分布式变频混水直供系统运行优化分析

分布式变频混水直供系统运行优化分析

高金鍇

大唐长春热力有限责任公司  吉林省 长春市  130000

Gao Jinkai1

(1．Datang, changchun 120000, Jilin Province,China;)

摘要：分布式混水供暖系统和大量使用调节阀的传统热网系统相比较而言，在科学计量和实际设计使用过程中有着较明显的节电效益。分布式混水系统结构简洁、操作简便、初投入小、占地面积小等优势，所以本文通过对实际建设的案例研究对分布式混水供热系统的水力平衡及运行研究具有一定的意义。

0 引言

目前传统靠调节阀的运行模式能耗过大，而变频技术逐渐成为当前主流供热形式，其原因主要是因为调节阀门需要消耗大部门的能量，会造成能源的浪费。分布式变频供热系统因其具有精准的控制精度，能够将传统的集中式供热转变为分散式的供热管网，既消除掉了在调节阀上的无用能源浪费，也达到了节能的效果和目的［1-3］。国外等一些发达国家的集中供热系统均采用动态变流量调节模式，此种调节模式具有控制精准度高、调节迅速快等优点。贺平教授对热水供热系统的运行参数进行了优化分析，并提出了供热系统运行水平的评价指标［4］。分布式变频混水直供系统具备节能、投资低，调控精度高等诸多优点，适合地势高差不大、楼高度基本一致的系统，对该控制模式深入研究有着重要意义。

1  工程概况

本文以北方某热电厂分布式混水直供系统工程为例，工程改造前是直供系统，接带供热面积200万平方米，其中2个换热站均采用传统热电厂进行供热，并将原来的2个换热站改造成1个分布变频式换热站。通过枝状管道将原有换热站与新建换热站进行连接。管网半径为2.89km，沿途分支共计48座换热站。本次设计供暖天数为232天，冬季供暖室外计算温度为-31.2℃ , 采暖期室外平均气温为11℃，冬季供暖室内温度要求20-25℃［5］。

2  技术方案原理

本次设计主要采用零点定压分布式混水直供方式，新建分布式换热站设置均压管，采用新建热网循环泵，且实用扬程保证系统内的各种损失。

在实际的供热系统现场布局中，混水旁通管通常设计得较为短小，并且在水力计算的基础上，选择较低的比摩阻以最小化管道压降。因此，这样的旁通管在系统中近似为一个零差压点，即两侧压力差几乎可以忽略不计。由于整个供热系统通常运行在变流量模式下，我们需要根据热源侧和外网侧的流量及温度监测数据来动态调节热源循环泵的频率。核心目标在于确保均压管两侧的流量尽可能一致，并且首站出口的供回水温度符合系统的运行调节需求。在运行过程中，如果发现外网流量显著超过热源侧的流量，这通常表明热源提供的供水温度偏低。这种偏低的供水温度会导致外网进入大流量运行模式，进而可能导致末端混水站供热不足的问题。为了解决这个问题并优化系统运行，应适时提高热源的供热参数，比如增加热源温度或流量，以确保外网供热充足且系统运行更加经济高效。

在用户热力站内，为了优化供热系统的性能，一级网和二级网分别设置了循环水泵。这一方案的设计理念主要基于分布式变频循环水泵的概念，确保供热系统的大网能够高效、稳定地运行。这种设计方法确保了一级网能够高效、稳定地传输热媒，满足供热需求。而二级网循环水泵则具备双重功能：一是负责二级网的水循环，确保热媒在二级网内顺畅流动；二是实现一、二级网的混水功能，通过调节混水比例来优化供热效果。这种设计确保了二级网能够稳定、高效地运行，并且满足用户的个性化供热需求。

3  水力计算及设备选型

经过对分布式供热系统进行详细的水力仿真计算，我们得到了系统主干线的水压图。从该水压图可以明显观察到分布式水泵供热系统的独特水力特性：供水管的动压线普遍低于回水管的压力。

为了保障供热系统稳定运行，确保供水管动压始终高于用户需求，同时避免水汽化现象，我们综合考虑了热源与用户之间的地形高差以及用户建筑的实际高度。基于这些因素，本供热系统的定压（即静水压线）被设定为38.5mH2O，这一数值高于供热区域内所有热用户建筑的最大高度。这一设置确保了供热系统在各种工况下都能稳定运行，同时满足了用户的供热需求。

3.1  均压管设计

在实地布局中，首站热源出口主管道采用了DN800的规格［6］，而均压管的管径初步选定为DN600。通过均压管阻力计算，我们发现选用DN600的口径会导致非常小的阻力损失，因此这一选择是可行的。

为了进一步保障系统的安全性与可靠性，我们决定在均压管上增加一套DN600的手动蝶阀。此蝶阀的设计目的在于，当热源首站的循环泵因故障而停电时，能够迅速关闭均压管上的蝶阀，以确保系统能通过各站分布泵的动力将大约70%的流量回送至首站循环换热。这一措施不仅有助于防止换热器因流量过少而导致的温度过高问题，同时也确保了系统能够维持约70%的供热需求，以满足用户的基本供热需要［7］。关于均压管的具体选型计算，详细数据已列于表1中，在设计过程中必须保证均压管最大循环量为一级网设计流量的20%。

表 1   均压管计算

3.2  首站主循环泵设计

在分布式水泵输配系统中，热源循环水泵主要专注于在热源管网内部提供稳定的循环动力，确保热量能够顺利传输。而各热力站入口处的分布式循环水泵则承担着为热用户直接提供循环动力的任务，确保热量能够高效、均匀地输送到各个用户点［8-10］。

通过实施这种运行模式，我们不仅能够确保系统的稳定性和可靠性，还能够提高系统的运行效率，降低能耗和运营成本。同时，备用泵的存在也为我们提供了应对突发情况的保障，确保在紧急情况下能够迅速恢复系统的正常运行［11］。

3.3  混水泵站设计

为了实现供热系统中每个区域用户侧供水温度的精确控制，混水站被设计成包含多个独立的混水机组，每个机组分别服务于一个供热区域。这种设计确保了每个区域都能根据实际需求进行独立调节［12］。

在每个独立的混水机组中，分别设置了一次回水分布泵和二次供水混水泵。一次回水分布泵负责将热源返回的热水分配到各个区域，而二次供水混水泵则根据区域需求，将热水与冷水混合至适当温度后供给用户。为了应对可能的水泵调节不匹配问题，我们在混水管上安装了手动调节阀。这些调节阀允许操作人员在必要时进行微调，以确保供水温度的稳定和准确。在选型过程中，混水站的一级网循环泵（即分布泵）和二级网循环泵（即混水泵）的流量和扬程都是基于特定的计算方法确定的。这些计算方法考虑了多种因素，如管道阻力、用户需求、地形高差等，以确保所选水泵能够满足系统的运行需求。

4  总结

分布式变频混水直供系统智慧供热技术在北方供暖项目（供热面积超过200万平方米）的成功应用，显著地提升了节电、节水效益，并取得了优异的供热效果。这一工程实例充分验证了分布式供热系统设计理念的实用性和高效性。该系统不仅投资成本较低，而且节能效果显著，控制精准度高，展现出了诸多优势，具有极大的推广应用价值。然而，分布式供热系统也继承了直供系统的一些潜在缺陷。例如，当单个或多个热力站出现大量漏水时，可能会对整个供热网络产生较大的影响。此外，由于所有热力站没有根据实际楼层高度进行定压补水，部分低层建筑可能会出现二级侧运行压力偏高的情况，从而增加了管网泄露的风险。为了弥补这些潜在缺陷，我们可以采取一系列措施。首先，通过安装失水报警系统（基于一级网供回水流量差进行判断），可以及时发现并处理漏水问题，减少对整个供热网络的影响。其次，对于高层建筑，可以采用板式换热器系统，通过更精细的调节控制，确保二级侧运行压力在合理范围内，降低管网泄露的风险。

综上所述，分布式变频混水直供系统智慧供热技术虽然在实际应用中表现出色，但也存在一些潜在的问题。通过采取适当的措施进行弥补和改进，我们可以进一步提高该系统的稳定性和可靠性，为供热工程的可持续发展做出更大的贡献。

参考文献

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