本文以圣方热力设计的供热规模350万平方米工程为例，分析分布式变频技术在集中供热系统中的应用。尽管该技术在圣方热力应用时间不是很长，但效果显著，圣方热力坚信分布式变频技术会有越来越多的应用。

分布式变频技术在集中供热系统中的应用

山东圣方热力有限公司总经理  冯卫

    分布式变频技术设计思想：根据距离热源的远近，在各站点一次侧回水假装分布式变频水泵，通过对其进行控制来实现供热管网的全网热力和水力平衡。为达到这个目的，必须提高供热系统的自动化水平，并且实现数据传输和远程控制，实时监控和调节。与传统供热模式相比，具有更多可控性、安全性，而且更加节能。

    
    山东圣方热力有限公司（以下简称“圣方热力”）位于山东省曲阜新区，覆盖曲阜高铁新区和高新区，设计供热规模350万平方米，工程分两期建设。2013年供暖季实际供热面积已经远超300万平方米。已经敷设蒸汽管网和高温水管网至高铁片区等19千米。圣方热力根据政府发展规划，“十一五”期间计划敷设管网18千米，未来可满足新区西区和东部高铁片区供热需求，新增供热能力300万平方米。

    
    圣方热力一期工程始建于2004年，历经10年发展，已初具规模，但随着国家节能环保政策的持续推进、片区内需热量的急剧增长，目前所采用的传统供热模式，已经不能满足进一步发展的需求。目前公司计有29MW和14MW高温水锅炉各一台，20t/h蒸汽锅炉一台，其中随着蒸汽用量的减少，蒸汽热源有部分也转为高温水热源，即便如此，截至2011年，全部投运也就勉强够用。

    
    为了解决这个问题，圣方热力多方面多层次地寻求出路，一方面增源，一方面节流。在节流方面，首先对锅炉大做文章，通过技改手段，提高锅炉运行效率，增加锅炉供热能力。其次考虑对一次网进行整改，分布式变频技术为增容扩能提供了可能性。
 

    1分布式变频技术实施的必然性

 
    圣方热力历经10年发展，管网已经成形，首站也已满负荷运行，故只能通过挖潜来提高供热能力。
 

    1.管网距离过长。随着高铁新区的兴建，供热距离已经扩展至20千米，远端热源提供的压降已经不能满足设备需求。
 

    2.主管网管径限制。从2013年起，远端用户随着高铁片区的兴起，逐步进入到使用高峰，但由于主管网管径的限制，为保证末端流量，只好压缩前端用户的流量，但顾此失彼，极值天气时，供暖效果均不理想。

    3.水力失调严重。由于主管网历经10年铺设，原有的主管网在主要区域，均预留了路由（分支管径）部分，但近年城市建设的扩张速度加快，预留的管径与新增的供暖面积不相匹配，造成局部水力失调严重，但如果扩径或者重新铺设管路的可能性很小。
 

    4.首站一次泵更换费用过高。首站一次泵历经10余年运行，虽然保修得当，但随着使用年限的增长，水泵维修量逐年递增，现有300kW×2的水泵如果更换，费用较高。
 

    综合上述分析，圣方热力也考虑过增设中继泵站方案，但因涉及到占地、土建、电增容、水增容等诸多因素，实施起来难度较大；分布式变频泵系统因为主循环泵扬程大为降低，运行压力低，各站变频泵功率小，运行费用低、运行期易于调节等诸多优点，综合比较后，圣方热力决定引入较为先进的分布式变频泵系统和换热站自控系统，成为解决本区域管网水力失衡和热源不足的首选方案。
 
    
    2分布式变频泵系统的原理 
 

    在传统供热系统中，一般在热源处或首站内设有一组循环泵，根据管网系统的流量和最不利环路的阻力选择循环泵的流量、扬程及台数；管网系统各用户末端设手动调节阀或自力式流量控制阀等调节设备，以消耗掉该用户的剩余压头，达到系统内各用户之间的水力平衡；通过阀门节流，总循环水泵所提供的能量很多被浪费掉。
 

    随着新型调节设备和控制手段的出现，使得对水泵的数字控制成为可能，这样理论上可以取消管网中的调节设备，代之以可调速的水泵，在管网的适当节点设置，并在该位置后部各个热用户的回水管上增设二级水泵（增压泵，即分布式变频泵）用于系统用户的供热需求，这样主循环泵的选择，只要能够满足流量和热源到该节点的阻力即可，这样可大大降低循环泵的扬程，使得主循环泵电机功率下降许多。

    节点之后的每个用户设置相应的分布变频泵，成为分布式变频泵系统。由于水泵可用变频器调速，主循环泵可大大降低电能消耗，理论上可省去调节设备，同时供热系统可工作在较低的压力水平，系统更加安全。分布式变频泵系统原理见图1。

图1  分布式变频泵系统原理

    3分布式变频泵系统改造方案

    基于上述技术，圣方热力对首站和各分支换热站进行了改造。

    1.首站一次泵改造。现有首站一次泵为两台300kW水泵，使用方式为一用一备，流量为800t/h，扬程80米；根据分布式变频的特性，首站水泵不需要提供过高压头，但为照顾近端用户，最终选用一台流量为600t/h，扬程50米的水泵，功率降低为110kW，用其替代原有一台循环泵，剩余一台循环泵转为备用。

    2.近端换热站的改造。近端换热站为供热半径为500米内的换热站。因为建设时间早，目前还不具备加装分布式变频泵的条件；这些换热站距离热源厂较近，为保证这部分区域的供暖，并防止一次热源短路，对近端共计10个换热站进行改造，对热源进口进行缩径处理，并加装流量限制阀。

    3.远端换热站的改造。远端换热站相对来说投运时间短，设备较新，有些甚至为新上设备，故对既有设备进行分布式变频水泵的改造，对新购入设备提出一次循环泵的加装要求，整装现场安装。

    4.就地控制系统及集中监控系统的改造。为实现分布式控制，集中分析目标，圣方热力采用AutoECO系统，对所有换热站以及中心控制室进行全面改造，实现各个换热站无人值守，自动调节流量，总控制室根据各个换热站反馈回来的信号，结合锅炉运行情况，准确下发供暖指令。

    上述改造工程2013年供暖季开始时均已改造完毕。

     
    4改造效果及结论

    通过近两年的应用情况来看，分布式变频泵系统在圣方热力的集中供暖系统中得到大范围应用，并取得良好效果：
 

    1.适应管网热负荷的变化能力较强。由于站内变频泵功率小、扬程低，且可以通过调整变频泵的频率来控制泵的转速，进而控制一次网的循环流量，所以可以根据当时的实际供热负荷设定频率，当负荷发生变化时，只需要调整泵的频率即可满足用户的用热需求，因此适应管网热负荷变化的能力较强。
 

    2.降低运行费用。实施分布式变频泵系统一次网循环泵总功率由理论值330kW降低为110kW，大大降低管网电量消耗量，通过理论计算，全网每年节电约19万kW·h。

    3.系统整体压力水平较低，系统更加安全。因为分布式变频泵系统的主循环泵只需提供系统循环的部分动力，其余动力由各换热站的变频泵进行调节，这使得主循环泵的扬程降低，管网总供水压力降低，低地势用户的运行压力也随之降低，很大程度提高管网的安全性和稳定性。

    4.具有良好的供暖能力扩展性。近年新增用户不断增加，但由于各用热点均采用分布式变频技术，所有新增换热站均各取所需，对整个一次网影响不大。今年预对站内循环泵扩容，在保证循环水泵功率不变的前提下，增大一次网流量，对热源出口压头进行进一步压缩，配套对近端换热站进行改造，在总管网不扩径的前提下，提高供热能力。

    尽管分布式变频技术在圣方热力应用时间不是很长，但效果显著，圣方热力坚信分布式变频技术会有越来越多的应用。