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1、城市集中供热分布式变频系统-同方股份有限公司技术产品名称：分布式变频系统技术产品所属类别：控制系统技术产品应用领域：城市集中供热技术产品原理：提高系统的动力输送效率主要有两个途径：a. 通过对系统形式和运行方式的合理选择尽量降低阀门的节流损失和系统的旁通损失；b. 通过对水泵的合理选配和调度提高水泵的系统效率。下面从这几个方面分别探讨提高系统动力输送效率的具体措施。减少阀门的节流损失 图 1-1 阀门调节的 VWV 系统及其设计工况下的水压图图 4-5 是通常采用的 VWV 系统的形式，主循环泵采用变频调节控制末端压差，各末端采用阀门调节来控制各用户的流量。从水压图可以看出，在设计工况下，为了
2、满足系统最末端用户的资用压头要求，近端用户不得不用阀门将大量的剩余压头消耗掉，各用户虚线上面的部分就是阀门消耗的压头。从水压图可以看出，这部分节流损失是很大的。而在部分负荷时，由于各用户负荷变化的不一致性，节流损失的比例又会远远大于设计工况下的节流损失。通常，整个运行季阀门的节流损失要占到整个网络能耗的 40%以上。假定水泵的综合效率为0.7，则这种系统的动力输送效率不足 0.42.可见，对于通常的 VWV 系统，阀门的节流损失是影响动力输送效率的主要因素之一。为此，设想选择一个小的主循环泵并将各用户支路的阀门取消，代之以变频泵调节，主循环泵提供的压头不足的部分由用户支路的变频泵补齐，从而减少
3、了阀门的节流损失，大幅提高系统的动力输送效率。改造后的系统形式如图 4-6 所示，系统下方是设计工况对应的水压图。这种系统形式作者称之为分布式变频泵系统。图 1-2 分布式变频泵系统及其设计工况下的水压图由于没有了阀门的节流损失，只要在设计时充分考虑系统的运行工况变化，选择合适的水泵，保持各水泵在调节过程中能在高效率点工作，其节能效益是不言而喻的。在杭州望江门冷热联供工程的方案论证过程中发现，采用分布式变频泵系统，输配系统的全年动力输送效率能达到 0.65 以上，较各末端采用阀门调节的系统提高 50以上。技术产品优势：采用分布式变频泵系统有如下好处：1) 适应管网热负荷的变化能力强分布式变频泵
4、的方案，由于站回水加压泵功率小、扬程低，移动动力强，适应管网热负荷变化的能力也强。2) 降低管网管道公称压力，大幅度减少管网管道投资；采用一般的阀门调节的方法时，主循环泵须满足系统最不利用户资用压头的要求，采用分布式变频泵系统时，主循环泵只需提供系统循环的部分动力，其余动力由各热力站的回水加压泵进行调节，这使得主循环泵的扬程降低，管网总供水压力降低，由于降低了管道公称压力，使得管道投资下降。3) 增加管网输送效率，降低管网输送能耗。采用一般阀门调节的方法时，为了满足系统最末端用户的资用压头要求，近端用户不得不用阀门将大量的剩余压头消耗掉，节流损失很大，输送效率低下。采用分布式变频泵系统时，热力
5、站采用回水加压变频泵进行调节，这种系统的综合动力输送效率较高。节能率（区间）：节能率区间在 20%至 50%之间。技术产品应用案例：案例一：分布式变频控制系统解决方案太原西山分布式变频泵系统太原西山集中供热系统由于地处采矿区，各热力站和热源相互间相对高差较大，其管网的设计和运行难度相对较大。某采矿区正计划建设集中供热热源（热电厂）和集中供热网，以取代目前矿区中众多小锅炉供热系统，这可形成能源的梯级利用，节约一次能源，降低采暖费用，也有利于采矿区的大气环境保护。该集中供热系统的管网拓扑结构图如下图所示： 图 1 集中供热系统拓扑结构图及标高（单位：米）图中所示圆形图标代表各热力站，方形图表代表热
6、源，数字代表管网中各点的标高。从图中可看出，由于采矿区地处山区，各热用户分步在高低不一的丘陵或小山上，且高差相差较大。集中供热网中绝对标高最高的热力站为 1073 米，最低的为 846.3 米，热源绝对标高为 976.5 米，最高最低高差达 226.7 米。如此巨大的高差，为热网的设计和运行均带来了较大的难度。为降低难度，水力计算时将系统划分为两个独立的水力工况区：上半区和下半区。上半区包括 1、2和 3热力站，最高最低相差 96.5 米；下半区则为其余 19 个热力站，最高最低相差 129.7 米。在前期方案论述时，清华同方利用利用自主研发的的水力计算软件 HACNet，分析了采用一般的阀门
7、调节的方法和分布式变频泵系统两种不同的方法时系统的基本特点。采用一般的阀门调节的方法所谓一般的阀门调节的方法，即为在各热力站设置阀门进行流量调节的方法，如图所示： 系统压力分布在下半区供热系统中，热源位于系统的最高点，取热源主循环泵入口为系统定压点，定压压力为 20mH2O，经水力计算后，系统供回水压力分布如下图所示：图 2 一般的阀门调节的方法下管网供回水压力分布图（单位：米水柱）如图中所示，各节点对应的两个数据中，上边的为该节点的供水压力，下边的为回水压力。并可绘制出水压图如下图所示：图 3 一级管网水压图（从热电厂至 26热力站）图中有四条压力曲线和一条地形相对标高曲线，以热源所处平面为
8、基准面。所谓动水压曲线是在网络循环泵运转时，网络水管各点的测压管水头的连接线。图中供水动水压、回水动水压曲线共同构成水压图曲线。而压力曲线则为网络循环泵运转时，网络水管各点压头的连接线，而任意点压头的等于该点测压管水头高度和该点所处的位置相对标高之差。从图中可以看出，采用一般的阀门调节的方法时主循环泵须得满足系统最不利用户资用压头的要求，所提供得管网供回水压差须不低于 120mH2O，管网总供水压力达 140mH2O。随水流流动方向，地势越来越低，由于高差的影响，供水压力反而不断升高，很快就超过了 1.6MPa。因此，管网中大部分管道的公称压力为 2.5MPa，这使得管网管道总投资额增加 50
9、以上。同时，这种方法的系统循环动力均由主循环泵提供，在保证系统最不利环路压差的条件下，其它热力站采用阀门调节来获得所需的流量。这使得管网输送能耗大，输送效率低下。系统输送效率从水压图可以看出，在设计工况下，为了满足系统最末端用户的资用压头要求，近端用户不得不用阀门将大量的剩余压头消耗掉，这部分节流损失是很大的。而在部分负荷时，由于各用户负荷变化的不一致性，节流损失的比例又会远远大于设计工况下的节流损失。外网输送效率 可定义为：式中： 是管网中循环泵的数量， 、 为管网中第 i 个水泵的流量和管网供回水压差， 即为管网中所有循环泵提供给外网的循环能量； 是管网中阀门的数量， 、 为管网中流过第
10、i 个阀门的流量和阀门消耗的压降， 为管网中所有阀门节流所消耗的能量。采用的阀门节流的方法，通过主循环泵提供系统循环的动力，为达到系统最不利点的压差要求，系统中其他热力站均需采用阀门调节来控制各用户的流量。从水压图可以看出，为了满足系统最末端用户的资用压头要求，近端用户不得不用阀门将大量的剩余压头消耗掉，这部分节流损失是很大的。通过计算可以得出，整个运行季阀门的节流损失要占到整个网络能耗的 35%以上，而外网输送效率在 65以下。假定水泵的综合效率为 0.75，则这种系统的综合动力输送效率不足 50，输送效率是很低下的。分布式变频泵系统所谓分布式变频泵系统，是指在热力站中采用变频回水加压泵来代
11、替阀门来完成流量的调节的系统。如下图所示：系统压力分布同样取热源主循环泵入口为系统定压点，定压压力为 20mH2O，经水力计算后，系统供回水压力分布如下图所示：图 4 分布式变频泵方法下管网供回水压力分布图（单位：米水柱）如图中所示，各节点对应的两个数据中，上边的为该节点的供水压力，下边的为回水压力。并可绘制出水压图如下图所示： 图 5 一级管网水压图（从热电厂至 26热力站）图中有四条压力曲线和一条地形相对标高曲线，以热源所处平面为基准面。供水动水压、回水动水压曲线共同构成水压图曲线。从图中可以看出，由于采用了分布式变频泵系统，主循环泵只需提供系统循环的部分动力，其余动力由各热力站的回水加压
12、泵进行调节，这使得主循环泵的扬程从 120mH2O 降低到 30mH2O，管网总供水压力降低到 50mH2O。随水流流动的方向地势越来越低，供水压力也不断升高，但由于管网总供水压力的起点低，直到管网最不利点，供水压力仍没有超过 1.6MPa。但在回水管网上，由于部分末端热力站回水加压泵的扬程高，回水压力超过了 1.6MPa，这部分管网仍需要采用公称压力为 2. 5 MP 的管道。由于降低了管道公称压力，也使得管道投资大幅度下降。系统输送效率系统中，只有 4#、5#、6#、7# 、8#等 5 个热力站需要采用阀门调节，其它 18个热力站均采用回水加压变频泵进行调节。因此，通过取消系统中大部分热力
13、站的调节阀门，代之以变频泵调节，主循环泵提供的压头不足的部分由用户支路的变频泵补齐，从而减少了阀门的节流损失，大幅提高系统的动力输送效率。只要在充分考虑系统的运行工况变化，选择合适的回水加压泵，保持各水泵在调节过程中能在高效率点工作，其节能效益是不言而喻的。通过计算可以得出，整个运行季阀门的节流损失只占到整个网络输送能耗的 5%以下，而外网输送效率在 95以上。假定水泵的综合效率为 0.75，则这种系统的综合动力输送效率超过 70，每年节约一级网泵耗将达 50以上。总结由于该项目地处采矿区，各热力站和热源相互间相对高差较大， ，其管网的设计和运行难度相对较大。我公司技术人员对两种方案进行了分析
14、比较，一为采用一般的阀门调节的方法，一为在热力站站内采用回水加压泵调节的方法，即为分布式变频泵系统的方法。采用分布式变频泵系统，较之采用一般的阀门调节的方法，有如下好处：降低管网管道公称压力，大幅度减少管网管道投资；采用一般的阀门调节的方法时，主循环泵须满足系统最不利用户资用压头的要求，所提供得管网供回水压差须不低于 120mH2O，管网总供水压力达140mH2O。随水流流动方向，地势越来越低，由于高差的影响，供水压力反而不断升高，很快就超过了 1.6MPa。因此，管网中大部分管道的公称压力为2.5MPa。采用分布式变频泵系统时，主循环泵只需提供系统循环的部分动力，其余动力由各热力站的回水加压
15、泵进行调节，这使得主循环泵的扬程从 120mH2O 降低到30mH2O，管网总供水压力降低到 50mH2O。随水流流动的方向地势越来越低，供水压力也不断升高，但由于管网总供水压力的起点低，直到管网最不利点，供水压力仍没有超过 1.6MPa。但在回水管网上，由于部分末端热力站回水加压泵的扬程高，回水压力超过了 1.6MPa，这部分管网仍需要采用公称压力为 2. 5 MP 的管道。由于降低了管道公称压力，使得管道投资大幅度下降 50以上。增加管网输送效率，降低管网输送能耗。采用一般阀门调节的方法时，为了满足系统最末端用户的资用压头要求，近端用户不得不用阀门将大量的剩余压头消耗掉，节流损失很大。整个
16、采暖季阀门的节流损失要占到整个网络能耗的 35%以上，而外网输送效率在 65以下。假定水泵的综合效率为 0.75，则这种系统的综合动力输送效率不足 50，输送效率低下。采用分布式变频泵系统时，系统中只有 5 个热力站需要采用阀门调节，其它 18个热力站均采用回水加压变频泵进行调节， ，整个采暖季阀门的节流损失只占到整个网络能耗的 5%以下，而外网输送效率在 95以上。假定水泵的综合效率为 0.75，则这种系统的综合动力输送效率超过 70，每年节约一级网泵耗将达50以上。最终我公司在实施该项目时采用了分布式变频泵系统，该方案较之一般在热力站增加阀门节流进行调节的方法，即可降低管网管道公称压力，从而大幅度降低管道的投资，而且在运行中能提高系统输送效率，降低管网输送泵耗，同时能有效降低管网工作压力，使得管
