分布式變頻泵系統在供熱中的應用

王咪

（榆林市供熱有限公司，陜西 榆林 719000）

1 概況

陜西省榆林市城鎮人口規模：現狀城市人口為75萬人，近期2025年榆林市中心城區人口規模為90萬人，遠期2035年規劃人口120萬人。截至2020年底供熱面積4761萬m2。供熱形式包括：熱電聯產供熱2230萬m2；天然氣分散供熱2335m2；其他形式供熱195.9萬m2，如表1所示。

表1 榆林市中心城區供熱面積現狀

2 熱源狀況

榆能榆神熱電廠裝機總容量為2×350MW熱電聯產機組，經過熱電解耦供熱改造（低壓缸零出力/切缸）供熱能力1260MW，目前供熱1300萬m2。

匯通熱電廠裝機容量為2×350MW熱電聯產機組（配備三臺鍋爐），經過被壓改造，供熱能力595MW，目前供熱650萬m2。

榆林銀河熱電廠2×135MW凝汽式發電機組，經過熱電解耦供熱改造（低壓缸零出力/切缸）供熱能力420MW，目前供熱350萬m2。

北郊然氣調峰鍋爐房2×70MW天然氣熱水鍋爐。供熱能力140MW，供熱面積為200萬m2。

郊然氣調峰鍋爐房2×58MW天然氣熱水鍋爐。供熱能力為116MW，供熱面積為165萬m2。

綜上所述：3個熱電廠，2個調峰燃氣鍋爐房。最大供熱能力2531MW（供暖面積3615.7萬m2）。

榆林多熱源聯網供熱運行，共關聯到榆能榆神熱電供熱首站、陜西銀河榆林發電供熱首站、榆林市北部多熱源聯網中繼能源站1#、榆林市紅山熱力公司隔壓站2#、榆林市熱力有限公司隔壓站3#、匯通熱力有限公司隔壓站4#、中繼泵站5#。

3 問題的提出及分析

根據《榆林市科創新城供熱工程專項規劃（2020—2035）》規劃范圍按照在編的《榆林市國土空間總體規劃（2020—2035年）》確定。參考榆林市集中供熱的現狀布局，本集中供熱范圍供熱區域，即古城核心區、主城西沙片區、主城東沙片區、主城南郊片區、高新區、科創新城及芹河片區供熱區域。近期向西增壓給科創新城供熱，中期后向東增壓給開發區供熱，形成科創新城多熱源聯網供熱系統。隨著近幾年榆林城市建設速度的不斷加快，基礎設施的發展成為最主要的議題，而城市供暖又尤為重要。由于供熱片區區域地形復雜、供熱距離很長，現狀熱電廠設置的網路循環水泵和補給水泵難以滿足網路和大多數用戶壓力工況的要求。在此情況下，需要在網路供水管上設置網路中繼加壓泵站，有時甚至需要設置幾個補水定壓點，才能使其壓力工況滿足要用戶要求。為了解決水利不均衡問題，可在供水干管上設置分步加壓，降低熱源出口供水管的壓力；同時，通過變頻水泵增壓，同樣可以保證后部網路的高溫水不汽化。當網路循環水泵和加壓水泵停止運轉時，需要將網路截斷為兩個區域，維持不同的水靜壓線，可確保管網安全穩定運行。

榆林城區供熱還面臨著供熱站和管網一再增容，嚴重超負荷運行問題：如南郊供熱站達到6.8km，匯通供熱站達到8.6km，紅山供熱站達到5.6km，銀河供熱站達到32km。這些單位沒有采用一網分布式變頻泵系統，全部采用電廠首站、隔壓站、中繼泵站的最大循環量輸送，導致在采暖初、末期須利用電廠降低溫度進行質調節，通過循環泵后增加旁通管和差壓調節閥，來旁通部分流量。這種利用高耗能來勉強追求熱力平衡的方式，造成平均單位熱耗0.51GJ/m2；平均單位電耗3.2kW·h/m2，這對能源是一種極大的浪費。

4 分布式變頻泵系統控制原理

根據各住戶對采暖的調節情況控制各個單元的供水量。當各個單元調節供水量時，二次網的供回水壓差會發生變化，根據變化的壓差對二次泵進行變頻。循環泵變頻后，二次網的供水溫度會發生變化，再根據二次網供水溫度的變化情況調節一次網的供熱量。實現了二次網節約熱能、電能，一次網節約熱能的目的。

當用戶熱量進行調節時，二次網系統的壓差會發生相應變化。壓差傳感器感應壓差的變化，并把壓差的變化情況發送給控制器，控制器根據壓差的變化情況，通過計算得出水泵需要變頻的數據，并將指令發給變頻器。變頻器根據指令來實現水泵變頻，從而改變二次網系統流量。

5 分布式供熱與傳統供熱系統的比較

典型的分布式變頻泵供熱系統，熱源的循環泵揚程選型只需要克服熱源內部阻力，總設計流量即為供熱系統主線的熱量。各換熱站的一級網循環泵揚程的選型要在整個系統水力平衡的基礎上進行，流量選取參照換熱站一級側的設計流量。二級網水泵的揚程、流量按用戶的阻力及設計流量選取。一級循環泵的轉速通過變頻控制柜控制，變頻控制柜收集來自氣候補償器采集的室外溫度和二級管網供回水溫度。

傳統供熱系統的循環泵設置在熱源處，同時需滿足最遠、最不利用戶選擇，克服的是熱源、熱網、和用戶系統阻力總和。這種傳統設計，在供熱系統的近端用戶形成了過多的資用壓頭。為了防止管網壓力過大，須考慮降低近端用戶流量，通過設置調節閥，將多余的資用壓頭消耗掉。因此，傳統供熱系統中的無效電耗是相當可觀的。

反觀分布式變頻泵供熱系統，熱源循環泵、一級循環泵、二級循環泵均在各自的行程有效地消耗掉自身所提供的能量，因此不產生無效的電耗。分布式變頻泵供熱系統為了共同實現供熱介質的輸送，采用了分段接力循環的方式。雖然兩種供熱系統所產生的一、二級管網阻力相等，但這兩種方式循環泵克服阻力所需的功率卻不同。傳統供熱系統由于在熱源處設置循環泵，需克服全管網阻力，所以按熱網最大流量設計動力。而分布式變頻泵系統的熱源循環泵只須克服熱源內部阻力，沿途分布的循環泵負責克服外網阻力。這樣看來，分布式變頻泵供熱系統采用了較多的循環泵，但遠期來看，各個循環泵的功率卻減少了，系統耗能減少，運行費用降低。在小區換熱站中，由于不同用戶負荷變化不一致，可調節循環泵的轉速以滿足熱網運行需求，減少閥門節流損失。

6 分布式輸配系統實踐的效益分析（見表2）

表2 2020年榆林市供熱公司能耗統計

經濟效益：2020年采暖季（2230萬m2）較前幾年平均單位熱耗0.51GJ/m2下降到0.425GJ/m2，節熱率16.7%，節約熱量189.55萬GJ，節資5496.95萬元（29元/GJ）；平均單位電耗3.2kW·h/m2下降到2.68kW·h/m2，節熱率16.3%，節約電量1160萬kW·h，節資812萬元（0.7元/kW·h）。

社會效益：借助先進的自控系統，進行統一管理、統一調度，精細調整，水力、熱力自動平衡，減少了冷熱不均的現象。顯著提升熱網運行的安全性、可靠性、經濟性、提高供熱質量改善用戶均衡供熱，得到了供熱公司和用戶的一致好評。

環境效益：節能減排效益顯著，每個采暖季可節省標煤約64759t，減少二氧化碳排放168765t，二氧化硫550t，氮氧化物471t。

7 結語

由于管網長高差大，水力平衡冷熱不均很難控制，造成熱損大、電耗高。目前，分布式輸配供熱系統，多采用一次網全網分布式輸配供熱系統應用，熱源循環水泵與熱力站處于單支路循環回路，熱媒在管路中被推著走，最大的特點是水泵代替調節閥；小泵代替大泵，達到節能降耗效果。在二級網、熱入口（樓棟）、室內熱用戶系統上，基本還是維持傳統的輸送方式。這樣，二級網（熱力站）的循環水泵，還是采用傳統的設計方法設置，二級網的近段熱用戶，照樣存在超量的資用壓頭，二級網的水力失調依然存在。因此對全網實施分布式輸配供熱，能收到較好的效果。