间接供热一级泵系统压差控制方案研究*

曹荣光

(中国中元国际工程有限公司,北京)

0 引言

随着城镇化的推进,我国供热规模和供热半径越来越大。区域供热管网多为间接连接,即热源与热用户间设置换热站隔开,热源与换热站之间通过一次网连接,换热站与热用户间通过二次网连接。由于热网的热惰性,区域供热一次网采用质调节会产生供热过量或不足现象,影响供热质量或造成能源浪费。一次网集中量调节比质调节更优越,供热质量更高,经济性更好[1]。

随着区域供热系统设备水平的提升,热用户末端装置具备了自主调节能力,变流量运行逐步在供热系统中得到推广应用。区域供热输配变流量系统一般采用压差控制,通过调节循环泵的运行台数和转速控制热网压差保持恒定,以满足末端用户的热量需求。现有研究大多针对供热一次网变流量调节的调控方法,缺少基于热用户逐时负荷分析的输配系统工况变化和节能性研究[2-6]。本文以某建筑综合体区域供热输配系统为例,基于供热期各单体建筑的逐时热负荷,通过建立管网动力学数学模型,定量分析间接供热系统中一级泵在不同压差控制方案下的全年逐时运行工况变化和运行能耗,以供工程设计参考。

1 工程概况

1.1 建筑概况

某建筑综合体项目(如图1所示)位于北京市,涵盖办公、商业、公寓等功能业态,采用区域集中供热,规划用地面积为6.82万m2。集中供热区域内有13栋建筑,包括9栋办公楼(办公楼1～9)、2栋公寓楼(公寓楼1、2)及2栋配套商业楼(配套商业楼1、2),总供热建筑面积为16.89万m2,各建筑供热面积及最大热负荷见表1。

注:J1～J16为供水侧节点编号;E1～E15为供水侧管段编号。图1 某建筑综合体热水输送管网平面示意图

表1 各建筑供热面积及最大热负荷

1.2 逐时热负荷

该项目建筑逐时热负荷计算采用EnergyPlus软件,该软件主要用于建筑能量特性模拟与负荷计算,它吸收了DOE-2和BLAST 2个软件的优点,并具备很多新的功能[7-9]。该项目供暖季为11月15日到次年3月15日,共121 d。模拟采用的北京地区室外气象参数从EnergyPlus气象数据库中选取,来源为CSWD(中国典型气象年数据)[10]。负荷计算时考虑了各建筑的使用功能、平时及节假日运行时间、房间同时使用率等参数,由于篇幅所限,本文不再赘述。各建筑及总体的热负荷最大值见表1,供暖季逐时热负荷见图2～8。

图2 办公楼1～5逐时热负荷

图3 办公楼6、7逐时热负荷

图4 办公楼8逐时热负荷

图5 办公楼9逐时热负荷

图6 公寓楼1、2逐时热负荷

图7 配套商业楼1逐时热负荷

图8 配套商业楼2逐时热负荷

根据表1的统计结果,该项目综合最大热负荷为6 605.95 kW,折合单位建筑面积热指标为39.1 W/m2。供暖期总供热量为504.71万kW·h,折合单位面积供热量为29.88 kW·h/m2。区域建筑逐时热负荷见图9,逐日耗热量见图10。

图9 区域建筑逐时热负荷

图10 区域建筑逐日耗热量

2 输配系统

2.1 系统概况

热源:该工程供热热源采用地埋管地源热泵系统,如图1所示,热泵机组设置于办公楼8南侧的地下冷热机房内,地埋换热管布置于相邻地块的城市公园绿地内。热水设计供/回水温度为50 ℃/40 ℃,总设计热水流量为568.0 m3/h。

输配系统:该工程采用间接供热,供热输配系统原理图见图11。一级泵B1设置于冷热机房内,承担一次网阻力;各用户二次网循环泵(B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16)分别设置于1#～4#站房内,承担用户侧热水系统阻力。热源侧热泵机组设置热水循环泵,承担热源阻力,热源侧与输配侧通过平衡管隔开。热水一次网从冷热机房到最远端的4#站房的管线长度约为388.6 m。

注:J17～J32为回水侧节点编号;E16～E30为回水侧管段编号;B1、B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16为泵组编号。图11 供热输配系统原理图

热用户:供热区域内共8个热用户,各用户设计热水流量见表1。

2.2 输送管网

如图11所示,供热输配系统供水侧共有15个管段,编号分别为E1～E15;该项目热水输送管网采用枝状布置,为简化分析,设定回水侧管网参数与供水侧相同,则回水侧共有15个管段,编号分别为E16～E30。根据各用户节点的流量和经济比摩阻,经设计计算,各管段的内径、管长及局部阻力系数设计值见表2。管径小于DN300的管道采用无缝钢管,大于等于DN300的管道采用螺旋焊接钢管。

表2 各管段设计参数

2.3 循环泵选型

2.3.1一级泵B1

该项目换热站内换热器一次侧及站内管线设计总压头为10 m,输配系统补水定压水头为63 m,定压点为一级泵B1吸入口,管壁粗糙度为0.5 mm。根据管网参数计算设计流量下各节点的供回水压力,结果如图12所示,节点J1处供回水压头差为13.6 m,第一个用户分支节点J3处供回水压头差为12.3 m,一次网末端最不利用户节点J8处供回水压头差为10.0 m。

图12 热水输配一级泵系统设计工况下的管网节点水压图

2.3.2二次网循环泵

该项目各换热站内换热器二次网及站内管线设计总压头为10.0 m,各用户侧设计压头均为12.5 m,二次网循环泵设计扬程为上述2项压头之和,均为22.5 m。

根据上述一级泵及二次网循环泵的扬程参数及表1中列出的各用户节点的设计热水流量选择水泵参数,结果见表3。

表3 一级泵及二次网循环泵选型

根据水泵样本[11],采用拉格朗日插值法拟合得到一级泵及二次网循环泵变频运行的性能方程,见表4。

表4 一级泵及二次网循环泵性能方程

2.4 运行策略

区域供热输配系统的设计目标一方面是要保证各末端用户随时得到所需流量,另一方面要降低循环水泵能耗。由于用户末端设备换热具有显著的非线性特征及水系统存在热惰性,温度控制方法在控制机理上存在不稳定性,而压差控制方法可以对用户末端负荷的变化快速响应,控制参数简单明确,在国内众多大型项目中得到了应用,是现阶段工程设计中水系统控制普遍采用的方法[12-22]。

2.4.1二次网循环泵运行策略

热用户末端负荷调节采用量调节,供热系统二次网变流量运行。通过调节各二次网循环泵(B5、B6、B8、B9、B12、B13、B15、B16)的运行台数和转速,保持换热站出口处供回水压头差恒定为设计值12.5 m,实时满足末端设备的用热需求。

2.4.2一级泵运行策略

随着换热站供热量的变化,实时调节换热器一次侧电动调节阀保持二次侧供水温度恒定,一次侧变流量运行,一级泵B1的运行策略有如下3种:

1) 始端定压差运行。通过调节一级泵B1的运行台数和转速,保持一次网第一个用户分支节点J3处供回水压头差恒定为12.3 m。

2) 末端定压差运行。通过调节一级泵B1的运行台数和转速,保持一次网末端最不利用户节点J8处供回水压头差为10.0 m。

3) 变压差运行。监测一次网供热系统内各换热站一次侧电动调节阀开度和回水温度,如所有用户热力入口阀门开度低于100%,则一级泵B1变频降速(结合水泵台数控制)降低一次网系统运行流量,如存在任何一个换热站一次侧电动调节阀开度为100%,且回水温度低于一次网总回水温度,则一级泵变频提速(结合水泵台数控制)提高一次网系统运行流量。

3 输配能耗量化分析

3.1 输配能耗计算方法

输配能耗计算按下列步骤进行。

1) 计算供冷季各用户的逐时冷负荷,根据逐时负荷值求解各用户节点的逐时热水流量;

2) 参照文献[22-23],根据表2及图11的管网信息,建立管网动力学数学模型;

3) 根据步骤1)、2)的结果及系统压差控制方案,求解输配管网各时刻的节点水压,得到一级泵B1及各二次网循环泵的运行扬程;

4) 将步骤1)、3)计算得到的流量和扬程值代入循环泵性能方程求解各水泵的运行频率、效率,进而求解一级泵B1及各二次网循环泵的逐时能耗;

5) 将一级泵B1及各二次网循环泵的逐时能耗累加求和,即得到输配能耗值。

3.2 一级泵运行能耗

一级泵在始端定压差、末端定压差、变压差等3种运行策略下的年运行能耗见表5,各运行策略下一级泵B1的逐时运行频率、效率、耗电量见图13～15。

表5 一级泵年运行能耗

注:图中不同曲线代表供暖期不同天的数据。图13 一级泵B1逐时运行频率

注:图中不同曲线代表供暖期不同天的数据。图14 一级泵B1逐时运行效率

注:图中不同曲线代表供暖期不同天的数据。图15 一级泵B1逐时运行耗电量

3.3 二次网循环泵运行能耗

各二次网循环泵年运行能耗见表6,逐时能耗见图16。

表6 二次网循环泵运行能耗

注:图中不同曲线代表供暖期不同天的数据。图16 二次网循环泵逐时运行耗电量

4 分析与讨论

4.1 输配能耗

由表5可见,变压差下一级泵系统的年耗电量最低,比始端定压差下的年耗电量低64.3%,节能效果显著。根据上一章的计算结果,统计各压差控制方案的一级泵及二次网循环泵年运行能耗之和,结果见表7。由表7可见,相比始端定压差,一级泵变压差运行策略可以节约29.7%的输配系统电耗,节能效果显著。

表7 各方案年运行总能耗

4.2 可调性

图17显示了管网节点供回水压头差。如图17所示:在部分负荷下,始端定压差运行时,各换热站一次侧的资用压头增大,电动调节阀的阀权度降低,调节性能降低;末端定压差及变压差运行时,在保证供给的前提下各换热站的资用压头减小,电动调节阀的阀权度提高,调节性能提高。其中,基于末端阀门开度检测的变压差控制方式可以实时追踪一次网系统最不利用户的位置,保证系统阀门阻力最小,能耗最低,是最优的调节方式。

注:图中不同曲线代表供暖期不同天的数据。图17 管网节点供回水压头差

4.3 经济性

基于末端阀门开度检测的变压差控制方式仅需集中采集各换热站一次侧阀门开度和回水温度,相对始端定压差和末端定压差方案基本不增加系统初投资,经济性较好。

5 结束语

本文以北京某建筑综合体集中供热项目为例,定量分析了间接供热系统中一级泵在不同压差控制方案下的全年逐时运行能耗。结果表明,相比常规的始端定压差和末端定压差,基于末端阀门开度检测的一级泵变压差运行可以显著降低供热输配能耗,提高换热站一次侧电动调节阀的调节精度,具有较好的经济性,建议大规模推广应用。