分布式变频泵系统在供热中的应用

王咪

（榆林市供热有限公司，陕西 榆林 719000）

1 概况

陕西省榆林市城镇人口规模：现状城市人口为75万人，近期2025年榆林市中心城区人口规模为90万人，远期2035年规划人口120万人。截至2020年底供热面积4761万m2。供热形式包括：热电联产供热2230万m2；天然气分散供热2335m2；其他形式供热195.9万m2，如表1所示。

表1 榆林市中心城区供热面积现状

2 热源状况

榆能榆神热电厂装机总容量为2×350MW热电联产机组，经过热电解耦供热改造（低压缸零出力/切缸）供热能力1260MW，目前供热1300万m2。

汇通热电厂装机容量为2×350MW热电联产机组（配备三台锅炉），经过被压改造，供热能力595MW，目前供热650万m2。

榆林银河热电厂2×135MW凝汽式发电机组，经过热电解耦供热改造（低压缸零出力/切缸）供热能力420MW，目前供热350万m2。

北郊然气调峰锅炉房2×70MW天然气热水锅炉。供热能力140MW，供热面积为200万m2。

郊然气调峰锅炉房2×58MW天然气热水锅炉。供热能力为116MW，供热面积为165万m2。

综上所述：3个热电厂，2个调峰燃气锅炉房。最大供热能力2531MW（供暖面积3615.7万m2）。

榆林多热源联网供热运行，共关联到榆能榆神热电供热首站、陕西银河榆林发电供热首站、榆林市北部多热源联网中继能源站1#、榆林市红山热力公司隔压站2#、榆林市热力有限公司隔压站3#、汇通热力有限公司隔压站4#、中继泵站5#。

3 问题的提出及分析

根据《榆林市科创新城供热工程专项规划（2020—2035）》规划范围按照在编的《榆林市国土空间总体规划（2020—2035年）》确定。参考榆林市集中供热的现状布局，本集中供热范围供热区域，即古城核心区、主城西沙片区、主城东沙片区、主城南郊片区、高新区、科创新城及芹河片区供热区域。近期向西增压给科创新城供热，中期后向东增压给开发区供热，形成科创新城多热源联网供热系统。随着近几年榆林城市建设速度的不断加快，基础设施的发展成为最主要的议题，而城市供暖又尤为重要。由于供热片区区域地形复杂、供热距离很长，现状热电厂设置的网路循环水泵和补给水泵难以满足网路和大多数用户压力工况的要求。在此情况下，需要在网路供水管上设置网路中继加压泵站，有时甚至需要设置几个补水定压点，才能使其压力工况满足要用户要求。为了解决水利不均衡问题，可在供水干管上设置分步加压，降低热源出口供水管的压力；同时，通过变频水泵增压，同样可以保证后部网路的高温水不汽化。当网路循环水泵和加压水泵停止运转时，需要将网路截断为两个区域，维持不同的水静压线，可确保管网安全稳定运行。

榆林城区供热还面临着供热站和管网一再增容，严重超负荷运行问题：如南郊供热站达到6.8km，汇通供热站达到8.6km，红山供热站达到5.6km，银河供热站达到32km。这些单位没有采用一网分布式变频泵系统，全部采用电厂首站、隔压站、中继泵站的最大循环量输送，导致在采暖初、末期须利用电厂降低温度进行质调节，通过循环泵后增加旁通管和差压调节阀，来旁通部分流量。这种利用高耗能来勉强追求热力平衡的方式，造成平均单位热耗0.51GJ/m2；平均单位电耗3.2kW·h/m2，这对能源是一种极大的浪费。

4 分布式变频泵系统控制原理

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。

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。

5 分布式供热与传统供热系统的比较

典型的分布式变频泵供热系统，热源的循环泵扬程选型只需要克服热源内部阻力，总设计流量即为供热系统主线的热量。各换热站的一级网循环泵扬程的选型要在整个系统水力平衡的基础上进行，流量选取参照换热站一级侧的设计流量。二级网水泵的扬程、流量按用户的阻力及设计流量选取。一级循环泵的转速通过变频控制柜控制，变频控制柜收集来自气候补偿器采集的室外温度和二级管网供回水温度。

传统供热系统的循环泵设置在热源处，同时需满足最远、最不利用户选择，克服的是热源、热网、和用户系统阻力总和。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。为了防止管网压力过大，须考虑降低近端用户流量，通过设置调节阀，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。

反观分布式变频泵供热系统，热源循环泵、一级循环泵、二级循环泵均在各自的行程有效地消耗掉自身所提供的能量，因此不产生无效的电耗。分布式变频泵供热系统为了共同实现供热介质的输送，采用了分段接力循环的方式。虽然两种供热系统所产生的一、二级管网阻力相等，但这两种方式循环泵克服阻力所需的功率却不同。传统供热系统由于在热源处设置循环泵，需克服全管网阻力，所以按热网最大流量设计动力。而分布式变频泵系统的热源循环泵只须克服热源内部阻力，沿途分布的循环泵负责克服外网阻力。这样看来，分布式变频泵供热系统采用了较多的循环泵，但远期来看，各个循环泵的功率却减少了，系统耗能减少，运行费用降低。在小区换热站中，由于不同用户负荷变化不一致，可调节循环泵的转速以满足热网运行需求，减少阀门节流损失。

6 分布式输配系统实践的效益分析（见表2）

表2 2020年榆林市供热公司能耗统计

经济效益：2020年采暖季（2230万m2）较前几年平均单位热耗0.51GJ/m2下降到0.425GJ/m2，节热率16.7%，节约热量189.55万GJ，节资5496.95万元（29元/GJ）；平均单位电耗3.2kW·h/m2下降到2.68kW·h/m2，节热率16.3%，节约电量1160万kW·h，节资812万元（0.7元/kW·h）。

社会效益：借助先进的自控系统，进行统一管理、统一调度，精细调整，水力、热力自动平衡，减少了冷热不均的现象。显著提升热网运行的安全性、可靠性、经济性、提高供热质量改善用户均衡供热，得到了供热公司和用户的一致好评。

环境效益：节能减排效益显著，每个采暖季可节省标煤约64759t，减少二氧化碳排放168765t，二氧化硫550t，氮氧化物471t。

7 结语

由于管网长高差大，水力平衡冷热不均很难控制，造成热损大、电耗高。目前，分布式输配供热系统，多采用一次网全网分布式输配供热系统应用，热源循环水泵与热力站处于单支路循环回路，热媒在管路中被推着走，最大的特点是水泵代替调节阀；小泵代替大泵，达到节能降耗效果。在二级网、热入口（楼栋）、室内热用户系统上，基本还是维持传统的输送方式。这样，二级网（热力站）的循环水泵，还是采用传统的设计方法设置，二级网的近段热用户，照样存在超量的资用压头，二级网的水力失调依然存在。因此对全网实施分布式输配供热，能收到较好的效果。