分布式变频泵系统实例浅析

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分布式变频泵系统实例浅析

  【摘 要】随着集中供热负荷的不断增长，某市集中供热网已规划接入新的热源。该新热源与原有两个热电厂的热源均位于该市城西7km外的1km地域范围内，为供热管网的调整带来了较大困难。由于再敷设新的管道条件苛刻，只能利用原有两条主管道的输送余力，同时在管道压差不满足要求的地方设置加压措施。文中对两种方案进行了分析比较，一为在管网支干线增加管网回水加压泵房的方法，一为在不能满足管网压差要求的各热力站内增加回水加压泵的方法，即为采用分布式变频泵系统的方法。采用分布式变频泵系统的解决方案，较之采用管网回水加压泵房的解决方案，既节省了初投资和运行费，同时适应热负荷变化能力也较强。
  【关键词】供热 管网 分布式变频泵
  1.概述
  某市集中供热管网目前总供热面积接近1000万平米，热源为两个热电厂。随着城市的不断发展，两个热源的供热能力已经难以满足集中供热负荷的需求，目前已规划在两个热源附近建新的热电厂，利用该热电厂发电后的抽汽供热。预计该热电厂供热能力将达到300万平米，并计划于2006年接入200万平米，可解决该部分区域现有供热系统效率低、污染严重的现状，获取较好的经济效益和社会效益。
  为适应城市新增供热负荷的需要，该市集中供热网也须做出相应的调整。三个热源均位于该市城西，三个热源相互间距离很近，但距离城区较远，约为7km。管网拓扑结构示意图如图1所示：
  在2005年采暖季时，其中一个热源通过DN1000的主管道供应城东城南区域，另一个热源则通过DN800的主管道供应城西城北区域，在两个热源水泵基本满出力的运转条件下，管网最不利端热力站的资用压头刚刚能满足要求。
  由于已建的DN1000管道和DN800管道已经占据从电厂至城区的两条道路的路由，再敷设一条新管道从电厂进市已相当困难，而且投资也很高，故只考虑利用已敷设的两条供热管道把热量输送进市区的方案，在管道压差不满足要求的地方设置加压措施。如图中资用压头分界线所示，约有一半的热力站资用压头将不能满足要求。
  为解决管网输送问题，文中讨论了两种解决方案，一为在管网支干线上增加管网回水加压泵房的方法，一为在不能满足管网压差要求的热力站内增加回水加压泵的方法，即为分布式变频泵系统的方法［1］，文中对这两种方案进行了分析比较［2］。
  2.管网回水加压泵方案浅析
  2.1. 管网回水加压泵
  为解决管网输送问题，方案之一为在回水支干线上增设回水加压泵房。经水力计算发现，有三条主干线上需增加管网回水加压泵，如图2所示：
  图中所示各热力站节点对应的数据为该热力站的资用压头，图中还给出了三个回水加压泵所在位置及设计工况下的所需提供的最小扬程和最小流量，在进行设备选型时，还需考虑一定的安全系数。
  根据计算结果，可绘制出水压图如图3所示［3］［4］：
  2.2. 方案浅析
  采用管网回水加压泵房的方案有如下几个特点：
  首先，回水加压泵房的方案，系统无用功消耗大，运行费用高。回水加压泵的运行，需能满足系统中最不利用户的要求，但其他换热站仍需采用阀门调节来消耗剩余的资用压头。在设计工况下，三个回水加压泵泵房所需要提供的最小功率约为550kW，而这部分功率仅在阀门上消耗即超过50％，有效功率不到50％，节流损失是很大的。而在部分负荷时，由于各用户负荷变化的不一致性，节流损失的比例又会远远大于设计工况下的节流损失。三台回水加压泵全年功耗将超过120万度电，而在阀门上的消耗就将近70万度电，无用功消耗是惊人的。
  其次，回水加压泵房的方案，适应热负荷变化的能力较差。回水加压泵房的方案是在具体的热负荷分布情况、城市管网的拓扑结构等诸多已知条件下，经水力计算并考虑一定安全系数后形成的。但城市热负荷的发展是逐步形成的，在负荷发展初期，远端热力站未能达到设计负荷时，系统往往会因为几个供热不能达标的热力站而开启管网回水加压泵，其工作扬程、流量均会偏离设计工况，水泵很可能工作在低效区域，使得无用功消耗比例增大。而在负荷充分发展后，热负荷的分布与设计时的预想往往会产生偏差，也有可能会出现回水加压泵运行效率低的情况。
  第三，回水加压泵房的方案，初投资较大且可移动能力较差。回水加压泵泵房的建设较为复杂，需考虑占地、土建、电增容、水增容等诸多因素，初投资较大。而且，正如前所述，回水加压泵房的方案是在具体的热负荷分布情况、城市管网的拓扑结构等诸多已知条件下，经水力计算并考虑一定安全系数后形成的，设想在回水加压泵泵房建设完成后，热负荷的分布与设计时的预想产生严重偏差，或者出现集中供热网引入其它热源导致水力工况发生巨大变化时，由于回水加压泵房的位置的移动、调整较为困难，已建成的泵房就将面临报废的风险。
  3.分布式变频泵系统方案浅析
  3.1. 分布式变频泵系统
  为解决管网输送问题，方案之二为在资用压头不足的热力站增加站内回水加压泵，即构建分布式变频泵系统的方案。
  经水力计算后［5］，管网资用压头分布如图4所示：
  如图中所示为各热力站节点对应的数据为该热力站的资用压头，图中还给出了设计工况下各站回水加压泵的扬程分布情况。根据计算结果，可绘制出水压图如图5所示：
  在进行设备选型时，泵流量即为该热力站的设计流量、扬程即为该热力站资用压头不足之值，并考虑一定的安全系数后形成。如图6所示给出了各站回水加压泵的电机容量的分布曲线。
  从图中可知，由于有些站供热负荷较小使得回水加压泵工作流量小、有些站靠近热源使得回水加压泵的扬程较小，这样大部分热力站站内回水加压泵总功率在10kW以内，而最大的回水加压泵总功率也未超过30kW，一方面泵体较小，站内安装改造方便，另一方面大部分热力站无须因增加了回水加压泵发生电路改造等电增容的工作量，同时这为泵的可移动性也带来了较多的便利条件。
  3.2. 方案浅析
  较之在管网上增加回水加压泵房的第一方案，采用分布式变频泵的方案的实际上是将回水加压泵化整为零，只在供回水差压不足的热力站的站内回水管上增设变频加压泵。本方案如下几个特点：
  首先，分布式变频泵的方案，系统无用功消耗小，运行费用低。各站回水加压泵的运行，只需满足本站运行的资用压头即可。在设计工况下，各站回水加压泵所需要提供的最小功率约为200kW，而有效功率达到100％。在部分负荷时，由于各用户负荷变化的不一致性，仍可调节本站回水加压泵的转速以满足网络运行需求即可，基本无阀门的节流损失。经计算可知，约50个热力站的回水加压泵全年功耗约为50万度电。相对于管网回水加压泵房的方案节能在50％以上。
  其次，分布式变频泵的方案，回水加压泵功率小、扬程低，移动动力强，适应热负荷变化的能力也强。在城市热负荷的发展初期，远端热力站未能达到设计负荷时，可在远端几个不能满足要求的热力站增加几个扬程较小的回水加压泵即可。而在负荷充分发展后，热负荷的分布与设计时的预想往往会产生偏差时，在将扬程小的回水加压泵移动到离热源较近的热力站，而在远端用户增加扬程较高的回水加压泵。如在匹配水泵时充分考虑系统的运行工况变化，保持各水泵在调节过程中能在高效率点工作，其节能效益是不言而喻的。
  4.结论和建议
  随着集中供热负荷的增长，某市集中供热网即将在网络末端出现热力站资用压头不足的情况，为解决此问题本文针对两种方案进行了讨论，一为在管网支干线增加管网回水加压泵房的解决方案，一为在不能满足管网压差要求的地方增加热力站回水加压泵的方法，即为分布式变频泵系统的解决方案。采用分布式变频泵系统有如下好处：
  1）降低系统投资和运行费用
  采用回水加压泵房的方案阀门节流损失大，运行能耗高。该方案回水加压泵房的全年耗电将超过120万度电，而在阀门上的消耗将超过70万度电。若采用分布式变频泵的方案，可将各站回水加压泵全年总耗电降低到约50万度电。
  2）适应管网热负荷的变化能力强
  分布式变频泵的方案，由于站回水加压泵功率小、扬程低，移动动力强，适应管网热负荷变化的能力也强。但若采用回水加压泵房的方案，由于回水加压泵泵房的建设较为复杂，初投资较大且移动能力较差。若在回水加压泵泵房建设完成后，热负荷的分布与设计时的预想产生严重偏差或者集中供热网引入新的热源导致水力工况发生巨大变化时，由于回水加压泵房的位置不可能相应移动、调整，已建成的泵房将面临报废的风险。
  经分析可知，采用分布式变频泵系统的解决方案较之管网回水加压泵房的解决方案，即可降低设备初投资和管网运行费用，同时适应热负荷变化能力更强，综合考虑以上因素，采用分布式变频泵的解决方案较优。

参考文献

［1］秦绪忠.区域供热供冷输配系统动力学特性研究［D］. 北京：清华大学，2000年
［2］秦冰.集中供热系统热动态特性研究［D］. 北京：清华大学，2004年
［3］贺平、孙刚.供热工程［M］. 中国建筑工业出版社，1993年
［4］E.Я.索柯洛夫.热化与热力网［M］. 北京：机械工业出版社，1988年
［5］秦绪忠、江亿.集中供热系统的可及性分析。暖通空调，2000年