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【原创论文四】| 分布式变频供热系统案例分析

日期: 2018-07-27
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李玉海1    崔凤葵2    李其奇2    龙艳平2

(1 锦州节能热电股份有限公司)

(2北京天时前程自动化工程技术有限公司)

【摘  要】本文主要通过实际案例,分析分布式变频供热系统在实际运行中所遇到的问题,并通过水力计算软件对实际水力工况模拟,对热源运行参数、换热站分布泵重新选型,同时对系统的控制方式进行调整,提高热网运行的经济性和稳定性。

【关键词】分布式变频供热系统  水力计算  系统调整  热网运行  经济性

0 引言

近年来,随着节能减排的需求,以及变频调速水泵的广泛应用,分布式变频系统越来越受到业界的关注。分布式变频系统是一种新型的供热系统形式,其实质是在各换热站用变频泵替代调节阀。整个分布式变频系统中热源泵、热网泵和热用户泵各司其职:锅炉房内的热源泵,负责热源内部的水循环;各换热站一次网侧设置热网循环水泵,负责一次网的水循环;热站二次网侧设置热用户循环水泵,负担用户侧的水循环。分布式变频系统与传统设计方案相比,其水泵电装机容量降低至少30%,再辅助变频调节的控制手段,实际运行电耗小于传统设计方案的50%。

由于分布式变频系统中水泵数量相对比较多,其选型的合理性直接影响着分布式变频系统运行的经济性和稳定性;同时,分布式变频系统存在着零差压点,即供水压力等于回水压力的点,对于特定热网,零差压点的位置直接决定了供热系统的节能效果。

本文结合某城市分布式变频供热管网的实际运行,就换热站分布式水泵的选型和分布式变频系统运行中零差压点的位置进行了设计优化,提高了热网运行的经济性和稳定性。

1 概述

某城区集中供热管网设计供热面积400万平米,目前实际供热面积215万平米,建有热力站38座。热源为3台72MW高温燃煤热水锅炉,敷设管网总长度2×51.35km,最大管径DN700,最小管径DN65。

本项目设计供热负荷200MW,一次网供回水温度为130/70℃,定压值为55mH2O。管网走向及换热站位置如图1所示。 

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图1 一次管网拓补图

该一次管网采用热源循环泵加换热站加压泵方式的分布式系统,均压管设于热源厂内。示意图见图2,各换热站水泵参数见表1。

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图2 分布式变频系统示意图

表1 各换热站分布泵参数表

站 名

铭牌流量/
 (m3/h)

额定扬程/
 (m)

额定功率/
 (kw)

站 名

铭牌流量/
 (m3/h)

额定扬程/
 (m)

额定功率/
 (kw)

R-1

75

65

37

R-21

85

80

37

R-2

93.5

44

18.5

80

85

37

R-3

93.5

44

18.5

11

85

15

R-4

65

46

15

R-22

80

85

37

R-5

70

87

37

R-23

140

92

75

R-6

35

83

22

R-24

130

98

55

R-7

45

84

30

R-25

90

100

55

R-8

245

88

75

R-26

90

110

55

R-9

35

90

30

R-27

82

48

22

R-10

350

54

90

15

48

15

R-11

138

60

37

R-28

7

45

5.5

R-12

195

122

90

R-29

87

60

30

120

122

75

10

44

5.5

R-13

100

80

37

R-30

150

58

37

R-14

205

122

110

R-31

32

54

15

20

122

30

R-32

85

60

30

R-15

80

130

75

R-33

90

55

30

120

30

75

R-34

22

55

11

R-16

85

135

75

R-35

75

55

30

R-17

30

148

45

R-36

90

59

30

R-18

65

120

45

15

59

11

R-19

65

120

45

R-37

86

63

30

R-20

55

132

55

R-38

130

80

55





58

98

30

热源采用3台热网循环泵。其中,2台2400m3/h和1台1200m3/h的备用泵,扬程都是28m,功率分别为250kw和132kw。各换热站分布泵都安装于板式换热器的出口,所有水泵均有变频调速功能。

供热管网热源控制中心设有上位热网监控软件,可实现对各换热站的运行参数监测,同时可远程调整各换热站内分布式变频器的频率。各换热站内设有PLC控制柜,负责各换热站运行数据的采集与本地控制命令的下发。可采集的数据为各换热站一次、二次侧供回水温度、压力、流量及水箱液位等。

1.1 实际运行数据分析

根据2016年—2017年采暖季实际运行数据,在运行过程中,热源厂内的均压管处于关闭状态。热源厂流量全采暖季基本维持在2400m3/h左右,此时热源水泵扬程为5mH2O,运行频率为36Hz;热网流量全采暖季维持在2800m3/h左右;热源和热网流量一旦稳定后,在整个采暖季很少进行调节。

根据各换热站理论热指标及设计供回水温度和实际供热面积计算理论流量,与严寒季各换热站实际流量进行对比,如图3所示

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图3  各换热站流量对比图

所有换热站均处于大流量、小温差的运行状态,实际流量超过理论流量相对比例越大,这个换热站的回水温度越高。实际情况也是如此,本项目一次网设计供回水温差为60℃,在严寒期一次网实际运行温差只有35℃。

同时,各换热站实际供热面积与设计供热面积相差较大,造成各换热站分布水泵均在频率30Hz以下运行,造成水泵运行效率比较低,电耗增加;实际面积与设计面积相差的相对比例越大,电耗浪费越严重。面积对比见图4。

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图4  各换热站面积对比图

1.2 运行过程中存在的问题

依据以上实际运行数据分析可以得出:虽然此系统为分布式变频泵供热系统,但其运行方式未按照均压管定零压点的变频运行方式;热源全采暖季处于质调节状态,热网处于大流量、小温差的运行模式;各换热站的实际供热面积与设计供热面积相差较大,这些都造成了电耗的浪费。2016年—2017年采暖季实际电耗为0.86kw/m2(不含二次网水泵电耗)。

2 技术改造方案

依据本系统运行过程中存在的问题,笔者通过viHeating水力计算软件对实际运行管网进行动态模拟。首先,对热源的运行参数进行调整;其次,根据各换热站实际供热面积以及水力计算结果对分布泵进行重新选型;最后,对热网分布式变频系统的运行方式进行调整。最终实际全网节约电耗的目的。

2.1 热源的运行参数的调整

原热源采暖季采用质调节方式。即在整个采暖期间,随着室外温度的变化,只改变热源的供水温度,而热源的循环流量维持设计流量不变。这样的好处在于,在整个采暖季热网的水力工况相对稳定,但电耗比较大。

本项目现有供热面积215万平米,采暖季供热负荷为107.5MW,严寒季热源供回水温度为95℃/50℃,计算出热源流量为2054m3/h。上一采暖季热源流量在2400m3/h时,热源厂内部阻力为20m,可知其阻抗为3.47×10-6h2/m5;由此可知,调整后的热源部分阻力为14.7m,热源厂水泵不进行更换,运行时频率为43Hz。

本系统采用分布式变频泵间接供热,由于零压点定为热源厂,则需拟定热源及一级热网的供热调节曲线。调节方式由原有的质调节改为分阶段质—量调节。对整个采暖季分为二个阶段改变流量,每个阶段流量比采用 =0.75,  =1.0,而每个阶段采用质调,流量不变。供热调节数据见表2。

表2 供热调节数据表

室外温度
 (℃)

相对热负荷

相对流量

供水温度
 (℃)

回水温度
 (℃)

5

0.52

0.75

68

36.7

2

0.64

0.75

78.4

39.8

0

0.72

0.75

85.3

41.9

-2

0.80

1.00

81.2

45

-4

0.88

1.00

86.9

47.1

-6.9

1.00

1.00

95

50

2.2 各换热站分布泵的更换

本系统在实际运行过程中,实际供热面积只有设计供热面积的54%,各换热站所供实际面积与设计面积对比见图4。在系统在运行过程的运行参数与设计参数也有较大的区别,这就造成各换热站分布式水泵的额定参数与运行参数存在着较大偏差,致使电耗增加。

笔者利用viHeating供热模拟仿真软件,对本系统实际运行的水力工况进行了模拟分析。一次管网实际流量见图5,各管道及换热站压力见图6。

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图5 各换热站调整后流量分布图

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图6 各管段及换热站调整后压力分布图

经过水力计算后,管网压力分布如图5中所示,各换热站节点对应的数据为节点的供回水压力。在设备选型时,泵的流量为该换热站实际采暖面积下的设计循环流量、扬程为扬程即为该换热站资用压头不足之值(站内阻力按10m考虑),并考虑一定的安全系数后形成。各换热站调整后的分布水泵参数如表3所示,调整后各换热站资用压头如图7所示。

表3 各换热站调整后的分布水泵参数表

站 名

实际流量/
 (m3/h)

实际扬程/
 (m)

计算功率/
 (kw)

站 名

实际流量/
 (m3/h)

实际扬程/
 (m)

计算功率/
 (kw)

R-1

40.3

15.7

2.6

R-21

30.6

22

2.8

R-2

45.9

16.2

3.1

21.3

22

2.0

R-3

70.2

22.2

6.5

7.4

22

0.7

R-4

75.8

23.7

7.5

R-22

31.1

22.8

3.0

R-5

25.3

17.6

1.9

R-23

58.4

22.4

5.5

R-6

11.2

17.4

0.8

R-24

60.9

26.5

6.7

R-7

22.2

18.5

1.7

R-25

56.9

32.9

7.8

R-8

48.5

17.5

3.5

R-26

31.5

33.4

4.4

R-9

19.8

18.9

1.6

R-27

38.3

29.2

4.7

R-10

232.9

24.1

23.5

6.9

29.2

0.8

R-11

79.4

25.9

8.6

R-28

3.9

22.4

0.4

R-12

112.5

27.4

12.9

R-29

42.6

23.1

4.1

68.8

27.4

7.9

5.1

23.1

0.5

R-13

77.6

27.8

9.0

R-30

75.2

24.3

7.6

R-14

67.0

28.8

8.1

R-31

8.2

23.9

0.8

8.7

28.8

1.1

R-32

74.6

24.5

7.6

R-15

15.6

28.5

1.9

R-33

39.0

25.1

4.1

55.6

28.5

6.6

R-34

14.3

25.5

1.5

R-16

39.7

29

4.8

R-35

31.7

25.3

3.4

R-17

8.1

29.2

1.0

R-36

31.7

25

3.3

R-18

46.9

32.5

6.4

3.5

25

0.4

R-19

31.7

34.7

4.6

R-37

42.6

25.8

4.6

R-20

26.4

32

3.5

R-38

23.4

25.2

2.5





21.3

25.2

2.2


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图7 调整后各换热站资用压头(单位为kPa)

经测算,各换热站分布泵调整后采暖季耗电758478kw(包含热源厂循环水泵的耗电),折算平米电耗0.353kw/m2。改造后比改造前节电59%,经济效益非常可观。

2.3 运行方式的调整

本项目所设计分布式变频系统形式为用户变频泵+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2所示。

在实际系统运行过程中,由于热源处均压管始终处于关闭状态,同时中控室上位系统只是能够实现远程监视和手动控制,无法做到精细化调节,致使整个系统的外网流量远超热源处流量,系统零压差点处于变零压点控制方式,随着各换热站水泵频率的变化而变化,造成水力工况不稳定和各换热站分布泵电耗的浪费。

对于分布式变频泵系统零压点的位置,武汉科技大学焦扬[1]就零压差点位置的选取对系统的输配能耗、水泵的选型、运行控制等问题进行了分析,得出的零压差点必须接近临界点,才能使系统消除调节阀能耗,从而使系统的输配能耗最低。零压差点位于热(冷)源与临界点之间的不同位置,水泵的配置方案不同,但水泵的输出总功率相等结论。河北工业大学邵博[2]对设有均压管的分布式变频系统后水泵能耗进行分析,利用流体分析软件对分布式变频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,得出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及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的结论。

因此将控制方式由变零压差点改为定零压差点的控制方式。将零压差点固定在均压管处,均压管上设置关闭阀,正常状态下,阀门开启,当热源突然停电时,关闭阀自动关闭,系统水全部进入锅炉强制循环,防止锅炉汽化出现危险。由于均压管存在使得换热站侧流量调节对锅炉内流量无明显影响,分布泵的调节运行不仅满足各个热力站的热量动态需求,同时实现管网平稳运行。在整网定零压差点的运行工况下,减少了因泵频输入不合理导致的分布泵波动较大的情况发生,大大提高分布泵的运行寿命。

3 结束语

相对于传统供热系统,分布式供热系统具有输送能耗低、供热质量高等特点,但系统复杂。科学有效的控制调节方式和分布式变频泵的合理配置,可增强分布式供热系统的可靠性和稳定性,降低运行成本,提高热网运行的经济性。


参考文献:

(1)焦扬,符永正. 动力分散系统中零压差点位置及水泵扬程的确定[J].暖通空调,2011(08):110-113

(2)邵博,孙春华等. 分布变频系统与动力集中式系统运行调节特性对比分析[J].河北工业大学学报,2015(6):50-51


本篇论文已刊登在《区域供热》2018年第3期P59-P65,欢迎指正。



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