关于城市热水集中供热系统中间加压泵设置位置的研究

关 于 城 市 热 水 集 中 供 热 系 统中 间 加 压 泵 设 置 位 置 的 研 究 摘 要 本 文 针 对 新 建 、 改 扩 建 大 型 城 市 集 中 供 热 管 网 在 设 计 、 运行 过 程 中 ， 为 降 低 工 程 造 价 和 运 行 费 用 而 增 设 中 间 加 压 水 泵 这 一业 内 普 遍 关 心 的 问 题 ， 在 分 析 、 比 较 工 程 实 例 的 基 础 上 ， 通 过 对管 网 水 力 工 况 和 能 耗 状 况 的 分 析 ， 建 立 并 求 解 影 响 变 量 与 中 间 加压 泵 位 置 之 间 的 数 学 模 型 ， 得 到 了 设 置 中 间 加 压 水 泵 最 佳 位 置 的结 论 。本 文 的 研 究 结 论 ， 通 过 工 程 实 例 对 其 正 确 性 和 准 确 性 的 检 验 ， 说明 对 指 导 城 市 集 中 供 热 工 程 新 建 、 改 扩 建 的 设 计 、 运 行 具 有 良 好的 实 用 性 和 经 济 价 值 。关 键 词 ： 供 热 管 网 中 间 加 压 泵 水 力 工 况 能 耗 状 况 最 佳 位 置 目 录第 一 章 概 述1.1 城 市 集 中 供 热 的 发 展 概 况1.2 课 题 的 由 来1.3 研 究 的 内 容 与 意 义第 二 章 中 间 加 压 泵 设 置 实 例 分 析2.1 工 程 实 例2.2 工 程 实 例 分 析 、 研 究2.3 工 程 实 例 分 析 、 研 究 结 论第 三 章 中 间 加 压 泵 位 置 优 化 研 究3.1 水 力 工 况 对 中 间 加 压 泵 位 置 的 要 求3.2 降 低 能 耗 对 中 间 加 压 泵 位 置 的 要 求 第 四 章 结 论4.1 研 究 结 论4.2 应 用 说 明4.3 工 程 实 例 检 验 退 出 第 一 章 概 述1.1城市集中供热的发展概况集 中 供 热 理 论 的 提 出 可 追 溯 到 一 百 五 十 多 年 以 前 ， 早 在 1845年 ， 伟 大 的 导 师 恩 格 斯就 预 见 到 分 散 取 暖 形 式 必 然 被 集 中 供 热 取 代 。 他 说 ： “ 就 拿 取 暖 来 说 吧 ， 不 知 浪 费 了 多少 劳 动 和 物 质 ， 每 个 房 间 必 须 有 一 个 大 火 炉 ， 每 个 火 炉 必 须 分 别 生 火 、 添 煤 和 照 顾 ； 必须 把 燃 料 送 每 一 个 房 间 ， 而 炉 灰 还 得 加 以 清 除 ， 可 是 像 目 前 的 一 些 大 的 公 共 建 筑 物 ， 如工 厂 、 教 堂 等 ， 装 置 一 个 巨 大 的 总 的 取 暖 设 备 ， 比 如 用 一 个 发 热 中 心 和 一 些 蒸 汽 管 子 来代 替 这 些 单 独 的 火 炉 ， 那 是 多 么 简 单 和 便 宜 。 ” 而 我 们 现 在 就 是 采 用 这 样 一 种 供 暖 形 式 ，即 通 过 管 道 把 热 能 输 送 到 每 一 个 建 筑 物 、 每 个 用 户 中 ， 减 少 了 室 内 空 气 的 污 染 ， 降 低 了人 力 浪 费 ， 提 高 了 室 内 的 舒 适 程 度 ， 这 是 人 类 的 一 个 巨 大 进 步 。 集 中 供 热 系 统 最 早 是 在 18世 纪 的 美 国 费 城 发 展 起 来 的 ， 当 时 由 本 杰 明 富 兰 克 林（ BenjaminFranklin） 开 发 成 功 ， 这 个 系 统 从 一 个 中 心 热 源 向 附 近 的 一 些 居 民 进 行 供 热 。 1877年 ， 世 界 上 第 一 个 商 业 化 运 行 的 集 中 供 热 系 统 在 纽 约 的 洛 克 港 （ Lockport）成 功 建 成 ， 该 系 统 由 博 德 希 尔 霍 利 (BirdsillHolly)设 计 ， 从 一 个 中 央 锅 炉 房 向 临 近的 一 些 居 民 和 其 他 用 户 供 应 蒸 汽 。 这 种 供 热 形 式 很 快 在 西 方 发 达 国 家 得 到 普 及 ， 但由 于 当 时 科 技 水 平 和 制 造 技 术 的 限 制 ， 锅 炉 容 量 小 、 效 率 低 、 污 染 物 排 放 量 大 、 供热 范 围 及 为 有 限 。自 上 个 世 纪 三 十 年 代 以 来 ， 一 些 西 方 发 达 国 家 （ 如 比 利 时 、 美 国 、 英 国 等 ） 先后 发 生 的 烟 雾 事 件 ， 使 大 规 模 的 城 市 集 中 供 热 系 统 被 逐 步 推 广 和 普 及 ， 特 别 是 1952年 12月 5日 8日 发 生 在 英 国 伦 敦 的 “ 煤 烟 型 ” 烟 雾 事 件 造 成 4000多 人 死 亡 后 ， 城 市集 中 供 热 发 展 很 快 ， 但 由 于 受 当 时 设 备 、 材 料 和 技 术 条 件 的 限 制 ， 供 热 系 统 的 规 模较 小 、 供 热 距 离 较 短 、 供 热 参 数 较 低 ， 因 此 绝 大 多 数 热 源 厂 建 在 城 市 人 口 稠 密 区 ，尽 管 对 缓 解 城 市 大 气 环 境 污 染 起 到 了 一 定 的 作 用 ， 但 仍 未 得 到 根 本 解 决 。 随 着 经 济的 快 速 发 展 、 科 学 技 术 的 进 步 、 新 型 设 备 材 料 的 发 明 ， 这 些 发 达 国 家 以 其 雄 厚 的 经济 实 力 在 较 短 的 时 间 内 ， 将 设 在 城 市 人 口 稠 密 区 的 小 锅 炉 房 拆 除 ， 取 而 代 之 的 是 远离 城 市 人 口 稠 密 区 的 大 型 、 高 效 、 环 保 的 热 源 厂 ， 使 城 市 集 中 供 热 系 统 逐 步 向 大 规模 、 长 距 离 、 高 参 数 方 向 发 展 。 我 国 的 城 市 集 中 供 热 事 业 起 步 较 晚 ， 且 曾 一 度 停 滞 发 展 ， 使 我 国 北 方 的 绝 大 多数 城 市 居 民 在 “ 烟 雾 缭 绕 ” 的 空 气 中 度 过 漫 长 的 严 冬 。 近 年 来 ， 随 着 城 市 化 进 程 的加 快 及 保 护 环 境 、 节 约 能 源 观 念 的 增 强 ， 在 借 鉴 国 内 外 城 市 集 中 供 热 系 统 规 划 、 设计 、 施 工 、 运 行 成 功 经 验 和 失 败 教 训 的 基 础 上 ， 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 。 目 前 ， 我 国 集 中 供 热 热 水 管 网 的 设 计 温 度 已 达 到 150 ， 设 计 压 力 为 2.51.6Mpa， 最 大 供 热 半 径 达 19.5km， 最 大 管 径 达 到 1400mm； 蒸 汽 管 网 最 高 温 度 已 达300 ， 压 力 一 般 为 1.0Mpa， 最 大 供 热 半 径 为 6 7km， 最 大 管 径 达 到 1000mm； 截 止到 2001年 底 ， 全 国 663个 城 市 中 有 294个 城 市 建 有 集 中 供 热 系 统 ， 供 热 总 面 积 已 达 到146328 104m2(其 中 ： 住 宅 为 95799.33 104m2)； 年 供 热 量 为 137847 104GJ（ 其 中 ：蒸 汽 37655 10 4GJ， 热 水 100192 104GJ） ； 在 年 供 热 量 中 ， 锅 炉 房 供 热 量 为74209 104GJ， 约 占 74.2%， 其 余 由 热 电 联 产 工 程 承 担 ； 供 热 管 道 总 长 度 达 到53109km（ 其 中 ： 蒸 汽 管 道 9183km， 热 水 管 道 43926km） ， 从 业 人 数 达 到22.094 104人 ； 严 寒 地 区 的 热 化 率 一 般 为 60 90%， 对 缓 解 日 趋 严 重 的 城 市 大 气 污染 、 改 善 城 市 居 民 的 生 活 质 量 和 提 高 能 源 的 综 合 利 用 率 起 到 了 重 要 的 作 用 。 此 外 ， 对 于 投 入 运 行 多 年 的 城 市 集 中 供 热 系 统 ， 由 于 城 市 化 进 程 的 加 快使 城 市 的 人 口 迅 速 增 加 和 城 市 的 规 模 不 断 扩 大 ， 在 原 有 集 中 供 热 系 统 供 热 范围 内 其 热 负 荷 增 加 很 快 ， 为 了 满 足 热 负 荷 增 加 的 需 要 ， 就 必 须 对 原 有 的 城 市集 中 供 热 系 统 进 行 适 当 的 挖 潜 和 改 造 。 但 由 于 国 家 和 地 区 经 济 的 相 对 落 后 及城 市 集 中 供 热 工 程 涉 及 面 广 、 投 资 较 大 、 建 设 周 期 较 长 等 因 素 不 可 能 大 量 地扩 建 、 更 新 原 有 管 道 。 这 样 ， 只 能 依 靠 提 高 供 水 温 度 或 者 增 加 循 环 水 泵 的 流量 和 扬 程 加 以 解 决 ， 致 使 原 有 城 市 供 热 系 统 的 供 热 规 模 和 热 媒 参 数 不 断 提 高 ，输 送 距 离 不 断 加 长 。高 效 、 环 保 的 热 源 厂 ， 使 城 市 集 中 供 热 系 统 逐 步 向 大 规 模 、 长 距 离 、 高参 数 方 向 发 展 。我 国 的 城 市 集 中 供 热 事 业 起 步 较 晚 ， 且 曾 一 度 停 滞 发 展 ， 使 我 国 北 方 的 绝 大多 数 城 市 居 民 在 “ 烟 雾 缭 绕 ” 的 空 气 中 度 过 漫 长 的 严 冬 。 近 年 来 ， 随 着 城 市 化 进 程 的 加 快 及 保 护 环 境 、 节 约 能 源 观 念 的增 强 ， 在 借 鉴 国 内 外 城 市 集 中 供 热 系 统 规 划 、 设 计 、 施 工 、 运 行 成功 经 验 和 失 败 教 训 的 基 础 上 ， 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 。目 前 ， 我 国 集 中 供 热 热 水 管 网 的 设 计 温 度 已 达 到 150 ， 设 计压 力 为 2.5 1.6Mpa， 最 大 供 热 半 径 达 19.5km， 最 大 管 径 达 到1400mm； 蒸 汽 管 网 最 高 温 度 已 达 300 ， 压 力 一 般 为 1.0Mpa， 最 大供 热 半 径 为 6 7km， 最 大 管 径 达 到 1000mm； 截 止 到 2001年 底 ， 全国 663个 城 市 中 有 294个 城 市 建 有 集 中 供 热 系 统 ， 供 热 总 面 积 已 达 到146328 10 4m2(其 中 ： 住 宅 为 95799.33 104m2)； 在 年 供 热 量 中 ， 锅 炉 房 供 热 量 为 74209 104GJ， 约 占 74.2%， 其 余 由 热电 联 产 工 程 承 担 ； 供 热 管 道 总 长 度 达 到 53109km（ 其 中 ： 蒸 汽 管 道 9183km，热 水 管 道 43926km） ， 从 业 人 数 达 到 22.094 104人 ； 严 寒 地 区 的 热 化 率 一 般为 60 90%， 对 缓 解 日 趋 严 重 的 城 市 大 气 污 染 、 改 善 城 市 居 民 的 生 活 质 量 和提 高 能 源 的 综 合 利 用 率 起 到 了 重 要 的 作 用 。此 外 ， 对 于 投 入 运 行 多 年 的 城 市 集 中 供 热 系 统 ， 由 于 城 市 化 进 程 的 加 快使 城 市 的 人 口 迅 速 增 加 和 城 市 的 规 模 不 断 扩 大 ， 在 原 有 集 中 供 热 系 统 供 热范 围 内 其 热 负 荷 增 加 很 快 ， 为 了 满 足 热 负 荷 增 加 的 需 要 ， 就 必 须 对 原 有 的城 市 集 中 供 热 系 统 进 行 适 当 的 挖 潜 和 改 造 。 但 由 于 国 家 和 地 区 经 济 的 相 对落 后 及 城 市 集 中 供 热 工 程 涉 及 面 广 、 投 资 较 大 、 建 设 周 期 较 长 等 因 素 不 可能 大 量 地 扩 建 、 更 新 原 有 管 道 。 这 样 ， 只 能 依 靠 提 高 供 水 温 度 或 者 增 加 循环 水 泵 的 流 量 和 扬 程 加 以 解 决 ， 致 使 原 有 城 市 供 热 系 统 的 供 热 规 模 和 热 媒参 数 不 断 提 高 ， 输 送 距 离 不 断 加 长 。 年 供 热 量 为 137847 10 4GJ（ 其 中 ： 蒸汽 37655 104GJ， 热 水 100192 104GJ） ； 1.2课题的由来由 于 供 热 规 模 的 扩 大 、 热 媒 参 数 的 提 高 、 输 送 距 离 加长 ， 对 热 网 循 环 水 泵 和 管 道 及 其 附 件 的 材 质 提 出 了 更 高的 要 求 ， 而 热 网 循 环 水 泵 的 扬 程 和 管 道 及 其 附 件 的 材 质直 接 关 系 到 工 程 的 造 价 和 运 行 费 用 。 如 何 在 满 足 供 热 要求 的 前 提 下 尽 量 降 低 热 网 造 价 和 运 行 费 用 就 成 为 目 前 供热 行 业 科 研 人 员 关 注 的 焦 点 ， 有 关 这 一 问 题 尽 管 有 些 论文 进 行 了 定 性 的 探 讨 ， 但 始 终 未 对 其 进 行 定 量 的 分 析 、比 较 和 论 证 。 1.3研究的内容与意义 1.3.1研究内容通 过 工 程 实 例 的 对 比 、 分 析 ， 筛 选 出 设 置 中 间 加 压 泵 站 的 主 要影 响 因 素 ， 将 这 些 影 响 因 素 间 的 内 在 关 系 通 过 建 立 数 学 模 型 进 行 表达 ， 求 解 这 些 数 学 表 达 式 中 间 加 压 泵 站 设 置 的 最 佳 方 案 。1.3.2研究意义近 年 来 ， 我 国 城 市 集 中 供 热 事 业 发 展 十 分 迅 猛 ， 集 中 供 热 的 规模 越 来 越 大 、 热 媒 参 数 越 来 越 高 、 输 送 距 离 越 来 越 长 。 为 了 降 低 新建 、 改 扩 建 热 网 工 程 造 价 及 减 少 热 网 主 循 环 水 泵 容 量 、 降 低 运 行 费用 ， 国 内 外 的 通 行 做 法 是 在 热 网 的 适 当 位 置 增 设 中 间 加 压 泵 站 可 得到 较 为 圆 满 的 解 决 ， 而 适 当 位 置 究 竟 设 在 何 处 最 为 适 当 ， 成 为 本 课题 所 要 解 决 的 问 题 ， 这 一 问 题 的 解 决 对 于 指 导 城 市 集 中 供 热 工 程 新建 、 改 扩 建 的 设 计 、 运 行 具 有 重 要 的 现 实 意 义 和 经 济 意 义 。 第 二 章 中 间 加 压 泵 位 置 实 例 分 析2.1工程实例我 国 北 方 某 城 市 大 型 热 电 联 产 集 中 供 热 系 统 的 管 道 平 面布 置 图 及 管 道 水 力 计 算 图 详 见 附 图 1和 附 图 2。 该 供 热 系 统 的供 热 面 积 为 861 104m2， 供 热 面 积 热 指 标 为 65W/m2， 设 计 热负 荷 为 2015GJ/h， 年 供 热 时 间 为 4320小 时 ， 年 供 热 量 为4559940GJ， 供 回 水 温 度 为 130/70 ， 循 环 流 量 8021t/h； 定 压点 设 在 热 电 厂 中 央 换 热 站 主 循 环 水 泵 入 口 处 ， 定 压 值 为370kPa； 该 工 程 设 置 热 力 站 49座 （ 其 中 ： 新 建 热 力 站 17座 ，利 用 旧 锅 炉 房 进 行 改 造 32座 ） ， 各 热 力 站 的 供 热 面 积 及 一 次网 流 量 见 表 2.1， 一 、 二 次 管 网 全 部 采 用 间 接 连 接 。 表 2.1 热 力 站 汇 总 表 (1)编 号 热 力 站 位 置 供 热 面 积 （ 104m2） 热 负 荷 （ GJ/h） 一 次 网 流 量 （ t/h）所 在 位 置 供 热 范 围 近 期 远 期 近 期 远 期 近 期 远 期101 J10 J10 12.26 19.00 28.69 44.46 114.24 177.04102 H 12 H12 14.08 17.96 32.95 42.03 131.20 167.35103 G12 G12 18.32 19.32 42.87 45.21 170.70 180.02104 G11 G11 12.83 13.97 30.02 32.69 119.55 130.17105 H11 H11、 J8 13.78 17.13 32.25 40.08 128.40 159.62106 G10 G10 13.61 14.00 31.85 32.76 126.82 130.45107 G 10 G9、 G10 17.37 17.92 40.65 41.93 161.85 166.98108 H10 H9、 H11、 J8 14.31 19.76 33.49 46.24 133.34 184.12109 G9 G9 18.21 19.00 42.61 44.46 169.68 177.04110 H9 H9、 J7 17.52 21.40 41.00 50.08 163.25 199.40111 G9 G9 17.73 18.50 41.49 43.29 165.21 172.38112 G 8 G7、 G8 15.75 19.32 36.86 45.21 146.76 180.02113 H7 H7、 H8、 J6 9.89 18.52 23.14 43.34 92.15 172.57114 G6 G5、 G6 7.44 17.47 17.41 40.88 69.33 162.78115 H5 H5、 H6、 J4、 J5 10.28 19.95 24.06 46.68 95.79 185.89 表 2.1 热 力 站 汇 总 表 (2)编 号 热 力 站 位 置 供 热 面 积 （ 104m2） 热 负 荷 （ GJ/h） 一 次 网 流 量 （ t/h） 16.57 44.72 65.97 178.06所 在 位 置 供 热 范 围 近 期 远 期 近 期 远 期 近 期 远 期118 D1 D1 9.47 19.50 22.16 45.63 88.24 181.70119 C 0 C0、 C1 9.22 19.00 21.57 44.46 85.91 177.04120 J10 J9、 J10 13.62 18.68 31.87 43.71 126.91 174.06121 J9 J9 16.93 19.00 39.62 44.46 157.75 177.04122 K8 K8 10.54 16.31 24.66 38.17 98.21 151.97123 K8 K8 10.53 16.30 24.64 38.14 98.12 151.88124 K 7 K6、 K7 11.47 19.21 26.84 44.95 106.88 179.00125 D5 D5 17.80 18.85 41.65 44.11 165.86 175.64126 D4 D4 8.05 12.57 18.84 29.41 75.01 117.13127 E7 E7、 E8 14.33 21.11 33.53 49.40 133.53 196.70128 F6 F5、 F6、 G7 5.68 14.08 13.29 32.95 52.93 131.20129 E 6 D3、 E6 6.18 11.78 14.46 27.57 57.58 109.76130 E5 D2、 E5 7.41 16.77 17.34 39.24 69.05 156.26131 F3 F3、 F4 5.77 17.17 13.50 40.18 53.76 159.99132 G3 G3、 H3 6.76 17.13 15.82 40.08 62.99 159.62133 F2 F2 3.07 11.11 7.18 26.00 28.61 103.52 表 2.1 热 力 站 汇 总 表 (3)编 号 热 力 站 位 置 供 热 面 积 （ 104m2） 热 负 荷 （ GJ/h） 一 次 网 流 量 （ t/h） 15.02 49.47 59.82 196.98所 在 位 置 供 热 范 围 近 期 远 期 近 期 远 期 近 期 远 期136 E3 E3、 E4 5.30 15.94 12.40 37.30 49.38 148.53137 E 2 E2 6.58 19.38 15.40 45.35 61.31 180.58138 C8 C8 3.89 12.54 9.10 29.34 36.25 116.85139 C7 C7 8.29 18.43 19.40 43.13 77.25 171.73140 A4 A4 6.69 18.04 15.65 42.21 62.34 168.09141 C6 C6 11.42 17.62 26.72 41.23 106.41 164.18142 C 5 C4、 C5 17.26 18.60 40.39 43.52 160.83 173.31143 A3 A3 5.81 15.22 13.60 35.61 54.14 141.82144 B4 B4、 C4 13.80 19.96 32.29 46.71 128.59 185.98145 A2 A2 6.08 18.62 14.23 43.57 56.65 173.50146 B3 B3、 C3 12.29 20.01 28.76 46.82 114.52 186.45147 A 1 A1 3.68 10.61 8.61 24.83 34.29 98.86148 C2 B2、 C2 6.94 21.26 16.24 49.75 64.67 198.10149 B1 B1、 B2、 C1 8.74 18.00 20.45 42.12 81.44 167.72合 计 511.99 860.84 1198.05 2014.37 4770.67 8021.21 该 供 热 系 统 的 热 源 为 距 离 市 区 中 心 6.3km处 的 东 郊 热 电 厂 ， 厂内 装 设 2台 300MW抽 汽 凝 汽 机 组 ， 其 机 炉 配 置 情 况 见 表 2.2表2.3。 厂 区 的 中 央 换 热 站 出 口 管 管 径 为 DN1200mm， 主 干 线 总 长度 为 13630m， 其 中 ： 从 热 电 厂 出 口 至 A1节 点 段 为 架 空 敷 设 ， 其余 管 道 均 采 用 有 补 偿 直 埋 敷 设 。为 降 低 热 电 厂 主 循 环 水 泵 的 扬 程 和 管 道 及 其 附 件 的 压 力 等 级 ，该 工 程 在 节 点 A1前 设 置 了 回 水 加 压 泵 站 。 表 2.2 锅 炉 技 术 条 件 表项 目 锅 炉型 号 DG-1025/17.6-540/540-YM型 式 亚 临 界 、 一 次 再 热 、 自 然 循 环 汽 包 锅 炉 、 固 态 排 渣最 大 蒸 发 量 1025t/h额 定 过 热 蒸 汽 出 口 压 力 17.5Mpa(g)（ 表 压 ）额 定 过 热 蒸 汽 出 口 温 度 540再 热 蒸 汽 进 口 流 量 840.256t/h 再 热 蒸 汽 进 出 口 压 力 3.899/3.510Mpa再 热 蒸 汽 进 出 口 温 度 327.3/540给 水 温 度 280.5排 烟 温 度 131效 率 92.8%结 构 全 钢 结 构 表 2.3 汽 轮 机 技 术 条 件 表项 目 汽 轮 机型 号 C300/220-16.67/537/537型 式 亚 临 界 、 中 间 再 热 、 单 抽 汽 、 冷 凝 式转 速 3000r/min主 汽 门 前 蒸 汽 压 力 16.67Mpa 主 汽 门 前 蒸 汽 温 度 537再 热 冷 /热 段 蒸 汽 压 力 3.899/3.510Mpa再 热 冷 /热 段 蒸 汽 温 度 327.3/537进 汽 量 （ 纯 凝 /额 定 抽 汽 /最 大 抽 汽 ） 944.5/894.8/1025t/h发 电 功 率 （ 纯 凝 /抽 汽 ） 300/232.197MW低 压 缸 排 汽 压 力 （ 纯 凝 /抽 汽 ） 4.9/3.43Kpa采 暖 抽 汽 压 力 0.35Mpa 采 暖 抽 汽 量 （ 额 定 /最 大 ） 430/620t/h抽 汽 焓 （ 额 定 /最 大 ） 2959/2934.7KJ/Kg采 暖 供 热 量 （ 额 定 /最 大 ） 1019.53/1454.95GJ/h 2.2 工程实例分析、研究为 了 全 面 分 析 、 比 较 循 环 水 泵 的 设 置 对 热 网 建 设 及 其 运行 的 影 响 ， 本 课 题 针 对 中 间 加 压 泵 可 能 出 现 的 四 种 情 况 （ 即 ：不 设 置 中 间 加 压 泵 、 在 供 水 管 上 设 置 中 间 加 压 泵 、 在 回 水 管上 设 置 中 间 加 压 泵 、 在 供 回 水 管 上 均 设 置 中 间 加 压 泵 ） 并 按靠 近 （ 在 节 点 A1前 距 热 电 厂 4360米 处 位 置 一 ） 和 远 离（ 在 节 点 A16A17之 间 距 热 电 厂 8990米 处 位 置 二 ） 热 电厂 分 别 设 置 中 间 加 压 泵 共 七 个 方 案 进 行 分 析 、 研 究 。 根 据 实 例 工 程 管 网 各 管 段 的 设 计 流 量 、 管 径 、 长 度 按 下 式 1对 管 道 沿 程 阻 力 、局 部 阻 力 和 总 阻 力 进 行 计 算 。P=Py+Pj=Py+Py=Py(1+)=RL (1+) 103(2-1)式 中 P管 道 阻 力 （ KPa）Py管 道 沿 程 阻 力 （ KPa） ，Py=RL 103(2-2)Pj管 道 局 部 阻 力 （ KPa） ，P j=Py(2-3)局 部 阻 力 与 沿 程 阻 力 的 比 值 ， DN400mm的 管 道 取 0.3， DN400mm的 管 道 取0.41。R管 道 实 际 比 摩 阻 （ Pa/m）L计 算 管 段 长 度 （ m）按 式 （ 2-1） （ 2-3） 对 管 网 主 干 线 进 行 水 力 计 算 ， 各 个 方 案 的 计 算 结 果 详 见 附 表14， 其 主 要 结 果 数 据 见 表 2.4。 2.2.1水力计算 方案 说 明 中 间 泵 位置 始 端 压 力 与 压 差 （ KPa） 末 端 压 力 与 压 差 （ KPa）供 水 回 水 压 差 供 水 回 水 压 差一 不 设 中 间 泵 1924.0 370.0 1554.0 1197.0 1097.0 100.0二 在 供 水 管 上 设 中间 泵 X=4360 888.6 370.0 518.6 1197.0 1097.0 100.0X=8990 1448.8 370.0 1078.8 1197.0 1097.0 100.0 三 在 回 水 管 上 设 中间 泵 X=4360 1394.7 370.0 1024.7 667.7 567.7 100.0X=8990 1448.8 370.0 1078.8 721.8 621.8 100.0四 在 供 回 水 管 上 均设 中 间 泵 X=4360 888.6 370.0 518.6 667.7 567.7 100.0X=8990 1448.8 370.0 1078.8 959.4 859.4 100.0注 ： X表 示 距 热 电 厂 中 换 热 站 的 管 线 长 度 （ m） 表 2.4 各 方 案 水 力 计 算 主 要 结 果 数 据 2.2.2水压图 根 据 定 压 点 压 力 （ 370KPa） 、 供 回 水 管 末 端 压 差 （ 100KPa） 以 及 水 力 计 算 成 果 绘 制 的 各 方案 主 干 线 的 水 压 图 见 图 2.1、 图 2.2、 图 2.3、 图 2.4、 图 2.5、 图 2.6、 图 2.7。 图 2.1不 设 中 间 加 压 水 泵 主 干 线 水 压 图 (方 案 一 ) 1197.0 1924.0 1097.0 370.0 0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 管 线 长 度 （ m） 压 力 (KPa) 图 2.2在 供 水 管 上 设 中 间 加 压 水 泵 主 干 线 水 压 图 (X=4360m) 888.6 679.3 1197.0 370.0 1097.0 579.3 1714.7 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 1800.0 2000.0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 管 线 长 度 （ m） 压 力 (KPa) 图 2.3在 供 水 管 上 设 中 间 加 压 水 泵 主 干 线 水 压 图 (X=8990m) 1448.8 1197.0 1434.6 959.4 370.0 1097.0 859.4 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 管 线 长 度 （ m） 压 力 (KPa) 图 2.4在 回 水 管 上 设 中 间 加 压 泵 主 干 线 水 压 图 (X=4360m) 1185.4 667.7 1394.7 50.0 567.7 370.0 579.3 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 管 线 长 度 （ m） 压 力 (KPa) 图 2.5在 回 水 管 上 设 中 间 加 压 泵 主 干 线 水 压 图 (X=8990m) 959.4 721.8 1448.8 859.4 384.2 621.8 370.0 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 管 线 长 度 （ m） 压 力 (KPa) 图 2.6在 供 回 水 管 上 均 设 中 间 加 压 泵 主 干 线 水 压 图 (X=4360m) 888.6 679.3 667.7 1185.4 370.0 567.7 50.0 579.3 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 管 线 长 度 （ m） 压 力 (KPa) 图 2.7在 供 回 水 管 上 均 设 中 间 加 压 泵 主 干 线 水 压 图 (X=8990m) 959.4 1197.0 959.4 1448.8 859.4 621.8 859.4 370.0 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 管 线 长 度 （ m） 压 力 (KPa) 通 过 对 以 上 各 图 的 分 析 ， 当 管 网 规 模 和 定 压 点 一 定 时 ， 在 满 足 整 个 管网 以 及 各 热 用 户 水 力 工 况 的 前 提 下 ， 可 以 得 到 如 下 结 论 ：1.在 供 热 管 网 上 增 设 中 间 加 压 水 泵 可 有 效 地 降 低 管 网 的 运 行 压 力 ， 使 管 道 及其 附 件 的 选 择 更 加 容 易 、 造 价 更 为 低 廉 。 如 图 2.1不 设 中 间 水 泵 的 情 况 下 ，管 道 及 其 附 件 必 须 采 用 2.5Mpa压 力 等 级 的 产 品 ； 增 设 中 间 加 压 泵 后 ， 除 图2.2反 映 的 情 况 外 ， 其 余 均 可 采 用 1.6Mpa压 力 等 级 的 管 道 及 其 附 件 ， 使 管 网的 建 设 投 资 得 以 有 效 降 低 。2.当 位 置 一 定 的 情 况 下 ， 在 供 水 管 和 回 水 管 上 同 时 设 置 中 间 加 压 水 泵 对 降 低管 网 运 行 压 力 最 为 有 效 。 但 在 供 水 管 上 设 置 中 间 加 压 水 泵 需 采 用 耐 高 温 产品 ， 对 水 泵 生 产 企 业 的 要 求 较 高 ， 目 前 在 工 程 实 践 中 没 有 应 用 的 先 例 ， 可采 取 在 回 水 管 上 设 置 中 间 加 压 泵 站 。 1、水泵的流量G与扬程H：按 照 下 面 公 式 16进 行 计 算 。G = 1.1Q0 m3/s (2-4)tc式 中 G循 环 水 泵 的 流 量 （ m3/s） ；Q0水 泵 负 担 的 总 供 热 量 （ W） ；t供 回 水 温 度 差 （ ） ；C水 的 比 热 （ J/kg ） ；水 的 密 度 （ kg/m3） ；2.2.3水泵轴功率 1.1安 全 裕 量 。H = 1.11.2P mH 2O (2-5)g式 中 H水 泵 的 扬 程 （ mH2O）P管 道 阻 力 （ KPa） ；g重 力 加 速 度 （ m/s 2） ；1.11.2安 全 裕 量 ， 本 课 题 取 1.15。 根 据 公 式 （ 2-4） 和 （ 2-5） 以 及 水 力 计 算 成 果 计 算 得 到 各 个 方案 的 中 央 主 循 环 泵 和 中 间 加 压 循 环 泵 的 流 量 和 扬 程 数 据 见 表 2.5。2、水泵的轴功率：按 照 下 面 公 式 16进 行 计 算 。N = K AG H K W (2-6)102 式 中 N水 泵 的 轴 功 率 （ KW） ；KA电 机 容 量 安 全 系 数 ， N100KW时 ，KA=1.051.08， 本 课 题 取 1.06；水 泵 总 效 率 ， 为 研 究 方 便 ， 本 课 题 不 考 虑 水 泵构 造 产 生 的 影 响 ， 故 将 其 值 取 为 1.0；其 它 符 号 意 义 同 前 。根 据 公 式 （ 2-6） 以 及 各 个 方 案 的 中 央 主 循 环 泵 和 中 间加 压 循 环 泵 的 流 量 和 扬 程 数 据 计 算 得 到 的 各 方 案 中 央主 循 环 泵 和 中 间 加 压 循 环 泵 的 轴 功 率 见 表 2.5。 方案 位 置 扬 程 （ mHO2） 流 量 （ t/h） 轴 功 率 （ KW） 工 作 温 度 （ ）主 泵 中 间 泵 主 泵 中 间 泵 主 泵 中 间 泵 合 计 主 泵 中 间 泵一 193.9 8822 4938.0 4938.0 70 二 X=4360 72.5 121.4 8822 7710 1846.8 2701.6 4548.4 70 130X=8990 138.2 55.7 8822 3068 3519.3 493.4 4012.7 70 130三 X=4360 131.8 62.0 8822 7710 3357.8 1381.1 4738.9 70 70X=8990 138.2 55.7 8822 3068 3519.3 493.4 4012.7 70 70 四 X=4360 72.5 59.3 8822 7710 1846.8 1320.5 4548.4 70 13062.1 7710 1381.1 70X=8990 138.2 27.9 8822 3068 3519.3 246.7 4012.7 70 13027.9 3068 246.7 70注 ： 表 中 水 泵 扬 程 已 考 虑 1.15的 安 全 系 数 。 表 2.5 水 泵 流 量 、 扬 程 、 计 算 轴 功 率 对 比 表 通 过 对 各 个 方 案 水 泵 的 流 量 、 扬 程 、 轴 功 率 的 分 析 、 计 算 和 对 比 ， 可 以 得 出以 下 结 论 ：1、 在 满 足 水 力 工 况 要 求 的 前 提 下 ， 不 设 中 间 加 压 水 泵 时 ， 即 只 在 热 源 厂 中央 换 热 站 设 置 主 循 环 水 泵 时 ， 供 热 管 网 水 循 环 所 需 总 轴 功 率 最 大 ， 达 到4938KW， 中 央 换 热 站 主 循 环 水 泵 的 扬 程 最 高 ， 达 194mHO2。 这 样 高 扬 程 、大 容 量 的 热 水 循 环 水 泵 ， 目 前 国 内 外 还 没 有 连 续 、 稳 定 、 可 靠 运 行 的 成 功 先例 。2、 在 满 足 水 力 工 况 要 求 的 前 提 下 ， 在 供 回 水 管 上 增 设 中 间 加 压 水 泵 可 以 有效 地 降 低 供 热 管 网 水 循 环 所 需 的 总 轴 功 率 （ 主 循 环 泵 与 中 间 加 压 泵 轴 功 率 之和 ） ， 且 中 间 加 压 泵 离 热 源 厂 越 远 ， 管 网 水 循 环 所 需 的 总 轴 功 率 越 小 。3、 在 其 它 条 件 不 变 的 情 况 下 ， 管 网 水 循 环 所 需 的 总 轴 功 率 与 中 间 加 压 水 泵的 设 置 位 置 有 关 ， 而 与 设 在 供 水 管 还 是 回 水 管 上 关 系 不 大 。 通 过 对 以 上 四 种 方 案 七 种 情 况 下 管 网 的 水 力 工 况 、 水 泵 能 耗 的 分 析 、 比 较 和研 究 后 可 以 定 性 结 论 如 下 ：1.在供水管和回水管上增设中间加压泵均可以有效地降低管网的压力水平，但其工作条件和水力工况差别较大。在 供 水 管 上 设 置 中 间 加 压 泵 ， 管 网 的 压 力 水平 尽 管 有 所 降 低 ， 但 仍 高 于 在 回 水 管 上 设 置 中 间 加 压 泵 的 压 力 水 平 ， 而 且 其 热媒 的 工 作 温 度 高 达 130 ， 远 高 于 回 水 温 度 70 ， 这 种 大 容 量 的 耐 高 温 水 泵 不仅 难 以 选 择 ， 而 且 难 以 保 证 安 全 、 可 靠 、 经 济 有 效 地 运 行 ， 目 前 还 没 有 成 功 的设 计 和 运 行 实 例 。 因 此 ， 在 大 型 高 温 水 城 市 集 中 供 热 系 统 的 设 计 中 ， 为 使 水 泵安 全 、 可 靠 、 经 济 有 效 地 运 行 ， 同 时 在 满 足 供 热 要 求 的 前 提 下 尽 可 能 降 低 管 网的 压 力 水 平 ， 将 中 间 加 压 泵 设 在 回 水 管 上 是 经 济 、 合 理 的 选 择 。2.在满足水力工况和供热要求的前提下，尽可能使中间加压泵远离热源厂，使管网水循环所需总轴功率尽可能减小。2.3工程实例分析、研究结论 通 过 对 工 程 实 例 的 分 析 和 比 较 可 以 看 出 ， 对 于 大 型 高 温 水 城 市 集 中 供 热 系 统而 言 ， 从 技 术 、 经 济 及 安 全 可 靠 性 考 虑 ， 在 供 水 管 上 设 置 中 间 加 压 泵 是 不 科学 和 不 可 行 的 ， 且 实 用 意 义 和 价 值 不 大 。 因 此 本 课 题 只 对 回 水 管 上 设 置 中 间加 压 泵 进 行 优 化 研 究 和 探 讨 。3.1水力工况对中间加压泵位置的要求3.1.1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 城 市 供 热 管 网 ， 其 回水 加 压 泵 站 的 设 置 需 满 足 的 主 要 条 件 为 ：1、 在 回 水 加 压 泵 站 进 口 处 ， 应 保 证 其 回 水 管 动 水 压 不 低 于 50kPa， 以 防 该 处回 水 管 吸 入 空 气 。2、 在 回 水 加 压 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 的 资 用 压 头 。第三章 中间加压泵位置优化研究 图 3.1 50.0 XXmin Hj Hg 管 线 长 度 （ km） 压 力 (KPa) Hmin Hmin HZB 3.1.2中间加压泵的位置按 照 上 述 第 一 条 要 求 ， 是 中 间 加 压 泵 站 沿 管 道 敷 设 中心 线 至 热 源 厂 的 最 近 位 置 ， 此 时 由 图 3.1可 以 得 到 ：HZB= Hmin+Hj-50(3-1)式 中 HZB中 间 加 压 泵 的 扬 程 （ kPa） ； Hmin中 间 加 压 泵 站 沿 管 道 敷 设 中 心 线 至 热 源 厂的 最 小 水 平 距 离 Xmin对 应 的 加 压 泵 站 至 热 源 厂 供 水 管或 回 水 管 阻 力 损 失 （ kPa） ， Hmin=XminR(1+)；H j管 网 的 静 压 值 （ kPa） ；Xmin满 足 水 力 工 况 要 求 的 情 况 下 ， 中 间 加 压 泵 站沿 管 道 敷 设 中 心 线 至 热 源 厂 的 最 小 距 离 （ km） ；其 它 符 号 意 义 同 前 。 Xmin= HZB-Hj+50 km (3-2)R(1+ )将 Hmin=XminR(1+ )代 入 式 (3-1)经 整 理 后 得 到 ： 图 3.2 Hj Hgmax Xmax X Hg 管 线 长 度 （ km） 压 力 (KPa) Hmax Hmax Hy Hy HZB 按 照 上 述 第 二 条 要 求 ， 是 中 间 加 压 泵 站 沿 管 道 敷 设中 心 线 至 热 源 厂 的 最 远 位 置 ， 此 时 由 图 3.2可 以 得 到在 最 大 距 离 Xmax时 ： Hy=Hgmax- Hmax- Hj （ 3-3） n而 Hgmax=Hg- Hmax （ 3-4）n且 Hg-Hj=2 Hw+ Hy- HZB （ 3-5 ）n式 中 : Hy主 干 线 末 端 热 力 站 资 用 压 头 （ kPa） Hgmax中 间 加 压 泵 站 沿 管 道 敷 设 中 心 线 至 热 源 厂 的 最 大 距 离 Xmax对 应的 加 压 泵 站 处 供 水 管 的 压 力 （ kPa） ； n Hmax中 间 加 压 泵 站 沿 管 道 敷 设 中 心 线 至 热源 厂 的 最 大 距 离 Xmax对 应 的 加 压 泵 站 至 热 源 厂 供 水管 或 回 水 管 阻 力 损 失 （ kPa） ；n Hj管 网 的 静 压 值 （ kPa） ；nHg热 源 厂 出 口 供 水 管 压 力 （ kPa） ；n Hw外 网 主 干 线 供 水 或 回 水 管 总 阻 力（ kPa） ；nHZB中 间 加 压 泵 的 扬 程 （ kPa） 。 n将 式 （ 3-3） 、 （ 3-4） 和 （ 3-5） 经 整 理 后 得 到 ： Xmax= 2 Hw-H ZB km (3-6)2R(1+ ) 式 中 R主 干 线 平 均 比 摩 阻 （ Pa/m） ； 局 部 阻 力 当 量 长 度 百 分 比 ， 一 般 为 0.20.4；其 它 符 号 意 义 同 前 。由 公 式 （ 3-2） 和 （ 3-6） 可 以 得 出中间加压泵站沿管道敷设中心线至热源厂的距离X（中间加压泵站的位置）应满足下式：X minXXmax（ 3-7） 3.1.3中间加压泵的扬程由 公 式 （ 3-2） 和 （ 3-6） 可 以 看 出 ， 中 间 加 压 泵 的扬 程 HZB越 大 ， 则 Xmin越 大 而 Xmax越 小 ， 因 而 一 定 存 在一 个 临 界 值 HL， 使 得 Xmin=Xmax， 即 ：H L-H j+50 = 2 Hw-H L R(1+ ) 2R(1+ ) 也 就 是 说 ， 只 要 中 间 加 压 水 泵 的 扬 程 不 大 于 临 界 值 HL， 即可 满 足 水 力 工 况 对 其 位 置 的 要 求 。 由 此 可 以 得 到按水力工况要求，中间加压泵的扬程为：H L= 2 Hw+Hj-100 （ kPa） (3-8)3H ZB 2H w+H j-100 （ kPa） (3-9)3 3.2降低能耗对中间加压泵位置的要求设 置 中 间 加 压 泵 站 目 的 ， 不 仅 是 为 了 降 低 管 道 及 其 附 件 的 工 作 压 力 等 级 ，使 管 网 建 设 费 用 降 低 ， 而 且 在 满 足 供 热 要 求 的 前 提 下 尽 可 能 使 管 网 动 力 消耗 最 少 。 为 此 ， 必 须 建 立 热 网 主 循 环 泵 、 中 间 加 压 泵 的 计 算 轴 功 率 与 中 间加 压 泵 站 位 置 之 间 的 函 数 关 系 式 。3.2.1主干线流量分布的简化为 了 建 立 热 网 主 循 环 泵 、 中 间 加 压 泵 的 计 算 轴 功 率 与 中 间 加 压 泵 站 位 置 之间 的 函 数 关 系 式 ， 现 将 主 干 线 流 量 分 布 进 行 如 下 简 化 处 理 ：如 图 3.3， 在 实 际 工 程 中 ， 管 网 主 干 线 输 送 的 热 水 流 量 从 热 源 厂 出 口 （ 节 点A） 开 始 沿 主 干 线 至 末 端 并 非 均 匀 减 少 ， 而 是 在 节 点 B、 C、 D处 经 过 三 次 变化 后 将 剩 余 热 水 送 往 最 后 一 个 热 力 站 。 在 本 课 题 研 究 中 ， 为 建 立 数 学 模 型 ，假 设 主 干 线 输 送 的 热 水 流 量 从 热 源 厂 出 口 开 始 沿 主 干 线 至 末 端 是 连 续 均 匀 减 少 的 ， 即 主 干 线 上 接 出 的 所 有 支 干 线 和 支 线 （ B热 力 站 1， C热 力站 2等 ） 均 可 以 认 为 是 由