集中供热系统稳定性研究_周正
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1 2 1. 025 1. 033 3 1. 037 1. 039 0. 037 2 4 1. 054 1. 044 5 1. 054 1. 044
1. 017 1. 027
1 ） 根据设计流量给出系统的阻抗分布 。 2 ） 为集中供热系统选取水泵特性曲线方程 。
3 3 ） 调节支路 1 的流量， h －1。 使其流量下降 1m · 其他各支路不进行任何调节。用基尔霍夫压降定律
H0 = 340 － 23. 5 G0 + 0. 5 G0
（ b）
［ 9 ］ 频水泵， 用以泵代阀的方式输送供热媒介， 以节能 。
2 2. 1
计算过程
根据基尔霍夫压降定律及流量定律可得建立方程组， 根据 2. 1 的计算方案可得传统集中供热系统选取不 珔 Yi 、 Ws 计算结果如表 2、 同热源泵时 X 表 3 所示。 i 、
热源处设泵， 满足整个管网的供水需求。 图 2 为在 热源处不设热源泵的分布式变频集中供热系统 ， 本 文简称无源分布式变频集中供热系统， 这种集中供 故 热系统不存在热源泵与支路泵的扬程匹配问题 ， 不存在零压差点， 值得说明的是无源分布式变频集
Industrial Construction Vol. 43 ，Supplement， 2013
DOI:10.13204/j.gyjz2013.s1.189
集中供热系统稳定性研究
周 正 赵 军 颜爱斌
*
（ 中低温热能高效利用教育部重点实验室， 天津大学机械工程学院， 天津 300072 ） 摘 要： 通过理论计算的方法， 应用流量偏移系数法对比分析了各种典型集中供热系统的稳定性 。 得出
如下结论： 在所有的典型集中供热系统中， 无源分布式变频集中供热系统稳定性最好， 传统集中供热系统的 稳定性次之， 有源分布式变频集中供热系统的稳定性最差 。 有源分布式变频集中供热系统零压差点处于管 网两端稳定性较好， 处于管网中间稳定性较差 。 关键词： 集中供热系统； 稳定性； 零压差点； 分布式变频系统
［4 ］
［7 － 8 ］
等研究了供热管网优化问题。 虽然有很多 研究集中供热系统的稳定性， 但是不同类
型集中 供 热 系 统 的 稳 定 性 综 合 进 行 研 究 的 文 献 较少。 本文通过理论分析计算研究不同集中供热系统 水泵选型及不同集中供热系统稳定性优劣的问题 。 1 几种典型集中供热系统 如图 1 所示为三种典型的集中供热系统 。其在
图2
无源分布式变频集中供热系统
根据系统设计流量及阻抗分布， 利用拉格朗日 二次插值公式计算出热源泵选取较为平坦的水泵特 性曲线的水泵的水泵特性曲线方程为 ： H0 = 320 － 22. 5 G0 + 0. 5 G0 （ a） 热源泵选取选取较为陡峭的水泵特性曲线的水 泵的水泵特性曲线方程为：
图3 有源分布式变频集中供热系统
THE STUDY ON THE STABILITY OF CENTＲAL HEATING SYSTEM
Zhou Zheng Zhao Jun Yan Aibin
（ Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，MOE，School of Mechanical Engineering， Tianjin University，Tianjin 300072 ， China） Abstract： Using the flow offset coefficient methods the kinds typical central heating system ’ s stability was studied through theoretical calculations． The following conclusion was drawn： In all the typical central heating systems，the stability of the central heating system with distributed variable speed pump which does not have source pump is the best，the traditional central heating system is better，the central heating system with distributed variable speed pump which has source pump is the last； The zero pressure drop point at the two sides of the central heating system with distributed variable speed pump which has source pump is better and at the middle is worse． Keywords： central heating system； stability； zero pressure drop point； distributed variable frequency system
如何提高集中供热系统的供热能效， 降低集中 供热系统的输送能耗是集中供热系统节能的两个主 要 方 面， 目前已有很多文献进行了这方面的研 究
［1 － 3 ］
中供热系统指的是指热源外的所有供热媒介的输配 是由分布于各支路的循环泵承担的 （ 事实上热源内 仍然有循环泵保证其内部的水循环 ） 。 图 3 为在热 源处和各支路都设泵的分布式变频集中供热系统 ， 本文简称有源分布式变频集中供热系统， 这种集中 供热系统在输配过程中热源泵与支路泵存在扬程匹 7］可知在分布式变 配， 故存在零压差点。 由文献［ 频集中供热系统中支路泵选择具有较为陡峭的水泵 特性曲线时系统的稳定性较好， 本文各节所有的支 路泵均选择具有陡峭水泵特性曲线的水泵 ， 并且陡 峭程度均相同。 值得说明的是， 除了以上所列三种集中供热系统 ［ 8， 9 ］ ， ， 外 还有其他各种集中供热系统 事实上其它各种 集中供热系统最终都可以归结为如图 3 所示的三种 集中供热系统。图 2 及图 3 各支路泵均采用的是变
图4 a—零压差点为 a、 a' ； b—零压差点为 b、 b' ； c—零压差点为 c、 c' ； d—零压差点为 d、 d' ； e—零压差点为 e、 e' 零压差点不同的有源分布式变频集中供热系统系统图
系统阻抗分布及水泵的特性曲线方程， 本节所选热 源泵的水泵特性曲线与本文其它各节所选的具有较 为平坦的水泵特性曲线的热源泵的水泵特性曲线陡 峭程度相同， 本节所选支路泵的水泵特性曲线与本 文其它各节支路所选的具有较为陡峭的水泵特性曲 线的支路泵的水泵特性曲线陡峭程度相同 。为了使 有源分布式变频集中供热系统在变工况运行的条件 下零压差点位于确定的位置， 在如图三所示各系统 干管各处设置了均压管， 如各图中加粗黑线所示为 各系统均压管所在位置 （ 由于是一维平面图， 本文 图中均压管与所在支路看起来是重合的 ） ， 事实上 均压管是一条独立于支路的直接连接供回水干管某
表2
支路 珔 X i Yi Ws
计算方案 对 于 图 2 所 示 各 系 统，总 设 计 流 量 均 为 3 20 m3· h －1， h － 1 。阻抗的 各支路设计流量均为 4 m ·
2 m －5， H2 O。对于图 单位为 h · 水泵扬程的单位为 m， 2 所示各系统总体的计算方案为：
平坦型水泵特性曲线水泵计算结果
由表 2 和表 3 可见， 传统集中供热系统， 热源泵 选取具有比较平坦的水泵特性曲线的水泵系统的稳 定性更好， 即凡是处于热源或干路的循环泵均应选 取具有较为平坦的水泵特性曲线的水泵 。故本文各 节所有热源泵均选取具有较为平坦的水泵特性曲线 的水泵且陡峭程度均相同。 2. 3 无源分布式变频集中供热系统计算结果 对于图 2b 所示的无源分布式变频集中供热系
* “十一五” 国家科技支撑计划重大项目（ 2006BAJ03A06 ） 。 1986 年出生， 第一作者： 周正， 男， 硕士研究生。 电子信箱： zhouzhenghaoyun@ 126． com 收稿日期： 2013 － 00 － 00
。文献
［5 ］
题， 文献 文献 文献
［6 ］
等研究了集中供热系统的控制问 等研究了变流量的空调水冷系统问题 ，
表3
支路 珔 X i Yi Ws
陡峭型水泵特性曲线水泵计算结果
1 2 1. 027 1. 035 3 1. 039 1. 041 0. 039 3 4 1. 056 1. 045 5 1. 056 1. 045
1. 018 1. 03
7］ 及流量定律建立的各系统的方程组和文献［ 中计 X3_1 …X5_1 。 算相关公式计算 X2_1 、 4 ） 其余支路分别重复步骤 2 的调节及计算方 珔 Y i 和系统的 W s ， 案， 计算出所有 X i_k ， 计算 X 将计 i 、 算结果记录在相应表格中。 注： 1 ） 计算系统阻抗分布时流动损失的计算式为 H = SQ2 ， 式中： H 为管路的压力损失； S 为管路阻抗； Q 为流过该段管路的流量。 2 ） Xi_ k 为当 k 支路进行调节时， i 支路的流量 20
计算结果
3 1. 033 1. 030 4 1. 038 1. 036 5 1. 026 1. 038
2. 4 2. 4. 1 题
［10 ］
有源分布式变频集中供热系统计算结果 零压差点位置的选取 很多文献中都提出集中供热系统零压差点的问 ， 图 2a 和图 2b 所示系统不存在零压差点的问
题。图 2c 所示系统由于有支路泵与热源泵的扬程 ［11 ］ 故存在零压差点。 匹配问题 ， 如图 4 所示为有源分布式变频集中供热系统零 压差点位置不同时的系统图。 2. 4. 2 零压差点位置不同时的计算结果 由于篇幅所限， 本文未列出图 4 所示各系统的
（ d）
根据基尔霍夫压降定律及流量定律建立方程组 并根据 2. 1 的计算方案可得支路设泵的分布式集中 供热系统选取具有较为陡峭的水泵特性曲线的水泵 珔 Yi 、 W s 计算结果如表 5 所示。 时系统的 X i 、
表5
支路 珔 X i Yi Ws 1 1. 018 1. 018 2 1. 026 1. 022 0. 028 4
工业建筑 2013 年第 43 卷增刊
19
偏离系数， 其越接近于 1 ，说明支路受 k 支路调节的 影响越小， 稳定性越好， 反之则反。 珔 3） X 表示 i i 为 i 支路流量偏移系数的平均值 ， 支路受其他支路干扰的大小。 4 ） Y i 表示 i 支路调节对其他支路影响的大小。
图1 传统集中供热系统
统， 系统的阻抗分布见表 4 。
表4
支路 S 支路 S
无源分布式变频集中供热系统阻抗分布
a0a' 0. 05 cc' 0. 625 aa' 0. 625 cd 0. 078 ab 0. 0195 dd' 0. 625 bb' 0. 625 d5d' 1. 25 bc 0. 0347
根据系统设计流量及阻抗分布， 利用拉格朗日 二次插值公式计算出各支路泵选取较为陡峭的水泵 特性曲线的水泵的水泵特性曲线方程为 ： H1 = 114 － 33 G1 + 3 G2 1 H2 = 124 － 33 G2 + 3 G2 2 H3 = 134 － 33 G3 + 3 G2 3 H4 = 144 － 33 G4 + 3 G2 4 H5 = 154 － 33 G5 + 3 G2 5
中供热系统指的是指热源外的所有供热媒介的输配是由分布于各支路的循环泵承担的事实上热源内仍然有循环泵保证其内部的水循环源处和各支路都设泵的分布式变频集中供热系统本文简称有源分布式变频集中供热系统这种集中供热系统在输配过程中热源泵与支路泵存在扬程匹配故存在零献7可知在分布式变频集中供热系统中支路泵选择具有较为陡峭的水泵特性曲线时系统的稳定性较好本文各节所有的支路ห้องสมุดไป่ตู้均选择具有陡峭水泵特性曲线的水泵并且陡峭程度均相同
W s 越大系统的稳定性越差， 越小系统的稳定性越好 （ 详见文献［ 7］ ）。 2. 2 传统集中供热系统计算结果 对于图 2 所示的传统集中供热系统， 系统阻抗
表1
支路 阻抗 S 支路 阻抗 S a0a' 0. 05 cc' 1. 875
分布见表 1 。
传统集中供热系统阻抗分布
aa' 3. 125 cd 0. 078 ab 0. 019 5 dd' 1. 25 bb' 2. 5 d5d' 1. 25 bc 0. 034 7
1. 017 1. 027
1 ） 根据设计流量给出系统的阻抗分布 。 2 ） 为集中供热系统选取水泵特性曲线方程 。
3 3 ） 调节支路 1 的流量， h －1。 使其流量下降 1m · 其他各支路不进行任何调节。用基尔霍夫压降定律
H0 = 340 － 23. 5 G0 + 0. 5 G0
（ b）
［ 9 ］ 频水泵， 用以泵代阀的方式输送供热媒介， 以节能 。
2 2. 1
计算过程
根据基尔霍夫压降定律及流量定律可得建立方程组， 根据 2. 1 的计算方案可得传统集中供热系统选取不 珔 Yi 、 Ws 计算结果如表 2、 同热源泵时 X 表 3 所示。 i 、
热源处设泵， 满足整个管网的供水需求。 图 2 为在 热源处不设热源泵的分布式变频集中供热系统 ， 本 文简称无源分布式变频集中供热系统， 这种集中供 故 热系统不存在热源泵与支路泵的扬程匹配问题 ， 不存在零压差点， 值得说明的是无源分布式变频集
Industrial Construction Vol. 43 ，Supplement， 2013
DOI:10.13204/j.gyjz2013.s1.189
集中供热系统稳定性研究
周 正 赵 军 颜爱斌
*
（ 中低温热能高效利用教育部重点实验室， 天津大学机械工程学院， 天津 300072 ） 摘 要： 通过理论计算的方法， 应用流量偏移系数法对比分析了各种典型集中供热系统的稳定性 。 得出
如下结论： 在所有的典型集中供热系统中， 无源分布式变频集中供热系统稳定性最好， 传统集中供热系统的 稳定性次之， 有源分布式变频集中供热系统的稳定性最差 。 有源分布式变频集中供热系统零压差点处于管 网两端稳定性较好， 处于管网中间稳定性较差 。 关键词： 集中供热系统； 稳定性； 零压差点； 分布式变频系统
［4 ］
［7 － 8 ］
等研究了供热管网优化问题。 虽然有很多 研究集中供热系统的稳定性， 但是不同类
型集中 供 热 系 统 的 稳 定 性 综 合 进 行 研 究 的 文 献 较少。 本文通过理论分析计算研究不同集中供热系统 水泵选型及不同集中供热系统稳定性优劣的问题 。 1 几种典型集中供热系统 如图 1 所示为三种典型的集中供热系统 。其在
图2
无源分布式变频集中供热系统
根据系统设计流量及阻抗分布， 利用拉格朗日 二次插值公式计算出热源泵选取较为平坦的水泵特 性曲线的水泵的水泵特性曲线方程为 ： H0 = 320 － 22. 5 G0 + 0. 5 G0 （ a） 热源泵选取选取较为陡峭的水泵特性曲线的水 泵的水泵特性曲线方程为：
图3 有源分布式变频集中供热系统
THE STUDY ON THE STABILITY OF CENTＲAL HEATING SYSTEM
Zhou Zheng Zhao Jun Yan Aibin
（ Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，MOE，School of Mechanical Engineering， Tianjin University，Tianjin 300072 ， China） Abstract： Using the flow offset coefficient methods the kinds typical central heating system ’ s stability was studied through theoretical calculations． The following conclusion was drawn： In all the typical central heating systems，the stability of the central heating system with distributed variable speed pump which does not have source pump is the best，the traditional central heating system is better，the central heating system with distributed variable speed pump which has source pump is the last； The zero pressure drop point at the two sides of the central heating system with distributed variable speed pump which has source pump is better and at the middle is worse． Keywords： central heating system； stability； zero pressure drop point； distributed variable frequency system
如何提高集中供热系统的供热能效， 降低集中 供热系统的输送能耗是集中供热系统节能的两个主 要 方 面， 目前已有很多文献进行了这方面的研 究
［1 － 3 ］
中供热系统指的是指热源外的所有供热媒介的输配 是由分布于各支路的循环泵承担的 （ 事实上热源内 仍然有循环泵保证其内部的水循环 ） 。 图 3 为在热 源处和各支路都设泵的分布式变频集中供热系统 ， 本文简称有源分布式变频集中供热系统， 这种集中 供热系统在输配过程中热源泵与支路泵存在扬程匹 7］可知在分布式变 配， 故存在零压差点。 由文献［ 频集中供热系统中支路泵选择具有较为陡峭的水泵 特性曲线时系统的稳定性较好， 本文各节所有的支 路泵均选择具有陡峭水泵特性曲线的水泵 ， 并且陡 峭程度均相同。 值得说明的是， 除了以上所列三种集中供热系统 ［ 8， 9 ］ ， ， 外 还有其他各种集中供热系统 事实上其它各种 集中供热系统最终都可以归结为如图 3 所示的三种 集中供热系统。图 2 及图 3 各支路泵均采用的是变
图4 a—零压差点为 a、 a' ； b—零压差点为 b、 b' ； c—零压差点为 c、 c' ； d—零压差点为 d、 d' ； e—零压差点为 e、 e' 零压差点不同的有源分布式变频集中供热系统系统图
系统阻抗分布及水泵的特性曲线方程， 本节所选热 源泵的水泵特性曲线与本文其它各节所选的具有较 为平坦的水泵特性曲线的热源泵的水泵特性曲线陡 峭程度相同， 本节所选支路泵的水泵特性曲线与本 文其它各节支路所选的具有较为陡峭的水泵特性曲 线的支路泵的水泵特性曲线陡峭程度相同 。为了使 有源分布式变频集中供热系统在变工况运行的条件 下零压差点位于确定的位置， 在如图三所示各系统 干管各处设置了均压管， 如各图中加粗黑线所示为 各系统均压管所在位置 （ 由于是一维平面图， 本文 图中均压管与所在支路看起来是重合的 ） ， 事实上 均压管是一条独立于支路的直接连接供回水干管某
表2
支路 珔 X i Yi Ws
计算方案 对 于 图 2 所 示 各 系 统，总 设 计 流 量 均 为 3 20 m3· h －1， h － 1 。阻抗的 各支路设计流量均为 4 m ·
2 m －5， H2 O。对于图 单位为 h · 水泵扬程的单位为 m， 2 所示各系统总体的计算方案为：
平坦型水泵特性曲线水泵计算结果
由表 2 和表 3 可见， 传统集中供热系统， 热源泵 选取具有比较平坦的水泵特性曲线的水泵系统的稳 定性更好， 即凡是处于热源或干路的循环泵均应选 取具有较为平坦的水泵特性曲线的水泵 。故本文各 节所有热源泵均选取具有较为平坦的水泵特性曲线 的水泵且陡峭程度均相同。 2. 3 无源分布式变频集中供热系统计算结果 对于图 2b 所示的无源分布式变频集中供热系
* “十一五” 国家科技支撑计划重大项目（ 2006BAJ03A06 ） 。 1986 年出生， 第一作者： 周正， 男， 硕士研究生。 电子信箱： zhouzhenghaoyun@ 126． com 收稿日期： 2013 － 00 － 00
。文献
［5 ］
题， 文献 文献 文献
［6 ］
等研究了集中供热系统的控制问 等研究了变流量的空调水冷系统问题 ，
表3
支路 珔 X i Yi Ws
陡峭型水泵特性曲线水泵计算结果
1 2 1. 027 1. 035 3 1. 039 1. 041 0. 039 3 4 1. 056 1. 045 5 1. 056 1. 045
1. 018 1. 03
7］ 及流量定律建立的各系统的方程组和文献［ 中计 X3_1 …X5_1 。 算相关公式计算 X2_1 、 4 ） 其余支路分别重复步骤 2 的调节及计算方 珔 Y i 和系统的 W s ， 案， 计算出所有 X i_k ， 计算 X 将计 i 、 算结果记录在相应表格中。 注： 1 ） 计算系统阻抗分布时流动损失的计算式为 H = SQ2 ， 式中： H 为管路的压力损失； S 为管路阻抗； Q 为流过该段管路的流量。 2 ） Xi_ k 为当 k 支路进行调节时， i 支路的流量 20
计算结果
3 1. 033 1. 030 4 1. 038 1. 036 5 1. 026 1. 038
2. 4 2. 4. 1 题
［10 ］
有源分布式变频集中供热系统计算结果 零压差点位置的选取 很多文献中都提出集中供热系统零压差点的问 ， 图 2a 和图 2b 所示系统不存在零压差点的问
题。图 2c 所示系统由于有支路泵与热源泵的扬程 ［11 ］ 故存在零压差点。 匹配问题 ， 如图 4 所示为有源分布式变频集中供热系统零 压差点位置不同时的系统图。 2. 4. 2 零压差点位置不同时的计算结果 由于篇幅所限， 本文未列出图 4 所示各系统的
（ d）
根据基尔霍夫压降定律及流量定律建立方程组 并根据 2. 1 的计算方案可得支路设泵的分布式集中 供热系统选取具有较为陡峭的水泵特性曲线的水泵 珔 Yi 、 W s 计算结果如表 5 所示。 时系统的 X i 、
表5
支路 珔 X i Yi Ws 1 1. 018 1. 018 2 1. 026 1. 022 0. 028 4
工业建筑 2013 年第 43 卷增刊
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偏离系数， 其越接近于 1 ，说明支路受 k 支路调节的 影响越小， 稳定性越好， 反之则反。 珔 3） X 表示 i i 为 i 支路流量偏移系数的平均值 ， 支路受其他支路干扰的大小。 4 ） Y i 表示 i 支路调节对其他支路影响的大小。
图1 传统集中供热系统
统， 系统的阻抗分布见表 4 。
表4
支路 S 支路 S
无源分布式变频集中供热系统阻抗分布
a0a' 0. 05 cc' 0. 625 aa' 0. 625 cd 0. 078 ab 0. 0195 dd' 0. 625 bb' 0. 625 d5d' 1. 25 bc 0. 0347
根据系统设计流量及阻抗分布， 利用拉格朗日 二次插值公式计算出各支路泵选取较为陡峭的水泵 特性曲线的水泵的水泵特性曲线方程为 ： H1 = 114 － 33 G1 + 3 G2 1 H2 = 124 － 33 G2 + 3 G2 2 H3 = 134 － 33 G3 + 3 G2 3 H4 = 144 － 33 G4 + 3 G2 4 H5 = 154 － 33 G5 + 3 G2 5
中供热系统指的是指热源外的所有供热媒介的输配是由分布于各支路的循环泵承担的事实上热源内仍然有循环泵保证其内部的水循环源处和各支路都设泵的分布式变频集中供热系统本文简称有源分布式变频集中供热系统这种集中供热系统在输配过程中热源泵与支路泵存在扬程匹配故存在零献7可知在分布式变频集中供热系统中支路泵选择具有较为陡峭的水泵特性曲线时系统的稳定性较好本文各节所有的支路ห้องสมุดไป่ตู้均选择具有陡峭水泵特性曲线的水泵并且陡峭程度均相同
W s 越大系统的稳定性越差， 越小系统的稳定性越好 （ 详见文献［ 7］ ）。 2. 2 传统集中供热系统计算结果 对于图 2 所示的传统集中供热系统， 系统阻抗
表1
支路 阻抗 S 支路 阻抗 S a0a' 0. 05 cc' 1. 875
分布见表 1 。
传统集中供热系统阻抗分布
aa' 3. 125 cd 0. 078 ab 0. 019 5 dd' 1. 25 bb' 2. 5 d5d' 1. 25 bc 0. 034 7