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利用虛擬工作點對供熱循環水泵運行分析的技術應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2013-03-26  瀏覽次數:21760
利用虛擬工作點對供熱循環水泵進行定量分析,查找水泵運行存在的問題,并用虛擬工作點校對循環泵進行優化改造選型,改善供熱效果,實現節能最大化。
1 前言             
      作為閉式供熱系統核心設備的循環水泵,其選型則關系到系統運行及供熱質量是否正常的關鍵,但在實際的設計中,設計人員往往以估算為主,一般都會采用寧大勿小的設計理念,將泵參數有意識選大,特別是水泵揚程。結果造成水泵實際運行工作點嚴重偏離高效工作區,從而造成運行效率低,運行費用居高不下。本文以新疆油田公司供熱公司某供熱站為例,用虛擬工作點分析方法分析循環水泵運行存在的問題,并對循環水泵改造進行優化選型。
      此供熱站供熱媒質為95℃/70℃熱水,2003年由鍋爐房改為供熱站,攜帶11.3MW熱負荷,配置三臺循環水泵。該站自投產以來一直處于不正常運行狀態,一臺運行或兩臺并聯泵運行都存在水泵閥門不能全開、末端積氣不熱現象。
2 虛擬工作點的定義
      熱水循環泵選擇需要確定水泵運行工況點的流量與揚程,即確定水泵水力性能曲線與管路水力特性曲線的交點,該點的流量和揚程即為水泵運行時所能提供的實際運行參數,但該點參數難以確定,主要是由于管路特性難以確定。管路水力特性曲線方程為:
          h=S×G2(1)
      式中:
      h——管路阻力損失;
      G——運行流量;
      S——管路特性系數,表達式為:
        S=(∑λ+■+∑ζ)/2f 2
      由供熱管路的復雜性和管路特性系數可以看出,在實際工作中管路水力特性曲線是難以確定或不能確定的。為解決這方面的問題,筆者通過多年的工作經驗積累,提出了管路虛擬特性曲線方程的概念,即由計算循環流量和計算管路損失確定虛擬管路特性系數,從而確定管路虛擬特性曲線方程。管路虛擬特性曲線與水泵水力性能曲線的交點即為虛擬工作點,借助虛擬工作點可以量化分析水泵的工作狀態和優化水泵配置。
      前文所提到的供熱站,其計算流量為450m3/h、阻力損失為23mH2O,則管路虛擬特性曲線(h-G)方程為:
      h=1.14×10-4G2(2)
3 水泵裝置曲線
      水泵裝置曲線包括:
      水泵水力特性曲線(H-G)[1]:
        H=a+a2G+a2G2(3)
      水泵效率曲線(η-G)[1]:
        η=b+b2G+b2G2(4)
      水泵功率曲線(Ne-G):
        Ne=■(5)
      式中:
      a、b—為方程系數;
      Ne—泵的額定功率,kW;
      G—泵輸送流量,m3/h;
        H—泵輸送揚程,mH2O;
      ρ—輸送液體的密度,kg/m3;
      η—泵的輸送效率。
      根據水泵設備樣本可以確定(H-G)和(η-G),對本文分析的供熱站,循環水泵配置電機功率為75kW,流量、揚程及效率見表1:
      將表中表中數據代入(3)、(4)可得出:
      H-G:H=39.72+1.16×10-1G+2.26×10-4G2(6)
      η-G:η=22.11+2.86×10-1G+3.47×10-4G2         (7)
      將(6)、(7)代入(5)即可得到(Ne-G)。
4 確定虛擬工作點
      由(2)、(5)、(6)與(7)及工作點H=h的關系建立方程組:
      H=h=1.14×10-4G2Ne=■H=39.72+1.16×10-1G+2.26×10-4G2η=22.11+2.86×10-1G+3.47×10-4G2方程組Ⅰ       
      通過對方程組Ⅰ求解可以得出虛擬工作點的流量、揚程、效率與軸功率四個參數,也可以通過作圖法求得,在這里用直觀的作圖法求解(本文熱水密度均按1000kg/m3考慮)。
      一臺泵運行虛擬工作點為A點(圖表1),此點工況參數為(G=553.4m3/h,H=h=34.78mH2O,η=74.11%,Ne=72.15kW)。
      依照曲線疊加原理,可以得出二泵并聯運行曲線(圖表2):
      二臺泵并聯運行虛擬工作點為B點,Ne-G為按2臺泵均衡出力時單臺泵的額定功率曲線,B點的工況參數為(G=683m3/h,H=h=53mH2O,η=55.53%,Ne=163.1kW)。
      從兩個虛擬工作點的工況參數來看,流量、揚程都能滿足系統需要,而根據水泵配用電機選用原則,配備75kW電機的水泵最大輸出額定功率為69.4kW,兩個虛擬工作點的額定功率均超過電機的承載能力,在對泵不控制的情況下,這兩個工作點是不可能實現的,所以兩個運行方案均需要通過控制閥門開度來確保電機安全運行。
5 最大輸出功率時,工作點工況分析
      單泵運行時,將最大輸出額定功率69.4kW與方程(6)、(7)代入(5)式,可以求出最大輸出流量為412m3/h,即可得出泵輸出揚程H=49.21mH2O,管網此時損失為19.26
      mH2O,也就是說,通過閥門節流損失為29.95 mH2O,此時流量及出口壓力均不能滿足供熱需求。
      二臺并聯運行時,按每臺泵的出力完全相同,即都能輸出最大功率考慮。將2×69.4kW與方程(6)、(7)代入(5)式,可以求出最大輸出流量為531m3/h,即可得出泵輸出揚程H=54.60mH2O,管網此時損失為32.01
      mH2O,也就是說,通過閥門節流損失為22.59 mH2O,此時流量及出口壓力均能滿足供熱需求,即二臺泵并聯通過閥門節流調節后,可以滿足供熱需求。
      分析結果與近六年的運行情況完全吻合。二臺泵運行雖然能滿足供熱要求,但同時由于閥門的節流損失至少為41.4%,有必要進行節能改造。
6 循環泵節能改造選型
      本文所討論的供熱站現有負荷需要循環流量450m3/h、揚程23mH2O,代入(5)式得出水泵軸功率35.9kW(水泵效率取80%),水泵配用電機45kW,單臺運行即可滿足現有熱負荷的需求?紤]到近期要增加3MW熱負荷,負荷增加后需要循環流量520m3/h,揚程按32mH2O考慮,則需要水泵軸功率57.8kW,水泵配用電機功率65kW即可,考慮到不是標準電機和要充分利用已有的水泵配電系統及管線閥件及水泵基礎,最終確定水泵配置電機功率為75kW,流量、揚程及效率見表2:
      此水泵裝置曲線為:
      H-G:H=18.25+0.08G-10-4G2(8)
      η-G:η=49.75+0.11G-10-4G2(9)
      建立方程組:
        H=h=1.14×10-4G2Ne=■H=18.25+0.08-10-4G2η=49.75+0.11G-10-4G2方程組Ⅱ
      解方程組Ⅱ或對選用泵利用作圖進行校核(圖表3):在現有負荷時工作點C的工況參數為(G=544m3/h,H=h=32.44mH2O,η=79.98%,Ne=60.2kW),流量與揚程均能滿足現有負荷及預增負荷的需要,且節電(1-60.2/2×69.4)=756.64%!
7 運行效果分析
      2009-2010采暖期,供熱站采用一臺新更換的循環水泵運行,運行效果良好,末端用戶積氣現象明顯減少、室溫普遍提高,投訴率降低。供熱站耗電量由改造前的3600kWh/天降低到1200kWh/天,節電率66.67%,高于預期。
8 結 論
      利用水泵虛擬工作點,不但能夠定量分析水泵運行工況,查找問題存在的原因,確定合理運行調節模式,還能夠優化水泵選型,實現節能最大化,同時改變了采用定性分析模式造成選泵型號偏差過大、與系統匹配性差而導致的供熱效果差、運行費用高等問題。--- 新疆油田公司供熱公司 王成軍 羅豫軍 王喜良
 
關鍵詞: 供熱
 
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