供熱中繼加壓泵站節能設計探討

文_李宏俊 中國市政工程華北設計研究總院有限公司

在供熱區域地形復雜、供熱距離長或原有熱水網路擴建等情況下，如只在熱源處設置網路循環水泵和補給水泵，往往難以滿足網路和大多數用戶壓力工況的要求。因此，需要在網路供水或回水管道上設置中繼加壓泵站，以滿足末端的供熱需求。隨著城鎮規模的擴大，北方大部分城市的供熱管網系統距離也在不斷加長，越來越多的供熱系統需要設置中繼加壓泵站，以滿足系統水力工況的需要。

本文通過某地中繼加壓泵站的工程實例，探討中繼加壓泵站在節能設計專篇中的幾個要點，以此為設計人員作參考。通過泵站的節能設計，在后期運行過程中降低了大量的水、電能源消耗，使后期運行費用大大降低。

1 節能設計

1.1 變頻調速在水泵節能設計中的應用

水泵節能離不開工況點的合理選擇，而工況點受管網系統特性曲線與水泵特性曲線兩方面影響。管網系統特性曲線通過調節閥門的開度來改變，水泵特性曲線通過變頻調速、葉輪切削等方式來改變。從實際應用的角度來說，變頻調速是最經濟、最可行的調節方法，其節能效果也比改變管網系統特性曲線顯著的多。

在某地中繼加壓泵站的設計中，通過水力計算求得水泵的額定流量為3000m3/h ，額定揚程為60m，如圖所示為原管網特性曲線與工頻水泵特性曲線的交點，但實際運行過程中一方面管網末端負荷遠遠未達到設計負荷，一方面采暖初期由于室外溫度較高，管網流量也遠遠未達到設計流量，導致實際管網流量Q0小于額定流量，為了與管網實際流量相匹配，就需要進行調整，一般有兩種調節方式，具體的管網與泵的特性曲線圖詳見圖1。

圖1 管網與泵的特性曲線圖

圖1中工況點A是通過調節熱網系統中的閥門開度來改變管網系統特性曲線，一般是減小閥門開度，使管網流量減少，節流后管網特性曲線與工頻水泵特性曲線相交于工況點A，最終達到流量Q0，揚程HA；工況點B是通過水泵變頻調速，使管網流量減少，變頻水泵調節后特性曲線與原管網特性曲線相交于工況點B，最終達到流量Q0，揚程HB；水泵在單個采暖中消耗的電量按下式計算：

式中N—單個采暖季水泵消耗的電量，kWh；

Q—水泵流量，Q0=2500 m3/h；

H—水泵揚程，HA=70m,HB=40m；

φ—水泵效率，為0.75；

T—單個采暖季最大負荷利用小時數，為2800h。

經過計算，在A工況點泵站水泵單個采暖季耗電量為NA=177.8萬kWh；在B工況點泵站水泵單個采暖季耗電量為NB=101.6萬kWh；與A工況點相比，B工況點單個采暖季節約電量為 177.8-101.6=76.2萬kWh。

通過計算可以看出：變頻調速可以精準調整水泵的特性曲線以匹配管網系統特性曲線，同時隨著轉速的調整，水泵揚程隨著流量同時降低；而通過調整管網系統特性曲線的方法，在流量相同的情況下，揚程比額定揚程還要高，顯而易見，前者更利于系統節能。但需要注意的是變頻調速不是無限制調速，其水泵轉速調整范圍一般在水泵額定轉速的50%～80%，這個范圍內是最經濟且可控的。

在選擇變頻調速水泵時，應注意以下幾點：①選擇變頻調速水泵時，應大小型號相匹配，使流量調節的范圍盡量處于水泵運行的高效區，這樣當管網流量發生變化時，水泵的運行能夠保持平穩、高效。②在揚程一定的情況下，選擇變頻調速水泵應使設定揚程在水泵額定轉速的高效運行區間之內，同時應盡量選擇此區間內效率較高的水泵，最大限度的節能節電。③合理利用水泵高效區，增大高效區流量調節范圍。在變頻水泵調整水泵流量時，減少能量損失，使水泵實現大范圍的高效連續控制。總之在選泵時應充分考慮變頻調速的區間、效率，這樣泵房在后期各種工況的運行就會更加經濟、節能。

1.2 高壓變頻器室散熱設計

為了提高高壓大功率變頻器應用的穩定性，解決好高壓變頻器環境散熱問題，目前常用的辦法有2種：①密閉式空調冷卻；②風道通風冷卻。密閉式空調冷卻本質上是為高壓變頻器提供一個固定的具有隔熱保溫效果的房間，根據高壓變頻器的發熱量和房間面積的大小計算出空調制冷量，再根據空調制冷量配置一定數量的空調。當然，變頻器室面積的大小也會影響空調制冷量的選擇，過大的建筑面積會增加空調冷負荷，同時由于變頻器排出的熱風不能被空調全部吸入冷卻，因此造成系統運行效率低。

由于供熱中繼加壓泵站僅在采暖季使用，室外溫度較低，故采用風道通風冷卻的方式更節能，且效果更好。一般高壓變頻器采用風道通風冷卻設計時，其功率單元內部散熱系統通過安裝在單元內的風機強制冷卻單元里的散熱器，使每一個功率單元滿足散熱需求，同時，由于功率單元內的熱量被風機帶走，使其柜體的進風處形成強力的負壓，柜外的冷風大量進入高壓變頻器內部，通過功率單元風道對每個單元進行冷卻。同時由于柜頂風機大量抽風，使密閉風室內形成強力負壓，加速了熱量散發，大大提高了高壓變頻器散熱系統的散熱能力和效率。這時，在高壓變頻器室內需要保證室內空氣的溫度不能過高，同時由于變頻器頂部熱風被大量抽走，就需要從室外補充新風，而采暖期室外空氣溫度低，恰好滿足冷卻室內溫度的需求。

高壓變頻器室通風布置圖詳見圖2，在本項目中，高壓變頻器室配置8臺高壓變頻器。設計采用風道通風冷卻的方式，將每臺變頻器柜頂部風扇散熱通過風道引至室外，在房間另一側裝引風機兩臺引入室外新風，這樣運行過程中熱量不斷排出室外，而新風通過風機不斷引入室內，形成氣流循環，同時由于室外空氣溫度低，可以保證室內溫度及變頻器溫度不過高，滿足變頻器運行的環境要求。

圖2 高壓變頻器室通風布置圖

2 供水加壓泵泵體冷卻設計

供水管道加壓泵由于供水溫度高，如本工程供水設計溫度120℃，其泵體在運行過程中需要不斷冷卻防止其熱膨脹變形過大。根據本工程水泵廠家提供的冷卻要求，單臺水泵需要軸承外接冷卻水0.3MPa，流量不小于5L/min，機封沖洗外接冷卻水壓力0.3MPa，流量不小于3.7L/min，供水泵共4臺。冷卻水量合計約2.08t/h，按單個采暖季最大負荷利用小時數2800h計算，需要的冷卻水量總計約5824t/h。實際運行過程中，如此多的冷卻水從冷卻開始到最后排放造成了巨大的浪費。最終，通過將冷卻水引至采暖用水箱，把冷卻后的高溫水接至采暖系統，再把采暖回水管道引出部分水至室外冷卻的辦法，成功將此部分冷卻系統與采暖系統結合到了一起，使冷卻水系統與采暖系統結合形成了一個閉式循環，不用直接排放浪費，水泵產生的熱量還有一部分用于了采暖，降低了水耗，達到了節能的目的。

在實際運行過程中，僅需控制好室外冷卻段的長度，即可很好地把30℃的回水溫度降低至10℃，然后再將10℃的冷卻水送至供水加壓泵的軸承與機封處，即可滿足水泵冷卻要求，整個系統是封閉式系統，僅需極少量的補水，大大的降低了水耗量；同時還為室內采暖系統補充了部分熱量，節約了能源。

3 結語

供熱中繼加壓泵站內的水泵一般流量大、揚程高，通過變頻調速的設計可以使水泵在流量偏離額定設計流量時也能有較高的效率和較低的能耗；高壓變頻器室內的散熱宜采用管道通風散熱的形式，利用外部空間的冷空氣進行氣流循環，驅散室內變頻器產生的熱量，相較于采用密閉空調冷卻的方式更節能。供水加壓泵冷卻水通過與采暖系統相結合，使冷卻水系統形成了封閉循環，避免了大量的水資源浪費，節約了能源。