調(diào)、冷熱不均等問題，常采用動力分布式供熱系統(tǒng)。動力分布式供熱系統(tǒng)分為動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)和動力分布式三級泵供熱系統(tǒng)兩類，其中動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)常被應(yīng)用。動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)利用分布在用戶端的循環(huán)泵取代調(diào)節(jié)閥，使得原來在調(diào)節(jié)閥上消耗的多余壓頭變?yōu)橛煞植际阶冾l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?yōu)橛捎脩舯脧臒嵩刺幹鲃拥摹俺槿　绷黧w。動力分布式供熱系統(tǒng)的設(shè)計思路動力分布式供熱系統(tǒng)是不同于傳統(tǒng)集中供熱的，該系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃與傳統(tǒng)的集中供熱管網(wǎng)也有所不同［2］，在進行動力分布式供熱系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)按以下思路進行。（1）管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計，計算管網(wǎng)的阻力。（2）選擇壓差控制點，不同的壓差控制點對應(yīng)不同的設(shè)備初投資和管網(wǎng)運行費用，應(yīng)按技術(shù)經(jīng)濟分析進行選擇。（3）選擇主循環(huán)泵，主循環(huán)泵的選擇考慮兩方面。①流量要求，應(yīng)能提供管網(wǎng)的全部循環(huán)流量，其計算公式如下：G=0.86xQM（1）式（1）中：G為系統(tǒng)的循環(huán)水流量（m3/h）;Q為熱量需求（kW）對為供回水溫差（℃）。②揚程要求，應(yīng)滿足熱源到壓差控制點間管網(wǎng)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(tǒng)的合理設(shè)計是實現(xiàn)該系統(tǒng)高效節(jié)能運行的前提，為達到合理設(shè)計，首要問題是分布式系統(tǒng)壓差控制點的確定和主循環(huán)泵的選取。當壓差控制點選在供熱管網(wǎng)中部時，系統(tǒng)各處壓力隨流量變化較小，系統(tǒng)運行更為穩(wěn)定。主循環(huán)泵的揚程應(yīng)滿足熱源到壓差控制點間管網(wǎng)阻力。主循環(huán)泵的揚程選擇合理，可以降低動力分布式供熱系統(tǒng)的初投資。從理論上講，在設(shè)計工況流量下，應(yīng)使主循環(huán)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(huán)泵揚程要通過綜合分析主循環(huán)泵和回水加壓泵的投資來確定，這主要是從經(jīng)濟性角度來考慮的[2]。3動力分布式供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)和枝狀管網(wǎng)的應(yīng)用由于動力分布式供熱系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)和枝狀管網(wǎng)的應(yīng)用差異實質(zhì)就是兩種管網(wǎng)的差異?？赏ㄟ^借鑒動力分布式供熱系統(tǒng)設(shè)計思路，從管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、水壓圖、壓差控制點及循環(huán)水泵的選擇幾個方面，來對環(huán)狀管網(wǎng)與枝狀管網(wǎng)進行對比分析。拓撲結(jié)構(gòu)所謂“拓撲”就是把實體抽象成與其大小、形狀無關(guān)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(guān)系的方法，其目的在于研究這些點、線之間的相連關(guān)系。表示點和線之間關(guān)系的圖被稱為拓撲結(jié)構(gòu)圖。兩種管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。圖a為枝狀供熱管網(wǎng)，其中「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(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)變?yōu)榄h(huán)狀管網(wǎng)，環(huán)狀管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)見圖b[3]。觀察兩種管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，枝狀管網(wǎng)中，用戶u3的用水量須經(jīng)用戶u2所在的通路，而環(huán)狀管網(wǎng)，用戶u3的用水量可由兩條通路提供，分別經(jīng)過用戶u2和u4。若熱用戶u2到u3管段發(fā)生故障無法供水，用戶u3可經(jīng)u4所在通路獲得水量。對比發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀管網(wǎng)相較于枝狀管網(wǎng)供水可靠性得到提高。水壓圖傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)在設(shè)計時無論是布置成枝狀還是環(huán)狀，普遍做法是在熱源處布置循環(huán)泵，循環(huán)泵揚程根據(jù)最遠的、最不利的用戶選擇，克服熱源、熱網(wǎng)和用戶系統(tǒng)阻力。熱源循環(huán)泵下兩種管網(wǎng)水壓圖見圖2。觀察兩種管網(wǎng)水壓圖發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀管網(wǎng)供回水壓力線變化較為平緩，這是因為環(huán)狀管網(wǎng)有一定的備用結(jié)構(gòu)，使得熱網(wǎng)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(huán)狀管網(wǎng)熱源處水泵的總壓頭比枝狀管網(wǎng)小。圖中陰影部分為需要用閥門的節(jié)流損失，觀察發(fā)現(xiàn)，當熱用戶所需壓降相同時，環(huán)狀管網(wǎng)的節(jié)流損失比枝狀管網(wǎng)少，這是因為熱水在環(huán)狀供熱管網(wǎng)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(wǎng)總節(jié)流損失減少。相比枝狀管網(wǎng)，環(huán)狀管網(wǎng)具有以下優(yōu)勢。（1）安全可靠。環(huán)網(wǎng)上如果某處出了事故，只要關(guān)閉該管段兩側(cè)的閥門進行搶修，其他管段照常運行，而枝狀管網(wǎng)辦不到。（2）可擴展性較強。對于一個環(huán)網(wǎng)來說，可以一次設(shè)計分別實施，條件具備后再連接成多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱的大環(huán)型管網(wǎng)。這樣做可以保證熱用戶增長的需要，節(jié)省初期投資。（3）適應(yīng)性較強。由于設(shè)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(wǎng)上常出現(xiàn)某一支管線所承擔的負荷超出設(shè)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(jié)約了循環(huán)水泵的電能。由此可見，環(huán)狀管網(wǎng)在一定程度上可以適應(yīng)供熱負荷的變化。動力分布式供熱系統(tǒng)在枝網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)中的應(yīng)用對比動力分布式供熱系統(tǒng)在兩種供熱管網(wǎng)的應(yīng)用布置見圖3，其中圖3（a）為動力分布式二級泵系統(tǒng)在枝狀管網(wǎng)的布置圖，圖3b為動力分布式二級泵系統(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)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(wǎng)布置區(qū)別外，都是在熱源處和用戶ul~u5處設(shè)置變頻水泵。在設(shè)計工況下，兩種管網(wǎng)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(wǎng)水壓圖見圖4，觀察水壓HI發(fā)現(xiàn)，熱源泵只負責熱源內(nèi)部循環(huán)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(huán)路阻力，所有用戶處均無節(jié)流損失，所需用量根據(jù)用戶需要在本地調(diào)節(jié)水泵。動力分布式環(huán)狀管網(wǎng)中熱源循環(huán)泵除負責熱源內(nèi)部的循環(huán)外，還負責承擔熱源至供水干網(wǎng)的輸配功能，其揚程應(yīng)包括熱源內(nèi)部（包括鍋爐）的系統(tǒng)壓降和至供水干網(wǎng)的輸送壓降。分布式用戶泵的揚程為用戶（熱力站）到主干網(wǎng)之間的循環(huán)環(huán)路的壓降之和水壓圖見圖5，水壓圖實線部分是熱源循環(huán)泵建立的，由于熱源循環(huán)泵，熱水，熱量由熱源“推向”供水干網(wǎng)的，因此，供水干網(wǎng)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(shè)計時可將最小壓差值保持在5?10mHz0之間。水壓圖虛線部分表明了主干網(wǎng)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(shè)計在熱力站之前，主干網(wǎng)上的供回水資用壓頭全部變?yōu)橐患壘W(wǎng)的輸出動力，避免了節(jié)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(tǒng)在環(huán)狀管網(wǎng)與枝狀管網(wǎng)應(yīng)用差異如下。（1）環(huán)狀管網(wǎng)的主干線是環(huán)狀，部分支線仍是枝狀，枝狀管網(wǎng)中主干線和用戶支線均為枝狀。（2）環(huán)狀管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)較枝狀管網(wǎng)更為復雜，部分管段因為工況變化流向可能也會發(fā)生變化。（3）環(huán)狀管網(wǎng)因為有至少兩個回路，所以主環(huán)網(wǎng)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(yīng)用時壓差控制點會有不同。（4）動力分布式在環(huán)狀管網(wǎng)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(wǎng)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(huán)狀管網(wǎng)對工況變化的適應(yīng)能力較動力分布式枝狀管網(wǎng)更好。4動力分布式環(huán)狀管網(wǎng)與傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)的比較4.1系統(tǒng)布置傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)與動力分布式環(huán)狀管網(wǎng)布置見圖5。其中，圖5a環(huán)狀管網(wǎng)采用的是傳統(tǒng)熱源循環(huán)泵，圖5b環(huán)狀管網(wǎng)中采用動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)布置，兩者的管道布置相同，不同的是動力分布式環(huán)狀管網(wǎng)中用戶泵代替了傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)中用戶處的調(diào)節(jié)閥，當用戶需要變流量時，經(jīng)過調(diào)節(jié)用戶泵的頻率即可完成。4.2能耗為分析動力分布式環(huán)狀管網(wǎng)與傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)間能耗差異，以某環(huán)狀管網(wǎng)為例，進行案例計算。某環(huán)狀管網(wǎng)布置見圖6。其中，設(shè)計供、回水溫為95℃/70℃;熱用戶的需用壓頭都為10mH2O用量為100m3/h;熱源內(nèi)部的消耗壓頭為15mH20局部阻力為沿程阻力的30%。為方便討論，傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)為方案1，系統(tǒng)布置見圖5a，動力分布式環(huán)狀管網(wǎng)為方案2，系統(tǒng)布置見圖5b。設(shè)計工況能耗循環(huán)泵的能耗為：N=QH/367n（2）式（2）中：N-泵的能耗kW；Q-泵的循環(huán)流量，m3/h；H泵的揚程，mH20；n—泵的效率，熱源泵效率取n=80%，用戶泵效率n=75%。經(jīng)水力計算，熱源和用戶的流量及水泵的揚程，計算結(jié)果見表1。對比表1中泵的能耗，該案例設(shè)計工況條件下，動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)水泵方案比傳統(tǒng)的熱源循環(huán)泵方案可節(jié)省泵功消耗23.9%。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(jié)電。運行能耗以用戶ul變流量調(diào)節(jié)為例，運行調(diào)節(jié)工作點變化見圖7,觀察圖形發(fā)現(xiàn)，Ql到Q2有兩種調(diào)節(jié)方案，其工作流程：方案1通過調(diào)節(jié)閥門改變管網(wǎng)特性曲線由I到口，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(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速由ml降至m2，根據(jù)相似原理［6］,水泵的特性曲線由，n1變?yōu)榍€m2，而管網(wǎng)的特性曲線不變管網(wǎng)特性曲線I與水泵特性曲線n2交于點B揚程變?yōu)镠B相比長揚程減小。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(diào)節(jié)需要的有效功率遠高于通過降低水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需要的有效功率，圖中HCCBHB的陰影面積即為變頻調(diào)節(jié)比閥門調(diào)節(jié)節(jié)省的功率AP。對比發(fā)現(xiàn)，動力分布式環(huán)狀管網(wǎng)比傳統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)節(jié)能［7,8］。5結(jié)語通過對比分析得到,動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)應(yīng)用于環(huán)狀管網(wǎng)后,供熱系統(tǒng)的可靠性不僅得到提高,管網(wǎng)輸配的能耗也相應(yīng)減少;當管段出現(xiàn)故障需要檢修時,環(huán)狀管網(wǎng)使動力分布式供熱系統(tǒng)的可及性得到提高;一定條件下,環(huán)狀管網(wǎng)的水力分配更均勻,動力分布式二級泵供熱系統(tǒng)應(yīng)用到單熱源環(huán)狀管網(wǎng)節(jié)能率較應(yīng)用于單熱源枝狀管網(wǎng)要低一些。隨著供熱規(guī)模越來越大,供熱管網(wǎng)運行的安全性、經(jīng)濟性十分重要,動力分布式環(huán)狀管網(wǎng)將是一個合理經(jīng)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(tǒng)中用戶背壓及其變化的討論J］.節(jié)能，2017(1):25-27.［2］時榮劍.動力分布式集中供熱管網(wǎng)研究［b.南京：南京理工大學，2007.⑶王海，周海艦，朱彤.新一代節(jié)能供熱網(wǎng)絡(luò)的立體拓撲結(jié)構(gòu)建模J].暖通空調(diào)，2017,47(8):138-144.[4]石兆玉.多熱源聯(lián)網(wǎng)中分布式輸配供熱系統(tǒng)的應(yīng)用J].區(qū)域供熱，2014(4):