分布式变频系统与动力集中式系统运行调节特性对比分析

邵博，孙春华，贾萌，齐承英

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 400301）

分布式变频系统与动力集中式系统运行调节特性对比分析

邵博，孙春华，贾萌，齐承英

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 400301）

通过对分布式变频系统与动力集中式系统在供热循环水泵的能耗、供热调节稳定性方面的对比分析，总结分布泵系统供热方面存在的优势．以某实际动力集中式传统管网为对象，对改造为设有均压管的分布式变频系统后水泵能耗进行对比分析；利用流体分析软件对分布式变频系统和传统供热系统的多种调节过程进行动态仿真模拟，并对分布式变频系统热源水泵事故工况进行动态仿真模拟，对比两系统调节稳定性以及供热安全性的差异．

分布式变频系统；动力集中式系统；均压管；运行调节

0 引言

近几年，许多国内外专家和学者在区域供热方面取得了相当大的成果．清华大学江亿[1]院士在暖通空调领域，首次提出了用变频风机和变频泵代替风阀、水阀的调节方式，并验证了这种改变不仅可以提高系统的可调节性还能减少能耗．清华同方股份有限公司秦绪忠[2-3]定量分析比较了分布式变频供热系统与其他几种供热系统的水力稳定性，得出分布式变频供热系统形式可以大大地提高系统的稳定性，并且该系统性能较好的结论．清华大学狄洪发[4]对分布式变频供热系统中以分布泵代阀门的节能效果进行了分析．石兆玉、王红霞等[5-6]分别对几种不同形式的分布式变频供热系统进行模拟计算，得到最佳的分布式供热系统设计方案——沿途加压泵、热用户混水泵和主循环泵相结合，利用该方法节能率高达75%．另外国外众多学者[7-8]对分布泵系统均有研究，纵观国内外专家学者们对分布式变频供热系统的研究，停留在理论研究阶段，并没有研究分布泵系统在实际工程中的应用．本文提出了在热源出口设置均压管的分布式系统并与动力集中式系统进行了对比分析．

1 分布式变频系统与动力集中式系统

1.1 分布式变频系统与动力集中式系统介绍

本文所述的分布泵系统的形式为用户变频泵+热源主循环泵的系统形式，并且在热源出口供回水主管上设置均压管．均压管可以保证热源出入口处供、回水压力相等，当各个用户采用变频调节时为了避免热源处流量与各个用户流量之和不相等，采用均压管实现热源和热网解耦，系统方案如图1所示．本文所述的动力集中式系统为传统的锅炉主循环泵加用户节流阀的系统形式，系统方案如图2所示．

图1 用户加压变频泵加锅炉循环泵系统示意图Fig.1 User pressurizing pump boiler primary circulating pump schematic

图2 锅炉主循环泵加用户调节阀系统示意图Fig.2 Schematic diagram of boiler pump and the user control valve system

图1所示分布泵管网热源供回水之间设置有均压管，均压管安装有阀门且为常开状态．用户的分布变频循环泵设置在换热站出口的回水管上．规定均压管与回水管连接处为A端，均压管与供水管连接处为B端，流体从A端流向B端为正流量说明用户变频泵1、2、3流量之和大于热源主循环泵的流量，反之为负流量说明用户变频泵1、2、3流量之和小于热源主循环泵的流量，当用户变频泵1、2、3流量之和恰好等于热源主循环泵流量时均压管的流量为0．由于各泵调节过程中会使得均压管内流向发生改变，即造成热源出口处由锅炉出口高温水向A端分流一部分转变为锅炉出口高温水和由均压管A端来的部分水合流供给用户，因而会造成外网供水温度改变．在此称均压管内无流量时的外网流量为临界流量．

1.2 分布式变频泵管网与动力集中式管网水压图

如图3所示由于用户变频泵设置在换热站的回水管上导致供水压线低于回水压线，图中虚线表示的是均压管的表压．图4所示为热源主循环泵+用户调节阀系统水压图．

图3 用户变频泵+锅炉循环泵系统水压图Fig.3 User frequency conversion pump+boiler circulating pump hydraulic diagrams

图4 热源主循环泵+用户调节阀系统水压图Fig.4 User control valve heat circulating pump system pressure diagram

2 理论依据

对于离心式水泵选型和调节规律，其轴功率计算公式见式(1)

式中：P为水泵轴功率，W；Q为水泵流量，m3/h；H为水泵扬程，m；为介质平均密度，=977 kg/m3；g为重力加速度，g=9.807 m/s2；为水泵效率．

轴功率与转速有计算公式见式(2)

式中：P0为水泵铭牌轴功率，W；n0为水泵铭牌转数，r m in1；n为水泵转数，r min1；f0为水泵变频器额定频率，f0=50 Hz；f为水泵变频器频率，Hz．

由此，根据实际管网流量和频率之间实际数据，通过方程回归得到，流量和频率之间存在线性关系，通过调节各换热站分布泵频率来调节各换热站流量．

3 分布式管网与动力集中式管网特性对比分析

3.1 工程概况

本文所研究的热力管网一次网由热源（总站）和18个换热站组成，其中4#站位于热源内部，分为4-1#站（散热器供暖）与4-2#站（4#主站为地板辐射供暖）．设计供回水温差为40℃．该热力管网大部分热用户为多层及高层居住建筑，其余为商业及学校，总供热面积约174万m2．其一次网分布及换热站位置如图5所示．热源位置以及均压管的位置如图5右下角所示（均压管设在热源出口处即第1个换热站之前，与前面理论部分所述位置相同）．

3.2 运行能耗对比分析

热力管网未改造前为动力集中式的供热管网（统称为传统管网），改造后为加均压管的分布式变频系统形式．根据实际各换热站所需流量，利用稳态模拟对分布式管网各站分布泵进行选型以及传统管网各站初调节阀进行调节，以满足各站设计流量．

分布式变频系统锅炉动力设备为实际工程现用的2台流量800 m3/h、扬程15 m的水泵并联．传统管网动力设备为实际工程改造前的两台流量900 m3/h、扬程为60 m的水泵并联．

对于分布式变频系统，依据各站理论流量及各管段压降，选取合适的分布泵，使各站流量分配满足要求．对于传统管网，依据各站理论流量，改变调节阀开度使各站流量分配满足要求．分布式管网水泵选型具体结果见表1．

由表1可知，分布式管网各循环泵总运行电功率约为152 kW，传统管网主循环泵运行电功率为355 kW．在选型恰当的前提下，采用动力分布式管网可节省电耗一半以上．对上述的传统管网和分布式管网初调节后2种管网流量与设计流量对比如图6所示，进行初调节后流量偏差对比如图7所示．

图5 管网分布及换热站位置图Fig.5 Network trend and heat map

表1 分布式管网水泵选型表Tab.1 Distribution pipeline netw ork pum ps selection table

由图6和图7可知传统管网与分布式管网进行初调节后流量能满足设计流量，流量偏差最大的为3#和14#站为7%，其余站均小于5%．由于所选用户加压循环泵规格所限，因此，除4-1#、11#、14#和16#站传统管网流量偏差大于分布式管网外，其余各站流量相对偏差传统管网均小于分布式管网．

3.3 供热稳定性对比分析

本文所述的模拟均采用流体分析软件Flowmaster进行模拟．Flowmaster软件主要是针对系统中各个环节的流量、压力、温度等进行精确求解，从而迅速得到所建立模型中需要的点或元件相关参数的仿真数值，并与设计值进行比较分析．

3.3.1 分布式管网全网调节

3.3.1.1 流量变化

利用稳态模拟将分布式管网各站的流量调节至目标流量，调节至目标流量时各站分布泵的频率见表2，分布式管网全网以相同流量目标进行调节时，各站对应的变频器频率基本相同．

动态模拟从0 s开始调节，约15 s完成调节（调节速度1 Hz/s）．选取11#、9#、8#、7#、4-1#和4-2#站作为参考，如图8所示．调节开始后，各站流量随即平稳下降．4-1#与4-2#位于热源内，基本无管路阻力，与外网其他换热站流量变化特性不相同，调节结束后流量即稳定，其余外网各站均有不同程度的滞后，基础流量大的站流量稳定时间较基础流量小的站长．

图6 2种管网流量与设计流量对比图Fig.6 Comparison of tw o network flow and design flow char

图7 2种管网初调节后流量偏差对比Fig.7 2 kinds of pipe network initial adjustment of the back flow rate deviation in comparing

表2 目标流量下分布泵的频率Tab.2 Target flow rate distribution of the frequency of the pump

图8 各站流量变化Fig.8 Changes of flow stations

3.3.1.2热量变化

调节过程中均压管流量及供回水温度变化如图9所示．

利用稳态模拟求得管网处于临界流量时，各站流量、对应水泵转数及频率，见图10．

利用模拟的结果将初始流量、临界流量及70%流量下的各换热站供热量对比，锅炉初始供热量为72 471 kW，临界流量供热量为71 160 kW，70%流量供热量54612 kW．其余各站供热量见图11．

依据热源出入口流量、温度数据绘制相对供热量与相对流量关系图如图12所示．

由图12可知在相对流量大于临界流量91.6%区间内，流量的降低使得出站供水温度升高，供回水温差增大，全网流量下降8.4%，而换热站供热量仅下降1.8%．如在此区间内只进行量调节，则不能满足调节要求，达不到节热、节能的目标．流量降低至临界流量以下后，出站供水温度即为锅炉出口温度，供回水温差基本不再变化，流量的降低使得各站供热量明显下降．在此区间内只进行量调节，可满足调节要求．

3.3.2 传统管网全网调节

3.3.2.1 流量变化

图9 分布式管网全网调节均压管流量及供回水温度变化Fig.9 Ad just the pressure of the whole network of distributed network flow and supply and return water temperature changes

图10 分布式管网临界流量及变频器频率Fig.10 Distributed pipeline critical discharge and inverter param eters

图11 分布式管网临界流量及70%流量下的供热量Fig.11 Distributed heat at critical flow and 70%flow in pipe network

利用稳态模拟将各站的流量调节至目标流量时，调节阀开度见表3．

表3 传统管网全网调节目标参数Tab.3 Target the entire network of traditional network parameters

由表3可知，传统管网全网以相同流量目标进行调节时，各站运行调节阀开度变化无明显规律．在热源循环泵不进行变频的情况下，外网调节至70%造成主循环泵效率由79%降低至67%，水泵运行偏离高效点．

瞬态模拟从0 s开始调节，35 s左右完成调节．各站流量变化如图13所示．

图12 分布式管网全网调节相对流量与相对耗热量关系Fig.12 Distributed networks of the entire network to ad just relative relationship betw een flow and relative heat loss

图13 各站流量变化Fig.13 Changes of flow stations

调节开始时，各站流量并未立即产生变化，而是待到运行调节阀开度减小至某一值后，换热站流量才开始下降，基础流量越大，则变化开始时间越靠前，所需稳定时间亦越长．受基础流量大的站率先变化的影响，7#站和11#站在24 s时出现流量略微上升．由于4-1#站与4-2#站位于在热源内，基本无管路阻力，故其流量变化特性与外网其他换热站不相同．调节结束后，传统管网较分布式管网流量稳定更为迅速．

3.3.2.2 热量变化

调节前后各站供热量见表4．

表4 传统管网70%流量与供热量Tab.4 Tradition flow pipe network 70%and heating capacity

外网各站供热量变化基本与流量变化一致．外网流量降低后锅炉出力随即降低，无需人工对锅炉进行调节．但如果主循环泵不配合进行变频调节，则会造成主循环泵偏离高效点（水泵效率由78%降至69%），影响设备寿命，增大电耗．

3.4 分布式管网事故工况模拟分析

模拟热源循环水泵因意外事故（故障、停电等）失效后的管网运行情况．鉴于传统管网热源循环水泵即管网动力来源，故停转后管网即停止运行，此节中只对分布式管网进行模拟．

拟于0 s时热源循环泵停止工作，为保护锅炉，60 s后均压管阀门关闭，关闭过程10 s．热源流量变化如图14所示．

由图14可知，锅炉循环泵关闭导致均压管流量迅速上升，锅炉流量迅速下降．均压管关闭后，外网提供的动力使得锅炉流量回升，1次震荡后，稳定在相对较高的水平．部分换热站流量变化如图15所示．

图14 锅炉和均压管流量变化Fig.14 Boiler and pressure-equalizing flow changes

图15 部分换热站流量变化Fig.15 Part heat flux

由图15可知，锅炉循环泵停止工作的瞬间，位于热源内部的4-1#和4-2#站有小幅流量波动．锅炉循环泵关闭后，外网各站流量均未发生变化．均压管关闭的时刻开始，流量平稳下降，距离热源越近稳定速度越快．均压管关闭后，4-1#站和4-2#站分布泵提供的扬程小于此时外网的压差，由于止回阀的存在，4-1#站与4-2#站无流量通过，无法正常运行．管网流量稳定后的供热量变化见图16，将管网稳定后锅炉及所有换热站的流量变化和供热量变化绘制成柱状图，如图17所示．

由图17可知，分布式管网锅炉循环泵关闭，继而均压管关闭后，外网提供的动力可使锅炉流量稳定在设计工况的60.05%．除4-1#与4-2#站外的所有换热站均有流量，处于管网远端的换热站相对流量大于处于近端的换热站．除2#、5#、6#、7#、17#站之外，均能达到65%的故障工况流量标准．由于均压管关闭后，锅炉出口温度即为出站温度，供水温度上升，一定程度上缓解了外网流量减小造成的供热不足．除2#、5#、6#、7#、15#、17#以及4-1#与4-2#站以外其余10个换热站供热量均能维持在初始状态的70%以上，其中5个换热站甚至维持在85%以上，显示出分布式管网在供热安全性方面拥有传统管网无可比拟的优势．

图16 管网稳定后供热量变化Fig.16 Stable after heating of pipe network

图17 热源及所有换热站流量与供热量相对变化Fig.17 Heat sources and heat flow and heat changes

4 结论

通过对分布式变频供热系统和动力集中式供热系统的特性进行模拟分析，得出以下几点结论：

1）分布式管网比传统管网运行电耗节省50%以上；

2）分布式管网易进行流量调节、调节精度高；

3）在锅炉出口温度恒定的情况下，传统管网热力变化与流量变化基本一致，而对于具有均压管的分布式管网存在临界流量，在临界流量以上区间运行调节时因各分布泵流量和大于锅炉循环流量，均压管与锅炉出口流量合流运行，使得管网热力变化随流量变化很小；反之在临界流量以下区间运行调节时锅炉出口流量分流运行，管网热力变化随流量变化明显．

4）分布式管网在锅炉循环泵出现故障后仍能对大部分换热站进行供热，在供热安全性方面有无可比拟的优势．

5）均压管的存在使得热源和热网实现了解耦，但导致分布泵系统热力特性较为复杂，更需要合理的整网调节方案，才能真正意义的实现节能．

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[2]秦绪忠，江亿．供热空调水系统的稳定性分析[J]．暖通空调，2002，32（1）：12-16．

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[责任编辑 田丰]

Distributed w ith power centralized system comparative analysis on adjustment characteristics

SHAO Bo，SUN Chunhua，JIA Meng，QI Chengying

(School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Based on distributed variable-frequency system with power-centralized energy consumption system in the heating circulation pump and heating regulation stability analysis,we analyzed pump systems of heat distribution advantages. By using a practical push-pull traditional network as objects,we compared w ith pressure equalizing tubes distributed variable-frequency transformation of system pumps energy consumption.By using fluid analysis software of distributed and conventional heating system dynam ic simulation,the process of many regulators,we did the dynam ic simulation about the heat pump and distributed variable-frequency system accident conditions to see the differences of the adjusting stability and heating safety in the two systems.

distributed variable-frequency system;centralized-pow er system;pressure balance pipeline;operational regulation

TU995.1

A

1007-2373(2015)06-0045-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.009

2015-02-28

国家十二五科技支撑计划（2012BAJ06B00）；河北省自然科学基金（E2015202063）

邵博（1989-），男（汉族），硕士生．通讯作者：孙春华（1974-），女（汉族），副教授，博士，sunchunhuah@163.com．

数字出版日期：2015-11-18数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151118.1049.006.htm l