[发明专利]多级分布式水泵供热系统及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种供热系统及其设计方法，具体涉及一种多级分布式集中供热系统及其设计方法。

背景技术

我国建筑用能已达到全国能源消费总量的1/4左右，并将随着人民生活水平的提高逐步增加。在建筑能耗中，大约36％的份额为北方城镇的采暖能耗。

目前我国北方地区城镇，大多采用热电厂或锅炉房作为热源的集中供热系统来解决建筑采暖问题。一个完整的供热系统是由将燃料中的能量转换为热能的热源、将热源生产的热量输配到需要热量的用户的输配系统和消耗热量的热用户三部分组成的。输配系统是连接热源和热用户的重要纽带。据研究表明，供热输配系统中管网的投资通常占系统总投资的30％到50％。另一方面，输配系统的动力能耗也是非常巨大的，有的系统的电力消耗折合为一次能耗时，已经占到系统总供热量的30.3％，降低集中供热系统的输送能耗，是供热系统节能的主要途径之一。

一、传统供热系统

1、传统供热系统的缺陷

造成供热系统输送能耗偏高的原因，有设计方面的原因，也有运行方面的原因。降低集中供热系统的输送能耗和解决集中供热系统水力工况稳定的问题，一直是国内外供热研究的重点问题。传统的供热系统存在下述缺陷：

传统供热系统循环水泵集中设置在热源处，循环水泵的扬程＝热源损失+用户损失+热网供回水阻力损失。图1所示的供热系统为常见的枝状供热系统形式。由图2可见(为简化起见，图中忽略热源损失、下同)，离热源不同位置处的热用户的剩余压头不同(图中，E″-E′和F″-F′)，目前我国集中供热系统水力失调严重，离热源近的热用户室温过热，离热源远的热用户室温偏低，就是由于剩余压头没消除而导致的。为消除由于剩余压头导致的管网水平失调问题，需要在用户入口处设置具有调节功能的阀门(如调节阀、平衡阀、流量调节控制阀等)来消除这部分剩余压头。此种通过循环水泵将系统的压头提升，又通过阀门将用户的剩余压头消除，由此产生的无效能耗占总输送能耗的35％左右。图3中的阴影部分，表示传统供热系统浪费的能源。

2、传统供热系统水力工况相互干扰

传统系统中热用户的水力工况相互依赖，相互影响，表现为强耦合现象。某一个热用户的调节，将导致其余热用户系统水力工况发生变化，使系统出现严重的水力和热力失调问题。采暖热计量实施后，各个热用户将根据自己的需求，随时调节用户的阀门，从而加剧供热系统的水力失调和热力失调。

随着我国集中供热规模的不断加大，采暖热计量收费的实施，能源价格的不断增加，降低集中供热系统的输送能耗，减少供热企业的运行成本，已经成为维持供热企业正常运营的基本条件；提高供热系统的水力稳定性，减少供热系统水力工况的相互干扰问题，已经成为供热企业迫切解决的问题。

二、国内外解决传统系统缺陷的方法

1、降低输送能耗的方法

早在二十世纪中叶，Bell & Gossett公司的Gil Carlson在解决一个部分用户流量不足的热网的运行方案改进问题时，就提出了“主次级水泵系统(primary/secondary system)”。这种系统的原理是，将原本的大系统，合理的划分成几个相对较小的、相互独立的、便于控制的分系统。

近几年国内应用的分布式变频水泵系统，如图4所示，就属于此类系统。该系统改变了传统系统的构成，将热源处的循环水泵的功能进行了分解。在热源及热用户处分别设置水泵。热源处的循环水泵负责提供消除热源损失及热源至零压差点的热网供回水阻力损失所需要的压头，热用户处的水泵负责提供消除零压差点至热用户的热网供回水阻力损失及用户阻力损失所需要的压头。

分布式变频水泵系统由于消除了零压差点以后的管网的阀门的节流损失，因此解决了传统的集中供热系统能源使用不合理问题，可消除系统的无效能耗，使得系统的输送电耗降低，如图5所示。但是该系统存在下述两个问题：

1)系统水力耦合严重。热用户处加压泵的启停，将影响到其余热用户。尤其是当热用户处加压泵扬程选择不合理时，此影响更大。对于既有供热管网来说，管网的实际状况复杂，热力管网的水力计算结果与实际差别较大，无法准确地选择热用户的加压泵。为保证系统能够运行，只能将加压泵选大，运行时靠变频器来调节，从而造成投资浪费。

2)系统适应性差。根据供热系统的需求，设置的热用户加压泵，无法满足系统扩建的要求或者负荷变化的需求；零压差点之前的热用户的水力平衡被破坏。图6所示为系统扩建(负荷增加)后的系统的水压图，假设热源泵的扬程不变，图6中0点为原设计的系统零压差点。