变频二级泵技术的节能理论分析与实用性

                                                        天津市恒安供热发展有限公司总经理   张贺记   

    摘要：供热资源整合是供热的发展趋势，虽然可以通过大型集中供热，使锅炉效率大大提高，但也会带来管网输配能耗的增加。本文从理论上分析了全新的变频二级泵技术的节能原理，并介绍在天津恒安供热公司的实际应用中解决传统供热系统输配能耗过大的情况，表明大力推广该项技术必将有利于促进供热资源整合的顺利进行。

关键词：供热节能变频 二级泵 供热资源整合

    我公司是在 2006 年中国建筑业协会建筑节能专业委员会供热网第三次年会上初步了解变频二级泵技术的。我公司的宝平供热站， 2005 ～ 2006 年的供暖面积为 53 万平方米，其中 18 万平方米供应生活热水。 2007 ～ 2008 年决定把距供热站 6 公里外的三个新住宅小区及规划的政府行政区约 70 万平方米纳入并网规划。为解决主管网越连越长，水力失调难以解决的问题。决定与北京金房暖通节能技术公司合作，在该供热站采用 “变频二级泵技术”。

一、传统供热系统与二级泵供热系统水压图分析

    为了区分二者，以下把仅在锅炉房设主循环泵的供热系统称为传统供热系统，而后者称为二级泵供热系统。

   水压图一为传统供热系统的水压示意图，由图一可以看出传统供热系统的水压图为喇叭型水压图，供热管网越长、阻力越大，其 A-B 端开口越大，需要的循环水泵扬程越高，同时使近端用户与远端用户的压差的差距也越大，不利于水力平衡。且传统供热系统的水泵扬程、流量一经确定，其供热半径也就确定了。传统供热系统循环水泵的扬程，是由锅炉房内部阻力、锅炉房至最远端或最不利点的供回水管道阻力及换热站内部阻力三个部分组成，有供热半径的局限性。水压图二为二级泵供热系统水压示意图，由图二可看出其为哑铃型水压图，哑铃的两端有各自的循环水泵。锅炉房内的一级泵只保证锅炉及锅炉房内管网的阻力损失，各换热站内的二级泵扬程满足从锅炉房至换热站管网阻力损失及站内机组系统损失，根据换热站距离不同，各二级泵扬程选择也不同，理论上供热半径可无限延伸，没有局限性。

    为满足节能环保要求，供热资源整合是当前燃煤锅炉供热的必然趋势，整合后的锅炉房一般单台锅炉容量都大于 29MW ，如果采用传统设计，锅炉房一次循环泵扬程 H ₁ ≥ 50mH ₂ O ，而一般锅炉房内系统总阻力约 10 － 15mH ₂ O ，所以二级泵系统中锅炉房内水泵扬程 H' ₁ ≈ 20mH ₂ O 形成 H ₁ ： H' ₁ ≥ 2.5:1 。

    在传统供热系统中，不仅锅炉房内循环水泵扬程过高，而且一次网普遍存在水力失调问题，为保证各换热站热力平衡，只有人为地将富裕压头用调节阀消耗掉。而二级泵供热系统各换热站的用热是通过二级泵按需自取，各站间互不影响，不存在水力失调问题。

    综上得出变频二级泵技术有以下优点：

⑴二级泵供热系统从锅炉房内、外网至换热站承压，比传统供热系统低 2 － 3 倍，从运行上减少了安全隐患，大大延长了系统使用年限。

⑵二级泵系统供热半径比传统系统灵活性更大，这样有利于供热资源整合过程中逐步并网联片的发展。

⑶二级泵技术不存在一次网水力失调问题，供热系统稳定。

二、二级泵技术理论节能分析

动、势能的转换公式：

mgh=（ 1/2 ） mv ²

伯努力方程：

p/r（压强水头）＋ Z （位置水头）＋ V ² /2g （流速水头）＝ C （常数）

    由上述两个公式可以看出势能的大小与流体流速成平方关系；阻力与流速也是成平方关系。由此可推导出泵与风机相似率理论方程，使我们得出水泵的流量、扬程、功率与水泵的转速关系。

    即 Q/Q _m =n/n _M

      H/H _m =(n/n _m ) ²

             N/N _m =(n/n _m ) ³

    这里 Q －代表水泵流量； n －代表水泵转数； H －代表水泵扬程； N －代表水泵轴功率。

    由此可见，水泵的转数与扬程成平方关系；与功率成立方关系。在二级泵供热系统中，由于锅炉房内有解耦管，各换热站有二级泵，这样组成了两个既独立又关联的循环系统。任何一个锅炉房内内部阻力基本是定值，一般小于 20mH ₂ O ，这样使锅炉房内的循环系统水泵扬程大大降低，各二级泵的流量、扬程又是按实际需要选择，不存在传统供热系统中大马拉小车现象和水力失调等问题，并且由于采用变频技术控制，即使某些站流量发生变化也是通过降低转速节电能去实现，减少了传统系统中消耗在调节阀上的能耗。

三、宝平供热站改造成变频二级泵技术的实例分析

    恒安供热公司宝平供热站 2007 年计划把距供热站 6 公里外的三个新住宅小区及规划的政府行政区约 70 万平方米供热逐步纳入并网。由于原循环泵流量、扬程有限，计划采用“中间加压站”，对不利环路进行加压循环。但根据以往的经验，经常出现采用“中间加压站”后，反而会造成许多换热站水力失调。而在建筑节能专业委员会供热网年会上研讨的二级泵技术，使我们找到了解决远距离供热的新方法，我公司与北京金房暖通节能技术有限公司合作将宝平供热站和所属的各换热站，改成变频二级泵供热系统，加装一、二级泵及变频控制柜十六台、套，投资 60 余万元。改造前，当二台 29MW 锅炉运行时，采用 160KW 的循环水泵，当三台 29MW 锅炉运行时，采用 250KW 的循环水泵。改造后，循环水泵分别改为 75KW 和 90KW ，各换热站二级泵也按照经多次水力计算得出的结果进行选型。改造后的运行记录显示，初寒期、末寒期一般频率在 30 赫兹左右，寒冷期在 40 － 45 赫兹。取 2007 年度改造为变频二级泵系统后全冬的运行数据与 2006 年度没有改造相比较，不但收回了投资成本且节电 41 ％、节煤 23 ％。

          宝平供热站一次水系统改造前后水泵功率比较

煤、电消耗对比表（含各换热站耗电）

    通过上述两个表中数据对 2006 年度与 2007 年度能耗比较，虽然有两个年度锅炉使用率不同的影响，但从理论分析到实际应用都可证实，通过二级泵技术的应用，可以大幅度地节煤、节电，是勿庸置疑的。所以在水压图分析得出二级泵技术三大优势中应增加第⑷条，即二级泵技术的使用能显著地节约煤炭，节约电能。

四、结论

    变频二级泵供热系统是全新的供热系统，以上针对变频二级泵技术从理论到实际应用得出了四大优势，有些可能分析的不准确或用词不恰当，但二级泵实实在在的实用结果会得到供热同行的认同，我认为应在供热行业大力推广这项技术。在这里，我衷心感谢供热网温丽主任、杨建勋秘书长及丁琦工程师对恒安工作及技术改造的支持。