045动力分散系统分散程度的探讨

关于动力分散系统分散程度的探讨武汉科技大学焦扬符永正摘要：动力分散系统以支路水泵代替调节阀，虽可消除调节阀能耗，减少系统的输送能耗，但是过多的支路水泵可能造成初投资的增加、维护费用的增加以及管理难度的增大。本文从减少输送能耗出发，兼顾各方面因素，探讨系统动力的合理分散程度，并以一个具有五级网路的系统为例进行分析。关键词：动力分散系统分散程度节能率调节阀能耗1.引言动力分散系统可以减少乃至消除传统系统中的调节阀能耗，因而可以减少输送能耗，这一点在现有文献中已经成为一致的结论[1][2][3]。但是动力分散系统势必大大增加水泵的数量，有可能使系统的初投资增加、维护费用增加，以及使系统的管理难度增大。如果动力分散到末端设备的话，还应当考虑水泵的运行维护和噪声给用户带来的影响。所以，系统动力并不是越分散越好。本文在分析系统动力的分散程度与节能率关系的基础上，探讨系统动力的合理分散程度。2．动力分散系统节能率的计算方法图1一级网路系统示意图由文献[4]可知，对于图1所示一级网路系统，假设：n个用户流量相等，用户间距相等（包括第一支路到热源的距离），各用户的资用压力相等，干管比摩阻相等，忽略阀门全开时的阻力。系统设计合理，水泵选择恰当。则各用户支路调节阀能耗与泵的输出功率的比值v为：(1)2()pvvrpvyrypnHEEEEEHHnH（1）pE——干管的能耗；11(1)2npppjEjGHnnGHvE——各调节阀的能耗；111(1)2nvppjEjGHnnGHyE——用户能耗，即各用户支路除调节阀以外的能耗；rE——热源的能耗；j——用户编号G——各用户的流量（m3/h）；pH——一对对应的供回水干管的压头损失之和（m）；n——用户支路的个数。对于二级网路的系统，假设：有1n个支路，各支路情况完全相同，均负担2n个用户的需求，各用户流量相等，间距相等；主干线及支干线上的比摩阻分别相等；忽略调节阀全开时的阻力，系统设计合理，水泵选取恰当。则一级调节阀能耗为：11111121121(1)2nvppjEnjGHnnnGH（2）二级调节阀能耗为：21222112211(1)2nvppjEnjGHnnnGH（3）1n——为一级支路的个数；2n——为二级支路的个数。系统调节阀能耗与泵的输出功率的比值v为：1212121212(1)(1)2()ppvvvrpvyryppnHnHEEEEEEHHnHnH（4）同理可推出m级的网路系统，一级调节阀能耗为：1111112311231(1)2nvppjmmEjnnnGHnnnnnGH二级调节阀能耗为：2122211322131(1)2nvppjmmEnjnnGHnnnnnGH............第i级调节阀能耗为：111111111(1)2inviimpipijiiiiimEnnjnnGHnnnnnGHn（5）一级支路调节阀能耗与泵的输出功率的比值为：11112112(1)2()pvvrpvyrypppmmnHEEEEEHHnHnHnH（6）二级支路调节阀能耗与泵的输出功率的比值为：22212212(1)2()pvvrpvyrypppmmnHEEEEEHHnHnHnH（7）............第i级支路调节阀能耗与泵的输出功率的比值vi为：1212(1)2()pivivirpvyrypppmimnHEEEEEHHnHnHnH（8）式（6）~（8）中，分母相同而分子不同，所以其相对大小取决于分子的值。由这（8）式可知某一级调节阀能耗与水泵输出功率的比值vi的大小，与这一级的支路数和这一级的供回水干管压头损失piH的乘积相关，而piH的值的大小又与干管比摩阻和管段长度的乘积相关。一般来说，系统中各级干管的比摩阻相差不大，而管段长度差别较大，前一级支路干管长度往往大于后一级支路干管长度，所以对于动力分散系统，往往会出现从热源到末端，随着动力设置层级的延伸，vi逐渐减小，而水泵数量却大幅度增加的情况。下面以一个五级的网路为例分析。3．实例计算及分析3．1计算实例的系统构造一个五级网路的异程供热系统，每一级网路有4个支路，每个五级支路的流量为1t/h，每个四级支路的流量为4t/h，总的流量为1024t/h。支路间距分别为5m，10m，20m，40m和100m（五级至一级），各级支路的管径、管长、局部阻力系数（局部阻力系数是除调节阀之外的阻力系数之和）以及设备阻力均分别对应相等。3．2第四、五级网路的计算图2四级五级系统示意图四级系统包含4个支路，每个支路又包含一个4个支路的子网，如图2。其中管段编号为“z(4,*)”的表示为四级网路的支路，“z(5,*)”为五级网路的支路。四、五级子网各支路的压头损失见表1表1四、五级支路管段压头损失表（无调节阀的管段略去）管段编号压头损失（m）调节阀压头损失（m）管段编号压头损失（m）调节阀压头损失（m）z(4,1)3.952.47z(5,1)1.171.08z(4,2)003.331.86z(5,2)0.590.49z(4,3)2.290.81z(5,3)0.330.233．3一、二、三级网路的计算图3一至三级系统示意图一级管网有四个支路，每个支路包含一个四个支路的二级子网，二级子网的每个支路又包含一个4个支路的三级子网，如图3所示，图中编号为“z(1,*)”的管段是一级管网支管，“z(2,*)”为二级管网支管，“z(3,*)”为三级管网支管，“g(1,*)”、“g(2,*)”、“g(3,*)”分别为各级干管（包括供水干管和回水干管）。将四级五级系统的总阻抗返回到三级子网中各支路的“设备阻抗”，再按照上述相同的方法可以将整个系统的各管段压力损失计算出来，见表2，表2一二三级系统管段压头损失表（无调节阀的管段略去）管段编号压头损失（m）调节阀压头损失（m）管段编号压头损失（m）调节阀压头损失（m）管段编号压头损失（m）调节阀压头损失（m）z(1,1)13.2315.45z(2,1)35.967.64z(3,1)9.534.93z(1,2)31.8911.37z(2,2)15.975.75z(3,2)7.512.92z(1,3)287.48z(2,3)12.432.22z(3,3)6.612.02系统总流量为1024t/h,系统总压头损失为49.19m。假定水泵选型合理，流量和扬程刚好满足要求，则水泵的输出功率应为：49.191024137.2510003600367GHEKW3．4不同动力分散程度的节能率由于动力分散系统正是消除了调节阀的能耗，所以可以说各级调节阀的能耗就等于将系统变为动力分散系统将节约的能量。调节阀能耗占总能耗的比例也就是动力分散系统节能的幅度。由表2知一级网路调节阀的水头损失为34.3m，各支路流量均为256t/h，则调节阀能耗为：34.32569.823.91100036003600GHEKW其他各级调节阀能耗计算结果见表3.表3各级网路调节阀能耗一级调节阀1v二级调节阀2v三级调节阀3v四级调节阀4v五级调节阀5v调节阀能耗（KW）23.9110.886.883.581.25调节阀能耗占水泵输出功率的比例(%)17.427.936.883.581.25由表3可得出将传统系统改为动力分散系统的节能率：将动力分散到一级网路可节能17.42%；将动力分散到一二级网路可节能25.35%；将动力分散到一二三级网路可节能30.36%；将动力分散到四级网路可节能32.97%；将动力分散到五级网路可节能33.88%。显然，就本例来说，随着动力分散程度的增加，节能率的增幅在减小。3．5动力分散的合理程度分析动力分散系统随着动力分散程度的增加水泵数量将成倍的增加。对于本例来说，动力分散到一级网路水泵数量为5台，动力分散到二级网路水泵数量将增加到21台，分散到三级网路水泵数量为85台，分散到四级网路水泵台数为337台，而分散到五级末端则水泵台数为1366台。过多的水泵将带来工程投资、系统控制、运行维护、噪声等一系列问题。所以动力分散系统的分散程度应结合初投资、水泵台数、节能率等几个方面来综合考虑。对于新建的工程，就本例来说，可以将系统动力分散到三级，就可以取得较好的节能效果，此时的水泵数量为85台。而如果分散到四、五级，虽可使输送能耗稍有减少，但水泵数量却大幅增加，如此多的水泵在控制和运行管理方面需要付出很大的代价。对于改造工程，由于系统中阀门的价格为已投入的资金，所以将其改造成动力分散系统就是要将原有的阀门废弃而增加相应的水泵，改造投资较大，所以可以综合考虑节能和经济性，将系统改造成为只分散到一级或者一二级网路即可。4．结论随着系统动力分散程度的增加其节能率的增幅往往是减少的，但水泵的数量却是大幅增加的。因此系统动力一直分散到末端的做法并不合理。正确的做法应当综合考虑节能率，以及由于水泵数量的增加所带来的工程投资、系统控制、运行维护、噪声等一系列问题，确定系统动力的分散程度。参考资料：[1]江亿.冷热联供热网的用户回水加压泵方案[J].区域供热，1996，（2）：25－37[2]江亿.用变速泵和变速风机代替调节用风阀水阀[J].暖通空调，1997，27（2）：66－71[3]狄洪发，袁涛.分布式变频调节系统在供热中的节能分析.暖通空调，2003，32（2）：90－93[4]符永正，吴克启，蔡亚桥.常规水系统的阀门能耗及动力分散系统的结构和应用[J].暖通空调，2005，35（9）：6－10[5]李玲玲.供暖空调系统动力分散方式的节能与应用研究[D].武汉科技大学，2007