城市集中供热管网的建设需优化中继泵站的设置

　　本文针对新建、改扩建大型长距离城市集中热水供热管网设计时，以在何处增设中继泵站既可以降低工程造价又可以节约运行费用为目标，开展了中继泵站设置位置的分析与优化研究。旨在为城市集中供热工程新建、改扩建的设提供参考。

　　近年来，我国的集中供热工程随着城市化进程的加快及保护环境、节约能源观念的增强，才得到长足的发展。城市集中供热在“三北”地区发展很快，尤其在国家实施西部开发战略以来，西部的很多城市相继新建、改建或扩建了城市集中供热系统，使我国的城市集中供热系统逐步向大规模、长距离、高参数方向发展。要想解决既有集中供热系统面临的问题，一般有两个方案，一是提高供水温度或者增加循环水泵的流量和扬程，二是在供热管网的主干管上增设中继泵站，使供热管网的水力工况和热力工况满足各热力站或各热用户的要求。其中，若采用增设中继泵站的方案，中继泵站设置在什么位置运行最经济也需要研究和比较。

　　1中继泵站设置位置的工程设计检验

　　供热系统是由热源、管网、用户组成的一个复杂系统。随着城市集中供热规模的不断发展，供热管网半径加大，随之而带来的管网失衡、热耗难以有效控制。使热网水循环所需总水泵轴功率最小的中继泵位置，在一些假设的条件下，理论上应设置在距热源厂主干线(沟槽)长度一半距离的回水干管上;但实际验证又应设置在流量等于或接近管网总循环流量与末端热力站流量之和一半的回水干管处。为何理论推导出的结果与实际验证的结果有如此的误差呢?原因主要是实际管网条件与理论推导的假设条件不同。以某一工程为例，1)理论假设管网的流量是沿线均匀分布的，而实际上绝非如此，尤其是实际工程热电厂出口至Al节点段(3440m)如此长的一段干线没有热用户，没有流量分配，因而使热水循环所需要的总水泵轴功率最小的中继泵站不在1/2处。2)实际验证结果使热网水循环所需总水泵轴功率最小的中继泵站位置也不一定正好在管网总循环流量与末端热力站流量之和一半的回水干管处。这一现象的原因也是实际条件与假设的条件不符所致。

　　2水力工况对中继泵站位置的要求与确定

　　2.1水力工况要求

　　对于一、二次管网全部采用间接连接且地势相对平坦的长距离城市集中热水供热管网，其回水中继泵站的设置需满足的主要条件为:1)在回水中继泵站的进口处，应保证其回水管动水压不低于50kPa，以防止该处回水管吸入空气。2)在回水中继泵站出口处，应保证其回水管动水压与该处供水管动水压之差不低于该处热力站要求的资用压头。

　　2.2满足水力工况要求时中继泵站的扬程

　　中继泵扬程的临界值HL是一个可满足水力工况对中继泵位置要求的一个特殊中继泵扬程数值。根据其计算公式，可以在未确定中继泵站前依据无中继泵的水力计算结果估算中继泵扬程，从而计算出中继泵站沿管道敷设中心线至热源厂的最小距离和最大距离，以初步确定中继泵站的位置范围，并可说明中继泵站设置在此范围内时满足水力工况的要求。

　　2.3中继泵站位置的确定

　　以设在回水管为例：1、中继泵进口处的回水管压力应不低于静压线高度，以防该处倒空;2、中继泵出口处的回水管压力与该处供水管压差应保证该处用户的资用压头;3、中继泵出口的回水管压力应保证低于该处用户管件的承压能力。

　　3中继泵站位置优化设计方法及应用条件

　　3.1中继泵站位置优化设计方法

　　通过前面的理论研究，可以对对长距离的城市集中供热热水管网中继泵站位置的优化设计问题做如下的总结。1)设定管网定压点的压力，先按不设中继泵站对供热主干线按一般要求做水力计算，以求出供回水主干线的总阻力、平均比摩阻、热源处供回水管的压差及供水管网的最大工作压力，若热源处供回水管的压差及供水管网的最大工作压力均较大，应考虑设置中继泵站。2)根据满足水力工况要求的研究结论，计算中继泵扬程的临界值玛，进而计算出中继泵站设置位置距热源厂的距离X(管道沟槽长度)的大致范围，即计算出Xmax、Xmin。3)计算管网的总循环流量，在管道循环水流量等于或接近管网总循环流量与末端热力站流量之和的一半，且满足Xmin≤X≤X max的回水管道处设置中继泵，并在该位置设置中继泵站。4)做供热管网设置中继泵站后的管网水力计算，并根据水力计算结果绘制管网水压图，确定中继泵的流量、扬程，核实整个管网的水力工况是否满足要求。

　　3.2应用条件

　　上述中继泵站位置的优化设计方法对较大型城市热水集中供热管网工程的设计和改造具有重要的指导意义，但在应用该方法进行中继泵站位置的优化设计时，应注意其应用条件：该优化设计方法适用于地势较为平坦的间接连接供热系统。若当地地势起伏较大或供热系统局部一、二次网采用直接连接时，需考虑因地势起伏带来的超压问题对系统产生的影响，对该优化设计方法的结论进行适当的调整和修正。另外，在实际应用时，虽然可依据“循环流量等于或接近管网总循环流量与末端热力站流量之和一半”的结论，选定中继泵站的位置，但要注意该结论的前提设定与实际不一定相符，若能根据实际情况在该位置左右附近，再选择两个设定位置进行输水能耗的计算比较，更能够优化中继泵站位置的设计。

　　4 中继泵站的泵的确定

　　水泵可以通过变频器和控制器来实现水泵调速。国外产品效率高、质量稳定，使用寿命长，产品成熟，但价格较高，而国内产品效率相对较低，质量不够稳定，同时变频水泵产品不够成熟，使用寿命短，但价格较低。

　　5 技术分析

　　从技术上看，国外产品已经有很成熟的可调速水泵产品：

　　变频器、控制器、电机和水泵集成一体化(电机最大至22kW)。即减小了设备占地面积，又有效降低设备不匹配造成的误差风险;

　　根据流量、压力、压差、温度和温差进行具体控制，满足不同要求;

　　具有通讯功能，与整个热网控制系统连接，实现统一控制，使用遥控器进行遥控控制;

　　安装调试程序简单。

　　经过从经济和技术方面的总体分析，为保证本工程顺利达到预期的效果，同时注重节能的效果，本项目最终采用了质量高而且稳定的丹麦格兰富变频调速水泵。

　　6 结语

　　对长距离且地形较平坦城市集中热水供热管网中继泵站的设置位置的优化设计的研究可得到如下结论：1)中继泵设置在回水干管上既可以降低管网的工作压力，又可以使水泵有一个较好的工作温度环境。2)中继泵站设置在循环流量等于或接近管网总循环流量与末端热力站流量之和一半的回水干管处，热网水循环所需总水泵轴功率最小，供热一次水系统输水能耗小，运行费用低。3)为了满足热网的一次水系统水力工况的要求，中继泵站设置位置一沿管道敷设中心线至热源厂的距离X应同时满足下列要求：Xmin≤X≤X max。