分布式变频泵系统在供热中的应用

榆能集团榆神煤电银河供热项目部   王咪

摘　要：本文介绍了分布式变频泵供热系统的基本原理，同时作为一种新型的循环泵多点布置系统，与传统供热比较在节能、运行成本低、运行安全系数高等方面取得良好效果。

关键词：分布变频传统供热应用

　　随着集中供热系统的不断发展，供热管网规模的逐年增加，城市规划的不断调整，供给用户或热力站的负荷也发生了变化，造成了管网的局部水力失衡，局部用户或热力站的自用压头不足。同时传统的调节方式耗电多，不能满足用户的各种运行工况，特别是在大的供热系统中，其弊端尤为突出。而分布式变频系统可以解决管网的水力失衡，降低管网的输配能耗，实现管网的变流量调节。分布式变频系统所体现的这些优点使得其在越来越多的工程中得以应用。

　　截止2016年底，榆林城区可供热建筑面积3256万㎡，其中热电联产集中供热面积达到1400万㎡，主要由银河热电厂（2×135MW）、南郊热电厂（2×12MW+1×25MW）、汇通热电厂（2×50MW）和北郊调峰热水锅炉（2×70MW+1×29MW）实施供热，其中：银河热电公司供260万㎡，红山供热公司供300万㎡，南郊供热公司供200万㎡，汇通供热公司供640万㎡。现有热电厂均为小机组，环保设施差，又处于中心城区，且已达到满负荷供热。

　　因此，榆林中心城市集中供热的主要矛盾是供小于求。为了解决供需矛盾，积极响应国家环保政策，进一步提高集中供热的稳定性和可靠性，积极推动榆能榆神2×350MW热电项目、银河电厂2×135MW机组供热改造项目及西南新区2×350MW热电项目三大热源点建设。项目建成后，榆能榆神热电厂设计供热能力1370万㎡，届时关停金龙北郊电厂和南郊电厂，取代原供热面积500万㎡，并新增供热能力870万㎡；银河热电厂供热改造后，可新增供热能力500万㎡。该二项目建成投产后将完全满足中心城区供热需求。对于已建供热系统，如何在不增加新热源和不扩大热网规模的前提下，既节约能源、降低运行费用，又适应热负荷变化；对于新建的项目，如何设计、建设完善的节能供热系统。采用分布式变频泵供热系统是有效解决这些问题的优化方案。

　　陕西银河榆林发电有限公司位于榆阳区金鸡滩镇上河村，距榆林市中心约20公里，占地面积346亩，2002年注册成立，注册资本金人民币4.6亿元，总装机容量2×135MW，发电主设备为2×440T/H超高压自然循环汽包锅炉，于2004年建成投产。2014年，由省市发改委和榆林市人民政府批复，确定我公司为热电联产项目，2016年完成供热机组改造，改造完成后，最大抽气量为2×180t/h，最大供热能力260.6MW（供热面积467.86万㎡、平均热指标55.7W/㎡）2016年11月完成17个小区共计260万㎡新入网用户的支线管网、换热站建设。

　　供热区域内地势特点：热源与用户地势高差较大，供热半径长：主干线由电厂西侧，向西南方向延伸，管网总长约28.68公里，跨越沼泽地、滩地、河沟、水渠、涵洞、河床、绿化、光缆、文物、天然气、公路、高架桥等，因为该供热区域辐射距离广，传统的供热模式会有较高的总投资，且运行期管网平衡调节难度大，末端用户运行压力很高，给管网及设备造成极大的安全隐患；增设中继泵站方案因为涉及到占地、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，综合比较这三种方案后，银河供热引入了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的首选方案。

　　在传统的供热管网系统中，一般是在热源处或换热站内设有一组循环水泵，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；个别既有热用户由于用户热负荷的裱花，资用压头不够，增装了供水或回水加压泵，但由于水力难以平衡，往往对上游或下游用户产生不利影响。同时，系统末端为变流量系统，各住户根据自己需要进行采暖调节时，该住户的热量减少，节约了热能和费用，但供热系统并没有相应进行调节，没有节约热能，供热单位的能耗并没有减少，费用支出也没有减少。为了解决以上问题，实现和住户同步节约热能、费用，对系统进行了分布式变频的节能改造。随着水泵数字控制的发展，管网中的调节设备被取代为可以调频的水泵，由原来在调节阀上消耗多余的资用压头改为用分布式变频泵提供必要的资用压头。在分布式变频泵供热系统中，热源循环泵只承担热源内部的循环动力，这样既可大大降低循环泵的扬程，使得主循环泵的电机功率下降许多；同时阀门节流的能量不再白白损失，由于水泵可用变频器调速，主循环泵大大降低电能消耗，省去了调节设备，同时供热系统可工作在较低压力水平，系统安全性能公告。

　　根据各住户对采暖的调节情况控制各个单元的供水量。当各个单元调节供水量时，二次网的供回水压差会发生变化，根据变化的压差对二次泵进行变频。循环泵变频后，二次网的供水温度会发生变化，再根据二次网供水温度的变化情况调节一次网的供热量。实现了二次网节约热能、电能，一次网节约热能的目的。银河供热七巧板换热站分布式变频二级站如图。

　　当用户热量进行调节时，二次网系统的压差会发生相应变化。压差传感器感应压差的变化，并把压差的变化情况发送给控制器，控制器根据压差的变化情况，通过计算得出水泵需要变频的数据，并将指令发给变频器。变频器根据指令来实现水泵变频，从而改变二次网系统流量。

　　当二次网系统流量发生变化时，二次网系统的供水温度会相应发生变化。比如二次网流量变小时，二次网的供水温度会升高，当二次的流量变大时，二次网的供水温度会降低。二次网供水温度传感器会感应二次网供水温度，将二次网供水温度的变化情况传输给控制器，控制器根据二次网供水温度的变化情况来调节一次网电动阀开度，从而调节一次网的供水量。

　　典型的分布式变频泵供热系统如图1，热源循环泵扬程只克服热源内部阻力，热量为供热系统主线的总设计流量。各热力站的一级循环泵扬程的计算要在整个供热系统水力计算的基础上进行，流量按该热力站一级侧的设计流量选取。二级流量的扬程、流量按用户的阻力及设计流量选取。气候补偿器根据采集的室外温度、二级管网供回水温度通过变频控制柜控制一级循环泵的转速。

　　传统的供热系统，热源循环泵承担热源内部阻力和整个热网的阻力以及各用户的资用压头。选择热源循环泵的设计条件一般是满足热网最远端用户的资用压头，除了最远端用户外，大多数近端用户都采用调节阀消耗掉多余的资用压头。分布式变频系统和传统供热系统的水压图对比如图2/图3。

　　比较图2、图3可知，传统供热系统的循环泵根据最远、最不利用户选择，并设置在热源处，克服热源、热网、和用户系统阻力。这种传统设计，在供热系统的近端用户形成了过多的资用压头。为了降低近端用户流量，必须设置调节阀，将多余的资用压头消耗掉。因此，传统供热系统中的无效电耗是相当可观的。

　　传统的供热系统还容易形成冷热不均现象。由于近段用户出现过多的资用压头，在缺乏有效调节手段的情况下，近端用户很难避免流量超标，这必然造成远端用户流量不足，形成供热系统冷热不均现象。在出现冷热不均现象的同时，供热系统的远端易出现供回水压差过小，即用户资用压头不足的现象。在这种情况下，为改善供热效果，须提高远端用户的资用压头，往往采用加大循环泵和在末端增设加压泵的做法，但这易使供热系统流量超标，进而形成大流量小温差的运行方法。

　　采用分布式变频泵供热系统，热源循环泵、一级循环泵、二级循环泵提供的能量，均在各自的行程内有效地被消耗掉，因此没有无效的电耗。分布式变频泵供热系统采用分段接力循环的方式共同实现了供热介质的输送。虽然两种供热系统的一二级管网阻力相等，但这两种方式循环泵所需的功率却不同。传统供热系统由于循环泵设置在热源处，提供的动力是按热网最大流量设计的。分布式变频泵系统的热源循环泵只须克服热源内部阻力，克服外网阻力依靠沿途分布的循环泵实现。虽然分布式变频泵供热系统采用了较多的循环泵，但各个循环泵的功率却减少了；系统无功消耗减少，运行费用降低；在部分负荷时，由于各用户负荷变化的不一致性，可调节循环泵的转速以满足热网运行需求，基本无阀门的节流损失。

　　供热系统与人们的生产生活息息相关，近几年，城市规划建设不断发展，许多城市都先后采用了集中供热系统，以此来保证节约资源。分布式循环泵供热系统是一种比较新的供热系统，在社会上得到了广泛的应用。供热管网的规模不断增加的同时，集中供热系统对热力站和居民用户的负荷也产生了变化，因此导致了许多不良现象，并且，传统的供热调节方式耗电量大，资源浪费严重，而且不能够符合居民用户的使用情况，在大型的集中供热系统使用传统调节方式则会出现更大的弊端。分布式变频供热系统与传统供热系统相比，具有平衡供热管网水力、降低能源消耗、有效调节供热管网变流量的优势，因此在城市规划建设过程中被各类工程广泛应用。

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