一、概述
在傳統的供熱枝狀管網系統中，一般是在熱源處或熱力站內設有一組循環泵，根據管網系統的總流量和最不利環路的阻力選擇循環泵的流量、揚程及臺數；管網系統各用戶末端設手動調節閥或自力式流量控制閥等調節設備，以消耗掉該用戶的剩余壓頭，達到系統內各用戶之間的水力平衡；個別既有熱網由于用戶熱負荷的變化，資用壓頭不夠，增裝了供水或回水加壓泵，但由于不易調節，往往對上游或下游用戶產生不利的影響。
隨著新型調節設備和控制手段的出現，使得對水泵的數字控制成為可能，理論上可以取消管網中的調節設備，代之以在管網的適當節點設置可調速的水泵，以滿足其后的水力工況要求。在管網的適當位置設置一壓差控制點，控制管網中壓差。而對于熱源循環泵的選擇，只要能夠滿足總流量和克服熱源到壓差控制點的阻力即可，這樣可大大降低熱源循環泵的揚程，使得熱源循環泵電機功率下降許多。壓差控制點之后的每個熱用戶均設置相應的分布式變頻泵，就構成了分布式變頻系統。
目前，分布式變頻系統的設計方案有很多種，根據多年的工程實踐，我們總結出了分布式變頻系統的最優方案：在鍋爐房內設置熱源循環泵，負責鍋爐房內部的水循環，熱源循環泵只用來克服鍋爐本體及鍋爐房內部工藝管道的阻力，其揚程按照鍋爐房內阻力計算。在各熱力站內一次回水管上設置一次回水加壓泵，負責將熱媒抽送至各熱力站，一次回水加壓泵用來克服鍋爐房到熱力站之間的外管網的阻力以及換熱站內部的阻力，其揚程為熱力站內一次側阻力和本站與鍋爐房之間管網阻力之和。此外熱源處的供回水干管之間設有均壓管即壓差控制點。圖1為該分布式變頻系統設計方案的基本配置。
二、案例概述
本案例鍋爐房現有兩臺鍋爐，型號均為DHL70-1.6/150/90-AII，每臺鍋爐對應一臺循環泵。該鍋爐房供熱面積總計197萬平方米，下帶33個換熱站，其中6、7、9、11號站為擬建站，所有熱力站均采用板換間接換熱。
三、分布式變頻系統改造設計
根據案例概述，現對原有供熱系統進行分布式變頻系統改造，具體步驟如下：
1、選擇壓差控制點
不同的壓差控制點對應不同的設備初投資和管網運行費用，應按技術經濟分析進行選擇。理論上壓差控制點（零壓差點）越靠近熱源則運行能耗越少，但相應的初投資會有所增加。總體來講，考慮到熱源循環泵功率的降低、電動調節閥的使用等因素，投資不會比傳統供熱系統多。因此本案例將壓差控制點選在鍋爐房內，在供回水干管之間設置一均壓管，管徑與供回水干管同管徑，取DN700。
2、分布式變頻系統水力計算
首先根據各站所帶面積和設計熱負荷指標計算設計熱負荷，接著在設計的供回水溫差下，計算出各站設計工況下所需的一次網流量，并根據一次管網圖進行分布式變頻系統的水力計算。
本案例設計熱負荷指標取78W/m2，設計供回水溫差為50°C。由于熱力站采用板換換熱，水力計算中板換一次側管阻取0.5MPa。
3、一次回水加壓泵的選擇
一次回水加壓泵的選擇主要考慮滿足該分支用戶的阻力和流量的要求。根據水力計算得到的設計流量和設計阻力確定一次回水加壓泵的選型流量和選型阻力并進行選型，具體見下頁表1。
4、熱源循環泵的改造
傳統熱源循環泵一般安裝在一次網回水干管上，進行分布式變頻改造后，鍋爐房工藝管道要進行改造，熱源循環泵要求和鍋爐一一對應。具體如圖3所示。
在進行熱源循環泵的選型時，主要考慮以下兩方面：
（1）流量要求，應能提供管網的全部循環流量。一般可根據鍋爐額定流量確定循環泵流量。
（2）揚程要求，應滿足熱源到壓差控制點間的管網阻力，即鍋爐阻力加上水泵進出口阻力和管道阻力損失。
原有循環泵及改造后的循環泵參數見下頁表2。
5、設計注意要點
（1）在進行水泵選型時，選型流量應在計算流量的基礎上乘以1.1~1.2的系數。計算流量應與供熱系統實際運行時的歷史數據進行對比，驗證計算的準確性。
（2）水力計算時，要考慮管道熱水流速不應大于3.5m/s。
（3）均壓管的管徑選擇原則上越大越好，實際工程中可用儲水罐代替均壓管。
（4）分布式變頻系統改造中熱源循環泵最好一對一，即一臺循環泵對應一個鍋爐。
四、案例設計節能分析
1、水壓圖分析
原有枝狀供熱系統水壓圖如圖3所示。
由圖3可知，熱源循環水泵承擔整個一次網的總阻力，即循環水泵揚程應滿足最不利（最末端）用戶的資用壓頭。假定各熱力站的資用壓頭相等，則最末端用戶的資用壓頭正好等于熱源循環水泵所提供的資用壓頭，而其他各站的資用壓頭均小于熱源循環水泵所提供的資用壓頭，由此產生的多余資用壓頭，就需要被調節閥消耗掉，由此白白浪費了這部分壓頭。由此可知，供熱管網設計時盡量不產生多余資用壓頭，減少或不使用調節閥就可以達到節能的效果。
改造后的分布式變頻系統水壓圖如圖4所示。
采用分布式變頻系統時，壓差點位置選擇在鍋爐房內，則熱源循環泵承擔熱源到零壓差點之間供回水管網的阻力，和傳統供熱系統相比，熱源循環泵的揚程降低很多。假設各熱力站的資用壓頭相等，從圖4可以看出，供熱管網中出現了回水壓力大于供水壓力的情況，因此要使系統正常運行，必須在熱力站的回水管上設一次網加壓泵，圖中供回水壓線之間的高度就是變頻泵應有的揚程。該泵承擔各熱力站到零壓差點之間供回水管網的阻力。一次網加壓泵加裝變頻裝置，就可以實現用戶需要多少熱就抽多少熱，這樣就減少或避免了傳統系統中調節閥的使用，整個管網運行期間浪費的水泵功耗相對傳統系統就少很多。
2、一網輸配設計節電率計算
根據上述設計計算，原有供熱系統中一網水泵設計功率為710kW，改造后的分布式變頻系統一網水泵設計功率為599.1kW，一網輸配設計節電率為15.6%。
由表1可以看出，水泵選型時額定流量都大于選型流量，而實際運行中如果采用精確的定壓變頻控制，使各分支系統流量實現真正意義上的按需索取，杜絕浪費，其節電就更加顯著。實際運行案例表明，采用分布式變頻供熱系統后系統節電達30%以上。
五、結論 綜上所述，和傳統供熱系統相比，分布式變頻系統作為一種新型的供熱系統運行形式，通過合理設計，可以顯著降低供熱一次管網的總電裝容量，尤其是鍋爐房內主循環泵功率大幅度降低。總電裝容量的降低幅度依賴于管網阻力特性。在管網越長，沿程阻力越大的系統中，節電空間越大。作者： 北京碩人時代科技有限公司 李艷杰； 煙臺福山熱力有限公司 孫豪杰 張巍
參考文獻
［1］石兆玉 供熱系統分布式變頻循環水泵的設計《暖通空調標準與質檢》2006年三期
［2］石兆玉、李德英、王紅霞 供熱系統循環水泵傳統設計思想亟待更新《2004年全國供熱技術研討會論文集》
［3］石兆玉 供熱系統混水連接方式的選優
［4］石兆玉 《供熱系統運行調節與控制》，清華大學出版社
