动力分布式输配系统的零压差控制点分析

李姣,吴志湘,吕砚昭,林迪

(1.西安工程大学,陕西 西安 710048;2.西安市建筑设计研究院,陕西 西安 710054;3.中国新时代国际工程公司,陕西 西安 710054)

动力分布式输配系统的零压差控制点分析

李姣1,吴志湘1,吕砚昭2,林迪3

(1.西安工程大学,陕西 西安 710048;2.西安市建筑设计研究院,陕西 西安 710054;3.中国新时代国际工程公司,陕西 西安 710054)

摘要:分析了动力分布式供热输配系统的零压差控制点的分类及运行调节、位置的影响因素,利用工程实例对不同位置的零压差控制点方案进行了模拟计算,对零压差控制点的选取进行了总结归纳。以期为以后动力分布式输配系统的工程设计提供一些参考,以利该技术的推广应用。

关键词:零压差控制点;动力分布式输配系统;运行调节;能耗

1引言

随着变频技术的成熟发展,动力分布式输配系统在诸多方面的优越性也逐渐得到业内人士的认可。动力分布式系统的最大优势即节电节能,零压差控制点选取的位置不同,计算出的节能率也不同,且对节能效果的影响也是不可忽视的。零压差控制点的位置不仅影响其节能效果,也在水力稳定性、初期投资等各方面都有不同程度的影响。由于零压差控制点不同对动力分布式输配系统的特点有若干影响,因此合理选取零压差控制点对动力分布式输配系统具有重要的意义。

2　零压差控制点的分类及运行调节分析

在动力分布式输配系统的干管上可以找到一点,该点的供、回水压差值为零,此点被成为零压差控制点。系统在运行过程中,随着流量的改变,零压差控制点的位置可能也会改变。零压差控制点根据其位置的变化与否,可以分为两类:定零压差控制点和变零压差控制点。

2.1　定零压控制差点的运行调节分析

定零压差控制点调节即在系统流量的变化过程中,通过改变热源循环泵的转速以调节管网供回水压差,保持零压差控制点的位置不变。各用户根据其各自需求调整用户泵的转速以获得相应的流量。

图1　不同水力工况水压

由水压图1可知,定零压差控制点的运行调节方式下,虽然在系统的整个运行过程中水力工况不断变化但均为相似工况,即各用户流量与资用压头成等比变化。当各用户流量变化时,应调节热源循环泵的转速变流量,保证零压差点的位置不变。各用户循环泵转速随之改变以获取各自所需的流量。这种调节方式减少了开启和停止用户循环泵的次数,降低了热网运行调节的难度,且能耗低[1]。

2.2　变零压差控制点的运行调节

变零压差控制点调节,即在系统整个运行过程中零压差控制点的位置处于不断变化的状态,这种调节方式主要是尽量利用热源循环泵满负荷运行,满足供热系统的输送要求。在该运行中零压差控制点的位置随流量的改变而变化。变零压差控制点运行调节过程为:①供暖初期,室外气温较高,热负荷较低,则系统循环流量较小;热源循环泵即可满足最不利用户的资用压头,各用户循环泵不用开启,零压差控制点不存在,此时相当于传统供热系统模式运行。②供热中期,随着室外气温的不断降低,系统的循环流量逐渐增大,零压差控制点逐渐向热源移动,远端各用户循环泵由远及近逐渐开启,此时变为动力分布式供热输配系统模式。③供热末期,室外气温缓慢升高,系统循环流量又开始逐渐减小,零压差控制点逐渐又远离热源,从热源由近及远的各用户循环泵依次关闭,直至全部关闭。动力分布式供热输配系统逐渐过度为传统系统。

变零压差控制点的运行调节过程中各用户循环泵的工作时间短,调节过程为非相似工况,这种方式的运行没有定零压差控制点运行节能;且此种运行调节是一个相当复杂的过程,对操作人员的要求较高;此种运行调节方式要求热源循环泵的流量变化范围大,且用户循环泵开启关闭的频率较高,会造成泵的故障率较高使用寿命较短。因此在实际工程中大多还是采用定零压差点的控制方式。

3零压差控制点的位置及选取分析

动力分布式供热输配系统的合理设计可以实现管网的高效节能运行,设计的首要工作就是要合理选择零压差控制点的位置。一般情况热网存在一个使能耗最低的压差控制点,也存在一个使热网稳定性最好的压差控制点,当这两个压差控制点在热网的同一位置时,管网的设计是最优的[2]。

3.1　零压差控制点的位置影响因素

供回水干线的总阻力损失为ΔP,管段长度l,S是管网的总阻抗,流量为G。设热源循环泵的扬程为H提供的是热源内部损失及热源至零压差点之间的供回水干管的阻力损失。热源内部损失为,热源到零压差控制点之间的部分供回水干线阻力损失为ΔP′,热源至零压差点供回水管段总阻抗为S′,零压差控制点与热源距离为l′,则有以下公式:

H=h+ΔP′

(1)

ΔP′=S′G2

(2)

综合以上两式:

H-h=S′G2

(3)

根据流体输配知识,在室外管网的热水管路中,S是管网的总阻抗,影响S值的参数有:摩擦阻力系数λ、管段长度l、直径(或当量直径)d、局部阻力系数∑ζ、流体密度ρ。其中λ取决于流态。由流体力学知识可知,当流动处于阻力平方区时,λ仅与K/d(管段的相对粗糙度)有关。在给定管路的条件下,若λ值可视为常数,则有:S=f(l,d,K,∑ζ,ρ)可知,S正比于l、∑ζ、K、ρ,反比于d。对于某一具体管网,l、∑ζ、K、ρ、d等均已确定。

动力分布式系统若零压差点位置不同,则热源至零压差控制点供回水管段总阻抗S′与l′成正比变化。设a为定值,公式(3)可写成:

H-h=al′G2

(4)

由公式(4)可得:理论上,零压差控制点的位置与各用户的流量分配、热网总流量及热源循环泵的扬程等因素相关。若零压差控制点之前的用户流量需求增大或系统总循环流量增大时,热源循环泵的扬程H不变,l′较小,即零压差控制点的位置在靠近热源处;当热源循环泵扬程H增大系统总循环流量不变时,l较大,即零压差控制点的位置远离热源。

3.2　工程实例能耗分析

某工程实例为位于西安市的室外工程,工程平面图如图2。供热范围包括5个住宅建筑,供热站一次热源蒸汽,压力为0.3MPa,供热站汽水换热。本小区供热管网及采暖用户均采用变流量系统,本工程二次网采用动力分布式二级泵供热输配系统,本文仅讨论二次网系统。供热站二次采暖的供回水温度为80~60℃,热水管网与用户采用直接连接,最远供热距离为170m,最大管径为DN125,室外部分采用异程式双管系统,供热管段为半通行地沟敷设,供回水立管设在管井内。

以这5个热用户的热网为例,总流量为135m3/h用户1~5的流量分别为26m3/h、30m3/h、28m3/h、24m3/h、27m3/h,用户1~5的总阻力均为90kPa。设计方案如下。

方案1:如图3将零压差控制点设在支路E-E′上,此时热源循环泵可满足用户1、2、3的要求,支路上不设用户循环泵,用户循环泵设在4、5支路上。

图2　西安市某小区供热工程平面

图3　方案1热网流程

方案2:如图4将零压差控制点设在支路D-D′上,此时热源循环泵可满足用户1、2的要求,支路上不设用户循环泵,用户3~5支路上设用户循环泵。

图4　方案2热网流程

方案3:如图5将零压差控制点设在支路C-C′上,此时热源循环泵可满足用户1的要求,支路上不设用户循环泵,其他用户2~5支路上均设用户循环泵。

图5　方案3热网流程

方案4:如图6压差控制点设在支路B-B′上,此时热源循环泵只承担机房内的循环,用户1~5支路上均设用户循环泵。

图6　方案4热网流程

已知流量和阻力,查出泵的效率,计算所得各方案的能耗如表1。

通过表1分析可得,对于动力分布式输配系统,方案1零压差控制点的位置在热网远端处,此时耗电量最大,节能效果最差。方案3的电功耗相对其他方案较小,靠近热源的用户1资用压头恰好等于设计需用压头,而其它用户2~5的资用压头不足则需设用户循环泵。理论上,此时系统中无任何阀门阻力节流,热水输送的动力消耗为需用能耗。零压差控制点的最佳位置即设在热网中部靠近热源处(热网1/3处),系统节能效果较好。

表1　各方案电功耗表

2.3　零压差控制点的选取分析

零压差控制点的位置不同,对应着不同的设备数量,对系统的水力稳定性、初期投资和运行费用等均有影响[4]。特别是对系统能耗影响较大,零压差点位置不同其节能效果不同。分为以下两种情况。

(1)对于系统形式较为简单,规模较小的枝状连接管网,当零压差控制点的位置取在热网的两端时,能耗较高,节能效果较差;取在热网最末端时,此时相当于传统系统,电功率最高,节能效果最差;当零压差控制点移向热网中部时,系统的电功率逐渐减小,取在中部靠近热源(即热网的1/3处),系统的总能耗可能最低。

(2)对于系统形式较为复杂,规模较大的枝状连接管网,零压差控制点选在负荷较为集中处,有利于提高系统的经济性和节能性[4]。

3结语

本文结合现有的研究理论,在此基础上利用某工程实例,对零压差控制点位置不同的方案进行了模拟计算分析。并对零压差控制点的选取做了一定的归纳总结。目的是通过本文的分析,为以后的设计应用提供一定的参考帮助,促进分布式输配系统这一新技术的发展。在建设投资方面,零压差点位置不同,用户泵的数量也不同,因此初投资费用不同[5];在节能方面,不同零压差点对应不同的能耗,节能效果不一样,因此造成运行费用的差异;从系统的水力工况角度出发,零压差点的不同对系统的水力稳定性也会造成一定的影响。

合理选取系统的零压差控制点对分布式供热输配系统具有重要的意义,同时,又因零压差控制点不同,对分布式输配系统的特点有若干影响。因此,对零压差控制点的选取要经过综合分析确定。

参考文献:

[1] 秦冰,秦绪忠,谢励人,等.分布式变频泵供热系统的运行调节方式[J].煤气与热力,2007(2):73~75.

[2] 姚东文,邱林.分布式变频泵供热系统节能影响因素[J].煤气与热力,2010(4):14~17.

[3] 王红霞,石兆玉,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.

[4] 陈亚芹.分布式变频热网的运行调节方案[D].北京:清华大学,2005.

[5] 刘晓敏.浅谈分布式变频调节系统[J].科技情报开发与经济,2003(10):259~260.

Analysis on the Zero-pressure Control Point of Distributed Heating System

Li Jiao1,Wu Zhixiang1,Lü Yanzhao2,Lin Di3

(1.Xi'anpolytechnicuniversity,Xian710048China;2.Xi'anarchitecturaldesignand

researchinstitute,Xian710054China;3.Chinanewerainternationalengineering

corporation,Xian710054China)

Abstract:This paper briefly analyzes the classification,operation and position factors of zero-pressure control points in a distributed heating system.Then simulates different position of zero-pressure point according to practical engineering projects.Finally,it summarizes the selection of zero-pressure control point.The purpose of this paper is to provide a reference for engineering design of distributed heating systems and facilitate this technology application in the future.

Key words:zero-pressure control points;distributed heating system;operation regulation;energy consumption

中图分类号:TB65

文献标识码:A

文章编号:1674-9944(2015)01-0269-03

作者简介:李姣(1989—),女,陕西延安人,西安工程大学硕士研究生。

收稿日期:2014-12-05