分布式變頻系統(tǒng)在供熱管網(wǎng)中的應(yīng)用探究

尹熙俊

摘 要：分布式變頻系統(tǒng)可以降低供熱一級(jí)管網(wǎng)壓力，提高整體管網(wǎng)安全性。是保障供熱系統(tǒng)良好穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。本文首先大概闡述了分布式變頻系統(tǒng)的運(yùn)行方式，再分析分布變頻系統(tǒng)在供熱管網(wǎng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，最后針對(duì)具體應(yīng)用展開(kāi)探究，以供參考。

關(guān)鍵詞：分布式變頻系統(tǒng);供熱;管網(wǎng)安全

前言：隨著人們生活質(zhì)量的提高，對(duì)供熱安全的重視程度逐漸提升。傳統(tǒng)的以供熱首站循環(huán)泵為主的供熱方式安全風(fēng)險(xiǎn)較大，在供熱負(fù)荷較高的情況下，一級(jí)供熱管網(wǎng)需要承擔(dān)較大的運(yùn)行壓力，極易引發(fā)管網(wǎng)漏泄，甚至造成安全事故。而分布式變頻系統(tǒng)通過(guò)將運(yùn)行壓力分散開(kāi)，再進(jìn)行變頻，不僅能夠節(jié)約能源，還能夠降低以及供熱管網(wǎng)的壓力，提高供熱的安全性。

一、分布式變頻系統(tǒng)概述

我國(guó)供熱系統(tǒng)正處于全面發(fā)展階段，大面積供熱地區(qū)多處于北方。專家預(yù)計(jì)，2023年，我國(guó)的集中供熱范圍可以達(dá)到119.3億平方米。在供熱范圍逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)下，如何提高供熱的穩(wěn)定性，降低供熱事故發(fā)生頻率成為了值得探討的議題。供熱的基礎(chǔ)是保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，需要提高供熱的安全性，降低供熱過(guò)程中的隱患。隨著供熱面積的逐漸擴(kuò)大，傳統(tǒng)供熱方式致使供熱一級(jí)管網(wǎng)承受較大的運(yùn)行壓力，極易因?yàn)樨?fù)荷過(guò)重產(chǎn)生一系列連鎖問(wèn)題。供熱管網(wǎng)壓力大的首要原因就是供熱系統(tǒng)單一，為了解決該問(wèn)題，專家研發(fā)出分布式變頻供熱系統(tǒng)。

分布式變頻系統(tǒng)將每個(gè)熱交換站中，在一級(jí)供熱管網(wǎng)回水管路上加裝一臺(tái)熱水循環(huán)泵。通過(guò)變頻器，控制水泵出力[1]。其中，熱網(wǎng)首站循環(huán)泵泵用來(lái)控制水循環(huán)，保證管網(wǎng)基本流量穩(wěn)定。每個(gè)換熱站通過(guò)一級(jí)管網(wǎng)的熱網(wǎng)循環(huán)水泵進(jìn)行一次網(wǎng)的水循環(huán)。二次管網(wǎng)循環(huán)水泵，主要負(fù)責(zé)用戶側(cè)。該系統(tǒng)中水泵數(shù)量較多，水泵點(diǎn)裝機(jī)容量較低，運(yùn)行電耗小，供熱一級(jí)管網(wǎng)所承受的運(yùn)行壓力較小。由于管網(wǎng)負(fù)荷較小，安全性得以提升。

二、分布式變頻系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

集中供熱系統(tǒng)主要包含五個(gè)環(huán)節(jié)。熱源是產(chǎn)生熱量的源頭，是供熱系統(tǒng)中必不可少的部分。它通過(guò)消耗能源產(chǎn)出熱量，并輸送到一級(jí)管網(wǎng)。一級(jí)管網(wǎng)負(fù)責(zé)將熱源廠生產(chǎn)的熱能運(yùn)輸?shù)綋Q熱站。通常情況下，能源的運(yùn)輸方式是高溫高壓水。換熱站將高溫高壓水降溫降壓，再傳輸?shù)蕉喂芫W(wǎng)。二次管網(wǎng)將接收到低溫低壓水傳輸?shù)接脩粼O(shè)施。經(jīng)過(guò)以上環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)集中供熱。一級(jí)管網(wǎng)作為高溫高壓水的直接接收和運(yùn)輸渠道，運(yùn)行壓力較大，故障率高，老化速度快。在此基礎(chǔ)上，分布式變頻系統(tǒng)應(yīng)用具有實(shí)際意義。

（一）降低能耗

分布式變頻系統(tǒng)可以降低能源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。通過(guò)變頻設(shè)計(jì)，可以隨著供熱需求的變化而進(jìn)行自身調(diào)節(jié)，避免在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留過(guò)多造成的資源浪費(fèi)。該系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)節(jié)多處使用自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)首站和熱力站的自動(dòng)控制。通過(guò)自動(dòng)控制，智能的貼合供熱系統(tǒng)的供熱需求。降低多余能耗的同時(shí)，降低人工操作在供熱系統(tǒng)中的占比。這不僅能夠降低人力成本，降低人工操作失誤比率，還能夠提升供熱系統(tǒng)的安全性，避免檢修、維護(hù)人員的生命安全受到威脅。如果僅靠人工操作，調(diào)控的精準(zhǔn)度難以得到保證，調(diào)節(jié)周期也相對(duì)較長(zhǎng)，會(huì)造成能源的消耗。

（二）穩(wěn)定性強(qiáng)

該系統(tǒng)采用零壓點(diǎn)壓差的控制技術(shù)，能夠提高水循環(huán)的穩(wěn)定性。將系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)一處理，在流量變化時(shí)，降低壓差變化。通過(guò)系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)的方式，提高用戶的便捷性，為供熱對(duì)象提供良好的服務(wù)。另外。主循環(huán)泵承受壓力得以降低，只需承受零壓點(diǎn)位置前的壓降。在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，主循環(huán)泵受影響較低，穩(wěn)定性較強(qiáng)，運(yùn)行效率較高。

（三）降低管網(wǎng)壓力

傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)通常在系統(tǒng)運(yùn)行后逐漸增加管網(wǎng)壓力，沒(méi)有進(jìn)行科學(xué)合理的提前規(guī)劃，很容易造成管網(wǎng)壓力過(guò)大。而分布式變頻系統(tǒng)中的主循環(huán)泵可以根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大地緩解了管網(wǎng)的壓力。在后期供熱范圍發(fā)生變化時(shí)，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行自我調(diào)整，平衡一級(jí)管網(wǎng)的負(fù)荷。提高管網(wǎng)的使用壽命同時(shí)，還能夠通過(guò)調(diào)節(jié)降低管網(wǎng)因異常工作發(fā)生故障，影響供熱的穩(wěn)定性和安全性。另外，該系統(tǒng)有利于緩解水泵的氣蝕情況，提高水泵的運(yùn)行安全。該系統(tǒng)運(yùn)行較為平滑，通過(guò)變頻設(shè)計(jì)降低實(shí)際的操作頻率，提高使用年限。

三、分布式變頻系統(tǒng)在供熱管網(wǎng)中的應(yīng)用

（一）應(yīng)用方案

分布式變頻系統(tǒng)可以降低供熱一級(jí)管網(wǎng)的運(yùn)行壓力，提高管網(wǎng)安全性。在供熱過(guò)程中，首站循環(huán)泵泵和熱力站循環(huán)泵相互獨(dú)立。將壓力分?jǐn)偝鋈?，而不是集中在一端?？梢匀≈虚g數(shù)值為壓力交匯點(diǎn)，此時(shí)壓力交匯點(diǎn)前的管網(wǎng)阻力損失集中在主循環(huán)泵上，而之后的集中在用戶泵上。此舉能夠?qū)⒐芫W(wǎng)系統(tǒng)的壓力分?jǐn)偝鋈ィ瑯O大的降低管網(wǎng)壓力。壓力集中在主循環(huán)泵和熱力站循環(huán)泵上，各自壓力均處在可以承受的范圍內(nèi)，不至于超負(fù)荷作業(yè)，提高了整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。避免某個(gè)環(huán)節(jié)因負(fù)荷過(guò)重發(fā)生故障，造成安全隱患。該系統(tǒng)下，管網(wǎng)壓力可以降低到115.2mH2O。在零壓點(diǎn)壓差的作用下，降低節(jié)流損失，提高管網(wǎng)的輸送效率。

（二）分布式變頻設(shè)備選擇

一般情況下，10萬(wàn)平方米左右的熱力站需要配備15kW、22kW、30kW的一級(jí)網(wǎng)分布式循環(huán)泵。15萬(wàn)平方米的熱力站則需要配備30kW、37kW、55kW的一級(jí)網(wǎng)分布式循環(huán)泵。20萬(wàn)平方米的熱力站則需要配備45kW、55kW的一級(jí)網(wǎng)分布式循環(huán)泵。25萬(wàn)平方米的熱力站則需要配備45kW、75kW的一級(jí)網(wǎng)分布式循環(huán)泵。30萬(wàn)平方米的熱力站則需要配備75kW、90kW的一級(jí)網(wǎng)分布式循環(huán)泵[2]。以上每個(gè)循環(huán)泵均需配備一臺(tái)變頻器，以及備用循環(huán)泵。20萬(wàn)平方米及以上的熱力站還需在安裝一臺(tái)供熱機(jī)組的基礎(chǔ)上，預(yù)留一臺(tái)。

（三）事故工況模擬分析

如果在供熱過(guò)程中發(fā)生事故工況，分布式變頻系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行一系列調(diào)控，保證供熱系統(tǒng)的安全性，具體流程如下。

如果首站循環(huán)泵發(fā)生故障，停止工作，系統(tǒng)會(huì)在一分鐘后將壓管閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)大約在10秒左右，在此過(guò)程中，首站流量逐漸增加，均壓管流量逐漸降低，起到保護(hù)作用。具體流量變化如下圖。

均壓管閥門(mén)關(guān)閉后，首站和均壓管流量開(kāi)始發(fā)生變化，變化到一定值后趨于穩(wěn)定。首站流量處于較高水平，此時(shí)，部分換熱站因?yàn)殚y門(mén)的關(guān)閉，流量的變化導(dǎo)致流量波動(dòng)。如圖所示。

在均壓管閥門(mén)關(guān)閉后，部分換熱站的流量開(kāi)始下降，下降幅度較小。達(dá)到某一定值后，趨于平穩(wěn)。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，流量波動(dòng)與熱源距離越小，穩(wěn)定的速度就越快。管網(wǎng)在穩(wěn)定后，與初始值相比，供熱量會(huì)發(fā)生一定的下降。如圖所示。

熱源循環(huán)泵故障后，一級(jí)網(wǎng)流量依舊可以穩(wěn)定在原值的一半以上。大多數(shù)換熱站依舊能夠保持部分流量，不至于整體停工。與管網(wǎng)距離較遠(yuǎn)的換熱站流量相對(duì)較大，基本都能達(dá)到故障工況的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。另外，均壓管閥門(mén)關(guān)閉后，熱能損耗較小，供熱水流溫度較高，能夠緩解供熱事故工況的不良影響。大多換熱站也能夠保持七成以上的供熱量，據(jù)此可以看出分布式變頻系統(tǒng)能夠提升供熱系統(tǒng)的安全性。

通過(guò)事故工況分析，可以看出，分布式變頻系統(tǒng)在供熱出現(xiàn)問(wèn)題后會(huì)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。通過(guò)分布式管網(wǎng)調(diào)節(jié)各分布泵的流量，由于分布泵流量和與首站的循環(huán)流量相比較大，可以使二者流量合流。首站出口熱量與出站熱量差距較小，管網(wǎng)熱力變化較小。分布式變頻系統(tǒng)能夠保證管網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，提升供熱系統(tǒng)穩(wěn)定性。

結(jié)論：

分布式變頻系統(tǒng)可以通過(guò)分壓降低一級(jí)管網(wǎng)的壓力，將壓力轉(zhuǎn)移到主循環(huán)泵和用戶泵上，延長(zhǎng)管網(wǎng)的使用壽命，降低管網(wǎng)發(fā)生故障的概率，保證管網(wǎng)安全。與此同時(shí)，該系統(tǒng)還能在供熱系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保持供電的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李奎偉，康健，劉勇.降低供熱系統(tǒng)運(yùn)行壓力的改造方案對(duì)比分析[J].區(qū)域供熱，2020（01）：23-25+49.

[2]張嬌嬌.分布式變頻供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)優(yōu)化及節(jié)能策略研究[D].沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2019.