引言近年来，随着我国城镇化进程不断推进，城市人口和供热规模迅速增加，原有的燃煤燃气锅炉区域供热难以满足城市清洁环保供热要求。银川市为积极响应国家环境政策，改善城市空气品质，满足减少碳排量的要求，拟利用宁夏华电灵武公司现有热电机组乏汽余热供热，实现对银川市的长距离大温差集中供热。由于某电厂距离供热城区较远，管网循环热水网阻力较大，为满足供热用户末端资用压头，需要提高换热首站循环水泵的扬程，但是可能面临既有管网系统超压的严重后果。为避免这样的情况发生，在长输供热主管网设置中继泵站是行之有效的解决办法。本文以银川市长距离大温差供热系统设置中继泵站为例，基于水力工况分析对其在大型集中供热系统中的设置原则和设置必要性展开讨论。1项目概述为实现大温差长距离集中供热，采用“单回路+吸收式热泵”的供热形式。单环路是指一供一回单环路DN1400管道，吸收式热泵供热可以实现温差供热，将供回水温差提高到100 ℃，将热网供热输送能力提高约1倍，使电厂向城市热网提供的热量提高约50%[1-2]。该项目供热规模3 770.1×104 m2，供热介质为高温热水，设计供热采暖热负荷1 794.56 MW。管网单程输送距离约55 km，其中高温网输送距离约42 km，供、回水温度130/30 ℃，压力2.5 MPa；一次网输送距离约13 km，供、回水温度125/25 ℃，压力1.6 MPa。供热区域系统图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F001图1供热区域系统图2中继泵站设计原则该项目供热首站地势高程比电厂高约40 m，故系统定压为60 m（地势高程40 m+汽化压力17.2 m+富裕压头3~5 m），定压点设置于电厂首站循环水泵回水侧，若全线不设中继泵站，外网资用压头为140 m，经过水力计算，供热管道阻力压降图如图2所示。供热工程中管网设计压力上限为2.5 MPa，一旦超过设计上限值，供热管网有爆管危险。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F002图2整体管网水压图由图2可知，若该项目不设中继泵站，系统出现超压、倒空、汽化等问题，无法满足长距离供热需求。因此需在供热干线上构建中继泵站，实现用户安全运行[3]，达到加压、隔压或能量接力目的。为此该长输供热项目共设置3座中继泵站，1#中继泵站为供回水加压泵站，为银川城区、望远镇、永宁县区域供热；3#中继泵站为隔压站；5#中继泵站为隔压站，为河东机场供热。2.1构建1#中继泵站首站至3#中继泵站高温水网水压图如图3所示。由图3可知，3#中继泵站前（城区边缘设置）高温水网资用压头为负值，需要供热首站与3#中继泵站之间高温水网上设置中继加压泵站，且保证高温水网运行压力低于2.5 MPa以下，即构建1#中继泵站。经水力计算分析，确定距电厂首站21.6 km处设置1#中继泵站（供、回水加压）。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F003图3首站至3#中继泵站高温水网水压图2.2构建3#中继泵站3#中继泵站至城区最不利环路末端用户一级网水压图如图4所示。银川城区供热面积较大，本设计方案在城区边缘设置一处中继隔压站，即3#中继泵站，其作用如下：10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F004图43#中继泵站至城区最不利环路末端用户一级网水压图（1）该工程供热系统大，供热调节难度大。3#中继泵站的设置有利于供热系统的调节。（2）为进一步保证整个供热系统的安全，3#中继泵站的设置避免长输高温管网与3城区用户管网运行工况互相干扰。（3）3#中继泵站的设置为将来3区域用户内多热源联网运行创造有利条件，3#中继泵站的设计压力等级为1.6 MPa，联网运行时，只需要对3#中继泵站进行调整。2.3构建5#中继泵站经水力计算分析，未设置5#中继泵站时首站至河东机场水压图如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F005图5首站至河东机场高温网水压图由图5可知，首站至河东机场高温水网资用压头为负值，无法满足河东机场供热需求。且考虑降低高温水网系统静压线，构建5#中继泵站，通过5#中继泵站内循环泵加压即可满足用户末端户资用压头的需要，5#中继泵站至河东机场末端用户一级网水压图如图6所示。分析可知，通过设置中继泵站可以降低管网的压力等级和热源水泵扬程[4]，保证运行安全性，且降低工程整体投资。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F006图65#中继泵站至河东机场末端用户一级网水压图3隔压站内换热器设计选型本文以3#中继泵站为例，探讨隔压站选型布置方案，银川集中供热3#中继泵站为隔压站，总换热面积3 169.8×104 m2，换热量1 800 MW。高温侧（高温热水网）设计供、回水温度为130/30 ℃，设计压力为2.5 MPa；低温侧（一级网）设计供、回水温度为125/25 ℃，设计压力为1.6 MPa。该站换热量较大，换热器回水温度低，为减少热量损失，要求传热端差最小，为此要求换热器连接方式为多级串联组合。3.1大温差换热器连接方式选择经计算本工程平均温差为5 ℃，传热单元数NTU为20[5]，按目前板式换热器的成熟技术，传热单元数NTU最大为10，因此本该工程换热器至少需要设置两级换热器串联。另考虑换热器多级串联会增大系统能耗，串联级数越多，能耗越大，根据某热力总公司运行经验，换热器阻力每增大1%，系统能耗约增加0.5%。3#中继泵站高温水网侧和一级网侧预留资用压头约15 mH2O，其中过滤器及管道阻力约为3 mH2O，阀门管件阻力约为2 mH2O，板式换热器阻力要求不大于10 mH2O，故设计时用于供热的板式换热器单台阻力宜控制在4~5 mH2O。此外，考虑多台换热器串联会增加占地面积。故本项目3#中继泵站内换热器按两级串联设置。综上所述，该工程3#中继泵站换热器采用一组二台换热器串联设置。3.2方案比较和选型3.2.1换热器基本参数及选型计算工程设计的基本参数如表1所示。换热器的选型计算考虑的主要参数有：热负荷、传热系数、污垢系数、传热效率等。此外还应考虑压力降、板片数量等。换热器换热面积计算公式如下：A=Q×η×β×K×∆tay （1） 式中：A——换热面积，m2；Q——换热量，本工程换热量1 800 MW；η——传热效率，取值为0.96~0.99；β——污垢系数，取值为0.85~1；K——传热系数，3 000~5 000 W/(℃·m2)；Δtav——对数温差，5 ℃。 10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.T001表1换热器设计基本参数参数参数值热侧进口温度/℃130.0热侧出口温度/℃30.0密度/（kg/m3）971.8比热容/［kJ/（kg·K）］4.194导热系数/［W/（m·K）］0.673平均黏度/cP0.352计算过程中，传热效率、污垢系数取相同值。对于本项目3#中继泵站，换热器需要实现温差大、端差小，单板有效换热面积最大取不大于2.3 m2。单台换热器匹配板片数过多会导致阻力增大，压头损失过多，不宜超过800片。3.2.2方案比较和选型根据以上换热器的计算选型思路，本文计算5种条件下换热器配置，计算结果表2所示。在计算中，首先依据传热系数4 300 W/（℃·m2），确定需要换热器60台，如表中第1种计算条件所示。在这种情况下，每台换热器的换热器板片数为681片，换热器的阻力较小。如果要在传热系数不变的情况下，减少换热器数量，则需要增加单台换热器的板片数。当换热器数量分别降低至50台和40台后，板片数量明显增加，超过了一般设计推荐值800片，这会增加介质的压头损失。进一步分析，如果要在保持单台板片数不超过800片的前提下，降低换热器数量，则需要提高板片的传热系数，如表中第4和第5种条件的计算结果所示。然而国内一般厂家使用的板片材料传热系数不能达到4 500 W/（m2·K）。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.T002表25种条件下的换热器计算结果计算条件12345热负荷/MW1 8001 8001 8001 8001 800传热系数/［W/（m2·K）］4 3004 3004 3004 5005 500加热器效率η0.990.990.990.990.99污垢修正系β0.90.90.90.90.9对数平均温/℃55555传热面积/m293 962.993 962.993 962.989 786.873 461.9台数/台6050405040单台换热面积/m21 566.051 879.262 349.071 795.741 836.55单板有效面积/m22.32.32.32.32.3板片数/片6818171 021781798能耗比值11.171.4261.1251.147根据以上计算结果，对机型的成熟程度、占地面积、板片数量和能耗等因素进行进一步对比，如表3所示。从对比结果认为，采用60台换热器，单台容量30 MW为最合理换热器配置。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.T003表3换热器方案比选方案机型配置/MW台数/台机型应用程度参数取值占地能耗阻力/mH2O运行维护事故影响13060成熟合理占地大1约4维护较少小23650成熟板片数较多适中1.17约5.36维护较少较小33650成熟传热系数较大适中1.125约5维护略多较小44540成熟板片数过多占地小1.426约7.4维护较多大54540成熟传热系数过大占地小1.147约5.18维护多大3.3实际运行结果图7为2019年中继泵站优化选型布置方案实际运行结果。采用方案1配置60台30 MW换热器机组，末端换热站供回水温度满足用户用热需求，且中继泵站能耗最小。图7方案1和方案2末端换热站热网供回水温度10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F7a1（a）方案1三级热网供回水温度10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F7a2（b）方案1二级热网供回水温度10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F7a3（c）方案2三级热网供回水温度10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.012.F7a4（d）方案2二级热网供回水温度4结语本文通过对实际工程中设置中继泵站的水力计算和水压图分析，在满足用户用热需求的设计前提以及整个管网水力工况条件下，得到如下结论：（1）长输供热系统中合理设置中继泵站，可以增大供热半径（输送距离），降低管网的压力等级和热源水泵的扬程，不仅保证了运行的安全性，而且能降低工程整体投资。（2）通过机型的成熟程度、占地面积、板片数量和能耗等因素分析，合理匹配隔压系统单台机型和数量，确定隔压站内板换的最优布置方案，以达到运行时能效最低的效果。