供热输配系统节能潜力分析与多级泵系统的应用

1、供热输配系统节能潜力分析与多级泵系统的应用哈尔滨工业大学 王芃 邹平华 范亚伟摘要 首先通过基于供热输配系统需用功率的热网简化，建立系统最大节能潜力的计算公式。然后作出适当假设，分析了影响供热输配系统节能潜力的几个重要因素，指出对于采用传统供热系统形式的不同热网，其输配系统的节能潜力高低不一。最后据此阐述了供热多级泵系统在简单环网和各种枝网中的应用条件。关键词 集中供热 多级泵系统 节能0 引言在集中供热系统中，总是力图使热源产生的热量能够被按需分配给各个热用户。然而实际运行中，按需分配的代价有时能够达到整个系统运行费用的30%甚至更高1。究其原因，传统的供热系统主要依靠在热源设置循环水泵以提

2、供循环动力，一方面循环水泵的选型考虑了一定的富裕量，另一方面热用户处的多余的资用压头被调节阀消耗以获得理想的水力工况。这些都使很多供热输配系统存在着可观的节能潜力，为此国内学者提出了变速泵代替调节阀2的供热多级泵系统（又称分布式变频水泵系统）形式3。此后，多级泵系统的节能特性也从其诸多特点中一跃成为焦点，部分研究通过单一算例验证了节能率，但是并没有作出全面的分析。本文试图通过研究供热输配系统的节能潜力，分析其主要影响因素，说明多级泵系统节能率的多少是有条件和限度的。同时本文的研究结果是在水泵选型恰当、变速装置配备合理下得到的。如果实际工程中水泵选型过大，且无变速装置，那么在这种条件下改造的系统

3、，其节能率要大于本文所讨论的情况。1 供热输配系统的节能潜力1.1 传统供热系统的热媒输送能耗计算对于多热源环状热网，系统汇流点的分布决定了各个热源的供热范围。为了分析与计算各热源循环水泵的设计扬程，通过汇流点可以将整个网络分解为多个子网络，每个子网络仅包含一个热源。以图1所示双热源单环热网为例（见图1(a)），系统汇流点位于A、B两点，于是热网可以分解为两个子网络（见图1(b)），它们分别包含热源S1和S2。对于热源S1所在的子网络，如果S1nA的压降大于S1nB的压降，则该子网络的最不利环路为S1nA。S1的循环水泵的扬程可以通过计算该最不利环路确定。由于S1A的压降等于S2A的压降，因此

4、确定S2子网络的最不利环路为S2nA，得到S2的循环水泵扬程。于是，输配系统的总能耗为各循环水泵的能耗之和。针对分解后的“单热源枝状结构”的网络S1nA，设最不利用户nA的设计流量为Gun，设计需用压头为Hun；从热源到最不利用户的主干线之间有n-1个支干线连接点，各连接点的设计出流量为Gci；主干线各管段（单程）的设计压降为Hpj；热源设计需用压头为Hs。详见图2。则传统供热系统的水泵总功率为：(1)式中N0传统供热系统循环水泵的总功率，W；2.78单位换算系数；水泵效率，本文假设热网中各台水泵效率相同；Hs热源设计需用压头，m水柱；Hpj第j段管段的设计压降，j=1,n，m水柱；Hun最不

5、利用户nA的设计需用压头，m水柱；Gci第i个连接点的设计出流量，i=1,n-1，t/h；Gun最不利用户nA的设计流量，t/h。(a) (b) 图1 双热源单环热网及其分解示意图(a) 双热源单环热网平面图；(b) 分解图本例的双热源单环热网可以分解成两个“单热源枝状”结构的子网络。但是复杂的环网将可能分解成多个“单热源环状”结构子网络，它超出下文提供的热网结构简化方法和基于此的论述范围。本文述及的环状热网仅针对能够分解成“单热源枝状”结构子网络的简单环网。1.2 基于需用功率的热网结构简化1.2.1 供热系统热媒输送的需用功率供热系统在热媒输送过程中需要克服网路中各个部分的阻力，假设在热源

6、、热用户和热网各管段上合理设置相应流量和压头的水泵，让网路中各个部分分别克服自身阻力，而不产生多余的资用压头（即无节流损失），则系统的热媒输送功率能够达到最小值。定义该最小值为供热系统热媒输送的需用功率，显然它是热源、热网和热用户三个部分的需用功率之和。对于图2(a)所示的单热源枝状热网，共有b根管段，m个热用户，则输配系统需用功率为：(2)式中Nmin供热系统热媒输送的需用功率，W；Gui第i个热用户的设计流量，i=1,m，t/h；Gpj第j根管段的设计流量，j=1,b，t/h；Hui第i个热用户的设计需用压头，i=1,m，m水柱。1.2.2 基于需用功率的热网结构简化由于传统供热系统能耗计

7、算的特殊性，为了使需用功率的计算式(2)与式(1)中的节点和管段编号相对应，热网结构必须作出一定简化。单热源枝状热网的路由总是由一条从热源通往最不利用户的主干线，以及若干条由主干线上节点引出的支干线和用户支线组成。对于图2(a)所示的单热源枝状热网通常可以简化成图2(b)的结构。定义主干线节点为当量热用户节点，它包括了该节点引出的支干线及其上的所有热用户。并定义其当量设计流量为该节点的出流量，即由该节点引出的支干线上所有热用户的设计流量之和；同时，由于该节点当量需用压头和当量设计流量计算得到的节点需用功率应等于该节点所引出支干线的热媒输送需用功率，据此可推算该节点的当量需用压头。(a) (b)

8、 图2 单热源枝状热网结构(S1nA)简化示意图(a) 简化前；(b) 简化后1.3 供热输配系统的节能潜力计算通过上述的热网结构简化方法，单热源枝状热网的需用功率可以由最不利环路途经的管段和当量热用户表示如下：(3)式中Hci第i个(当量)热用户的设计需用压头，i=1,n，m水柱。于是传统形式的单热源枝状热网的最大节能潜力为：(4)式中xk,max单热源枝状热网结构的最大节能潜力。设简单环网有l个热源，可以分解为l个子网络，则其最大节能潜力为各分解子网络的节能潜力的加权和：(5)式中xmax简单环网的最大节能潜力；k第k个热源循环水泵功率占整个热网输送功率的百分比，k=1,l。2 供热输配系

9、统节能潜力的影响因素分析显然，不同的热网其输配系统的节能潜力也不尽相同，由于式(4)过于繁琐，假设Hci=Hc，Gci=Gc，Hpj=Hp，i,j=1,2,n，以了解其中几个较为关注的因素。(6)由式(6)可知，热用户数量n和主干线管段压降Hp越大，系统的节能潜力也越大；热源需用压力Hs和热用户需用压力Hc越大，系统节能潜力越小。另外，由于支线管径、长度、热用户数量和设计流量的不同，各个当量热用户节点的需用压头也不尽相同。假设算例：Hs=15 m，Gc=100 t/h，Hp=3 m水柱（单程），n=10。(1) 当热用户需用压头呈递增序列Hci=1+(i-1) m水柱，i=1,2,10，系统节

10、能潜力为37%；(2) 当热用户需用压头呈递减序列Hci=19-(i-1) m水柱，i=1,2,10，系统节能潜力为26%。(3) 特别的是，当热用户设计需用压头为Hui=64-6(i-1) m水柱，其中i=1,2,10，节能潜力为0。即各热用户的设计需用压头恰好等于传统供热系统下热网提供的资用压头时，各分支节点处热用户不需要节流，则输配系统无节能潜力。如果主干线上各管段比摩阻接近，则可用比摩阻和主干线长度的乘积表示热网主干线的压降，式(6)可以表示为：(7)式中R供热系统主干线比摩阻，m水柱/m；L热网主干线长度，m；局部阻力当量长度百分数，%。热网主干线推荐比摩阻范围在3070 Pa/m，

11、约为0.0030.007 m水柱/m，当热源和热用户的设计需用压头分别为15 m和10 m时，主干线长度范围在6.32.7 km，供热输配系统的节能潜力才可能达到30%。以上情况是在热用户均匀分布于热网主干线上得出的，如果主干线末端的热用户密度较大，节能潜力必然小于理想状况。3 供热多级泵系统的应用及其条件3.1 供热多级泵系统概述供热多级泵系统的形式借鉴了空调领域的二次泵、三次泵系统形式4-5，该系统以热源循环水泵、热用户加压泵和热网中继泵的组合形式与新颖的设计理念代替了传统以热源循环水泵为主的系统设计。由于水泵可以分散布置在网络中的所需位置，为实现供热输配系统的节能潜力创造了条件。图3(a

12、)所示为最简的单热源枝状热网的传统供热形式，即由热源处循环水泵提供热媒输送的全部动力。图3(b)所示供热多级泵系统的输送热媒所需能量由热源循环水泵和位于热用户处的加压水泵共同承担；合理控制水泵参数，能够使输配系统的功率仅为需用功率。(a) (b) 图3 单热源枝状热网传统供热系统与供热多级泵系统示意图(a) 传统供热系统；(b) 供热多级泵系统此后更多样化的供热多级泵系统形式不断涌现，但是对这种新兴系统的节能率的研究仍然仅针对图3所示的最简形式的热网，并且由于假设算例中人为确定的数值，都可能导致对节能率的较高估计。从上文对供热输配系统节能潜力的研究可见，由于某些热网本身节能潜力不高，导致多级泵

13、系统改造后的节能率也不高，因此并非所有热网都适于应用多级泵系统。虽然式(4)式(5)的计算过于繁琐，但是通过第2节的简化研究至少说明了造成多级泵系统节能率低的某些因素。应该认识到，即便没有高度自动化和实时通讯的技术、经济负担，供热多级泵系统在应用上仍然存在一定局限性。3.2 供热多级泵系统的应用条件供热多级泵系统的应用不仅在于水泵配置方案上的改变，它还涉及系统调度、运行管理等多方面的技术问题。本文仅从其水泵配置方案改变后的节能率谈及应用条件和局限性。3.2.1 供热多级泵系统在单热源枝状热网上的应用根据第2节的论述，对于单热源枝状热网，在以下情况应用多级泵系统可能获得较高的节能率：(1) 系统

14、热用户较多且在近热源端密度较高、热负荷较大；(2) 近热源端的热用户支干线规模较远端小，或者近热源端热用户的设计需用压头较小；(3) 热网干线长，比摩阻较大。3.2.2 供热多级泵系统在多热源热网上的应用随着热网规模的不断扩大，各区域网络的连接，多热源热网成为城市热网最普遍的形式。它在可靠性方面提供了热源备用，同时避免造成过长的主干线和循环水泵扬程。但是相应的也消弱了适于多级泵系统的优势。根据1.1节的热网分解方法，多热源热网可以分解成与热源数目等量的“单热源枝状”结构的子网络，然而各“单热源枝状”子网络的干线长度较短，输配系统的节能潜力较小。3.2.3 供热多级泵系统在环状热网上的应用类似于

15、多热源热网，环状热网在热网备用方面做出了可靠性贡献，同时环形管路的流量分配也有效降低了热源循环水泵的扬程。但是以下情况有碍多级泵系统节能效力的发挥。(1) 环形干线合理的流量分配使整个环线上资用压头较均匀，降低了近热源端热用户多余的资用压头；(2) 热网分解后的的枝网干线较原有热网干线短；(3) 由于环状热网在设计阶段的可靠性要求，环形干线的比摩阻较小，一般在推荐比摩阻范围内。对于复杂的热网，由于多热源与环形干线的共同作用，可能使适于多级泵系统的优势被消弱致无法接受的程度。我国现阶段热网设计仍然沿用传统供热系统的模式，考虑近、远期的扩建，主干线管径往往留有较大的富裕量，造成部分系统主干线平均比

16、摩阻远小于30 Pa/m。笔者考察了类似情况的多热源环网，由于干线压降过小，在不考虑经济约束的情况下，实施全网近180个热力站均采用加压泵的配置，其节能率尚只有10%。4 结论综上所述，采用传统供热系统的热网，其热媒输送的节能潜力受到热网结构等参数的多方面影响，同时也验证了并非所有的热网都适于采用多级泵系统以降低输配能耗。在各种结构的热网中，单热源枝状热网具有更多更适宜应用多级泵的条件，但是除了节能率达到要求外，还需要进一步的技术经济论证。而对于多热源环状热网，当主干线比摩阻较小时，局部支路采用多级泵系统可能成为较好的解决方案。参考文献：1 Eppelheimer, D.M. Variable Flow-the Quest for System Energy Efficiency. ASHRAE Transactions, 1996,102(1):673-6782 江亿. 用变速泵和变速风机代替调节用风阀水阀J. 暖通空调, 1997,27(2):66-713 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.