分布式变频泵集中供热系统动态能量特性模拟

颜爱斌,赵 军,朱 强

(天津大学 机械工程学院,天津 300072)

0 引 言

分布式变频泵系统(一次网回水加压变频泵系统)是随着电机变频技术的成熟与应用发展起来的一种新型集中供热系统,该系统具有调节灵活、能大幅度节约输送能耗、适用于计量供热等突出的优点[1],而且适宜用于基于传统集中供热系统的节能升级改造,因此有广阔的应用前景和推广价值。和传统的单泵系统相比,分布式变频泵集中供热系统在运行模式与策略上有着重要的差异,其中主要的差异之一是,传统的集中供热系统采用热源根据气温进行热网负荷主动调节,而分布式变频集中供热系统是依据用户热负荷变动进行被动调节[1,2]。

锅炉是集中供热的热源设备,在集中供热系统中处于核心位置,而且具有大惯性、大延迟、变参数的特性,因此,根据外部负荷需求变化进行适当响应既是供热质量的保证,也是实现锅炉安全、经济、高效运行的重要技术措施与手段[3]。

本文建立了热源与一次网的负荷动态特性数学模型,并以一公共建筑的分时供热为例分析了热网的动态反应特征,为合理调节系统的运行于自动控制策略提供了依据与基础。

1 分布式变频集中供热系统的原理与负荷特性

分布式变频泵系统的原理见图1,热源泵只需克服锅炉及其附件以及均压管之间的阻力,各热用户的热量需求由一次回水加压泵调节换热站一次网的热水流量调节,对于公共建筑热用户,利用分布式变频系统可以方便地实现分时段供热,由于采用变频泵调节替代传统系统的阀门调节,避免了管网的输送能量浪费,可以大幅度地减小输送泵的功率配置,既减少系统投资,又节约了系统输送能耗[1,4,5]。

图1 分布式变频泵集中供热系统原理Fig.1 Simplified scheme of a centralized heating system with distributed variable speed pump

传统的集中供热系统按不保证的设计系统容量,然而,系统工作在额定负荷与设计工况的情况极为少见[4]。在绝大多数时间,系统工作于部分负荷工况,特别是在计量供热的背景下,用户对用热调节拥有大部分自主权,因此,用户对用热的调节,不但调节时间具有随机性,而且负荷量调节也具有随机性。所以,即使是在极冷天气,用户也会因为放假(公共建筑热用户)、上班(家庭热用户)或个人喜好等原因调节用热负荷,因而,基于需求侧运行管理方式的分布式变频集中供热系统,部分负荷是常态;随机性变工况是常态。因此,部分负荷变工况的动态响应特性研究更为基本并且极为重要。

2 系统动态负荷特性与数学模型

对于分布式变频集中供热系统,其中锅炉、输送管网、散热器末端的能量负荷特性,均具有换热器的基本特征,可以由一组方程描述[6]:

能量平衡方程:

金属管壁吸放热方程:

式中:H1,H2分别为换热环节进出口水的焓;G为该环节水流量;Qw为该环节水与管壁间的换热量;下标m表示为金属特性参数。对于锅炉,增加管壁传热方程:

式中:k为传热系数;n=0.8。

管网热损失按传输热量的5%考虑,管壁传热方程:

式中:Re,Pr分别为管内流动的雷诺数和普朗特数;d为管网内径。

换热站板式换热器传热方程[7,8]:

第i个节点能量守恒方程:

第i个节点质量守恒方程:

第k编号的管道系统的伯努利方程:

一次变频回水加压泵的能量方程:

根据上述模型,可以对分布式变频泵集中供热系统的锅炉、管网及换热站等各能量环节进行模拟计算,得出阶跃性流量变化引起的供热系统动态响应特性。

3 模拟结果与分析

本文利用上述模型对一组公共建筑进行分时供热的动态特性进行模拟,该组建筑的建筑面积324 100 m2,由一座换热站负责供热,供热锅炉容量为47 MW热水锅炉,额定进出水温度130/70℃,额定流量475 m3/h,2009年1月1日的计算热负荷与设计最大热负荷的比如图2,采用分布式变频泵集中供热系统供热时,其运行策略设计为:早晨8点至晚上20:00按需求负荷运行,晚上20:00至第二天早晨8:00按值班负荷运行,锅炉、管网及换热器均采用碳钢材料,为避免出现各建筑出现垂直失调,二次泵采用定速泵,一次回水加压泵采用变频调速,采用二次网出水温度为调节量,一次网设计供水温度130℃,回水设计温度70℃,二次网供水温度调节可由一次网流量变化实现。

图2 建筑物计算负荷与运行策略Fig.2 Calculated load and operation strategy of a building

在设定的运行策略下运行系统时,当一次网的供水流量分别为10%、25%、40%阶跃流量时,二次网阶系统负荷响应曲线如图3,从图中可以看出,在模拟条件下,二次网的负荷稳定时间从60～100 min左右,充分说明了集中供热系统的大惯性、大延迟特性,系统的调节应有较充分的预测与判断。

图3 一次网25%阶跃流量时的二次网负荷响应特性Fig.3 Response of the second loop according to the change of the flow rate in the first loop

一次网流量的阶跃调节也会直接导致一次网的负荷输出特性和一次网回水温度变化,一次网的回水温度变化与阶跃流量的变化如图4,一次网流量增加会使输出功率增加的同时减少供回水温差,而且响应时间特性会随阶跃流量的大小变化,当阶跃流量较大时,系统的水流速会明显加快,这和二次网的定速系统反应特性明显不同。

图4 一次网阶跃流量时一次网回水温度响应特性Fig.4 Response of the temperature in the first loop according to the change of the flow rate in the first loop

由一次网变频回水加压泵产生阶跃型流量增加时,锅炉的动态响应特性如图5,从图中可以看出,在模拟的条件下,回水泵加压泵产生的阶跃性流量越小,锅炉的动态响应时间越短,但是达到新的稳态所需的时间也约需50 min以上,而当阶跃性流量增加到25%和40%时,锅炉动态响应的时间会增加到约2 h左右,这是因为系统的大的热惯性和时滞性起到重要作用,由此可以合理地制定锅炉的负荷响应策略,增加系统运行的安全性和合理性。

图5 一次网阶跃流量时锅炉热负荷响应特性Fig.5 Response of the load of the boiler according to the change of the flow rate in the first loop

由系统的动态响应特性制定的运行调节策略及系统的响应规律如图6,从图中可以看出,为了实现建筑物内所需的负荷要求,系统需要提前90 min左右开始调节,根据不同的负荷变化所需要的调节时间不同,可以大体实现供热系统提供的热量与系统所需的热负荷相匹配,从而实现按需供热,实现供热系统的经济性供热,减少系统能量浪费。

图6 按设计运行策略运行时的系统负荷特性Fig.6 Response of the load of the system according to the designed operation strategy

4 结 论

集中供热系统是一个大惯性、大时滞性系统,传统的集中供热系统很难具有灵活的调节性,分布式变频泵系统的采用,大大增强了系统调节的灵活性,便于实现按需供热。本文通过一分布式变频集中供热系统的动态模拟,得到了系统的动态响应特性和供热系统的调节规律,根据系统的动态响应特性和负荷需求特性制定合理的运行调节策略,为实现系统的经济运行与节能提供了参考。

从模拟的结果可以看到,针对特定的系统进行动态分析,对实现系统的合理调节具有总要的意义,而系统的动态响应特性不但和调节策略相关,而且和系统的规模以及一次管网的服务半径有直接联系,分布式变频集中供热系统的各部分动态响应特性不尽相同,本文仅从能量角度进行了模拟和分析。由于系统属于不同容量的多泵系统的并联运行,且运行工况处于多变状态,因此水力工况千变万化,而系统的水力特征会直接影响系统的运行状态与效果,研究系统的优化服务半径以及水力工况的稳定性,将对系统的可靠、稳定运行具有重要意义,有待于进一步深入研究。

[1]石兆玉,王红霞,李德英.分布式变频供热输配系统的应用研究[J].区域供热,2005,(1):31-38.

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[3]王浩.供热系统调控模式及其模拟分析[D].长春:吉林大学,2006.

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[5]田雨辰.集中供热几个问题的研究[D].天津:天津大学,2006.

[6]郑建学,陈听宽.单相受热管动力学模型[J].力学进展,1997,27(4):538-548.

[7]史美中,王中铮.换热器原理与设计[M].南京:东南大学出版社,2009.

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