动力分布式二级泵供热系统在环状管网的应用分析

王鹏飞 吴志湘 岳斌佑

摘要：为研究动力分布式二级泵供热系统在环状管网的应用效果，阐述了动力分布式二级泵供热系统在环状供热管网应用的形式，比较了传统枝状热网和环状热网的区别，以及动力分布式二级泵供热系统的原理、水压图及运行方式。并同传统环状管网进行了能耗对比，结果表明：环状管网和动力分布式二级泵供热系统的结合既提升了供热系统的可靠性，也达到了节能的目的。

关键词：动力分布式二级泵供热系统;环状管网;枝状管网;热源泵;用户泵

中图分类号：TU833

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0185-05

1 引言

动力分布式供热系统[1]作为节能的一项新技术应用广泛，随着人民生活水平的提高，供热系统的可靠性越来越受到关注。通常采用枝状管网改为环状管网等方案来提高系统可靠性。动力分布式与环状管网的有机结合，对减少供热管网输配能耗，提高供热系统可靠性具有重要作用。然而目前动力分布式供热系统的研究只局限在枝状管网，针对环状管网的应用国内外文獻少有提及，此外环状管网运行方式对动力分布式供热系统影响的理论研究也少有论述。本研究通过借鉴动力分布式供热系统的设计思路，从管网拓扑结构、水压图、压差控制点及循环水泵的选择对动力分布式在环状及枝状管网的应用进行了对比分析，结合传统环状管网，对动力分布式环状管网进行了能耗计算，为动力分布式供热系统在环状管网的应用提供思路。

2 动力分布式供热系统

2.1 概述

传统供热系统的循环泵根据最远的、最不利的用户选择，并设置在热源处，以克服热源、热网及用户系统阻力。这种传统设计，在供热系统的近端用户处形成了过多资用压头。为降低近端用户流量，须设置调节阀，将多余资用压头消耗掉，使得无效电耗相应增加。此外，传统供热系统还易形成冷热不均现象，由于近端用户出现过多资用压头，若缺乏有效调节，造成近端用户流量超标，远端用户流量不足，供回水压差小。这种情况下，为改善供热效果须提高远端用户资用压头，常采用加大循环泵或在末端增设加压泵以改善供热效果，然而这种方式容易造成供热系统流量超标，导致大流量小温差。为解决传统供热系统中水力失调、冷热不均等问题，常采用动力分布式供热系统。

动力分布式供热系统分为动力分布式二级泵供热系统和动力分布式三级泵供热系统两类，其中动力分布式二级泵供热系统常被应用。动力分布式二级泵供热系统利用分布在用户端的循环泵取代调节阀，使得原来在调节阀上消耗的多余压头变为由分布式变频泵提供的资用压头，同时将热媒由热源泵被动“推送”到各用户处变为由用户泵从热源处主动的“抽取”流体。

2.2 动力分布式供热系统的设计思路

动力分布式供热系统是不同于传统集中供热的，该系统的设计规划与传统的集中供热管网也有所不同[2]，在进行动力分布式供热系统设计时应按以下思路进行。

（1）管网系统设计，计算管网的阻力。

（2）选择压差控制点，不同的压差控制点对应不同的设备初投资和管网运行费用，应按技术经济分析进行选择。

（3）选择主循环泵，主循环泵的选择考虑两方面。①流量要求，应能提供管网的全部循环流量，其计算公式如下：

G= 0.86×Q/△t

（1）

式（1）中：G为系统的循环水流量（m3/h）;Q为热量需求（kW）;△t为供回水温差（℃）。②扬程要求，应满足热源到压差控制点间管网阻力。

（4）分布式变频泵的选择，主要考虑满足该分支用户的阻力和流量。动力分布式供热系统的合理设计是实现该系统高效节能运行的前提，为达到合理设计，首要问题是分布式系统压差控制点的确定和主循环泵的选取。当压差控制点选在供热管网中部时，系统各处压力随流量变化较小，系统运行更为稳定。主循环泵的扬程应满足热源到压差控制点间管网阻力。主循环泵的扬程选择合理，可以降低动力分布式供热系统的初投资。从理论上讲，在设计工况流量下，应使主循环泵向第一个用户所提供的资用压头等于或小于用户所需要的压头即可，但这样选择可能会造成各用户的回水加压泵选择过大，造成初投资过大。因此，主循环泵扬程要通过综合分析主循环泵和回水加压泵的投资来确定，这主要是从经济性角度来考虑的[2]。

3 动力分布式供热系统在环状管网和枝状管网的应用

由于动力分布式供热系统在环状管网和枝状管网的应用差异实质就是两种管网的差异。可通过借鉴动力分布式供热系统设计思路，从管网拓扑结构、水压图、压差控制点及循环水泵的选择几个方面，来对环状管网与枝状管网进行对比分析。

3.1 拓扑结构

所谓“拓扑”就是把实体抽象成与其大小、形状无关的“点”，而把连接实体的线路抽象成“线”，进而以图的形式来表示这些点与线之间关系的方法，其目的在于研究这些点、线之间的相连关系。表示点和线之间关系的图被称为拓扑结构图。两种管网拓扑结构示意图见图1。图a为枝状供热管网，其中r为热源，u1、u2、u3、u4、u5分别为热用户。假定供回水管路完全对称，若将热用户u3、u4用管路连接，则供热管网的拓扑结构变为环状管网，环状管网拓扑结构见图b[3]。观察两种管网拓扑结构发现，枝状管网中，用户u3的用水量须经用户u2所在的通路，而环状管网，用户u3的用水量可由两条通路提供，分别经过用户u2和u4。若热用户u2到u3管段发生故障无法供水，用户u3可经u4所在通路获得水量。对比发现，环状管网相较于枝状管网供水可靠性得到提高。

3.2 水压图

传统供热系统在设计时无论是布置成枝状还是环状，普遍做法是在热源处布置循环泵，循环泵扬程根据最远的、最不利的用户选择，克服热源、热网和用户系统阻力。热源循环泵下两种管网水压图见图2。

观察两种管网水压图发现，环状管网供回水压力线变化较为平缓，这是因为环状管网有一定的备用结构，使得热网干线管径相对较大，比摩阻较小，从而干线损失小。此外，相同资用压头，环状管网热源处水泵的总压头比枝状管网小。图中阴影部分为需要用阀门的节流损失，观察发现，当热用户所需压降相同时，环状管网的节流损失比枝状管网少，这是因为热水在环状供热管网中分布均匀，从而满足远离热源的用户u3的流量分配，使得热网总节流损失减少。

相比枝状管网，环状管网具有以下优势。

（1）安全可靠。环网上如果某处出了事故，只要关闭该管段两侧的阀门进行抢修，其他管段照常运行，而枝状管网办不到。

（2）可扩展性较强。对于一个环网来说，可以一次设计分别实施，条件具备后再连接成多热源联网供热的大环型管网。这样做可以保证热用户增长的需要，节省初期投资。

（3）适应性较强。由于设计时不可能准确预计未来负荷的增长情况，所以随着热用户增加在枝状管网上常出现某一支管线所承担的负荷超出设计能力，而另一支相临管线则热负荷严重不足，这时把该二支管线适当位置连接起来就可以“互通有无”，同时也节约了循环水泵的电能。由此可见，环状管网在一定程度上可以适应供热负荷的变化。

3.3 动力分布式供热系统在枝网和环网中的应用对比

动力分布式供热系统在两种供热管网的应用布置见图3，其中图3（a）为动力分布式二级泵系统在枝状管网的布置图，图3b为动力分布式二级泵系统在环状管网的布置图。从图中看可以看出，两种布置方案除了本身的管网布置区别外，都是在热源处和用户ul～u5处设置变频水泵。在设计工况下，两种管网的动力分布式布置方案中的水流方向如图中实线箭头方向所示。

动力分布式枝状供热管网水压图见图4，观察水压圖发现，热源泵只负责热源内部循环和到零压差点的阻力，用户泵负责提供的扬程用来克服零压差点到用户所在环路阻力，所有用户处均无节流损失，所需用量根据用户需要在本地调节水泵。动力分布式环状管网中热源循环泵除负责热源内部的循环外，还负责承担热源至供水干网的输配功能，其扬程应包括热源内部（包括锅炉）的系统压降和至供水干网的输送压降。分布式用户泵的扬程为用户（热力站）到主干网之间的循环环路的压降之和水压图见图5，水压图实线部分是热源循环泵建立的，由于热源循环泵，热水，热量由热源“推向”供水干网的，因此，供水干网的水压图是供水压力大于回水压力，在水力汇交点（用户u3）处，供水压力最低，回水压力最高。且水力坡线比较平缓，资用压头的最大值和最小值相差不大，设计时可将最小压差值保持在5～10m Hz0之间。水压图虚线部分表明了主干网到用户（热力站）之间的压力分布状况。以用户u2为例，其零压差点02设计在热力站之前，主干网上的供回水资用压头全部变为一级网的输出动力，避免了节流损失造成的无功电耗[4]。

对比得到动力分布式二级泵供热系统在环状管网与枝状管网应用差异如下。

（1）环状管网的主干线是环状，部分支线仍是枝状，枝状管网中主干线和用户支线均为枝状。

（2）环状管网的拓扑结构较枝状管网更为复杂，部分管段因为工况变化流向可能也会发生变化。

（3）环状管网因为有至少两个回路，所以主环网上存在水力汇交点，该点用户的水源来自两个方向，这也导致动力分布式应用时压差控制点会有不同。

（4）动力分布式在环状管网的零压差点分布在每条用户支线用户（热力站）之前，枝状管网分布在主干线上。

（5）因为用户可以从不同回路供水，所以动力分布式环状管网对工况变化的适应能力较动力分布式枝状管网更好。

4 动力分布式环状管网与传统环状管网的比较

4.1 系统布置

传统环状管网与动力分布式环状管网布置见图5。其中，图5a环状管网采用的是传统热源循环泵，图5b环状管网中采用动力分布式二级泵供热系统布置，两者的管道布置相同，不同的是动力分布式环状管网中用户泵代替了传统环状管网中用户处的调节阀，当用户需要变流量时，经过调节用户泵的频率即可完成。

4.2 能耗

为分析动力分布式环状管网与传统环状管网间能耗差异，以某环状管网为例，进行案例计算。某环状管网布置见图6。其中，设计供、回水温为95℃/70℃;热用户的需用压头都为10 mH2O，用量为100 m³/h;热源内部的消耗压头为15 mH20，局部阻力为沿程阻力的30%。

为方便讨论，传统环状管网为方案1，系统布置见图5a，动力分布式环状管网为方案2，系统布置见图5b。

4.2.1 设计工况能耗

循环泵的能耗为：N=QH/367η

（2）

式（2）中：N-泵的能耗kW;Q-泵的循环流量，m³/h;H泵的扬程，mH2O;η-泵的效率，热源泵效率取η=80%，用户泵效率η=75%。经水力计算，热源和用户的流量及水泵的扬程，计算结果见表1。

对比表1中泵的能耗，该案例设计工况条件下，动力分布式二级泵供热系统水泵方案比传统的热源循环泵方案可节省泵功消耗23.9%。

4.2.2 装机容量

由泵耗可知，方案2的泵耗较方案1的泵耗低，这会导致方案2配电室的装机容量较方案1的低，采用方案2比方案1节电。

4.2.3 运行能耗

以用户ul变流量调节为例，运行调节工作点变化见图7，观察图形发现，Ql到Q2有两种调节方案，其工作流程：方案1通过调节阀门改变管网特性曲线由I到Ⅱ，并与水泵特性曲线ni交于点C，此时，扬程为HC，HCCQ20的面积为水泵的有效功率;方案2中，通过调节水泵转速，水泵工作曲线由n1到n2，工作点由A到B，流量由Q1到Q2，转速由m1降至m2，根据相似原理[6]，水泵的特性曲线由，n1变为曲线m2，而管网的特性曲线不变，管网特性曲线I与水泵特性曲线n2交于点B，扬程变为HB，相比Hc扬程减小。HBBQ2O面积即为水泵的有效功率，可以看出，两种方法都可以达到变流量的效果。由于方案1通过阀门调节需要的有效功率远高于通过降低水泵转速调节需要的有效功率，图中HCCBHB的阴影面积即为变频调节比阀门调节节省的功率AP。对比发现，动力分布式环状管网比传统环状管网节能[7，8]。

5 结语

通过对比分析得到，动力分布式二级泵供热系统应用于环状管网后，供热系统的可靠性不仅得到提高，管网输配的能耗也相应减少;当管段出现故障需要检修时，环状管网使动力分布式供热系统的可及性得到提高;一定条件下，环状管网的水力分配更均匀，动力分布式二级泵供热系统应用到单热源环状管网节能率较应用于单热源枝状管网要低一些。随着供热规模越来越大，供热管网运行的安全性、经济性十分重要，动力分布式环状管网将是一个合理经济的供热输配方式。

参考文献：

[1]贾云飞，吴志湘，翟梦娴，等.动力分布式系统中用户背压及其变化的讨论[J].节能，2017 （1）：25～27.

[2]时荣剑.动力分布式集中供热管网研究[D].南京：南京理工大学，2007.

[3]王海，周海舰，朱彤.新一代节能供热网络的立体拓扑结构建模[J].暖通空调，2017，47（8）：138～144.

[4]石兆玉.多热源联网中分布式输配供热系统的应用[J].区域供热，2014（4）：1～4.9.

[5]王海，王海鹰，朱彤.一种新的分布式水泵供热布置方案分析[J].土木建筑与环境工程，2013，35（5）：98～105.

[6]秦冰，秦绪忠，陈泓，等.浅析分布式变频泵系统的多热源联合供热[J].区域供热，2008（1）：19～24.

[7]张鼎蓉，吴志湘，吕砚昭.动力分布式二级泵供热系统的水力计算方法分析[J].绿色科技，2017 （18）：181～183.

[8]孔祥睿，吴志湘，吕砚昭，等.动力分布式供热系统中背压对水泵运行调速范围的影响[J].绿色科技，2015（12）：265～267.