分布式供热输配系统理论解析

北京建筑大学 李德英

0 引言

所谓分布式变频输配系统就是分级泵变流量输配系统，其主要特点是通过合理匹配分级泵，调节水泵电动机频率改变其流量，以替代调节阀调节流量，从而起到“以泵代阀”的作用。其一增强了供热系统流量的可调性，可有效解决系统水力失调现象，进而减少因热力失调导致过度供热的热损失；其二可以减少调节阀的节流电耗损失[1]。

从设计角度看，分布式变频输配系统和集中输配系统相比较，无论多级循环水泵如何布置，二者管网系统的流量分配是完全相同的。根据特勒根定理进行理论分析，2种输配方式相比较，管网系统(管道)流量输配所消耗的能量也是完全相同的。但是集中输配系统采用调节阀对近端用户节流，必然要消耗能量，所以会额外增加循环水泵的电耗。

从水力工况看，二者的区别只是分布式变频输配系统比集中输配系统减少了调节阀节流的能耗损失。所以从理论上讲，前者循环水泵输配电耗可减少20%～30%[2-3]。然而在实际工程应用中，有的分布式变频输配系统的节能效果并不明显，有时其输配电耗比集中输配系统还要高，自然引起质疑，问题何在？

通过实际调查发现，大多数工程设计和管理技术人员忽略了一个重要问题，那就是在循环水泵设计选配时没有校核水泵可能达到的运行效率，运行管理使用者也没有进行水泵效率现场监测。所以大多数供热系统普遍存在水泵匹配远大于实际需要的功率，甚至误以为“多多益善”，结果就造成了系统大流量和循环水泵低效率运行。现就此问题进行解读。

1 特勒根定理在供热输配系统中的应用

1.1 特勒根定理的物理意义

特勒根定理是研究分析电路网络的重要理论之一，由荷兰电气工程师伯纳德·特勒根(Bernard D.H.Tellegen)在1952年提出。特勒根定理给出了遵守基尔霍夫电路定理的电路之间的一个约束关系，即任一给定参数的电路网络系统中，其各支路的电功率之和为零[4]。即

No=∑IiΔVi

(1)

式中No为电源提供的总功率，W；Ii为供电系统各支路的电流，A；ΔVi为供电系统各支路的电压降，V。

特勒根定理适用于与电路相类似的复杂网络，如神经系统、管道网络与化工过程网络等。而在供热系统中，管网系统作为流体网络，其拓朴结构和电路网络的模式和基本规律是相同的，其流量输配所消耗的功率是相似的。因此，特勒根定理完全可以应用于供热管网流体输配能耗分析计算中。

1.2 分布式输配系统在一次管网中的应用

如上所述，电路网络系统的特勒根定理适用于流体网络系统，即在供热系统流体输配网络中，任何管网所消耗的功率，必然等于各管段流量与压力降的乘积。即

Nf=a∑GiΔHi

(2)

式中Nf为管网流量输配所消耗的总功率，W；a为单位换算系数，取2.73；Gi为供热系统各管段的流量，t/h；ΔHi为供热系统各管段的阻力损失，m。

分布式输配系统在一次管网中应用比较多，且容易实施。无论供热系统有多少循环水泵，也不管该系统由多少管段组成，如果管网流量和阻力特性一定，则管网系统所消耗的总功率必然与该系统各管段所消耗功率之和相等。对于这一基本规律，不论是集中输配系统，还是分布式输配系统都适用。所不同的是二者循环水泵消耗的功率不同，即使所有水泵实际工作效率都一样，集中输配系统还要增加调节阀调节时节流的能耗损失。该能耗损失取决于管网系统的比摩阻及其主干线与支干线阻力的相关关系，即主干线各管段的比摩阻、长度增大，该能耗损失增大。所以对于主干线比摩阻较大或管线较长的集中供热系统,设计采用分布式变频输配技术或对既有系统改造后节电效果更加明显[5]。

1.3 分布式输配系统能效评价

供热管网采用分布式输配系统时，实际运行输送能效应该通过耗电输热比进行评价，即在供热期间，系统循环水泵的全部耗电量与总供热量的比例关系，或称之为单位供热量的耗电量。据不完全统计，大多数供热系统一次管网的耗电输热比为0.010～0.015，二次管网的耗电输热比为0.015～0.020，长输管线的耗电输热比为0.020～0.030。

2 分布式输配系统在二次管网中的应用

2.1 二次管网输配系统的特点

目前，分布式变频输配供热系统多在一次管网系统应用。在二次管网系统中，大多数采用集中输送方式，即各用户加装各类调节阀调节流量。这种集中设计方法根据二次管网系统的最大流量和最不利用户选择循环水泵，用于克服热源(换热站)、热网和热用户的系统阻力。这种传统的设计思想，客观上存在难以克服的问题：

1) 在供热系统近端(靠近热源处)的热用户，自然会形成过多的资用压头。所以必须设置流量调节阀，将多余的资用压头消耗掉。这种“无谓”的节流所产生的能量损失是集中输配系统设计方法不可避免的问题。

2) 从水力工况的角度考虑，系统末端易出现资用压头不足，造成系统热用户流量近大远小，出现室温冷热不均的现象。为满足末端用户的供热效果，必须增加末端热用户的资用压头，工程设计或运行管理人员往往采用加大热源循环水泵的方式来解决，结果管网系统就会形成大流量小温差的运行状态。从而增加了二次管网系统的输配能耗，同时也增大了近端热用户的过度供热，降低了供热系统的能效水平。

然而，考量一个供热系统能效的高低主要取决于两方面因素：一是无效供热量的多少；二是管网热媒输送中无效电耗的多少。其中冷热不均的无效热量和热媒输送过程中的无效电耗与循环水泵的设计方法选择、是否与系统合理匹配相关联。

2.2 分布式输配技术在二次管网系统中的应用

在实际供热工程中，二次管网系统的输配调节比较复杂，且调节条件差，调节难度也大。所以二次管网系统的水力平衡及流量是否合理分配成为影响供热系统全网水力工况的关键环节。虽然分布式输配系统在技术上有先进性，但是还没有在二次管网和热用户系统中得到充分的应用。供热系统循环水泵正确的设计思想是尽量减少热媒输送过程中的无效电耗。为各热用户提供所需的资用压头，克服管网输配的阻力是必须的有效电耗。而集中输配设计方法必然产生无效电耗，即热用户多余的资用压头被各种流量调节阀以节流的方式消耗掉。就调节流量、消除冷热不均现象来说是有效调节，似乎也不可能完全取消必要节流的无效电耗，这就是集中输配设计方法不可避免的问题所在。

而热用户多余资用压头的产生，是因为只在热源处设计单一水泵系统造成的结果，通过管网系统无效电耗的理论计算会一目了然。可以利用电路网络中的特勒根定理计算流体管网输配所消耗的功率，得出无效电耗。这样可为分布式变频输配系统多级水泵的选择提供理论依据。

可见，供热系统实现全网分布式输配供热，还需要不断完善二次管网系统的监控计量条件，利用先进的通讯技术，推进二次管网分布式输配系统的智能调节水力平衡技术的推广与应用，提高供热全网系统的运行管理水平，逐步实现量化、精细化的高效运行模式。

3 分布式变频循环水泵的选择

3.1 分布式变频循环水泵的耗功率计算

分布式变频系统循环水泵的设计选择首先要考虑管网系统所消耗的功率(理论值)，即根据管网系统的水力计算，得到各管段流量(Gi)与压力降(ΔHi，即阻力)的乘积之和；再根据计算得到的总流量(Gz)和总阻力(Hz)，以及循环水泵可能达到的效率，计算循环水泵的总功率。根据特勒根定理，可按如下公式计算：

(3)

或

(4)

(5)

式(3)～(5)中N为供热系统循环水泵的总功率，W；Ni为供热系统各级循环水泵的功率，W；ηi为各级循环水泵的效率；η为各级循环水泵的平均效率；Nfi为各级管网流量输配所消耗的功率，W。

集中输配设计方法只在热源处设置循环水泵，而分布式变频输配设计方法(理想设计方案)除了在热源处设置扬程较小的循环水泵外，还要在外网沿途设置多个加压循环水泵。由多个沿途加压循环水泵进行“接力”，各级水泵共同实现热媒的输送。虽然系统管网各管段的压降与集中输配设计方法的压降相等，但二者要求循环水泵提供的功率却不尽相同。因为集中输配设计方法循环水泵设置在热源处，所提供的动力(扬程)是在总循环流量(即最大流量)下实现的。而理想设计方案，热源处的循环水泵在总流量下，只提供部分动力(扬程)，其他动力(扬程)是在沿途接力循环水泵的分流量下实现的，流体输配全过程没有调节阀节流损失。因此，理想设计方案循环水泵的输送功率必然小于集中输配设计方法循环水泵的输送功率，这就是分布式变频输配设计方案的独特优势。

3.2 分布式变频循环水泵的选择原则

在分布式变频设计选择循环水泵时，应符合下列要求[6]：

1) 因为热源循环水泵的特点是大流量小扬程，所以确定流量时应直接采用管网系统总流量，一般不必加富余量；扬程应根据系统水压图实际值选择。选定水泵后必须绘制水泵-管网特性曲线(多台水泵并联运行必须绘制综合特性曲线)，确定其工作点在高效区(70%～80%)，否则应该更换其他型号的水泵。

2) 多级循环水泵(接力泵)的特点是小流量大扬程(末端水泵扬程最大)，选择水泵时必须绘制水泵-管网特性曲线，确认每台水泵在高效区工作。

3) 选择水泵流量-扬程特性曲线时，在水泵工作点附近应比较平缓，以便在管网水力工况发生变化时，循环水泵的扬程变化较小，可保持管网系统压力波动范围小。

4) 循环水泵的承压、耐温能力应与热网的设计参数相适应。多级循环水泵一般应安装在热网回水管上(起降压作用)，水泵允许的工作温度一般不应低于80 ℃。如有必要安装在热网供水管上(起加压作用)，则必须采用可耐供水温度的热水循环水泵。

5) 所有分布式循环水泵都应采用变频调速，且在频率改变时，水泵的工作点也应在水泵高效工作范围内。

6) 有条件时，应采用水泵设计选择软件。

3.3 循环水泵的效率计算

供热系统运行过程中，循环水泵的实际效率是一个关键指标，对于供热系统节能运行非常重要，特别是分级泵系统更是如此。然而循环水泵的运行效率看不见也摸不着，管理者似乎也不太关心。就离心水泵的铭牌效率看，一般在70%～80%之间。但在实际运行过程中，大部分供热系统水泵效率普遍为50%～60%，甚至更低(30%～40%)，因此造成输配电能的极大浪费。循环水泵运行效率如此低的主要原因是设计选择的水泵与系统不匹配，造成水泵实际运行工况点偏离了高效区。

一般来说，工程设计人员在设计选择水泵时，应该根据水泵性能曲线和管网系统特性曲线进行绘图验证，校核水泵的性能曲线工作点是否在高效区。如果多台水泵并联运行时更应该核实水泵的工作效率，如图1所示。

图1 2台水泵并联运行时的效率分析

在供热系统运行过程中，大多数循环水泵的实际效率无从知晓。所以应该现场测试水泵的流量、扬程和轴功率，再进行计算分析才可以作出判定。但是现场测试水泵性能参数比较困难：1) 水泵轴功率在现场没法测试，只能通过测试电功率来替代水泵轴功率。2) 测试水泵的扬程时要求测压表高度相等，测压点(即压力表导压孔)管道流体的流速和流态相同(即等高、等速、等流态)。如果测压点管径不同，流体流速不相等，则必须利用伯努利能量方程进行动压/静压能量转换计算。3) 测量水泵的流量时要求流量计前后有一定长度的直管段(流量计前直管段长度Lq≥7D，流量计后直管段长度Lh≥5D，其中D为管径)，保证流态均匀稳定。

循环水泵的运行效率用下式计算：

(6)

式中ηo为水泵测试期效率；G为循环流量，t/h；H为循环水泵的扬程，m；Nz为循环水泵的轴功率(现场测试只能用电功率替代)，W。

通过循环水泵现场效率测试情况来判定水泵工作状态，如果效率太低(如ηo<50%)，就说明水泵和系统不匹配，应该及时更换。有一点需要特别注意，改变水泵电动机频率不会提高水泵的效率，相反可能会降低其工作效率。所以分布式变频输配系统一定要校核所有的变频水泵的实际效率，这一点对提高系统能效、减少输送能耗至关重要。

4 分布式变频输配系统运行调控方法

分布式变频输配系统运行控制是动态调控过程，根据负荷变化各个循环水泵需要联动或同步调节管网系统的流量，总流量随负荷改变时，各分级泵流量至少是等比例变化方可满足用户随气候变化的热力需求。而目前大多数分布式变频输配供热系统运行调节依据不明确。针对上述问题作如下解读，并提出相应调控方法。

4.1 分布式供热系统应实行“变频变流量”运行

目前大多数供热系统采用分布式变频输配技术，主要承担了最大流量分配的初调节问题。实际上变频系统的可调节性主要解决了循环水泵与系统的匹配和流量分配问题，在实际运行过程中基本保持定频定流量运行。即使采用动态变频调节，调控依据也不明确。有的系统甚至采用所谓的“压差控制法”，即根据管网某一位置的压差变化来改变频率。如此调控方法基本失去了分布式变频输配技术的节能优势。

其实供热系统采用分布式变频输配技术最有效的调控方法应该是根据系统供热负荷同步比例调节各分级水泵电动机的频率，或采用“等温差调节法”调节各级水泵的流量，可大大减少管网输配能耗，且满足热用户的热量需求。

4.2 合理匹配循环水泵，以提升其运行效率

供热系统所有循环水泵的运行效率应该进行现场测试，如果实测效率太低就应该及时更换。而大部分技术管理人员只是听水泵的声音，仅此而已，结果造成大部分循环水泵低效率(30%～50%)运行，浪费严重。

4.3 系统供热全过程动态调控策略

大多数供热系统的供热量根据热源的供水温度进行调节，也就是说把供水温度当热量用，并非按需要的供热量进行调节。结果使得分布式变频输配系统的作用没有得到充分发挥，节能效果也不明显，甚至有的分布式变频输配系统的输配能耗比集中输配系统还高。

供热系统最有效的供热调节方法应该是根据气象条件采用热量总量控制，即“热量调节法”。所以分布式供热输配系统的循环水泵变频控制应以供热负荷为依据，“逐日、同步、等比例”调节频率，从而实现逐日动态调节热负荷及供热量，以满足热用户的需求。

在采用分布式变频循环水泵的设计方法时，应该贯彻全面、协调、可持续发展的理念。在绿色、低碳、节能、高效的供热智能化大环境下，尤其是随着热网系统长输管线技术的推广，分布式变频输配系统在实现管网系统水力工况动态调节及智能化供热方面，具有不可替代的优势。可以预见，在未来的供热行业发展中，可以更好地利用分布式变频输配技术进一步提升能效，实行精细化管理、按需供热、精确控制，从而使供热系统真正实现智慧供热、高效运行。

5 结论

1) 分布式变频输配系统运行调控策略至关重要，合理的调控方法可有效地提升系统输送能效，有利于降低耗电输热比。

2) 分布式变频输配系统循环水泵的运行效率是关键，且决定了系统节能效果。设计时应该通过绘制水泵-管网性能曲线进行效率验证；在运行过程中必须对每一台水泵进行效率测试，若效率低于50%应更换水泵。

3) 采用热量总量调节控制策略，采用“热量调节法”量化管理措施，实现逐日动态调节供热量，以满足热用户的需求。