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分享 | 供熱系統混水裝置的經濟型及優化節能控制

作者:admin 發布日期:2019/3/7 關注次數: 二維碼分享

在目前比較新的供暖方式中,分布式冷熱輸配尤為惹眼,在實現水力平衡的同時,還能夠節電,與之相關的還有一個分布式混水系統的概念,這兩個概念大家往往對于他們的區別不是特別明確,甚至認為分布式冷熱輸配就是分布式混水系統,在這里將重點講述分布式混水系統的特點,以及分布式混水系統能給未來供暖的節能帶來哪些可能性。

眾所周知:當管網比摩阻相同時,分布式循環水泵的設計方案與傳統設計方案相比,水泵揚程基本相等。水泵電機裝機電量的節省,主要體現在流量的選擇上。對于傳統設計方法,由于循環水泵設置在熱源處,其循環流量必然是系統的總設計流量,這就造成系統循環水泵的電功率,遠大于實際需要的數值,其結果是在系統的近端熱用戶形成過量的資用壓頭,以至于不得不加裝流量調節閥進行節流,造成大量電能的無謂浪費。

中國暖通界大師石兆玉教授在《供熱系統分布式變頻循環水泵的設計》一文中,就分布式變頻混水泵的節電優勢,做過詳細的分析論證:一般分布式變頻循環水泵的供熱系統, 其水泵裝機容量與傳統設計方案相比,節電1/3;而分布式混水泵供熱系統,其裝機節電量為2/3。若在運行期間, 采用變頻變流量調節, 則全系統節電85%左右,優勢更為顯著。




分布式混水泵節電的原因,主要是能更多的消除管網在熱媒輸送過程中的無效電耗,進而提高了管網的輸送效率。采用分布式混水泵系統,顯著的特點是減少了一次網的設計循環流量(增大了供、回水溫差,對于高溫水供熱更是如此)。采用分布式混水泵系統,不但避免了上述電能的浪費,而且大大降低系統一次網總的循環流量,從而實現在較小的耗電功率下達到較大供熱量的輸送,這是分布式混水泵節電的根本原因。分布式混水泵連接方式的另一優勢,是能靈活適應熱用戶的各種不同采暖方式的需求。近年來,除散熱器采暖方式外,空調熱風。采暖,地板輻射采暖等形式大量涌現。散熱器采暖需要較高的二次網設計供水溫度(一般應在85℃以上, 供、回水設計溫差為20~25℃);空調熱風采暖,二次網供、回水設計溫度為60/50℃;地板輻射采暖,二次網供、回水溫度以45~50/35~40℃為宜。對于分布式混水泵系統,只要改變不同的混合比(二次網混水量與一次網供水量之比),就能很方便地實現上述各種不同采暖形式的參數要求。

分布式混水泵系統的上述優點, 對于分布式循環水泵的間接連接系統(通過板換實現)也同樣能夠實現,但后者的初投資比前者大,這是分布式混水泵系統的又一重要優勢圖1-a 為噴射泵連接圖1-b,混水泵置于旁通管上;圖1-c,混水泵置于二次網供水管上;圖1-d,混水泵置于二次網回水管上;圖1-e,一次網供水管上(或回水管上)置熱網循環泵,二次網供水管上置混水泵。在分布式混水連接中,為適應自動控制的需要,常在上述噴射泵、混水泵前后的相關位置設置電動調節閥,而且數量不止一個。

混水連接系統有如下特性存在:

(1)當旁通混水泵運行時,混水系統的混合比為變量,混水泵轉速愈高,混合比u 值愈大。這是因為當混水泵起混水作用時,二次網(含混水旁通管)回路S總增加,導致一次網循環流量G1g減少; 混水泵轉速愈高,S總增加愈多,G1g減少愈多,Gh增加愈多,亦即混合比u增加愈多。

(2)當混水泵單獨設置在二次網上(含二次網供水管或回水管)時,混合比u 值始終保持恒定,與混水泵的轉速快慢無關。這是因為不論混水泵轉速如何變化,此時一次網或混水旁通管的阻力系數始終不變(假定管段上的調節閥未加調節),據了解到進而導致一次網循環流量G1g與混水旁通管流量Gh始終成一致等比失調。這一結論,對于噴射泵系統亦完全適用。

當供熱系統采用分布式變頻循環混水泵的方案設計時,熱力站(含熱入口)更優方案是采用雙泵系統:一次網循環泵安裝在回水管上,二次網循環混水泵安裝在供水管上。

該方案的優點除節能(電)外,循環水泵都置于低水溫下運行,有利于提高水泵的運行壽命。該方案與雙泵分別置于一、二次網的回水管上的方案相比較,都有節電和低溫運行的優勢,但從水力工況上分析(見圖2所示),后者的一、二次網的水壓偏差較大,工況復雜,不如前者,水力工況平穩,易于控制。圖2 供熱系統能源損耗

當供熱系統的水壓圖,供水壓力線大于回水壓力線時,各熱力站(含熱入口)的變頻混水泵應置于混水旁通管上。混水泵的設計流量為符合該熱用戶的設計混合比下的設計混水量;揚程數值為該混水旁通管的設計壓降和該熱力站一次網供、回水壓差之和。當該壓差小于二次網所需循環壓頭時, 還需在二次網上增設循環混水泵(供、回水管上皆可),其揚程宜補足二次網循環壓頭的不足。這種設計方案,通常是在供熱的改造工程中應用。

因為此時的系統循環水泵往往是按照傳統方法設計的。對于采用分布式變頻循環水泵設計的供熱系統,其供、回水壓力線的交匯點,盡量不要設計在有熱用戶的區段內, 因為這種設計不是節能(電)的至優方案。

在混水系統中,一次網循環泵,二次網循環混水泵,都應隨室外氣溫的變化,進行變頻變流量調節。在整個運行期間, 循環流量(含一、二次網) 應在設計循環流量的50~100%之間調節,與定流量運行相比,可節電50%左右。從二次網混水泵的調節特性可知:混水泵進行變頻調節,只能改變二次網的循環流量大小,但不能改變系統的混合比數值。

當系統的供熱規模發生變化,引起一次網設計供水溫度的變化,或熱用戶采暖方式的改變,都可能要求混合比做適當調整,此時二次網上的變頻混水泵將無能為力。實現混合比的變化,必須調整管網的阻力系數,為此,有二種處理方法:一是設置一定的電動調節閥;二是依靠一次網上的循環泵進行變頻調速。

因此,當混水熱力站采用雙泵系統時,二次網的循環混水泵,通過變頻調速,可以進行二次網的變流量調節。一次網循環泵的變頻調速,既可進行一次網的變流量調節,又可實現混合比的調節。通過以上分析,對于雙泵系統,原則上可不安裝電動調節閥,混合比調節功能由一次網循環泵完成。據了解到但在實際工程中,為了安全、可靠起見,在一次網上安裝一個電動調節閥作為備用也是可以的。對于單一混水泵的混水系統,為了調節混合比,必須裝置一個電動調節閥。該閥可以安裝在一次管網上,因為一次管網的循環流量至小,節流損失也至小,符合節電原則。

圖3給出了二種優選混水系統電動調節閥的安裝位置,以及運行中的水壓圖。從水壓圖上可以很清晰地看出電動調節閥的節流作用。

與圖3系統相比較,目前不少現行的混水系統,常常同時在一次網、二次網和混水旁通上都安裝電動調節閥,把本來有用的電能, 通過電動調節閥的反復節流,白白浪費掉了,這是一種思維方式很落后的工藝設計。圖3 優選混水系統的結構示意圖和水壓圖

傳統的循環水泵設計方法(在熱源處設置大循環泵),由于過多的資用壓頭的節流,消耗了大量的無效電能,致使系統的電的輸送效率低下。創新的分布式混水系統的設計理念,按照“自助餐”的思維,用戶通過自行取熱,徹底消除了無效電耗的發生。理論上,節電可在60-80%左右。這種新型的設計理念,已經愈來愈被國內外行業人員關注。我國已有不少工程示范采用,都有較好的效果。

在清華大學教授、中國著名供熱專家石兆玉的《供熱系統分布式變頻循環水泵的設計》和《供熱系統分布式混水連接方式的優選》二篇文章中,對分布式變頻水泵的設計原則、系統結構、設備選型、運行調節等諸多問題,都進行了詳細介紹,一般在工程設計、運行中遇到的問題都有所涉及。

通過分布式混水系統,可以更加有效、快捷地實現分時變室溫調節,同時不影響整個熱網的運行工況,不但節能效益可觀,還可以提高人的舒適度,有利于人的健康。長期實踐證明,人在恒溫下生活,并不舒適,還容易得“空調病”。因此分時變室溫調節,是提高人的生活質量的一項重要舉措,而利用分布式混水系統,使得這一功能能夠輕松實現。

分布式混水系統也為供熱計量收費運營模式的推廣帶來更多可能性。供熱計量收費技術的推行目的,從節能的意義上講,更主要的是能消除冷熱不均帶來的熱損失,其次是提高行為節能,進而充分利用自由熱,降低熱源能量的消耗。供熱計量技術,已在全國許多城市示范多年,國家建設部發布的《供熱計量技術規程》(JGJ173-2009),在技術規程中除明確規定:在熱量結算點(熱力站或樓棟熱入口)處安裝熱量表外,還應在散熱器和建筑熱入口處安裝恒溫控制閥和流量調節閥。安裝熱量表,是用來計量耗熱量,進行貿易結算。安裝各種調節閥,是用來提高系統的可調性,實現水力平衡,消除冷熱不均。

多年的實踐證明:只要按規定安裝調節閥,并進行有效調節,系統的水力平衡完全能夠實現,冷熱不均現象完全能夠消除。20-30%因冷熱不均而浪費的熱量,一定能夠遏制。衡量系統是否真正實現了水力平衡?當然更直觀的是考察各建筑物室溫是否均勻達標。除此之外,還有一個重要的考查指標,就是每1t/h蒸噸能帶的供熱面積,如果能帶到1.9萬m2(哈爾濱)和2.8萬m2(北京),那么這個供熱系統一定實現了很好的水力平衡。

目前在熱計量技術的推廣過程中,出現了許多不同的看法,也遇到不少的阻力。一個重要原因是對熱計量技術缺乏全面的理解。有相當數量的業內人員,把熱計量技術只理解為裝熱表,因此,誤以為熱計量技術本身不節能。或者在熱計量推廣中,沒有把提高系統的可調性放到重要地位,因此在新建、既有建筑的改建中,大量存在只裝鎖閉閥,不裝恒溫閥的現象,結果導致更為嚴重的垂直失調,不但浪費了大量的人力、財力,而且嚴重影響居民的正常生活。這些年來,在推廣熱計量技術的過程中,積累了不少經驗,也存在許多失敗的教訓,我們應該很好的進行這方面的總結,做到統一認識,統一步調,把這項推廣工作做得更好。

熱力工況調節主要有質調節(即定流量調節)、質量并調(變流量調節)等方法。質調節只調節一、二次網的供、回水溫度。質量并調則既調節一、二次網的供回水溫度,又調節一、二次網的循環流量。質調節簡單易操作,但不節電。質量并調不但節電,而且從室內系統消除垂直失調而言,是非常好的調節方法。實施計量收費的供熱系統,應該優先采用質量并調。特別在變頻調速技術相當成熟的現在,更應如此。

熱用戶室內系統的形式(單、雙管系統)不同,質量并調的調節曲線也不同,但參數的計算值差別不是很大,在熱源和熱力站,可只按其中一種系統形式(如按雙管系統)的調節曲線進行調節,調節偏差可由室內的恒溫閥的調節作用提供補償。

對于多熱源聯網,各熱源應采用同一種調節方法,即采用相同的溫度流量調節曲線,保證在同一室外溫度下,各熱源都有相同的供水溫度。為實現這一點,除鍋爐實行燃燒自動控制外,在熱源處通過分布式混水系統進行供回水的混合也不失為一種適用的供水溫度調節方法。

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