集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

王艷麗，聶海濤，孫守淵，陳 勇

(1.玉門油田分公司方圓物業(yè)管理有限責(zé)任公司，甘肅 酒泉735019;2.玉門油田分公司鉆采工程研究院，甘肅 酒泉735019;3.玉門油田分公司規(guī)劃計(jì)劃處，甘肅 酒泉735019)

0 引言

目前，我國(guó)城市集中供熱已基本普及，據(jù)2010年不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)85%以上的城市建有集中供熱設(shè)施［1］。集中供熱的優(yōu)點(diǎn)是:大型設(shè)備效率高，相對(duì)低損耗、低人工、低維護(hù)、高產(chǎn)出，提高了能源利用率，減少了污染物排放，有良好的社會(huì)效益和環(huán)境效益，更有利于實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理和節(jié)約人力資源等［2］。但由于煤水電材漲價(jià)、大氣排污收費(fèi)、設(shè)備陳舊維修、粗放型管理與人員素質(zhì)參差不齊等諸多因素，導(dǎo)致供熱企業(yè)運(yùn)行成本逐年上升。面對(duì)嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)，供熱企業(yè)應(yīng)立足現(xiàn)實(shí)條件，多方面、多角度、多渠道的尋求落實(shí)節(jié)能降耗具體措施，在努力不改變供熱質(zhì)量、不多收取費(fèi)用的前提下，實(shí)現(xiàn)降低運(yùn)行成本、增加經(jīng)濟(jì)效益，以保證自身的根本利益與長(zhǎng)效發(fā)展。

1 集中供熱系統(tǒng)的主要能耗環(huán)節(jié)

單純的采暖供熱系統(tǒng)，順利實(shí)現(xiàn)供熱服務(wù)，一般都要經(jīng)過熱制備→轉(zhuǎn)換→輸送→用熱這幾個(gè)環(huán)節(jié)。鍋爐房的主要耗能設(shè)備是鍋爐、燃料輸送及灰渣系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)、水處理和機(jī)泵，它們耗用的能源是燃料(一般為燃煤、燃油、燃?xì)獾?、電力、水和熱;熱能輸送由熱網(wǎng)承擔(dān)，供熱管道由鋼管、保溫層和保護(hù)層組成，它們的能量消耗是沿途散熱的熱損失和泄漏的水損失;能量轉(zhuǎn)換是通過熱力站熱交換器把一級(jí)網(wǎng)的熱能傳遞給二級(jí)網(wǎng)，并由它輸送到熱用戶，熱力站是二級(jí)網(wǎng)的熱源，主要耗能設(shè)備是熱交換器、二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)和補(bǔ)水機(jī)泵等;用熱環(huán)節(jié)即終端系統(tǒng)用熱設(shè)備，耗能設(shè)備一般是采暖散熱器。

由此可見，整個(gè)供熱系統(tǒng)，從熱源到終端熱用戶，每一個(gè)環(huán)節(jié)都涉及到能耗問題，但各環(huán)節(jié)的能量進(jìn)入和輸出必須相等［3］，即

輸入能量=可用能量+∑能量損失

能源利用率=可用能量/輸入能量

所以，在運(yùn)行過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)的能耗變化對(duì)系統(tǒng)來說都非常重要，節(jié)能可挖潛力也是巨大的。以玉門油田物業(yè)公司供熱站為例，擁有192.6萬平米的供熱面積，一級(jí)網(wǎng)熱源設(shè)置了兩座鍋爐房，二級(jí)熱網(wǎng)設(shè)置了6座熱力站。主要能耗設(shè)備為6臺(tái)29 MW膜式水冷壁角管鍋爐、64臺(tái)90 kW以上大功率電機(jī)，29組板式換熱器、以及鼓引風(fēng)機(jī)、除塵除灰系統(tǒng)等。系統(tǒng)近3年的煤水電主要能源消耗情況，見表1。

表1 玉門油田物業(yè)公司供熱站連續(xù)三年煤水電能耗情況

從以上數(shù)據(jù)可以看出，三項(xiàng)主要能耗指標(biāo)呈逐年下降趨勢(shì)。分析原因，主要是系統(tǒng)近年來積極采取了各種節(jié)能技術(shù)措施，并取得顯著效果。

2 已運(yùn)行系統(tǒng)的幾種節(jié)能技術(shù)措施

集中供熱系統(tǒng)節(jié)能是一個(gè)系統(tǒng)性、長(zhǎng)期性、復(fù)雜性的工作，要想取得良好的節(jié)能效果，需要從整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)之初開始考慮，包括基本設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算、設(shè)備設(shè)施的正確選型、工藝流程的合理布局、員工隊(duì)伍素質(zhì)的整體提升等，完成系統(tǒng)的每一個(gè)步驟都需要考慮到后期運(yùn)行中的節(jié)能環(huán)節(jié)。但是對(duì)于已經(jīng)正式投入運(yùn)行的系統(tǒng)來說，則需要轉(zhuǎn)變思路、調(diào)整結(jié)構(gòu)，尋求并落實(shí)效益最大化的節(jié)能具體措施。

2.1 消除系統(tǒng)水力失調(diào)

所謂水力失調(diào)，就是管網(wǎng)各處實(shí)際流量與所需不一致，用戶室溫冷熱不均。水力失調(diào)的原因是多方面的，任何一個(gè)供熱系統(tǒng)都不可能通過對(duì)管網(wǎng)、熱力站等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、管網(wǎng)的布置、水力計(jì)算及設(shè)備的選型等，徹底解決運(yùn)行時(shí)的水力平衡問題，只有在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行認(rèn)真地調(diào)節(jié)，才有可能逐步接近水力平衡。

以玉門油田酒泉生活基地供熱系統(tǒng)為例，運(yùn)行初期水力失調(diào)具體表現(xiàn)在:有70%的熱用戶室內(nèi)溫度在22℃以上，最高的甚至達(dá)26℃，不少用戶長(zhǎng)期開窗散熱;20%的熱用戶室溫在18～20℃之間;另外10%的用戶在18℃以下，最低的只有16℃，存在較嚴(yán)重的水力失調(diào)。主要原因是，靠近熱力站的用戶，由于進(jìn)、出水的壓差大，供水量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)水量;遠(yuǎn)離熱力站的用戶進(jìn)、出口壓差小，供水量又小于設(shè)計(jì)流量，因此，導(dǎo)致了“大流量小溫差”的運(yùn)行方式，不僅造成大量的能源浪費(fèi)，而且?guī)砹诉^熱和過冷的供熱質(zhì)量問題。

最初，系統(tǒng)被迫采取增開循環(huán)泵，加大循環(huán)水量的辦法來提高低溫用戶的供暖溫度，使實(shí)際循環(huán)水量達(dá)到設(shè)計(jì)水量的160%以上。由于水泵耗電量與流量的三次方成正比，依靠開泵增大流量直接導(dǎo)致電能消耗量超過409.6%，系統(tǒng)運(yùn)行成本大幅度提高。在后期運(yùn)行過程中，通過車削循環(huán)泵葉輪降低揚(yáng)程、逐一調(diào)節(jié)用戶進(jìn)口流量裝置等方式，才使系統(tǒng)運(yùn)行逐漸趨于平穩(wěn)，水力失調(diào)現(xiàn)象得到改善，能源消耗明顯降低。

2.2 靈活應(yīng)用集中供熱調(diào)節(jié)

在集中熱水供熱系統(tǒng)中，為了在保證供熱質(zhì)量的同時(shí)，能夠最大限度的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行，就必須靈活進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的方式有很多，根據(jù)調(diào)節(jié)的地點(diǎn)不同，可分為集中調(diào)節(jié)、局部調(diào)節(jié)和個(gè)體調(diào)節(jié)三種［4－8］。

集中供熱調(diào)節(jié)的方法主要分為

(1)質(zhì)調(diào)節(jié)——循環(huán)水量不變，只改變供熱溫度。

(2)量調(diào)節(jié)——按室外溫度高低分成幾個(gè)階段，改變流量(低溫段保持設(shè)計(jì)最大流量，高溫段保持較小的流量)。

(3)間歇調(diào)節(jié)——當(dāng)室外溫度升高時(shí)，不改變流量和供水溫度，只減少每天供暖的小時(shí)數(shù)。

系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，制定調(diào)節(jié)方法?？傮w而言，量調(diào)節(jié)的循環(huán)泵電耗最少，其原因是:從理論上說，在系統(tǒng)已定的情況下，減少流量和降低電耗是三次方關(guān)系。如流量減少30%，電功率節(jié)省65.7%，對(duì)于多數(shù)系統(tǒng)是用70%左右的流量運(yùn)行，若量調(diào)節(jié)控制的好，每周期可減少電耗至少30%以上。

玉門油田物業(yè)公司供熱站采取多種方式綜合利用:按照室外溫度繪制運(yùn)行負(fù)荷圖(圖1)、間歇供熱日生產(chǎn)熱負(fù)荷圖(圖2)，并以此指導(dǎo)運(yùn)行，初、末寒期適當(dāng)減少循環(huán)泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)降低流量，或隨外界氣溫變化分時(shí)段調(diào)節(jié)供熱出口溫度，避免供熱大于需求，浪費(fèi)能量。同時(shí)，由于系統(tǒng)有3/5的終端用戶用傳統(tǒng)的散熱片，剩余的2/5則采用了地板輻射采暖，在相同的供熱條件下，地暖用戶室溫通常比散熱片用戶高5～8℃，很多地暖用戶甚至全天開著窗戶，熱能浪費(fèi)很大。針對(duì)這點(diǎn)，系統(tǒng)采用了分區(qū)質(zhì)、量并調(diào)，取得較好的節(jié)能節(jié)電效果。

圖1 熱負(fù)荷隨室外溫度變化圖

圖2 全日生產(chǎn)工藝熱負(fù)荷圖

2.3 提高供回水溫差

供熱計(jì)算公式［5－9］

上述公式說明:當(dāng)供熱系統(tǒng)向熱用戶提供相同的熱量Q時(shí)，供回水溫差△T(即:Tg－Th)與循環(huán)水量成反比例關(guān)系。即系統(tǒng)的供回水溫差大，則循環(huán)水量就小，降低流量，水泵的電耗就會(huì)相應(yīng)降低。

舉例說明:某供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為7 MW，外網(wǎng)管徑為DN200，在30℃與60℃兩個(gè)不同溫差下各參數(shù)的對(duì)比情況，見表2。

表2 兩組不同供回水溫差下的運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

表2反映出一個(gè)規(guī)律:當(dāng)供回水溫差提高到原來的兩倍，即:△T2=2△T1時(shí)，循環(huán)水量降至原來的1/2，管網(wǎng)的沿程阻力降至原來的1/4，而水泵的功率要降至原來的1/8。由此可看出，提高供熱系統(tǒng)的供回水溫差，可大大降低運(yùn)行電耗。

2.4 合理利用分層燃燒與混煤技術(shù)

目前城市集中供熱鍋爐房多采用鏈條爐排［10］，燃煤多為煤炭公司供應(yīng)的混煤，著火條件差，爐膛溫度低，燃燒不完全，爐渣含碳量高，鍋爐熱效率普遍偏低［11－13］。采用分層燃燒技術(shù)對(duì)減少爐渣含碳量、改善鍋爐燃燒狀況有明顯的效果。同時(shí)，通過安裝混煤裝置，改善原煤混合不均問題，以提高煤層的透氣性，從而強(qiáng)化燃燒，提高鍋爐熱效率，節(jié)約燃煤。

玉門油田物業(yè)公司供熱站1號(hào)鍋爐房的4臺(tái)鍋爐，在運(yùn)行過程中一直存在儲(chǔ)煤斗兩側(cè)堆積粒煤，中間堆積細(xì)煤，原煤進(jìn)入爐排燃燒時(shí)，兩側(cè)有40 mm寬的火床，無法燃盡等的問題。2010年，系統(tǒng)投資96萬元對(duì)其全部進(jìn)行了改造，在分層給煤機(jī)與儲(chǔ)煤斗之間安裝了混煤器。改造很好的解決了原煤進(jìn)入爐排前，面煤與粒煤分配不均的問題。當(dāng)原煤進(jìn)入爐膛燃燒時(shí)，空氣能較快、較均勻的穿透煤層，與燃料充分混合后參與燃燒，同時(shí)消除了爐排兩則燃不盡、倒紅火，爐排中間燒不透，灰渣含碳量過高的問題。根據(jù)一個(gè)周期的運(yùn)行實(shí)踐，煤?jiǎn)魏挠?.26 kg/m2·d降低為0.228 kg/m2·d，每周期可節(jié)約原煤3 165 t，折合費(fèi)用約79萬元，預(yù)計(jì)1.2個(gè)采暖周期便能收回投資成本。依照油田相關(guān)部門的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，改造后其他幾項(xiàng)燃燒參數(shù)也有了較大改善，見表3。

表3 1#鍋爐混煤器安裝前后的各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

分析對(duì)比可以看出，改造后鍋爐熱效率提高了5.65%，爐渣含碳量下降了4.83%，其他影響供熱效率的參數(shù)也均有下降，而且鍋爐燃燒系統(tǒng)的設(shè)備故障大大減少，提高了鍋爐運(yùn)行的可靠性和安全性。

3 結(jié)論

供熱系統(tǒng)節(jié)能降耗具體措施還有很多［14］，如改善鍋爐系統(tǒng)的嚴(yán)密性，降低過?？諝庀禂?shù);完善落實(shí)，鍋爐水質(zhì)管理和定期除灰制度 提高鍋爐受熱面的清潔，防止鍋爐結(jié)垢(水垢的熱阻是鋼板的40倍，灰垢的熱阻是鋼板的400倍)等［15］，提高設(shè)備運(yùn)行效率;利用微機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制，使其能夠持續(xù)保持最佳燃燒工況(玉門油田供熱站利用DCS集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一級(jí)熱網(wǎng)的自動(dòng)監(jiān)控)，避免能源浪費(fèi);對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵等盡量采用調(diào)速技術(shù)，如變頻調(diào)速一般都能達(dá)到30%以上的節(jié)電效果。但對(duì)于一個(gè)具體的運(yùn)行系統(tǒng)，則需要聯(lián)系自身工作實(shí)際，通過能效探討和對(duì)比分析，合理利用當(dāng)前科學(xué)技術(shù) 采取技術(shù)上可行 經(jīng)濟(jì)上合理 能夠優(yōu)化運(yùn)行工藝，提高設(shè)備效率的具體措施，不斷改進(jìn)和完善系統(tǒng)，提高能源利用率，降低運(yùn)行成本，取得節(jié)能環(huán)保良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］劉效洲.新型高溫蓄熱燃燒煤渣焚燒爐的設(shè)計(jì)［J］.節(jié)能技術(shù)，2012，30(5):467－469.

［2］樊文創(chuàng)，張衛(wèi)華.集中供熱系統(tǒng)節(jié)能潛力分析［J］.建筑節(jié)能，2009(11):28－29.

［3］賀平，孫剛.供熱工程［M］.3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993:140－147.

［4］李善化.集中供熱設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1966.

［5］張秀彬，何慧球.中級(jí)鍋爐工簡(jiǎn)明讀本［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1977:11.

［6］李仁年，陸初覺.工程流體力學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3.

［7］徐明才.熱網(wǎng)循環(huán)水泵應(yīng)用變頻調(diào)速的研究［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2001(1).

［8］丁世馨，孫凱.降低供暖企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本的探討［J］.節(jié)能技術(shù)，2006，24(5):476－477.

［9］馬利林.談鏈條鍋爐的節(jié)能改造［J］.節(jié)能技術(shù)，1996(5):34.

［10］西安熱力研究所，東北電力局技術(shù)改進(jìn)局.燃煤鍋爐燃燒調(diào)整實(shí)驗(yàn)方法［R］.1974.

［11］屈維謙.斬波內(nèi)饋調(diào)速與交流調(diào)速P理論［G］.保定北方調(diào)速有限公司，2004.

［12］馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計(jì)算［M］.北京:科學(xué)出版社，1998.

［13］黃相農(nóng)，程志芬.發(fā)展集中供熱 節(jié)約能源 保護(hù)環(huán)境［J］.節(jié)能技術(shù)，2007，25(3):260－262，286.

［14］趙欽新.工業(yè)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［15］辛廣路.鍋爐運(yùn)行與鍋爐房管理［M］.哈爾賓:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1990.