淺析老城區(qū)集中供熱系統(tǒng)節(jié)能改造

(大慶市特種設(shè)備檢驗研究所，黑龍江 大慶 163311)

0 引 言

城市供熱系統(tǒng)節(jié)能是建筑節(jié)能的重要組成部分，許多城市的供熱設(shè)施嚴(yán)重老化，供熱能源浪費嚴(yán)重[1-3]。老城區(qū)供熱管網(wǎng)存在著嚴(yán)重的水力失調(diào)問題，以致于普遍存在供熱系統(tǒng)冷熱不均問題，近端用戶室內(nèi)溫度過高，開窗放熱問題普遍存在，造成了大量的熱量浪費。由于二級管網(wǎng)不平衡，平均可造成10%～20%的熱能浪費，節(jié)能潛力巨大。但由于外網(wǎng)信息量大，數(shù)據(jù)繁雜，通過人工統(tǒng)計分析比較困難，再加上現(xiàn)場的實際操作難度，巨大的節(jié)能潛力往往被人們所忽視。文中通過實際生產(chǎn)實踐中的探索，充分挖掘節(jié)能潛力，提出集中供熱系統(tǒng)節(jié)能改造方案。

1 簡述供熱系統(tǒng)工藝過程

集中供熱系統(tǒng)運行的基本過程是由熱源生產(chǎn)熱量、然后通過循環(huán)泵將熱量輸送到熱網(wǎng)，熱網(wǎng)根據(jù)用戶需要流量完成熱量的分配，最后用戶通過散熱器完成熱量的供給。

(1)熱量生產(chǎn)過程——由熱源系統(tǒng)完成。

(2)熱量輸配過程——由循環(huán)泵和室外管網(wǎng)系統(tǒng)完成。

(3)熱量散發(fā)過程——由用戶散熱器完成。

供熱系統(tǒng)節(jié)能，除了設(shè)備本身層面如鍋爐、換熱器效率外，最大的節(jié)能部分就是熱量生產(chǎn)、輸配及放熱這三個環(huán)節(jié)的整體能量優(yōu)化。通過實時補(bǔ)償、實現(xiàn)適量供熱，最終用戶室內(nèi)溫度都達(dá)到18～19 ℃。

2 供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 熱網(wǎng)輸配流量不均衡

存在冷熱不均、近端開窗戶問題，造成大量熱量浪費，雖然每個采暖期都通過人工進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，但由于供熱系統(tǒng)用戶數(shù)量龐大，熱用戶之間還存在著流量的相互擾動，如果沒有先進(jìn)的調(diào)控設(shè)備，靠人力把熱量調(diào)整均勻，是實現(xiàn)不了的，所以在現(xiàn)有技術(shù)條件下，只能是加大系統(tǒng)總熱量使末端用戶也滿足室溫要求，但這時近端開窗戶的現(xiàn)象就普遍存在了，這也是現(xiàn)今國內(nèi)大部分熱力公司供熱的現(xiàn)狀，是供熱系統(tǒng)中能源浪費最大的一部分，據(jù)統(tǒng)計由于開窗戶帶來的能源浪費高達(dá)10%～20%。

熱網(wǎng)系統(tǒng)是連接熱源和熱用戶的網(wǎng)絡(luò)，通過熱網(wǎng)系統(tǒng)將熱源生產(chǎn)的熱量傳輸給各熱用戶。目前供熱管網(wǎng)普遍存的問題有：

(1)熱網(wǎng)運行方式是高溫間供，管網(wǎng)承擔(dān)的面積也大，水力失調(diào)情況較為嚴(yán)重，調(diào)節(jié)難度很大，每年啟運前期都要花費大量人力和物力進(jìn)行管網(wǎng)水力平衡調(diào)試，需要反復(fù)調(diào)整多次，往往調(diào)試工作要近兩個月的時間才能完成。

(2)熱力站內(nèi)的儀表尚未完善，有些熱力站只安裝了流量儀表，沒有熱量功能，無法直觀地顯示冬季耗熱量的多少，只憑理論計算和實際經(jīng)驗估算調(diào)節(jié)，費時費力。

(3)熱用戶室內(nèi)系統(tǒng)形式復(fù)雜，有同程式系統(tǒng)和異程式系統(tǒng)；多單元大循環(huán)系統(tǒng)和單元循環(huán)系統(tǒng)；上供下回垂直式系統(tǒng)和水平串聯(lián)式系統(tǒng)；分戶供熱有散熱器系統(tǒng)和地板輔射系統(tǒng)等等，其運行阻力各不相同，差異很大，沒有計量裝置，只能憑溫度感覺調(diào)整單元或入戶閥門，很難達(dá)到水力平衡。

(4)熱用戶室內(nèi)系統(tǒng)老化、結(jié)垢較為嚴(yán)重，由于有些供熱管網(wǎng)已經(jīng)運行近二十年，加之這些年無人維護(hù)和清洗，致使水流量不足、散熱器散熱量不足，耗費大量的熱量。

(5)雖然多數(shù)樓房都有用戶井，井內(nèi)安裝了閘閥，調(diào)節(jié)閥等裝置，但調(diào)節(jié)閥都是手動調(diào)節(jié)閥，沒有流量和熱量顯示，調(diào)節(jié)能力差，達(dá)不到效果。如閥門開度大了，會影響其后端各熱力站和各熱用戶供熱運行，閥門開度小了，影響該站所負(fù)責(zé)的熱用戶不熱，所以，需要反復(fù)多次試驗著調(diào)整，根據(jù)每年熱負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)更加復(fù)雜。綜上所述，存在冷熱不均現(xiàn)象較為嚴(yán)重，能源浪費較大，很難保證供熱效果。

2.2 熱源運行調(diào)節(jié)不適量

供熱系統(tǒng)總的要求是按需供熱，只有供熱量與需熱量平衡了，用戶室內(nèi)溫度才能保證，而需熱量的變化是隨著室外溫度晝升夜降而發(fā)生周期變化的，這就要求供熱系統(tǒng)要根據(jù)室外溫度變化及時進(jìn)行調(diào)整，否則就會出現(xiàn)過熱或熱量不及的問題，現(xiàn)有熱源系統(tǒng)的運行主要是根據(jù)天氣預(yù)報的最高和最低溫度，憑操作人員經(jīng)驗進(jìn)行熱源的調(diào)節(jié)，由于沒有精確的負(fù)荷預(yù)報和量化的調(diào)度指令，系統(tǒng)運行存在著經(jīng)驗性和隨機(jī)性的問題，實際抽查發(fā)現(xiàn)整個采暖期用戶室內(nèi)日平均溫度波動達(dá)6度左右，這對于熱源來說由于沒有量化精確的負(fù)荷控制造成了較大的能源浪費，由于熱源系統(tǒng)不能精確適應(yīng)氣候變化而造成的熱量損失至少在5%以上。

3 供熱系統(tǒng)節(jié)能改造具體實施方案

3.1 建立熱網(wǎng)信息化及數(shù)據(jù)采集管理工作

通過采用先進(jìn)的信息化手段，建立一套從熱源、到熱網(wǎng)、到熱用戶全方位的綜合管理平臺，將現(xiàn)場繁雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析處理，通過水力計算等高級功能模塊，對現(xiàn)場的管網(wǎng)信息做水力工況診斷分析，從而協(xié)助用戶解決現(xiàn)場的實際問題，達(dá)到提高生產(chǎn)管理水平和節(jié)能降耗的目的。

在建設(shè)供熱信息化的同時，需要有步驟、有計劃的實施現(xiàn)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集工作，包括管網(wǎng)信息的現(xiàn)場勘查工作，用戶室溫采集點布置工作。只有現(xiàn)場基礎(chǔ)工作做的細(xì)，信息化平臺才能夠發(fā)揮大的作用。信息化平臺的建立后，可以實現(xiàn)有針對性的在二級網(wǎng)管路上安裝必要的流量平衡調(diào)節(jié)設(shè)備，并實施必要的管路、閥井改造工程，以達(dá)到有效緩解水力失調(diào)問題的目的。

(1)建立供熱調(diào)度管理平臺，可實現(xiàn)對大型熱網(wǎng)的中心控制室的集中調(diào)度管理，熱網(wǎng)平衡分析。

(2)建立供熱管網(wǎng)信息平臺，基于GIS平臺實現(xiàn)設(shè)備檔案管理，并可對熱力管網(wǎng)實施水力工況計算，實現(xiàn)診斷分析功能。

(3)建立供熱呼叫服務(wù)平臺，實現(xiàn)話務(wù)量統(tǒng)計分析功能。

(4)建立供熱能耗分析平臺，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的量化管理，定量分析功能。

3.2 實施全面的熱網(wǎng)水力平衡技術(shù)改造

全面熱網(wǎng)平衡工作，是搞好供熱系統(tǒng)節(jié)能改造工作的基礎(chǔ)工作。熱網(wǎng)平衡在現(xiàn)場實施的細(xì)化程度，決定了供熱系統(tǒng)節(jié)能改造項目最終能夠?qū)崿F(xiàn)多大的節(jié)熱、節(jié)電效果。

3.2.1 分支環(huán)路水力平衡方案

通過站內(nèi)的分支線閥門調(diào)節(jié)，主要是解決了樓群與樓群間的平衡。換熱站的二級網(wǎng)循環(huán)泵的揚程主要是為了克服最不利的那個環(huán)路的阻力，如果其他支線環(huán)路不加以控制，就會造成其他支線環(huán)路流量過大，在同等供水溫度的前提下，供熱量就會超標(biāo)。通過我們實施的管網(wǎng)分支環(huán)路平衡技術(shù)，可以實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)電的雙重目的。

3.2.2 樓前水力平衡解決方案

在掌握用戶室溫數(shù)據(jù)、供熱管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，在專業(yè)的熱網(wǎng)水力平衡分析軟件的指導(dǎo)下，實施有效的熱網(wǎng)平衡改造及增加必要的調(diào)節(jié)手段，盡量減少因為熱網(wǎng)不平衡導(dǎo)致的能耗浪費，將熱網(wǎng)平衡工作，變得更加具有可操作性。

(1)改造單元閥井內(nèi)的閥門，使其具有可調(diào)節(jié)性。

(2)單元供、回水閥門入戶側(cè)，安裝現(xiàn)場壓力測試點，實現(xiàn)量化調(diào)節(jié)。

(3)對部分空間狹小，條件惡劣的閥井或樓內(nèi)閥組間，實施改造。

(4)根據(jù)調(diào)節(jié)精度要求，布置室內(nèi)溫度測點安裝數(shù)量。

3.2.3 平衡到戶的末梢水力平衡方案

全面水力平衡調(diào)整工作，在細(xì)化到樓前用戶側(cè)時，對熱網(wǎng)系統(tǒng)的水質(zhì)提出了很高的要求，這就需要我們在實施水力平衡改造前，先解決系統(tǒng)的水質(zhì)問題。

主要采取的技改措施為：

(1)在換熱站內(nèi)二級網(wǎng)總回水，安裝立式擴(kuò)容除污器，以降低水流速，將水中的絮狀沉淀，匯集到沉淀器一端，通過排污排出沉淀箱，達(dá)到除污目的

(2)采用新型環(huán)保防腐阻垢劑，可起到防腐、阻垢、除垢、除銹、育保護(hù)膜、防人為失水、濕法停用保護(hù)、殺菌、滅藻、除生物黏泥、修復(fù)作用

在水質(zhì)問題解決的前提下，在每戶的閥組間安裝戶平衡閥，解決戶與戶間的垂直失調(diào)問題，實現(xiàn)最大限度的節(jié)約能源，均衡供熱。

3.3 實施全面的節(jié)電技術(shù)改造

通過嚴(yán)格的理論、分析、計算，并結(jié)合現(xiàn)場的實際情況和實踐經(jīng)驗，提出一套有針對性的節(jié)電改造方案及節(jié)電分析報告，同時制定出與之配套的運行管理辦法，實現(xiàn)可持續(xù)的節(jié)電效果。

3.3.1 換熱站分布式水泵節(jié)電方案

常規(guī)換熱站系統(tǒng)，每單分區(qū)系統(tǒng)多采用一套總循環(huán)泵的運行方式，由于各分支環(huán)路的外管網(wǎng)特性差別較大，所需的流量和壓差不同，循環(huán)泵需要克服最不利支線環(huán)路所需要克服的阻力來運行，其他支線環(huán)路就會在嚴(yán)重的大流量情況下運行。

實際現(xiàn)場的運行效果是，在滿足最不利支線環(huán)路供熱基本要求的前提下，其他環(huán)路就會存在大量的能量浪費，造成系統(tǒng)即費電、又費熱的運行方式。

在換熱站實施二級網(wǎng)分布泵系統(tǒng)改造時，需對其所負(fù)擔(dān)的外網(wǎng)用戶所存在的問題進(jìn)行綜合分析后，實施改造，一般采取的辦法是：

(1)取消現(xiàn)有的二級網(wǎng)循環(huán)泵，根據(jù)不同支路的外網(wǎng)管路特性，為每個支路單獨設(shè)變頻循環(huán)泵，將變頻泵裝于從分水器出來的供水管上。

(2)在供回水管上均安裝壓力傳感器，水泵的轉(zhuǎn)速由供回水管壓差控制。

3.3.2 換熱站水泵系統(tǒng)優(yōu)化運行方案

同時針對不宜實施二級網(wǎng)分布泵改造的換熱站，亦可根據(jù)各自的特點，有針對性地實施水泵或管路改造，并制定科學(xué)合理的運行方式，達(dá)到最大的節(jié)電目的，具體如下：

①加一網(wǎng)回水泵旁通管，減小站內(nèi)阻力。

②水泵出入口管過細(xì)，阻力較大的位置實施改造，減小站內(nèi)阻力。

③間供換熱站，板換阻力大，可通過加旁通管或調(diào)整板換入口閥門開度的辦法，調(diào)整適宜的板換阻力和換熱效率。

④直供站，在以混合泵方式進(jìn)行工作時，一網(wǎng)回水閥門和摻水閥門應(yīng)有一個全部打開，以減少不必要的系統(tǒng)阻力。

⑤在一條管路上，通過泵閥組合進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時，泵運行時，閥門應(yīng)該全部打開。

⑥直供站，在二級網(wǎng)回水壓力高于一級網(wǎng)回水壓力時，應(yīng)停掉一網(wǎng)回水泵(或?qū)⒒旌媳?，改為純摻?，以降低站內(nèi)電耗。

⑦對于多支線環(huán)路的，必須保證最不利環(huán)路的供回水總閥門處于全開狀態(tài)，減小不必要的阻力。

⑧合理分析二級網(wǎng)站內(nèi)系統(tǒng)阻力，換熱器的阻力20～50 kPa，水泵的進(jìn)出口阻力30～50 kPa，除污器的阻力10～20kPa，對阻力損失過大的設(shè)備進(jìn)行合理的調(diào)整、檢修維護(hù)，減小站內(nèi)阻力。

⑨在二級網(wǎng)滿足同樣的工況的情況下，具體是一臺變頻泵高頻率運行省電，還是兩臺變頻泵低頻率情況下省電，要根據(jù)現(xiàn)場具體情況確定。不能盲目的認(rèn)為一臺泵運行就一定省電。

3.4 實施全面的節(jié)熱技術(shù)改造

3.4.1 熱網(wǎng)氣象調(diào)度

根據(jù)每日氣象局發(fā)布的預(yù)報室外溫度，并參考本地氣象站的實測室外溫度，實時計算出各換熱站供熱指標(biāo)，并與全網(wǎng)總供熱指標(biāo)做對比，時刻關(guān)注熱網(wǎng)的熱平衡情況，保證熱量被平衡分配到每一個換熱站，滿足每個換熱站的供熱需求。解決了熱網(wǎng)的失控狀態(tài)，實現(xiàn)了科學(xué)調(diào)度管理。

3.4.2 典型用戶室溫監(jiān)測

供熱的手段是以水為載體，通過熱交換來實現(xiàn)，水的溫度和水的流量起到關(guān)鍵因素。

供熱的目的是實現(xiàn)該供熱區(qū)域內(nèi)的所有熱用戶的室內(nèi)溫度達(dá)標(biāo)。為了實現(xiàn)這一目的，調(diào)整供熱參數(shù)是手段，最終檢驗我們工作的結(jié)果是用戶的室內(nèi)溫度。

因此我們盡可能多的在用戶室內(nèi)安裝測溫設(shè)備，然后在每個換熱站的每條分支環(huán)路上，選擇三個典型用戶，作為指導(dǎo)供熱參考，并不斷加以修正，以保證該區(qū)域的供熱效果基本達(dá)標(biāo)。

3.4.3 供熱指標(biāo)管理

換熱站所轄區(qū)域內(nèi)的所有供熱建筑，綜合熱指標(biāo)的確定，對于供熱運行具有重要的指導(dǎo)作用。但是這個參數(shù)的確定，需要一個長期摸索，不斷修正的過程。

最初的熱指標(biāo)的確定，是根據(jù)該區(qū)域所有供熱建筑的設(shè)計熱指標(biāo)，通過理論計算的辦法，予以確定。然后經(jīng)過較長一段時間的運行、摸索，加以核實、修正，以達(dá)到逐漸趨于準(zhǔn)確的目的。

3.4.4 分時分區(qū)節(jié)能控制裝置

分時分區(qū)節(jié)能控制裝置根據(jù)供熱曲線，通過檢測二級網(wǎng)供水溫度和室外溫度，自動調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)換熱站的質(zhì)調(diào)節(jié)；可以根據(jù)不同的時間段及地點(白天、夜晚不同，冬季、春季不同，學(xué)校、辦公室、居民樓不同)設(shè)置多條曲線，監(jiān)控中心也可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)分析，自動生成經(jīng)濟(jì)運行的曲線，管理人員通過網(wǎng)絡(luò)及RTU修改運行曲線和設(shè)定參數(shù)，完成運行曲線的修改、移植，達(dá)到節(jié)約熱能、經(jīng)濟(jì)運行的效果，如圖1所示。

圖1 運行曲線

對居民類用戶主要的調(diào)節(jié)方式是每天晚間22點至凌晨3點期間降溫供熱，室內(nèi)溫度維持14 ℃左右，凌晨3點～8點提溫運行，溫度維持在18 ℃左右，8點～16點降溫供熱溫度維持14 ℃左右，16點～22點提溫運行溫度維持在18 ℃左右。對企事業(yè)單位機(jī)關(guān)學(xué)校幼兒園類用戶主要的調(diào)節(jié)方式是每天晚間19點～6點降溫供熱溫度維持12 ℃左右。6點～19點溫度維持在18 ℃左右。

對企事業(yè)單位機(jī)關(guān)學(xué)校幼兒園類等用戶在周末及節(jié)假日期間全天維持在10 ℃左右。

4 結(jié)束語

通過對集中供熱系統(tǒng)實施全面的節(jié)能改造，流量平衡設(shè)備解決了供熱系統(tǒng)冷熱不均的問題，同時熱源調(diào)度系統(tǒng)，使熱源根據(jù)室外溫度變化精確控制總供熱量，實現(xiàn)適量供熱，使用戶室內(nèi)溫度達(dá)到要求值。這樣總體上就使開窗戶浪費的熱能在補(bǔ)充遠(yuǎn)端不熱用戶的情況下、實現(xiàn)用戶室溫均勻，同時又通過總熱量的控制實現(xiàn)適量供熱，最終使供熱系統(tǒng)用能過程整體優(yōu)化，達(dá)到大幅度節(jié)能減排的目的。

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