供热中继加压泵站节能设计探讨

文_李宏俊 中国市政工程华北设计研究总院有限公司

在供热区域地形复杂、供热距离长或原有热水网路扩建等情况下，如只在热源处设置网路循环水泵和补给水泵，往往难以满足网路和大多数用户压力工况的要求。因此，需要在网路供水或回水管道上设置中继加压泵站，以满足末端的供热需求。随着城镇规模的扩大，北方大部分城市的供热管网系统距离也在不断加长，越来越多的供热系统需要设置中继加压泵站，以满足系统水力工况的需要。

本文通过某地中继加压泵站的工程实例，探讨中继加压泵站在节能设计专篇中的几个要点，以此为设计人员作参考。通过泵站的节能设计，在后期运行过程中降低了大量的水、电能源消耗，使后期运行费用大大降低。

1 节能设计

1.1 变频调速在水泵节能设计中的应用

水泵节能离不开工况点的合理选择，而工况点受管网系统特性曲线与水泵特性曲线两方面影响。管网系统特性曲线通过调节阀门的开度来改变，水泵特性曲线通过变频调速、叶轮切削等方式来改变。从实际应用的角度来说，变频调速是最经济、最可行的调节方法，其节能效果也比改变管网系统特性曲线显著的多。

在某地中继加压泵站的设计中，通过水力计算求得水泵的额定流量为3000m3/h ，额定扬程为60m，如图所示为原管网特性曲线与工频水泵特性曲线的交点，但实际运行过程中一方面管网末端负荷远远未达到设计负荷，一方面采暖初期由于室外温度较高，管网流量也远远未达到设计流量，导致实际管网流量Q0小于额定流量，为了与管网实际流量相匹配，就需要进行调整，一般有两种调节方式，具体的管网与泵的特性曲线图详见图1。

图1 管网与泵的特性曲线图

图1中工况点A是通过调节热网系统中的阀门开度来改变管网系统特性曲线，一般是减小阀门开度，使管网流量减少，节流后管网特性曲线与工频水泵特性曲线相交于工况点A，最终达到流量Q0，扬程HA；工况点B是通过水泵变频调速，使管网流量减少，变频水泵调节后特性曲线与原管网特性曲线相交于工况点B，最终达到流量Q0，扬程HB；水泵在单个采暖中消耗的电量按下式计算：

式中N—单个采暖季水泵消耗的电量，kWh；

Q—水泵流量，Q0=2500 m3/h；

H—水泵扬程，HA=70m,HB=40m；

φ—水泵效率，为0.75；

T—单个采暖季最大负荷利用小时数，为2800h。

经过计算，在A工况点泵站水泵单个采暖季耗电量为NA=177.8万kWh；在B工况点泵站水泵单个采暖季耗电量为NB=101.6万kWh；与A工况点相比，B工况点单个采暖季节约电量为 177.8-101.6=76.2万kWh。

通过计算可以看出：变频调速可以精准调整水泵的特性曲线以匹配管网系统特性曲线，同时随着转速的调整，水泵扬程随着流量同时降低；而通过调整管网系统特性曲线的方法，在流量相同的情况下，扬程比额定扬程还要高，显而易见，前者更利于系统节能。但需要注意的是变频调速不是无限制调速，其水泵转速调整范围一般在水泵额定转速的50%～80%，这个范围内是最经济且可控的。

在选择变频调速水泵时，应注意以下几点：①选择变频调速水泵时，应大小型号相匹配，使流量调节的范围尽量处于水泵运行的高效区，这样当管网流量发生变化时，水泵的运行能够保持平稳、高效。②在扬程一定的情况下，选择变频调速水泵应使设定扬程在水泵额定转速的高效运行区间之内，同时应尽量选择此区间内效率较高的水泵，最大限度的节能节电。③合理利用水泵高效区，增大高效区流量调节范围。在变频水泵调整水泵流量时，减少能量损失，使水泵实现大范围的高效连续控制。总之在选泵时应充分考虑变频调速的区间、效率，这样泵房在后期各种工况的运行就会更加经济、节能。

1.2 高压变频器室散热设计

为了提高高压大功率变频器应用的稳定性，解决好高压变频器环境散热问题，目前常用的办法有2种：①密闭式空调冷却；②风道通风冷却。密闭式空调冷却本质上是为高压变频器提供一个固定的具有隔热保温效果的房间，根据高压变频器的发热量和房间面积的大小计算出空调制冷量，再根据空调制冷量配置一定数量的空调。当然，变频器室面积的大小也会影响空调制冷量的选择，过大的建筑面积会增加空调冷负荷，同时由于变频器排出的热风不能被空调全部吸入冷却，因此造成系统运行效率低。

由于供热中继加压泵站仅在采暖季使用，室外温度较低，故采用风道通风冷却的方式更节能，且效果更好。一般高压变频器采用风道通风冷却设计时，其功率单元内部散热系统通过安装在单元内的风机强制冷却单元里的散热器，使每一个功率单元满足散热需求，同时，由于功率单元内的热量被风机带走，使其柜体的进风处形成强力的负压，柜外的冷风大量进入高压变频器内部，通过功率单元风道对每个单元进行冷却。同时由于柜顶风机大量抽风，使密闭风室内形成强力负压，加速了热量散发，大大提高了高压变频器散热系统的散热能力和效率。这时，在高压变频器室内需要保证室内空气的温度不能过高，同时由于变频器顶部热风被大量抽走，就需要从室外补充新风，而采暖期室外空气温度低，恰好满足冷却室内温度的需求。

高压变频器室通风布置图详见图2，在本项目中，高压变频器室配置8台高压变频器。设计采用风道通风冷却的方式，将每台变频器柜顶部风扇散热通过风道引至室外，在房间另一侧装引风机两台引入室外新风，这样运行过程中热量不断排出室外，而新风通过风机不断引入室内，形成气流循环，同时由于室外空气温度低，可以保证室内温度及变频器温度不过高，满足变频器运行的环境要求。

图2 高压变频器室通风布置图

2 供水加压泵泵体冷却设计

供水管道加压泵由于供水温度高，如本工程供水设计温度120℃，其泵体在运行过程中需要不断冷却防止其热膨胀变形过大。根据本工程水泵厂家提供的冷却要求，单台水泵需要轴承外接冷却水0.3MPa，流量不小于5L/min，机封冲洗外接冷却水压力0.3MPa，流量不小于3.7L/min，供水泵共4台。冷却水量合计约2.08t/h，按单个采暖季最大负荷利用小时数2800h计算，需要的冷却水量总计约5824t/h。实际运行过程中，如此多的冷却水从冷却开始到最后排放造成了巨大的浪费。最终，通过将冷却水引至采暖用水箱，把冷却后的高温水接至采暖系统，再把采暖回水管道引出部分水至室外冷却的办法，成功将此部分冷却系统与采暖系统结合到了一起，使冷却水系统与采暖系统结合形成了一个闭式循环，不用直接排放浪费，水泵产生的热量还有一部分用于了采暖，降低了水耗，达到了节能的目的。

在实际运行过程中，仅需控制好室外冷却段的长度，即可很好地把30℃的回水温度降低至10℃，然后再将10℃的冷却水送至供水加压泵的轴承与机封处，即可满足水泵冷却要求，整个系统是封闭式系统，仅需极少量的补水，大大的降低了水耗量；同时还为室内采暖系统补充了部分热量，节约了能源。

3 结语

供热中继加压泵站内的水泵一般流量大、扬程高，通过变频调速的设计可以使水泵在流量偏离额定设计流量时也能有较高的效率和较低的能耗；高压变频器室内的散热宜采用管道通风散热的形式，利用外部空间的冷空气进行气流循环，驱散室内变频器产生的热量，相较于采用密闭空调冷却的方式更节能。供水加压泵冷却水通过与采暖系统相结合，使冷却水系统形成了封闭循环，避免了大量的水资源浪费，节约了能源。