分布式變頻泵供熱系統(tǒng)

李文源

（青島大學(xué)，山東 青島 266071）

傳統(tǒng)集中式供熱系統(tǒng)通常把循環(huán)泵安裝在熱交換站內(nèi)或者熱源附近。在設(shè)計(jì)計(jì)算循環(huán)泵的參數(shù)（數(shù)量、流量、揚(yáng)程等）時(shí)，要針對循環(huán)管路中最大阻力和最遠(yuǎn)用戶的情況進(jìn)行考慮。傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)一般要在用戶末端的管網(wǎng)系統(tǒng)上增設(shè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以達(dá)到消除過剩壓頭的目的，確保水利失衡的現(xiàn)象在系統(tǒng)內(nèi)的各用戶處消失。為了保證系統(tǒng)內(nèi)各用戶處在熱負(fù)荷變動(dòng)的情況下，資用壓頭符合使用標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)需要針對這些管網(wǎng)增設(shè)加壓泵。而在現(xiàn)實(shí)的運(yùn)行中存在著許多不可控因素，導(dǎo)致調(diào)整困難，對系統(tǒng)內(nèi)上下游用戶造成不利影響。

1 基本原理

分布式變頻泵供熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別，分布式變頻泵是動(dòng)力分布式系統(tǒng)，而傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)采用的是集中式系統(tǒng)。簡而言之，動(dòng)力分布式系統(tǒng)，即通過使用變頻泵來完成替換換熱管路中調(diào)節(jié)設(shè)備的工作，來實(shí)現(xiàn)梯級(jí)按需為系統(tǒng)內(nèi)各用戶輸送熱媒即熱水的目標(biāo)。分布式變頻泵供熱系統(tǒng)理論上可以實(shí)現(xiàn)完全的自給自足，并且可以大大地減少系統(tǒng)輸送熱媒即熱水時(shí)所消耗的電能。在進(jìn)行選擇壓差控制點(diǎn)時(shí)，要注意管網(wǎng)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)之間的壓力差，通過計(jì)算找到恰當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)進(jìn)行安裝，這樣可以促使管網(wǎng)內(nèi)水力狀況完全達(dá)到用戶需求的標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足流量需求以及幫助熱源即熱水克服壓力控制點(diǎn)的阻力，需要對主循環(huán)泵進(jìn)行合理的選擇，以達(dá)到大大降低循環(huán)泵所需揚(yáng)程和合理減少電機(jī)數(shù)目的目的。動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)中用戶處設(shè)立有相應(yīng)的變頻泵來取代傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中用戶處的調(diào)節(jié)閥，這些處在動(dòng)力分布式供熱系統(tǒng)中的變頻泵構(gòu)成了分布式變頻泵系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)相比，分布式變頻泵供熱系統(tǒng)把之前閥門調(diào)整以及其他損失的能量加以充分利用，并且能夠大幅度地減少循環(huán)水泵的功耗，延長了供熱系統(tǒng)使用年限且使供熱系統(tǒng)更加安全，與此同時(shí)，初始投入資金并不比傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)高。

2 兩種供熱系統(tǒng)的對比

在傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中，用于克服系統(tǒng)內(nèi)全部阻力，每戶資用壓頭以及克服熱源內(nèi)部阻力的動(dòng)能均是熱源循環(huán)泵提供。在進(jìn)行計(jì)算選擇熱源循環(huán)泵時(shí)，通常情況下是通過計(jì)算系統(tǒng)中最遠(yuǎn)用戶的資用壓頭，做到保證最遠(yuǎn)端用戶的供熱連續(xù)性，但是這樣存在著一些問題，如絕大多數(shù)的用戶面臨著需要安裝調(diào)節(jié)閥來控制多余的資用壓頭，這樣造成能量無故的損耗。如圖1所示，△h1，△h2，△h3，分別表示用戶1、用戶2、用戶3在采用調(diào)節(jié)閥的情況下消耗的多余資用壓頭。

圖1 動(dòng)力集中式供熱系統(tǒng)水壓圖

圖2 分布式變頻泵供熱系統(tǒng)水壓圖

對比分析圖1和圖2可以看出，在傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中，循環(huán)泵參數(shù)的選擇是以保證讓最不容易得到供熱的用戶得到供熱，而且循環(huán)泵需要安裝于熱源附近，并提供動(dòng)力用以克服系統(tǒng)、用戶和熱源的阻力。這就造成了傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中的熱源附近用戶存在資用壓頭過大的情況。為了達(dá)到減小近端用戶流量的目的，必須安裝使用調(diào)節(jié)閥把過剩的壓頭釋放掉。通過分析可知，這樣的供熱調(diào)節(jié)方式造成電能消耗白白浪費(fèi)。而且傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)在為用戶供熱時(shí)，容易出現(xiàn)忽冷忽熱的現(xiàn)象，原因是在近端用戶出現(xiàn)壓頭過剩的情況下，由于沒有有效的措施對此進(jìn)行調(diào)節(jié)，勢必造成了系統(tǒng)中近端的用戶熱媒即熱水的流量超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍，由于系統(tǒng)中用戶的近端流量超標(biāo)，那么這就造成系統(tǒng)中遠(yuǎn)端的用戶熱媒即熱水的流量小于標(biāo)準(zhǔn)范圍，這樣在進(jìn)行熱媒即熱水供應(yīng)時(shí)的不連貫，造成為用戶供熱時(shí)忽冷忽熱的情況。

而分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的動(dòng)力是由一、二級(jí)循環(huán)泵和熱源循環(huán)泵共同提供的，而且皆是有效的消耗在各自行程中，幾乎不存在無效的電能消耗。分布式變頻泵供熱系統(tǒng)在進(jìn)行熱媒即熱水循環(huán)時(shí)，采用分段循環(huán)方式。雖然這兩種供熱系統(tǒng)的一、二級(jí)管路具有相同的阻力，但是處于這兩種不同供熱系統(tǒng)中的循環(huán)泵所需功率各不相同，在分布式變頻泵供熱系統(tǒng)中的熱源循環(huán)泵僅需提供克服熱源內(nèi)部阻力的能量，沿管路所設(shè)循環(huán)泵負(fù)責(zé)提供克服外網(wǎng)阻力的能量。雖然分布式變頻泵供熱系統(tǒng)比傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)中的循環(huán)泵多，但是循環(huán)泵功率卻明顯減小，與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)相比，分布式變頻泵供熱系統(tǒng)節(jié)約電量約為35%左右。在分布式變頻泵供熱系統(tǒng)處于部分負(fù)荷情況下時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到滿足每個(gè)用戶處于不同負(fù)荷變化下的需求，在一定程度上可以避免閥門節(jié)流的損失。

3 分布式變頻泵供熱系統(tǒng)優(yōu)勢分析

分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的實(shí)施可以使熱效率大大提高，在用煤總量方面可以減少損耗，間接地達(dá)到減少煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放量的目的，這樣可以使灰渣產(chǎn)出量減少，從而達(dá)到減少煤和灰渣的運(yùn)輸工作，減輕了對環(huán)境的污染和對交通資源的占用。

在傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)中，當(dāng)運(yùn)行中的流量減少時(shí)，泵的升力會(huì)增加，從而導(dǎo)致效率降低，而泵的工作點(diǎn)則會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而對于分布式變頻系統(tǒng)來說，總流量變小時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)各處的壓力不會(huì)隨之改變，即使變化也很小，假設(shè)電路壓力差不超過20%，則用戶在流量變化不超過10%的情況下不作任何改變。

傳統(tǒng)的電控制閥模式容易出現(xiàn)故障，操作的可靠性也較低，對系統(tǒng)的維護(hù)也比較困難。分布式變頻加熱管網(wǎng)只需要把零點(diǎn)作為可控變量，控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，使其返回壓力為零，便于調(diào)整操作。

變頻加熱管網(wǎng)供回水管壓力隨流量小幅度變化的波動(dòng)，即主要對管道壓力要求較低，低初始投資也可延長管道的使用壽命；雖然功率分布變頻系統(tǒng)增加了泵的數(shù)量，但總電機(jī)功率大大降低，隨著變頻技術(shù)日趨成熟，變頻泵和電控閥的價(jià)格差幾乎沒有增加，縮短回收期。

針對供熱系統(tǒng)改造后的噪聲，可以通過方便可靠的途徑減少甚至可以消除其對附近環(huán)境的影響。可以針對不同的噪聲源來采取不同的措施，例如：分布式變頻泵供熱系統(tǒng)采用新的設(shè)備和技術(shù)，從而可以有效地降低設(shè)備的噪聲、震動(dòng)，從聲源處消除部分噪聲；通過在各廠內(nèi)設(shè)置綠化帶，達(dá)到從聲音傳播過程中減弱噪聲的作用，降低了對周圍居民的干擾程度。

綜上所述，分布式變頻供熱系統(tǒng)的實(shí)施，將為城市的環(huán)境改善做出一定的貢獻(xiàn)，有利于城市完成節(jié)能減排目標(biāo)，對加快城市建設(shè)有著深遠(yuǎn)的影響。

4 建議措施

首先，對于運(yùn)行中的供熱系統(tǒng)，如果出現(xiàn)原設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷不能滿足新增供熱需求時(shí)，可以采用在供熱系統(tǒng)較遠(yuǎn)端布置變頻泵的方式，達(dá)到改善供熱質(zhì)量的目的，這樣可以避免提高主循環(huán)泵的揚(yáng)程。如果供熱系統(tǒng)的運(yùn)行工況相對多變、物料情況不明，這時(shí)分布變頻泵的安裝及控制很難準(zhǔn)確到位，難以達(dá)到預(yù)計(jì)的節(jié)能效果。所以，在進(jìn)行大型的建成已運(yùn)行的供熱系統(tǒng)改造工作時(shí)，不能一蹴而就地進(jìn)行全部換為分布式變頻泵供熱系統(tǒng)，可以采取在自動(dòng)化控制技術(shù)的介入下分批次更換。

其次，在進(jìn)行分布式變頻泵供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，分別需要對各個(gè)循環(huán)泵揚(yáng)程和流量大小做好精準(zhǔn)計(jì)算和運(yùn)行控制，不然即使采用分布式變頻泵供熱系統(tǒng)也難以達(dá)到理想的目的。

最后，為了可以使分布式變頻泵供熱系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)使供暖效果達(dá)到客戶預(yù)期效果，需要與熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合運(yùn)行，做到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，做好壓力和溫度等曲線的實(shí)時(shí)分析，以達(dá)到更進(jìn)一步的節(jié)能效果。

最后，在進(jìn)行供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝工作時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際工程運(yùn)行所處的綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)情況，唯有與實(shí)際情況結(jié)合起來，才能做好分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的推廣工作。