[發明專利]具有解耦功能的分布式混水及加壓供熱系統及其設計方法

有效

• 申請號: 201210554628.7
• 申請日: 2012-12-19
• 公開（公告）號: CN102966991A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 方修睦;周志剛;劉成;李浩然
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: F24D3/02
• 分類號: F24D3/02;F24D3/10;F24D19/10
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明涉及一種供熱系統及其設計方法。

背景技術

我國建筑用能已達到全國能源消費總量的1/4左右，并將隨著人民生活水平的提高逐步增加。在建筑能耗中，大約36％的份額為北方城鎮的采暖能耗。

目前我國北方地區城鎮，大多采用熱電廠或鍋爐房作為熱源的集中供熱系統來解決建筑采暖問題。一個完整的供熱系統是由將燃料中的能量轉換為熱能的熱源、將熱源生產的熱量輸配到需要熱量的用戶的輸配系統和消耗熱量的熱用戶三部分組成的。輸配系統是連接熱源和熱用戶的重要紐帶。據研究表明，供熱輸配系統中管網的投資通常占系統總投資的30％到50％。另一方面，輸配系統的動力能耗也是非常巨大的，有的系統的電力消耗折合為一次能耗時，已經占到系統總供熱量的30.3％。降低集中供熱系統的輸送能耗，是供熱系統節能的主要途徑之一。

1、傳統系統的缺陷：造成供熱系統輸送能耗偏高的原因，有設計方面的原因，也有運行方面的原因。降低集中供熱系統的輸送能耗和解決集中供熱系統水力工況穩定的問題，一直是國內外供熱研究的重點問題。

傳統的供熱系統存在下述缺陷：

1)傳統的系統能源使用不合理，存在無效能耗，系統輸送能耗高

我國的供熱系統可分為直接連接和間接連接兩種。圖1所示的供熱系統為常見的枝狀供熱系統形式。當供熱系統為間接連接時，圖中的熱用戶是熱力站；當供熱系統為直接連接時，圖中的熱源可以是鍋爐房也可以是熱力站。

循環水泵集中設置在熱源處，循環水泵的揚程＝熱源損失+用戶損失+熱網供回水阻力損失。由圖2可見(為簡化起見，圖中忽略熱源損失)，離熱源不同位置處的熱用戶的剩余壓頭不同(圖中，E″-E′和F″-F′)，目前我國集中供熱系統水力失調嚴重，離熱源近的熱用戶室溫過熱，離熱源遠的熱用戶室溫偏低，就是由于剩余壓頭沒消除而導致的。為消除由于剩余壓頭導致的管網水平失調問題，需要在用戶入口處的設置閥門(如調節閥、平衡閥、流量調節控制閥)來消除這部分剩余壓頭。此種通過循環水泵將系統的壓頭提升，又通過閥門將用戶的剩余壓頭消除，由此產生的無效能耗占總輸送能耗的35％左右。圖3中的陰影部分，即為傳統供熱系統浪費的能源。

2)傳統供熱系統水力工況相互干擾

傳統系統中熱用戶的水力工況相互依賴，相互影響，表現為強耦合現象。某一個熱用戶的調節，將導致其余熱用戶系統水力工況發生變化，使系統出現嚴重的水力和熱力失調問題。采暖熱計量實施后，各個熱用戶將根據自己的需求，隨時調節用戶的閥門，從而加劇供熱系統的水力失調和熱力失調。

隨著我國集中供熱規模的不斷加大，采暖熱計量收費的實施，能源價格的不斷增加，降低集中供熱系統的輸送能耗，減少供熱企業的運行成本，已經成為維持供熱企業正常運營的基本條件；提高供熱系統的水力穩定性，減少供熱系統水力工況的相互干擾問題，已經成為供熱企業迫切解決的問題。

2、國內外解決傳統系統缺陷的方法

2.1降低輸送能耗的方法

2.1.1分布式變頻水泵系統早在二十世紀中葉，Bell&Gossett公司的Gil?Carlson在解決一個部分用戶流量不足的熱網的運行方案改進問題時，就提出了“主次級水泵系統(primary/secondary?system)”。這種系統的原理是，將原本的大系統，合理的劃分成幾個相對較小的、相互獨立的、便于控制的分系統。

近幾年國內應用的分布式變頻水泵系統(圖4)，就屬于此類系統。該系統改變了傳統系統的構成，將熱源處的循環水泵的功能進行了分解。在熱源及熱用戶處分別設置水泵。熱源處的循環水泵負責提供消除熱源損失及熱源至零壓差點的熱網供回水阻力損失所需要的壓頭，熱用戶處的水泵負責提供消除零壓差點至熱用戶的熱網供回水阻力損失及用戶阻力損失所需要的壓頭。

分布式變頻水泵系統由于消除了零壓差點以后的管網的閥門的節流損失，因此解決了傳統的集中供熱系統能源使用不合理問題，可消除系統的無效能耗，使得系統的輸送電耗降低。但是該系統存在下述兩個問題：

1)系統水力耦合嚴重。熱用戶處加壓泵的啟停，將影響到其余熱用戶。尤其是當熱用戶處加壓泵揚程選擇不合理時，此影響更大。對于既有供熱管網來說，管網的實際狀況復雜，熱力管網的水力計算結果與實際差別較大，無法準確地選擇熱用戶的加壓泵。為保證系統能夠運行，只能將加壓泵選大，運行時靠變頻器來調節，從而造成投資浪費。