区域供热系统分布式水泵输送能耗的分析

葛 青 张巨兴 刘其伟

(1:中元国际(长春)高新建筑设计院有限公司,长春 130000; 2:吉林省吉规城市建筑设计有限责任公司,长春 130061;3:吉林建筑大学，长春 130118)

0 引言

动力分散式系统是指在用户侧设置加压泵,利用变速泵代替调节阀门实现对每个用户的流量调节,利用冷热源侧的主循环泵与用户侧的分支加压泵共同作用完成系统的循环.对于传统的循环水系统,泵的扬程是根据最不利环路确定的,其他支路的资用压力就会有富余,愈靠近动力源,富余量愈大.对于这些富余的压差,只能靠增大阻力的方法消耗,造成了很大的能量浪费.为此,很多研究人员提出“以泵代阀”的系统型式,文献[1-2]提出了动力分布式供热系统“零压差点”的确定,并进行水泵功耗分析,指出该系统有较大的节能特性;文献[3]将动力分散式系统与混水连接相结合,分析了两者结合的特点与优势;文献[4-5]指出动力分布式系统可实现水泵节能40%～50%.而在实际工程应用中,有时反映节电并不明显,甚至出现系统水泵功耗增加的情况.本文针对常规管网(单热源、枝状管网)的动力分散式系统进行能耗与运行调节分析,从管网特性与水泵运行特性分析影响水泵功耗的因素.

1 动力集中式系统能耗

以集中供热系统为例进行分析,图1为单热源枝状热网结构,热源测设总循环水泵,设n为最不利用户, 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,每个用户供水入口处设调节阀门.

1.1 循环水泵能耗

该系统中,循环水泵能耗为克服最不利环路的循环阻力所消耗的功,可用下式表示：

式中,N0为水泵的总功耗,kW;γ为水的比重,kN/m3;η为水泵的全效率;Guj为各分支用户j的设计流量,m3/s;HS为热源阻力,mH2O;Hun为末端用户n的设计工况阻力,mH2O;Hpj为j-1与j用户之间供回水干管阻力,mH2O.

图1 动力集中式供暖系统示意图Fig.1 Schematic diagram of power centralized heating system

图2 动力集中式供暖系统水压图Fig.2 Hydraulic diagram of power centralized heating system

1.2 阀门节流损失

图2为图1示意图的水压图，A，B粗实线代表供回水干管测压管水头线;E细实线代表各用户节流后的水头线,这3条线实际上应为折线,供回水干管在各管段上的比压降不一定相等;H1，H2，Hn-1为各用户节流损失;HS为热源阻力损失;Huj为各用户阻力损失(不一定相同).把末端用户n的调节阀节流损失定为0,则调节阀节流损失为1用户至n-1用户之间的节流损失之和:

式中,EV为阀门节流的总损失,kW;Guj为各分支用户j的设计流量,m3/s;Hp,j+1为j与j+1用户之间供回水干管阻力,mH2O.

2 动力分散式系统能耗

2.1 水泵的轴功

将图1改成动力分散式系统,集中式循环水泵负担总循环水量和热源的阻力损失,以热源总供回水干管为零压差点,各用户设加压泵承担用户的流量和用户与干管的阻力损失(见图3),图3中不设调节阀,没有节流损失,各用户的加压泵采用变频泵,根据用户的流量及所需压力选取.

图3 动力分散式供暖系统示意图Fig.3 Schematic diagram of power distributed heating system

图4 动力分散式供暖系统水压图Fig.4 Hydraulic diagram of power distributed heating system

图4为其对应的水压图,其中C，B粗实线为其供回水干管测压管水头线,供水干管的测压管水头线低于回水干管的测压管水头线;D细实线为各增压水泵吸口处的测压管水头连线,其与对应位置回水干管的测压管水头差值为增压水泵的扬程,用HE表示.假设所有水泵的效率均相同,系统总能耗为热源测总循环泵与各用户增压泵的功耗之和:

式中,N为所有水泵的功耗之和,kW;HEj表示第j分支管路所需增压泵的扬程,mH2O;等号右侧第一项表示热源侧集中循环泵的功耗;等号右侧第二项表示各用户加压泵功耗之和,可表示为:

为了计算与分析方便,需对管网进行简化,进行如下假设:n个用户的流量与阻力损失均相等,用Gu和Hu来表示;两个用户(包括热源与用户1之间)间距相等,如管道比压降取值相同,则各段供回水干管的水阻相同,用Hp来表示;则公式(1)～(3)可分别表示为:

EV=γn(n-1)GuHp/2

(5)

2.2 按能量守恒计算

每个管段都有流量和阻力损失,则管网输送系统所消耗的功为所有管段的流体克服阻力消耗的能量之和,即:

3 讨论

对比式(6)和式(7)发现两者的一致性,因此表明该动力分散式系统的水泵输入的有效功率为最小.将传统的动力集中式系统与动力分散式对比,可计算动力分散式系统水泵输送的节能率:

从式(8)可看出:水泵的节能率不可能超过50%,系统越大、用户越多,水泵的节能率越大;另外，用户与热源阻力在总阻力上的占比越小,节能率越大.上述分析基于以下两点假设:一是前述的管网简化做法,该简化对分析结果不会产生实质性影响;二是假设所有水泵的效率相同,该假设与实际情况有较大出入.

3.1 水泵效率的影响

通常情况下,在某一规格范围内,水泵的规格越大,其效率越高.图5为DFG型离心泵在不同规格下,其轴功与效率的关系,选泵时,以20m扬程为主,根据不同流量选择不同规格的水泵.

图5 某型号水泵不同规格的效率变化Fig.5 The efficiency change of different specifications of a certain type of pump

从图5可以看出,对于小于10kW的泵,随着水泵轴功的降低,其效率急剧下降.有时大规格泵的效率比小规格泵的效率高出2倍以上.对于二次管网,有时每栋建筑为一个末端用户,其加压泵的功率均不大,因此效率低,电耗增加.

3.2 管网特性的影响

供热管网运行调节时,采用量调节以及质—量调节方式,可显著地减少水泵的输送电耗.对于传统的循环系统,其管网为狭义的管网(闭式管网),其运行工况应为最高效率点,通过变速调节改变水泵的流量,根据相似理论,调节前后,水泵运行工况点的效率不变,变速前后的轴功与流量的关系满足:

N/N′=(G/G′)3

其节电效果非常明显;当进行流量调节时,广义的管网的节能效果小于狭义的管网[6].

对于动力分散式系统,每个用户加压水泵所在的管网为广义的管网(开式管网),流量的调节使新的运行工况与原有的工况不满足相似律,其效率也会降低,所以水泵节能效果降低.

另外,水泵是根据设计工况选择的,水泵的规格有限,每个用户的特点都可能有稍许不同.选择水泵的流量和扬程很难准确地与用户所需要的相匹配,造成额外的电能消耗.

4 结论

在动力分散式系统中,因避免了节流损失,水泵输送电耗具有一定的节能潜力.该系统的节电率最大通常不会超过50%,供热系统规模越大,供热距离越远,节电潜力越大.对于供热规模小的系统,小型加压泵效率低,流量调节时的水泵性能下降,分散式水泵在广义管网运行流量调节的节电减少及水泵流量、扬程与管网的不匹配等因素,均影响水泵输送电耗.故动力分散式系统是否节电,需根据供热规模及管网系统特点进行详细计算确定.