热网中继泵站最佳位置的确定方法分析

发表时间:2016/5/27   来源:《工程建设标准化》2016年2月供稿   作者:孙家丽
[导读] (天津市津能滨海热电有限公司,天津,300163) 随着我国当前城市建设的快速发展,城市居民区的改造与扩建工程逐渐增多。

(天津市津能滨海热电有限公司,天津,300163)
 
        【摘  要】为了实现大型供热管网当中全体用户的供热需求,并尽可能的降低能源消耗,在供热管网的干路网线当中加设中继泵站是一种较为常见的方式和手段。本文主要通过对供热网路系统的水力工况计算,指出了在最低能源消耗情况下,供热管网当中中继泵站安装设置的最佳位置,并针对水泵的具体工作地点提出了相应的调整方式,借助于算例与工况分析阐述了此方案在供热管网设计当中的具体应用。
        【关键词】热力管网;中继泵;最佳位置
        随着我国当前城市建设的快速发展,城市居民区的改造与扩建工程逐渐增多,对于一些规模较大的集中供热管网而言,通常会存在供热管网的管道线路太长、高度差太大,或管网当中住户较为分散等诸多因素,因而便会导致单纯依赖于主循环水泵,无法有效的实现对全体住户的热力供应需求。为了确保对全体住户的供热需求满足,通常会采用安装高扬程水泵的方式来解决这一问题。高扬程水泵存在的诸多问题,往往会造成供热管网近端当中的住户其热力供应热量过大,压力过强。因此要改善和解决这一现状问题,最为直接、有效的方式即为于热力管网的供水或回水干路管网当中加设中继泵。下文中将主要就中继泵站的最佳位置选取展开相关的论述。
一、网路系统的水力工况计算
        要想实现在供热管网当中对于中继泵站最佳位置的科学选取,首先就要详细掌握供热管网的特征情况以及水力工况的干扰分析。在一个具有大量住户的供热管网系统当中,不同管段位置的水位压力与流量配比,直接由各管网段落当中阻力的强弱,及其热力管网各个系统之间互相连接的具体方式所决定。供热管网当中管网干路在明确之后,相应的各项参数数据也就明确了。供热管网是一种封闭式的管线系统,因此在各个管网段落当中,压力缓降的实际数值H与水力流量间的数学关系式则可表示为:
 
        在此数学关系式当中,S表示相应管网段落的阻力大小,Pa/(m3/h)2。
        在管网当中的阻力大小数值可依据相应的前置需求,依次采取理论计算的方法或检测方法来计算。由系统规划的层面来思考,管网干路的阻力大小可表示为:
 
        在此计算公式当中K表示供热管网中的各干路管网表层的磨损程度,mm;d,l,ld依次表示为供热管网干路管网的内部直径、长度、局部阻力抵消长度,m; 表示供热管网当中流动热量水力的实际密度,kg/m3。
        不论供热管网的实际规模大小的差异性,均是通过串联与并联的方式将不同的管网分段组织在一起。通过热力管网的系统特性我们能够得到,串联方式的热力管网系统、总阻力大小应当为各个分段管网系统的阻力相加所得出的数值;在并联热力管网系统当中,所有分段管网阻力相加所得出的数值,平方根倒数同并联管网各分段的阻力平方根倒数之和相等。在进行热力管网系统的总阻力运算过程当中,通常由末端供热用户依次逐渐向开端供热用户推进验算。
二、中继泵站最佳位置的确定
        加设中继泵站同热力管网供热源头间的距离为M。继而加设中继泵之后的热力供应主循环水泵的扬程便会出现明显的下降,在此种状况下中继泵站所能够供应给住户总流量,却不会发生改变,可具体表示为:
 
  
        在此项公式表达当中,L表示末端的供热管网用户到初始供热源头的实际距离,m;H1表示主循环水泵的扬程,kPa;ΔH表示供热源头内部当中水力压力的流失状况,kPa;P表示主供热管线在单位长度之下相应的水力压力损耗情况,kPa/m;Pz表示不同供热住户的水力压力,kPa。
        在确保对供热管道系统水力流量与扬程的可靠保障之下,选取效率最佳的中继水泵,相对的轴功率最小值PI,min可表示为:
 
        在此运算公式当中,g表示供热管网水力自由落体的加速度,m/s2; ,max表示主循环水泵的最大效率值。
        在供热管网干路当中所安装的中继泵,应当具备有承载水力流量QII以及扬程HII,可依据安装加设所选取位置的差异性依次表示为:
 
 
        同样的所加设的中继泵最小轴功率值PII可依据上述公式进行运算处理,结果可表示为:
        在此公式中 表示中继泵所能够发挥出的最大效率。
        最终,可依据上式运算处理得出加设中继泵之后热力管网的最低运行能量消耗P0,min,即为:
 
        将此公式进行M求导数同时使得 ,即有
         ,进而可求得在最低能耗状况下,中继泵站的最佳安装位置为:
 
三、算例及工况分析
        在供热管网的系统设计当中,若总流量为180m3/h,在未安装中继泵之时水力流量的最大压力差值为500kPa,为了方便进行运算处理,需要将中继水泵的特性曲线拟合为多项式,具体可表示为:
 
        在此计算公式当中,α0,α1,α2,•••,αn均表示为相应的待定系数。进行曲线拟合的方法多种多样,在本次研究当中选用的方法为最小二乘法,明确待定系数α0,α1,α2,•••,αn。为了将曲线拟合的过程进行简化,可取前4项数据进行拟合处理,从而可得出拟合系数 ,  
        据此可得中继泵的特性方程为:
 
        为了对上述中继泵最佳位置的正确性进行验算验证,可将中继泵站同热力管网热量源头的距离依次在相隔300,500,700m,对中继泵的实际参数及其能量损耗进行运算处理。
四、关于水泵最高效率的调整
        经过上文分析能够明显的表明,为了确保系统总能量消耗的最低值,无外乎两种方式,一种是依据所选用的水泵型号来明确中继泵站的安装位置,另一种是依据所选定的中继泵站安装位置来选取水泵型号。但是在实际的工程施工过程当中,不论是运用何种方式,实际安装的情况同理论计算间必定会存在一定的误差值。为了尽可能降低这一误差值,可采用水泵与热网供应管道线路双向调节法进行调控,即同时调节中继泵的运转速度以及热力供应管路的阀门。例如在设计过程当中,若中继泵站的位置首先被确定,那么所承载的水力流量也就得到了确认,然而此流量状况下相应的效率并不一定是最优的。此时则可通过调节热力管网的管路阀门使管路特性曲线发生改变,并且调整泵的运转速度,相应的特性曲线也变会发生改变。进而依据相关的理论推算,将曲线调整至同管路特性曲线相交于工作点,并且使系统流量依据保持qv,0。

        在供热管网当中,单纯依靠主循环泵通常无法满足全体用户的供热需求,而通过加设中继泵站则能够有效实现对全体住户的供热需求,在本次研究中对供热管网的干路管线当中中继泵加设的具体位置,通过工程演算的方法确定出了相对最为合理的位置,并进行了详细的验算操作,借助于中继泵的加设能够有效的降低能源消耗。此种方法及其验证结果在回水干路管网当中同样适用。最终希望通过本文的分析研究,能够为热力管网当中中继泵站的位置确定提供一些参考和借鉴。
        参考文献:
        [1]崔红,李国斌,冯国会等.城市热网中继站若干问题的探讨[J].节能,2015(6).
        [2]刘卫民.中继泵在集中供热系统中的技术经济性研究[D].哈尔滨工业大学,2012 (8).
        [3]孙春华.热水供热管网中水泵优化设置的研究[D].哈尔滨工业大学,2012(5).
        [4]叶文晟.武汉热电冷联产供暖期系统分析与自控研究[D].哈尔滨工程大学,2013 (6).
        [5]李洪军,余坚.从某热力工程设计谈设计优化与热网系统节能[J].工程建设与设计,2013(8).
        作者简介:
        孙家丽,出生年月:1984年7月9日,籍贯:天津,学历:研究生,职称:中级工程师,目前从事的工作:热力专工 调度长,工作单位:天津市津能滨海热电有限公司
 

 

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