调节零压差控制点对动力分布式变频供热管网能耗影响的研究

鲜 勇

(成都纺织高等专科学校 机械工程学院，四川 成都 611731)

0 引言

现在，我国普遍达到了节能标准的第二个阶段[1]，也即是：节能效率为50%，锅炉效率为为68%，热网能源的利用率为68%，可见热网能源利用率还是相对较低，距离理想能源利用效率还存在巨大的差距。采暖节能研究的主要目的是在于提高热网的能源利用率以及热网的运行效率，这也是众多节能减排专业技术人才努力的方向[2]。现在对于热源的节能措施主要有以下几个方面[3-4]：保证锅炉受热面的清洁；采用计算机控制程序自动控制燃烧过程；改善锅炉系统的结构；采用分层燃烧技术减少炉渣的含碳量。动力分布式集中供热管网，能够提高热网能源的利用效率，能够用相对较低的能耗提供居民更加舒适的环境，实现节能效益、经济效益、环境效益、社会效益，一步步实现可持续发展的目标[5]。相对南方而言，我国北方供热能耗占建筑能耗的比例远远高于南方，因此北方是建筑采暖的重点[6]。随着变频技术的发展和应用，变频技术在供热管网得到了越来越广泛的应用，并且变频技术调节供热管网流量和节能优势越来越明显[7]。通过对动力分布式变频供热管网的研究可以优化供热管网结构，使供热管网在更经济、更可靠、更稳定、更节能的条件下运行。

1 调节零压差控制点对动力分布式变频供热管网节能效果的影响

动力分布式变频供热管网优势在于分布式变频系统能根据用户流量需求实现无极调速，提高能源利用效率。但并不是简单的用变频泵替代用户支线上的阀门那么简单，还要考虑变频泵的布置形式，对于整个供热管网来说，要综合考虑各种因素和变频泵的能耗来决定分布式变频系统是否节能，下面将分析在动力分布式变频供热管网中，选择不同的调节零压差控制点对供热管网节能效果的影响。

下面以河南油田高中小区为例，该小区一共有五栋，每栋楼等距离分布，供回水管线长为880 m，供回水主干线的管径为100 mm，支干线的管径为50 mm，循环泵的效率为70%。为模拟分析计算方便，把每一栋楼看成独立的用户，每栋楼的面积、额定热负荷、额定流量如表1所示。

表1 用户的原始数据

为了分析调节零压差控制点对供热管网能耗的影响，分5种方案分别讨论调节零压差控制点对供热管网能耗的影响：(1)方案1：以用户5为调节零压差控制点；(2)方案2：以用户4为调节零压差控制点；(3)方案3：以用户3为调节零压差控制点；(4)方案4：以用户2为调节零压差控制点；(5)方案5：以用户1为调节零压差控制点。

2 以各用户为调节零压差控制点对变频供热管网能耗的影响

2.1 以用户5为调节零压差控制点

要分析调节零压差控制点对动力分布式变频供热管网能耗的影响，首先就要确定调节零压差控制点。首先将供热管网中的阀门去掉，经过模拟计算后，要使得用户5供回水压差相等，就必须对供热管网进行调节，当节点6的压强为0.31 MPa、节点12的压强为0.570 MPa时，用户5供回水压力相等，都为0.439 MPa，这样就确定了用户以用户5为调节零压差控制点的供热管网运行状态，这时供热管网的流量和压力分布如图1所示。

图1 调节后供热管网流量和压力分布

知道了阀门二端的压降以及主循环泵、加压泵1、加压泵2、加压泵3二端的压力，就能确定阀门的开度、完成主循环泵和加压泵的选择，然后把主循环泵、加压泵、阀门安装在供热管网对应位置，这时供热管网的流量和压力分布如图2所示，供热管网的水压图如图3所示。

图2 以用户5为调节零压差控制点的供热管网压力和流量分布

图3 以用户5为调节零压差控制点的供热管网水压图

现将把图2供热管网中各个用户的设计流量、实际流量、主循环泵的扬程、供热管网总流量统计于表2中。

表2 以用户5为调节零压差控制点的供热管网水力失调度

从表2可以看出，用户1、用户2、用户3、用户4、用户5的水力失调度分别为0.99、0.94、0.95、1.01、1.00，说明了各个用户都到了水力平衡，系统总流量为80.7 m3/h说明了主循环泵选择和加压泵选择的正确性。在此基础上各用户变频泵能耗和主循环泵能耗统计于表3中。

表3 以用户5为调节零压差控制点的供热管网能耗

2.2 以用户4为调节零压差控制点

确定用户4为供热管网调节零压差控制点的方法与确定用户5为供热管网调节零压差点控制点的方法相同，经过模拟分析计算，要使用户4供回水压力相等，那就必须在用户4、用户5、用户6支路上安装变频泵，用户1、用户2满足供热需求，不安装变频泵，仍然采用阀门调节。经过模拟计算，供热管网流量和压力分图、供水管网水压图分别见图4、见图5所示。

图4 以用户4为调节零压差控制点的供热管网流量和压力分布

图5 以用户4为调节零压差控制点的供热管网水压图

现将把图4供热管网中各个用户的实际流量、主循环泵的扬程、供热管网总流量、统计于表4中。

表4 以用户4为调节零压差控制点的供热管网水力失调度

从表4可以看出用户1、用户2、用户3、用户4、用户5水力失调度分别为1.03、0.95、1.00、1.01、1.00，可见各个用户都达到了水力平衡，供热系统的总流量为80.83m3/h，说明了主循环泵和各用户加压泵选择的正确性，在此基础上将主循环泵和各用户加压泵的能耗统计于表5中。

表5 以用户4为调节零压差控制点的供热管网水力失调度

2.3以用户3为调节零压差控制点

以用户3为调节零压差控制点，经过模拟分析计算，要使得用户3供回水压差为零，需要在用户2、用户3、用户4、用户5的支路上安装变频泵，用户1满足供热需求，不需要安装变频泵，仍然采用阀门调节。这时供热管网流量和压力分布图、供热管网水压图如图6、图7所示。

图6 以用户3为零压差控制点的供热管网流量和压力分布

图7 以用户3为调节零压差控制点的供热管网水压图

现在把图6供热管网中各个用户的设计流量、实际流量、主循环泵的扬程、供热管网流量统计于表6中。

表6 以用户3为调节零压差控制点的供热管网水力失调度

从表6可以看出用户1、用户2、用户3、用户4、用户5的水力失调度分别为1.03、1.00、0.98、1.00、0.99，说明各用户都达到了水力平衡，供热管网总流量为80.59m3/h，说明了主循环泵和加压泵选择的正确性，把主循环泵和各用户加压泵的能耗统计于表7中。

表7 以用户3为调节零压差控制点的供热管网能耗

2.4 以用户2为调节零压差控制点

确定用户2为调节零压差控制点的方法与确定用户5为调节零压差控制点的方法相同，经过模拟分析计算，要使得用户2供回水压差为零，就需要在用户2、用户3、用户4、用户5的支路上安变频泵，用户1满足供热需求，不需要安装变频泵，仍然采用阀门调节。供热管网流量和压力分布图、供热管网水压图如图8、图9所示。

图8 以用户2为调节零压差控制点的供热管网流量和压力分布

图9 以用户2为调节零压差控制点的供热管网水压图

现在把图8供热管网中各个用户的设计流量、实际流量、主循环泵的扬程、供热管网总流量统计于表8中。

从表8可以看出用户1、用户2、用户3、用户4、用户5的水力失调度分别为1.12、0.98、0.99、1.00、0.99，说明各用户都达到了水力平衡，供热管网总流量为80.26m3/h，说明了主循环泵和加压泵选择的正确性，把主循环泵和各用户加压泵的能耗统计于表9中。

2.5 以用户1为调节零压差控制点

确定用户1为调节零压差控制点的方法与确定用户5为调节零压差控制点的方法相同，经过模拟分析计算，要使得用户1供回水压差为零，那么就需要在用户1、用户2、用户3、用户4、用户5上都安装变频泵。供热管网流量和压力分布图、供热管网水压图如图10、图11所示。

图10 以用户1为零压差控制点的供热管网流量和压力分布

图11 以用户1为调节零压差控制点的供热管网水压图

把图10中供热管网中各个用户的设计流量、实际流量、主循环泵的扬程、系统总流量统计于表10中。

表10 以用户1为调节零压差控制点的供热管网水力失调度

从表10可以看出各用户的水力失调度分别为1.05、0.98、0.98、1.02、0.99，说明各个用户都达到了水力平衡，供热管网总流量为80.67m3/h，说明了主循环泵和加压泵选择的正确性，把主循环泵和加压泵的能耗统计于表11中。

表11 以用户1为调节零压差控制点的供热管网能耗

3 模拟结果分析

为了更直观的显示各个方案的能耗，把各个方案模拟的能耗绘制成柱状图，见图12所示。

图12 不同零压差点能耗比较图

从图12可以看出方案1到方案4的能耗逐渐减小，方案5的能耗比方案4的能耗高，表明在动力分布式变频供热管网中，当调节零压差控制点逐渐靠近热源，主循环泵的扬程减小，这是因为主循环泵只需要克服调节零压差控制点之前供热管网的阻力，所以随着调节零压差控制点逐渐靠近热源，主循环泵的扬程逐渐减小。也即说明了在动力分布式变频供热管网中存在一个临界调节零压差控制点，当选择临界调节零压差控制点以前的用户作为调节零压差控制点时，供热管网的能耗逐渐减小，选择临界调节零压差控制点以后的用户作为调节零压差控制点时，供热管网的能耗并无此规律；当选择供热管网末端作为调节零压差控制点时，供热管网的能耗最高，这也从侧面证明了传统式供热管网是最不节能的；当选择离热源最近的用户作为调节零压差控制点时，供热管网的能耗并非最低。因此在动力分布式变频供热管网中，选择合适的调节零压差控制点，可以提高供热管网节能效果，因此选择合适的调节零压差控制点对供热管网的运行具有十分重要的意义。

4 动力分布式变频供热管网的设计思路

动力分布式变频供热管网的设计不同于传统式供热管网的设计，动力分布式供热管网的设计的首要问题就是选择供热管网中的调节零压差控制点，调节零压差控制点不同，供热管网能耗不同。从理论上来讲，主循环泵的选择也尤为重要，在设计工况流量下，主循环泵应向离热源最近的用户提供的资用压头小于或等于用户所需要的资用压头即可，但是这样会造成各用户回水加压泵增大，造成用户的初投资增大，综合以上分析动力分布式供热管网的设计思路如下

(1)选择动力分布式变频供热管网中的调节零压差控制点，选择不同的调节零压差控制点，供热管网的能耗不同。

(2)选择主循环，主循环泵的选择应该考虑2个方面，1是主循环泵的设计流量应该是供热管网所需总流量，2是主循环泵的扬程应该满足热源到供热管网调节零压差控制点之间的管网阻力。

(3)选择各用户支路上的变频泵，各支路上的变频泵应该满足该用户的流量及该用户的阻力。

5 结论

分析了变频泵的工作原理和运行调节特性，以五个热用户为研究对象，对以不同用户作为调节零压差控制点的动力分布式变频供热管网进行了能耗模拟计算，提出了动力分布式供热管网的设计思路，得到了如下结论：

(1)在研究动力分布式变频供热管网调节零压差控制点对供热管网能耗影响时，得到了确定动力分布式变频供热管网调节零压差控制点的方法。

(2)在动力分布式变频供热管网中，存在一个临界调节零压差控制点，当选择临界调节零压差控制点之前的用户作为调节零压差控制点时，供热管网的能耗随着调节零压差控制点逐渐靠近热源时，供热管网能耗逐渐减小，当选择临界调节零压差差控制点之后的用户作为调节零压差控制点时，供热管网能耗并无此规律。

(3)在动力分布式变频供热管网中，当调节零压差控制点逐渐靠近热源时，变频泵的个数逐渐增加。

(4)在动力分布式变频供热管网中，当调节零压差控制点越靠近热源时，主循环泵的扬程就越小，各用户加压泵的扬程越大；当调节零压差控制点远离热源时，主循环泵的扬程就越大，各用户加压泵的扬程越小。因此在动力分布式变频供热管网设计中，要选择最优的调节零压差控制点。