供熱中繼加壓泵站節(jié)能設(shè)計(jì)探討

文_李宏俊 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司

在供熱區(qū)域地形復(fù)雜、供熱距離長或原有熱水網(wǎng)路擴(kuò)建等情況下，如只在熱源處設(shè)置網(wǎng)路循環(huán)水泵和補(bǔ)給水泵，往往難以滿足網(wǎng)路和大多數(shù)用戶壓力工況的要求。因此，需要在網(wǎng)路供水或回水管道上設(shè)置中繼加壓泵站，以滿足末端的供熱需求。隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的擴(kuò)大，北方大部分城市的供熱管網(wǎng)系統(tǒng)距離也在不斷加長，越來越多的供熱系統(tǒng)需要設(shè)置中繼加壓泵站，以滿足系統(tǒng)水力工況的需要。

本文通過某地中繼加壓泵站的工程實(shí)例，探討中繼加壓泵站在節(jié)能設(shè)計(jì)專篇中的幾個(gè)要點(diǎn)，以此為設(shè)計(jì)人員作參考。通過泵站的節(jié)能設(shè)計(jì)，在后期運(yùn)行過程中降低了大量的水、電能源消耗，使后期運(yùn)行費(fèi)用大大降低。

1 節(jié)能設(shè)計(jì)

1.1 變頻調(diào)速在水泵節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

水泵節(jié)能離不開工況點(diǎn)的合理選擇，而工況點(diǎn)受管網(wǎng)系統(tǒng)特性曲線與水泵特性曲線兩方面影響。管網(wǎng)系統(tǒng)特性曲線通過調(diào)節(jié)閥門的開度來改變，水泵特性曲線通過變頻調(diào)速、葉輪切削等方式來改變。從實(shí)際應(yīng)用的角度來說，變頻調(diào)速是最經(jīng)濟(jì)、最可行的調(diào)節(jié)方法，其節(jié)能效果也比改變管網(wǎng)系統(tǒng)特性曲線顯著的多。

在某地中繼加壓泵站的設(shè)計(jì)中，通過水力計(jì)算求得水泵的額定流量為3000m3/h ，額定揚(yáng)程為60m，如圖所示為原管網(wǎng)特性曲線與工頻水泵特性曲線的交點(diǎn)，但實(shí)際運(yùn)行過程中一方面管網(wǎng)末端負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷，一方面采暖初期由于室外溫度較高，管網(wǎng)流量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)流量，導(dǎo)致實(shí)際管網(wǎng)流量Q0小于額定流量，為了與管網(wǎng)實(shí)際流量相匹配，就需要進(jìn)行調(diào)整，一般有兩種調(diào)節(jié)方式，具體的管網(wǎng)與泵的特性曲線圖詳見圖1。

圖1 管網(wǎng)與泵的特性曲線圖

圖1中工況點(diǎn)A是通過調(diào)節(jié)熱網(wǎng)系統(tǒng)中的閥門開度來改變管網(wǎng)系統(tǒng)特性曲線，一般是減小閥門開度，使管網(wǎng)流量減少，節(jié)流后管網(wǎng)特性曲線與工頻水泵特性曲線相交于工況點(diǎn)A，最終達(dá)到流量Q0，揚(yáng)程HA；工況點(diǎn)B是通過水泵變頻調(diào)速，使管網(wǎng)流量減少，變頻水泵調(diào)節(jié)后特性曲線與原管網(wǎng)特性曲線相交于工況點(diǎn)B，最終達(dá)到流量Q0，揚(yáng)程HB；水泵在單個(gè)采暖中消耗的電量按下式計(jì)算：

式中N—單個(gè)采暖季水泵消耗的電量，kWh；

Q—水泵流量，Q0=2500 m3/h；

H—水泵揚(yáng)程，HA=70m,HB=40m；

φ—水泵效率，為0.75；

T—單個(gè)采暖季最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，為2800h。

經(jīng)過計(jì)算，在A工況點(diǎn)泵站水泵單個(gè)采暖季耗電量為NA=177.8萬kWh；在B工況點(diǎn)泵站水泵單個(gè)采暖季耗電量為NB=101.6萬kWh；與A工況點(diǎn)相比，B工況點(diǎn)單個(gè)采暖季節(jié)約電量為 177.8-101.6=76.2萬kWh。

通過計(jì)算可以看出：變頻調(diào)速可以精準(zhǔn)調(diào)整水泵的特性曲線以匹配管網(wǎng)系統(tǒng)特性曲線，同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的調(diào)整，水泵揚(yáng)程隨著流量同時(shí)降低；而通過調(diào)整管網(wǎng)系統(tǒng)特性曲線的方法，在流量相同的情況下，揚(yáng)程比額定揚(yáng)程還要高，顯而易見，前者更利于系統(tǒng)節(jié)能。但需要注意的是變頻調(diào)速不是無限制調(diào)速，其水泵轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍一般在水泵額定轉(zhuǎn)速的50%～80%，這個(gè)范圍內(nèi)是最經(jīng)濟(jì)且可控的。

在選擇變頻調(diào)速水泵時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①選擇變頻調(diào)速水泵時(shí)，應(yīng)大小型號相匹配，使流量調(diào)節(jié)的范圍盡量處于水泵運(yùn)行的高效區(qū)，這樣當(dāng)管網(wǎng)流量發(fā)生變化時(shí)，水泵的運(yùn)行能夠保持平穩(wěn)、高效。②在揚(yáng)程一定的情況下，選擇變頻調(diào)速水泵應(yīng)使設(shè)定揚(yáng)程在水泵額定轉(zhuǎn)速的高效運(yùn)行區(qū)間之內(nèi)，同時(shí)應(yīng)盡量選擇此區(qū)間內(nèi)效率較高的水泵，最大限度的節(jié)能節(jié)電。③合理利用水泵高效區(qū)，增大高效區(qū)流量調(diào)節(jié)范圍。在變頻水泵調(diào)整水泵流量時(shí)，減少能量損失，使水泵實(shí)現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)控制。總之在選泵時(shí)應(yīng)充分考慮變頻調(diào)速的區(qū)間、效率，這樣泵房在后期各種工況的運(yùn)行就會更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能。

1.2 高壓變頻器室散熱設(shè)計(jì)

為了提高高壓大功率變頻器應(yīng)用的穩(wěn)定性，解決好高壓變頻器環(huán)境散熱問題，目前常用的辦法有2種：①密閉式空調(diào)冷卻；②風(fēng)道通風(fēng)冷卻。密閉式空調(diào)冷卻本質(zhì)上是為高壓變頻器提供一個(gè)固定的具有隔熱保溫效果的房間，根據(jù)高壓變頻器的發(fā)熱量和房間面積的大小計(jì)算出空調(diào)制冷量，再根據(jù)空調(diào)制冷量配置一定數(shù)量的空調(diào)。當(dāng)然，變頻器室面積的大小也會影響空調(diào)制冷量的選擇，過大的建筑面積會增加空調(diào)冷負(fù)荷，同時(shí)由于變頻器排出的熱風(fēng)不能被空調(diào)全部吸入冷卻，因此造成系統(tǒng)運(yùn)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(fēng)道通風(fēng)冷卻的方式更節(jié)能，且效果更好。一般高壓變頻器采用風(fēng)道通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)時(shí)，其功率單元內(nèi)部散熱系統(tǒng)通過安裝在單元內(nèi)的風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻單元里的散熱器，使每一個(gè)功率單元滿足散熱需求，同時(shí)，由于功率單元內(nèi)的熱量被風(fēng)機(jī)帶走，使其柜體的進(jìn)風(fēng)處形成強(qiáng)力的負(fù)壓，柜外的冷風(fēng)大量進(jìn)入高壓變頻器內(nèi)部，通過功率單元風(fēng)道對每個(gè)單元進(jìn)行冷卻。同時(shí)由于柜頂風(fēng)機(jī)大量抽風(fēng)，使密閉風(fēng)室內(nèi)形成強(qiáng)力負(fù)壓，加速了熱量散發(fā)，大大提高了高壓變頻器散熱系統(tǒng)的散熱能力和效率。這時(shí)，在高壓變頻器室內(nèi)需要保證室內(nèi)空氣的溫度不能過高，同時(shí)由于變頻器頂部熱風(fēng)被大量抽走，就需要從室外補(bǔ)充新風(fēng)，而采暖期室外空氣溫度低，恰好滿足冷卻室內(nèi)溫度的需求。

高壓變頻器室通風(fēng)布置圖詳見圖2，在本項(xiàng)目中，高壓變頻器室配置8臺高壓變頻器。設(shè)計(jì)采用風(fēng)道通風(fēng)冷卻的方式，將每臺變頻器柜頂部風(fēng)扇散熱通過風(fēng)道引至室外，在房間另一側(cè)裝引風(fēng)機(jī)兩臺引入室外新風(fēng)，這樣運(yùn)行過程中熱量不斷排出室外，而新風(fēng)通過風(fēng)機(jī)不斷引入室內(nèi)，形成氣流循環(huán)，同時(shí)由于室外空氣溫度低，可以保證室內(nèi)溫度及變頻器溫度不過高，滿足變頻器運(yùn)行的環(huán)境要求。

圖2 高壓變頻器室通風(fēng)布置圖

2 供水加壓泵泵體冷卻設(shè)計(jì)

供水管道加壓泵由于供水溫度高，如本工程供水設(shè)計(jì)溫度120℃，其泵體在運(yùn)行過程中需要不斷冷卻防止其熱膨脹變形過大。根據(jù)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(jī)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(jì)約2.08t/h，按單個(gè)采暖季最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)2800h計(jì)算，需要的冷卻水量總計(jì)約5824t/h。實(shí)際運(yùn)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(fèi)。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(tǒng)，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(tǒng)與采暖系統(tǒng)結(jié)合到了一起，使冷卻水系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)結(jié)合形成了一個(gè)閉式循環(huán)，不用直接排放浪費(fèi)，水泵產(chǎn)生的熱量還有一部分用于了采暖，降低了水耗，達(dá)到了節(jié)能的目的。

在實(shí)際運(yùn)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(jī)封處，即可滿足水泵冷卻要求，整個(gè)系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，僅需極少量的補(bǔ)水，大大的降低了水耗量；同時(shí)還為室內(nèi)采暖系統(tǒng)補(bǔ)充了部分熱量，節(jié)約了能源。

3 結(jié)語

供熱中繼加壓泵站內(nèi)的水泵一般流量大、揚(yáng)程高，通過變頻調(diào)速的設(shè)計(jì)可以使水泵在流量偏離額定設(shè)計(jì)流量時(shí)也能有較高的效率和較低的能耗；高壓變頻器室內(nèi)的散熱宜采用管道通風(fēng)散熱的形式，利用外部空間的冷空氣進(jìn)行氣流循環(huán)，驅(qū)散室內(nèi)變頻器產(chǎn)生的熱量，相較于采用密閉空調(diào)冷卻的方式更節(jié)能。供水加壓泵冷卻水通過與采暖系統(tǒng)相結(jié)合，使冷卻水系統(tǒng)形成了封閉循環(huán)，避免了大量的水資源浪費(fèi)，節(jié)約了能源。