1、城市集中供熱分布式變頻系統-同方股份有限公司核心提示： 技術產品名稱：分布式變頻系統 技術產品所屬類別： 控制系統 技術產品應用領域： 城市集中供熱 技術產品原理： 提高系統的動力輸送效率主要有兩個途徑：a.   通過對系統形式和運行方式的合理選擇盡量降低閥門的節流損失和系統的旁通損失；b.   通過對水泵的合理選配和調度提高水泵的系統效率。下面從這幾個方面分別探討提高系統動力輸送效率的具體措施。減少閥門的節流損失       

2、;                                     圖1-1    閥門調節的VWV系統及其設計工況下的水壓圖圖4-5是通常采用的VWV系統的形式，主循環泵采用變頻調節控制末端壓差，各末

3、端采用閥門調節來控制各用戶的流量。從水壓圖可以看出，在設計工況下，為了滿足系統最末端用戶的資用壓頭要求，近端用戶不得不用閥門將大量的剩余壓頭消耗掉，各用戶虛線上面的部分就是閥門消耗的壓頭。從水壓圖可以看出，這部分節流損失是很大的。而在部分負荷時，由于各用戶負荷變化的不一致性，節流損失的比例又會遠遠大于設計工況下的節流損失。通常，整個運行季閥門的節流損失要占到整個網絡能耗的40%以上。假定水泵的綜合效率為0.7，則這種系統的動力輸送效率不足0.42.可見，對于通常的VWV系統，閥門的節流損失是影響動力輸送效率的主要因素之一。為此，設想選擇一個小的主循環泵并將各用戶支路的閥門取消，代之以變頻泵調節

4、，主循環泵提供的壓頭不足的部分由用戶支路的變頻泵補齊，從而減少了閥門的節流損失，大幅提高系統的動力輸送效率。改造后的系統形式如圖4-6所示，系統下方是設計工況對應的水壓圖。這種系統形式作者稱之為分布式變頻泵系統。                                &#

5、160;          圖1-2    分布式變頻泵系統及其設計工況下的水壓圖由于沒有了閥門的節流損失，只要在設計時充分考慮系統的運行工況變化，選擇合適的水泵，保持各水泵在調節過程中能在高效率點工作，其節能效益是不言而喻的。在杭州望江門冷熱聯供工程的方案論證過程中發現，采用分布式變頻泵系統，輸配系統的全年動力輸送效率能達到0.65以上，較各末端采用閥門調節的系統提高50以上。 技術產品優勢： 采用分布式變頻泵系統有如下好處：1)  

6、    適應管網熱負荷的變化能力強分布式變頻泵的方案，由于站回水加壓泵功率小、揚程低，移動動力強，適應管網熱負荷變化的能力也強。2)      降低管網管道公稱壓力，大幅度減少管網管道投資；采用一般的閥門調節的方法時，主循環泵須滿足系統最不利用戶資用壓頭的要求，采用分布式變頻泵系統時，主循環泵只需提供系統循環的部分動力，其余動力由各熱力站的回水加壓泵進行調節，這使得主循環泵的揚程降低，管網總供水壓力降低，由于降低了管道公稱壓力，使得管道投資下降。3)      增加

7、管網輸送效率，降低管網輸送能耗。采用一般閥門調節的方法時，為了滿足系統最末端用戶的資用壓頭要求，近端用戶不得不用閥門將大量的剩余壓頭消耗掉，節流損失很大，輸送效率低下。采用分布式變頻泵系統時，熱力站采用回水加壓變頻泵進行調節，這種系統的綜合動力輸送效率較高。 節能率（區間）： 節能率區間在20%至50%之間。 技術產品應用案例： 案例一：分布式變頻控制系統解決方案太原西山分布式變頻泵系統太原西山集中供熱系統由于地處采礦區，各熱力站和熱源相互間相對高差較大，其管網的設計和運行難度相對較大。某采礦區正計劃建設集中供熱熱源（熱電廠）和集中供熱網，以取代目前礦區

8、中眾多小鍋爐供熱系統，這可形成能源的梯級利用，節約一次能源，降低采暖費用，也有利于采礦區的大氣環境保護。該集中供熱系統的管網拓撲結構圖如下圖所示：                                      

9、;   圖 1集中供熱系統拓撲結構圖及標高（單位：米）圖中所示圓形圖標代表各熱力站，方形圖表代表熱源，數字代表管網中各點的標高。從圖中可看出，由于采礦區地處山區，各熱用戶分步在高低不一的丘陵或小山上，且高差相差較大。集中供熱網中絕對標高最高的熱力站為1073米，最低的為846.3米，熱源絕對標高為976.5米，最高最低高差達226.7米。如此巨大的高差，為熱網的設計和運行均帶來了較大的難度。為降低難度，水力計算時將系統劃分為兩個獨立的水力工況區：上半區和下半區。上半區包括1、2和3熱力站，最高最低相差96.5米；下半區則為其余19個熱力站，最高最低相差129.7米。在前期方

10、案論述時，清華同方利用利用自主研發的的水力計算軟件HACNet，分析了采用一般的閥門調節的方法和分布式變頻泵系統兩種不同的方法時系統的基本特點。采用一般的閥門調節的方法所謂一般的閥門調節的方法，即為在各熱力站設置閥門進行流量調節的方法，如圖所示：  系統壓力分布在下半區供熱系統中，熱源位于系統的最高點，取熱源主循環泵入口為系統定壓點，定壓壓力為20mH2O，經水力計算后，系統供回水壓力分布如下圖所示：               

11、60;     圖 2一般的閥門調節的方法下管網供回水壓力分布圖（單位：米水柱）如圖中所示，各節點對應的兩個數據中，上邊的為該節點的供水壓力，下邊的為回水壓力。并可繪制出水壓圖如下圖所示：                               

12、              圖 3一級管網水壓圖（從熱電廠至26熱力站）圖中有四條壓力曲線和一條地形相對標高曲線，以熱源所處平面為基準面。所謂動水壓曲線是在網絡循環泵運轉時，網絡水管各點的測壓管水頭的連接線。圖中供水動水壓、回水動水壓曲線共同構成水壓圖曲線。而壓力曲線則為網絡循環泵運轉時，網絡水管各點壓頭的連接線，而任意點壓頭的等于該點測壓管水頭高度和該點所處的位置相對標高之差。從圖中可以看出，采用一般的閥門調節的方法時主循環泵須得滿足系統最不利用戶資用壓頭的要求，

13、所提供得管網供回水壓差須不低于120mH2O，管網總供水壓力達140mH2O。隨水流流動方向，地勢越來越低，由于高差的影響，供水壓力反而不斷升高，很快就超過了1.6MPa。因此，管網中大部分管道的公稱壓力為2.5MPa，這使得管網管道總投資額增加50以上。同時，這種方法的系統循環動力均由主循環泵提供，在保證系統最不利環路壓差的條件下，其它熱力站采用閥門調節來獲得所需的流量。這使得管網輸送能耗大，輸送效率低下。系統輸送效率從水壓圖可以看出，在設計工況下，為了滿足系統最末端用戶的資用壓頭要求，近端用戶不得不用閥門將大量的剩余壓頭消耗掉，這部分節流損失是很大的。而在部分負荷時，由于各用戶負荷變化的不

14、一致性，節流損失的比例又會遠遠大于設計工況下的節流損失。外網輸送效率可定義為：                                      式中：Ø     

15、;   是管網中循環泵的數量，、為管網中第i個水泵的流量和管網供回水壓差，即為管網中所有循環泵提供給外網的循環能量；Ø        是管網中閥門的數量，、為管網中流過第i個閥門的流量和閥門消耗的壓降，為管網中所有閥門節流所消耗的能量。采用的閥門節流的方法，通過主循環泵提供系統循環的動力，為達到系統最不利點的壓差要求，系統中其他熱力站均需采用閥門調節來控制各用戶的流量。從水壓圖可以看出，為了滿足系統最末端用戶的資用壓頭要求，近端用戶不得不用閥門將大量的剩余壓頭消耗掉，這部分節流損失是很大的。通過

16、計算可以得出，整個運行季閥門的節流損失要占到整個網絡能耗的35%以上，而外網輸送效率在65以下。假定水泵的綜合效率為0.75，則這種系統的綜合動力輸送效率不足50，輸送效率是很低下的。分布式變頻泵系統所謂分布式變頻泵系統，是指在熱力站中采用變頻回水加壓泵來代替閥門來完成流量的調節的系統。如下圖所示： 系統壓力分布同樣取熱源主循環泵入口為系統定壓點，定壓壓力為20mH2O，經水力計算后，系統供回水壓力分布如下圖所示：              &#

17、160;                     圖 4分布式變頻泵方法下管網供回水壓力分布圖（單位：米水柱）如圖中所示，各節點對應的兩個數據中，上邊的為該節點的供水壓力，下邊的為回水壓力。并可繪制出水壓圖如下圖所示：              &#

18、160;                              圖 5一級管網水壓圖（從熱電廠至26熱力站）圖中有四條壓力曲線和一條地形相對標高曲線，以熱源所處平面為基準面。供水動水壓、回水動水壓曲線共同構成水壓圖曲線。從圖中可以看出，由于采用了分布式變頻泵系統，主循環泵只需提供系統循環的部分動

19、力，其余動力由各熱力站的回水加壓泵進行調節，這使得主循環泵的揚程從120mH2O降低到30mH2O，管網總供水壓力降低到50mH2O。隨水流流動的方向地勢越來越低，供水壓力也不斷升高，但由于管網總供水壓力的起點低，直到管網最不利點，供水壓力仍沒有超過1.6MPa。但在回水管網上，由于部分末端熱力站回水加壓泵的揚程高，回水壓力超過了1.6MPa，這部分管網仍需要采用公稱壓力為2. 5 MP的管道。由于降低了管道公稱壓力，也使得管道投資大幅度下降。系統輸送效率系統中，只有4#、5#、6#、7#、8#等5個熱力站需要采用閥門調節，其它18個熱力站均采用回水加壓變頻泵進行調節。因此，通過取消系統中大部

20、分熱力站的調節閥門，代之以變頻泵調節，主循環泵提供的壓頭不足的部分由用戶支路的變頻泵補齊，從而減少了閥門的節流損失，大幅提高系統的動力輸送效率。只要在充分考慮系統的運行工況變化，選擇合適的回水加壓泵，保持各水泵在調節過程中能在高效率點工作，其節能效益是不言而喻的。通過計算可以得出，整個運行季閥門的節流損失只占到整個網絡輸送能耗的5%以下，而外網輸送效率在95以上。假定水泵的綜合效率為0.75，則這種系統的綜合動力輸送效率超過70，每年節約一級網泵耗將達50以上。總結由于該項目地處采礦區，各熱力站和熱源相互間相對高差較大，其管網的設計和運行難度相對較大。我公司技術人員對兩種方案進行了分析比較，一

21、為采用一般的閥門調節的方法，一為在熱力站站內采用回水加壓泵調節的方法，即為分布式變頻泵系統的方法。采用分布式變頻泵系統，較之采用一般的閥門調節的方法，有如下好處：降低管網管道公稱壓力，大幅度減少管網管道投資；采用一般的閥門調節的方法時，主循環泵須滿足系統最不利用戶資用壓頭的要求，所提供得管網供回水壓差須不低于120mH2O，管網總供水壓力達140mH2O。隨水流流動方向，地勢越來越低，由于高差的影響，供水壓力反而不斷升高，很快就超過了1.6MPa。因此，管網中大部分管道的公稱壓力為2.5MPa。采用分布式變頻泵系統時，主循環泵只需提供系統循環的部分動力，其余動力由各熱力站的回水加壓泵進行調節，

22、這使得主循環泵的揚程從120mH2O降低到30mH2O，管網總供水壓力降低到50mH2O。隨水流流動的方向地勢越來越低，供水壓力也不斷升高，但由于管網總供水壓力的起點低，直到管網最不利點，供水壓力仍沒有超過1.6MPa。但在回水管網上，由于部分末端熱力站回水加壓泵的揚程高，回水壓力超過了1.6MPa，這部分管網仍需要采用公稱壓力為2. 5 MP的管道。由于降低了管道公稱壓力，使得管道投資大幅度下降50以上。增加管網輸送效率，降低管網輸送能耗。采用一般閥門調節的方法時，為了滿足系統最末端用戶的資用壓頭要求，近端用戶不得不用閥門將大量的剩余壓頭消耗掉，節流損失很大。整個采暖季閥門的節流損失要占到整

23、個網絡能耗的35%以上，而外網輸送效率在65以下。假定水泵的綜合效率為0.75，則這種系統的綜合動力輸送效率不足50，輸送效率低下。采用分布式變頻泵系統時，系統中只有5個熱力站需要采用閥門調節，其它18個熱力站均采用回水加壓變頻泵進行調節，整個采暖季閥門的節流損失只占到整個網絡能耗的5%以下，而外網輸送效率在95以上。假定水泵的綜合效率為0.75，則這種系統的綜合動力輸送效率超過70，每年節約一級網泵耗將達50以上。最終我公司在實施該項目時采用了分布式變頻泵系統，該方案較之一般在熱力站增加閥門節流進行調節的方法，即可降低管網管道公稱壓力，從而大幅度降低管道的投資，而且在運行中能提高系統輸送效率

24、，降低管網輸送泵耗，同時能有效降低管網工作壓力，使得管道使用壽命增長。該項目在實施時，將該系統整體納入到熱網監控系統中，并采用全網平衡控制策略，多年以來運行效果良好，為業主單位帶來了較好的經濟效益。 案例二：分布式變頻泵控制系統整體解決方案案例大同市熱力有限責任公司分布式變頻泵系統 同方股份有限公司于2006年成功為大同市熱力有限責任公司成功實施了分布式變頻泵系統，并于當年調試完成，達到了很好的節能效果。大同市2006年熱源為兩個熱電廠。隨著城市的不斷發展，兩個熱源的供熱能力已經難以滿足集中供熱負荷的需求，已規劃在兩個熱源附近新建新的熱電廠，利用該熱電廠發電后的抽汽供熱。預

25、計該熱電廠供熱能力將達到300萬平米，并計劃接入200萬平米，可解決該部分區域現有供熱系統效率低、污染嚴重的現狀，獲取較好的經濟效益和社會效益。為適應城市新增供熱負荷的需要，該市集中供熱網也須做出相應的調整。三個熱源均位于該市城西，三個熱源相互間距離很近，但距離城區較遠，約為7KM。管網拓撲結構圖示意圖如下圖所示：                       

26、0;                      圖 1大同市2006年集中供熱網拓撲結構示意圖在2005年采暖季時，其中一個熱源通過DN1000的主管道供應城東城南區域，另一個熱源則通過DN800的主管道供應城西城北區域，在兩個熱源水泵基本滿出力的運轉條件下，管網最不利端熱力站的資用壓頭剛剛能滿足要求。由于已建的DN1000管道和DN800管道已經占據從電廠至城區的兩條道路的路由，再覆設

27、一條新管道從電廠進市已相當困難，而且投資也很高，故只考慮利用已覆設的兩條供熱管道把熱量輸送進市區的方案，在管道壓差不滿足要求的地方設置加壓措施。如圖中資用壓頭分界線所示，約有一半的熱力站資用壓頭將不能滿足要求。為解決管網輸送問題，項目實施前討論了兩種解決方案，一為在管網支干線上增加管網回水加壓泵房的方法，一為在不能滿足管網壓差要求的熱力站站內增加回水加壓泵的方法，即為分布式變頻泵系統的方法，清華同方對這兩種方案進行了分析比較，最終通過技術經濟分析，選用了分布式變頻泵方案。管網回水加壓泵方案淺析管網回水加壓泵為解決管網輸送問題，方案之一為在回水支干線上增設回水加壓泵房。經水力計算發現，有三條主干

28、線上需增加管網回水加壓泵，如下圖所示：                                圖 2管網回水加壓泵方案下資用壓頭分布圖（單位：米水柱）如圖中所示為各熱力站節點對應的數據為該熱力站的資用壓頭，圖中還給出了三個回水加壓泵所在位置及設計工況下的所需提供的最小揚程和最小流量

29、，在進行設備選型時，還需考慮一定的安全系數。根據計算結果，可繪制出水壓圖如下圖所示：                                           

30、       圖 3一級管網水壓圖（從熱電廠至最不利熱力站）方案淺析采用管網回水加壓泵房的方案有如下幾個特點：首先，回水加壓泵房的方案，系統無用功消耗大，運行費用高。回水加壓泵的運行，需能滿足系統中最不利用戶的要求，但其他換熱站仍需采用閥門調節來消耗剩余的資用壓頭。在設計工況下，三個回水加壓泵泵房所需要提供的最小功率約為550KW，而這部分功率僅在閥門上消耗即超過50，有效功率不到50，節流損失是很大的。而在部分負荷時，由于各用戶負荷變化的不一致性，節流損失的比例又會遠遠大于設計工況下的節流損失。三臺回水加壓泵全年功耗將超過120萬度

31、電，而在閥門上的消耗就將近70萬度電，無用功消耗是驚人的。其次，回水加壓泵房的方案，適應熱負荷變化的能力較差。回水加壓泵房的方案是在具體的熱負荷分布情況、城市管網的拓撲結構等諸多已知條件下，經水力計算并考慮一定安全系數后形成的。但城市熱負荷的發展是逐步形成的，在負荷發展初期，遠端熱力站未能達到設計負荷時，系統往往會因為幾個供熱不能達標的熱力站而開啟管網回水加壓泵，其工作揚程、流量均會偏離設計工況，水泵很可能工作在低效區域，使得無用功消耗比例增大。而在負荷充分發展后，熱負荷的分布與設計時的預想往往會產生偏差，也有可能會出現回水加壓泵運行效率低的情況。第三，回水加壓泵房的方案，初投資較大且可移動能

32、力較差。回水加壓泵泵房的建設較為復雜，需考慮占地、土建、電增容、水增容等諸多因素，初投資較大。而且，正如前所述，回水加壓泵房的方案是在具體的熱負荷分布情況、城市管網的拓撲結構等諸多已知條件下，經水力計算并考慮一定安全系數后形成的，設想在回水加壓泵泵房建設完成后，熱負荷的分布與設計時的預想產生嚴重偏差，或者出現集中供熱網引入其它熱源導致水力工況發生巨大變化時，由于回水加壓泵房的位置的移動、調整較為困難，已建成的泵房就將面臨報廢的風險。分布式變頻泵系統方案淺析分布式變頻泵系統為解決管網輸送問題，方案之二為在資用壓頭不足的熱力站增加站內回水加壓泵，即構建分布式變頻泵系統的方案。經水力計算后5，管網資

33、用壓頭分布如下圖所示：                                 圖 5管網回水加壓泵方案下資用壓頭分布圖（單位：米水柱）如圖中所示為各熱力站節點對應的數據為該熱力站的資用壓頭，圖中還給出了設計工況下各站回水加壓泵的揚程分布情況。根據計算結果，可繪制出水壓圖

34、如下圖所示：                                          圖 6一級管網水壓圖（從熱電廠至最不利熱力站）在進行設備選型時，泵流量即為該熱力站的設計流量、

35、揚程即為該熱力站資用壓頭不足之值，并考慮一定的安全系數后形成。如下圖所示給出了各站回水加壓泵的電機容量的分布曲線。                                                   圖 7站內回水加壓泵總功率分布情況  從圖中可知，由于有些站供熱負荷較小使得回水加壓泵工作流量