集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能措施研究

朱成華

(中國石化集團共享服務(wù)公司淄博服務(wù)部，山東 淄博 255400)

目前我國能源浪費嚴重，是世界第二大能源消耗國，其中供暖能耗占相當大比例。特別是早期沒有分戶的供暖系統(tǒng)尤為顯著。供暖能耗一部分是由于供暖系統(tǒng)運行管理造成的，另一部分是由于供暖系統(tǒng)缺少科學(xué)的調(diào)節(jié)設(shè)備?？茖W(xué)合理的供熱系統(tǒng)能夠盡可能使每個環(huán)節(jié)發(fā)揮最大功能效益。

現(xiàn)針對齊魯石化公司辛店社區(qū)的供暖為例，探討供暖節(jié)能的措施。

1 齊魯石化辛店社區(qū)供熱基本情況

辛店社區(qū)始建于20世紀80年代中期，共有12個換熱站，總供熱面積為146.37萬m2，公建面積占總供熱面積的10%左右。其中6個換熱站負責辛店社區(qū)的內(nèi)供，總面積為119.37萬m2。另有6個換熱站負責外供，共計27萬m2。除內(nèi)供的1號換熱站和6號換熱站為直接購買蒸汽換熱后供給居民熱量外，其余都為中心換熱站購買臨淄區(qū)熱力公司蒸汽，集中換熱后通過一次水把熱量輸送給二級換熱站，再進行二次換熱供給用戶，用戶沒有實現(xiàn)分戶供暖。

其中辛店社區(qū)的換熱站和供熱面積分別為：1號站：12.95萬m2(其中住宅6.3萬m2，公建3.65萬m2，外供3萬m2)；2號站：31.16萬m2(其中住宅23.44萬m2，公建7.72萬m2)；3號站：18.44萬m2(其中住宅15.56萬m2，公建2.88萬m2)；4號站：12.35萬m2(其中住宅11.45萬m2，公建0.9萬m2)；5號站：20.57萬m2(其中住宅18.65萬m2，公建1.92萬m2)；6號站：23.00萬m2(其中住宅21.51萬m2，公建1.49萬m2)。

另外，6個換熱站和一個區(qū)域也同樣經(jīng)過新建中心換熱站供給齊魯石化外部單位。其換熱站和面積為：臨1#站：4.9萬m2，臨5#站：3.0萬m2，臨6#站：7.2萬m2，相家1站：3.8萬m2，相家2區(qū)域：9.0萬m2。

2 存在的問題和需要改善的環(huán)節(jié)

辛店生活區(qū)的供熱能耗偏高。根據(jù)以往煤耗和蒸汽使用量折算估計，每采暖期每平米平均耗熱量約為0.47 GJ。按照山東當?shù)囟臼彝馄骄鶞囟群?年來在中石化燕山等各地社區(qū)(節(jié)能改造后)，包括齊魯3個社區(qū)的實施經(jīng)驗，一個采暖季每平米能耗在0.40 GJ以內(nèi)就可以滿足要求。如果辛店社區(qū)也采取相應(yīng)措施，應(yīng)當會有較大的節(jié)能降耗空間。通過調(diào)研和分析，辛店社區(qū)供熱還存在下列薄弱環(huán)節(jié)。

圖1 齊魯一個生活區(qū)供水溫度與室外溫度對應(yīng)圖(改造前)

2.1 熱源缺少自動調(diào)節(jié)措施

沒有根據(jù)室外氣溫的實時變化，隨時調(diào)節(jié)蒸汽量的裝置(圖1)。而氣溫在一天的不同時段波動是很明顯的，熱用戶的用熱需求也不同。如果蒸汽的閥門只是執(zhí)行每天一兩次的簡單指令，不能及時調(diào)節(jié)，就會導(dǎo)致能源浪費(圖2)?？茖W(xué)運行應(yīng)當根據(jù)每天室外氣溫的波動變化，按需隨時合理調(diào)節(jié)蒸汽用量。

圖2 蒸汽用量與室外氣溫對比圖(改造前)

2.2 供熱管網(wǎng)熱利失調(diào)

各換熱站的供熱區(qū)域大(圖3)，主要管網(wǎng)環(huán)路都沒有相應(yīng)的水力平衡調(diào)節(jié)措施，沒有流量和熱量的計量裝置，無法判斷該管線的流量或熱量是否滿足所供區(qū)域里總建筑面積需要的熱量，也無法判斷各管線的實時流量是否合理，并據(jù)此作出相應(yīng)調(diào)節(jié)。因此，在供熱過程中，某一個局部區(qū)域出現(xiàn)溫度偏低或偏高，都只能通過調(diào)節(jié)換熱站循環(huán)水泵的開啟臺數(shù)和換熱器的使用臺數(shù)來提高或降低整個區(qū)域的供水溫度。這樣會導(dǎo)致近端的區(qū)域更熱，或者遠端的區(qū)域更涼，不能解決冷熱不均的現(xiàn)象，還會使能耗增加(表1)。

圖3 換熱站示意圖

樓號層數(shù)房號溫度/℃?zhèn)渥?220416.0遠端樓430215.3遠端樓820114.2遠端樓730113.1遠端樓740212.7遠端樓820615.4遠端樓2530619.1遠端樓5140220.4中間樓1220421.1中間樓1610322.1中間樓1920511.4中間樓19130421.5近端樓610325.5采暖總管走該層1320224.3近端樓

由于缺乏調(diào)控手段，外供換熱站的熱量供給也難以合理調(diào)節(jié)，造成內(nèi)供站與外供站熱量輸送的不平衡。經(jīng)常會出現(xiàn)近端區(qū)熱量供給偏多，而遠端區(qū)卻熱量偏低的狀況。

各換熱站供熱參數(shù)讀取不全。系統(tǒng)運行參數(shù)缺乏各項實際數(shù)據(jù)的支持，站內(nèi)各管線的流量、溫度、壓力等指標對分析系統(tǒng)是否正常和經(jīng)濟運行起著重要作用。如果缺少這些數(shù)據(jù)，就無法對站內(nèi)系統(tǒng)的供熱狀況做出準確分析，影響供熱效果和節(jié)能運行。

2.3 供熱系統(tǒng)水利失調(diào)

供熱管網(wǎng)和熱用戶入口沒有水力平衡調(diào)節(jié)措施。不能根據(jù)用戶用熱需求做水力平衡調(diào)節(jié)。部分熱用戶存在距離換熱站遠近不同而導(dǎo)致室溫冷熱不均的現(xiàn)象。為了解決遠端熱用戶室內(nèi)溫度偏低的問題，就要提高供熱溫度或加大循環(huán)量，如果遠端熱用戶達標了，近端熱用戶會偏熱，造成能源浪費。

2.4 公建沒有調(diào)節(jié)措施

社區(qū)內(nèi)有一些公共建筑，比如辦公樓、文體設(shè)施、中小學(xué)校等等，占總供暖面積15%。在長達130余天的供暖期內(nèi)，節(jié)日、周末、夜間無人。但整個采暖季都是24 h正常供熱，這樣就浪費了大量的熱能。

2.5 其他

部分換熱站失水嚴重。由于補水量大，不僅影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，還會造成能耗增加。因此，針對上述問題，對辛店社區(qū)實施供熱節(jié)能改造，達到既可提高供暖效果，也可節(jié)能降耗的目的。

3 采取的節(jié)能降耗措施

提供合理的供熱實施方法和運行管理機制，進行管網(wǎng)的整體熱量檢測，提高換熱站的供熱平衡調(diào)節(jié)水平，降低蒸汽耗量和失水量，節(jié)約用電量，強化對公建單位的用能管理，通過對供熱系統(tǒng)的改造和科學(xué)的管理，切實提高和改善居民樓房的供暖效果，加強供熱過程的自動監(jiān)控水平，最終達到節(jié)能降耗的目的。

3.1 設(shè)置高溫蒸汽自動調(diào)節(jié)閥，氣候補償器

蒸汽量的合理使用，直接關(guān)系到節(jié)能的效率、供熱的效果和經(jīng)濟的效益。通過設(shè)置高溫蒸汽自動調(diào)節(jié)閥(圖4～5)、氣候補償器的方式，根據(jù)室外氣溫調(diào)節(jié)蒸汽用量。把根據(jù)當?shù)厍闆r設(shè)計的供熱質(zhì)調(diào)節(jié)曲線，輸入到氣候補償器中，參考室外氣溫的實時變化，自動調(diào)節(jié)閥可以對蒸汽供應(yīng)量隨時加以自動調(diào)節(jié)(圖6～7)，提高換熱站供暖蒸汽用量(表2)的科學(xué)合理性。中心換熱站、1號、6號換熱站是汽水換熱。

為提高熱水供暖系統(tǒng)的管理水平，可通過理論計算根據(jù)天氣變化來調(diào)節(jié)熱煤參數(shù)，即采用運行調(diào)節(jié)基本公式(1)和(2)，來求得任意室外溫度tw下的供、回水溫度tg和th。

圖4 根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)供汽用量圖

圖5 根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)供水溫度圖

圖6 電動閥補償原理

圖7 電動閥控制原理

時間室外溫度/℃蒸汽用量/(t·h-1)8:00-511.610:00-310.412:00-29.614:0009.416:00-39.718:00-511.620:00-612.422:00-814.924:00-916.12:00-1017.24:00-814.66:00-612.98:00-511.2

(1)

(2)

式中：tg′為任意室外日均溫度時的供水溫度，℃；th′為任意室外日均溫度時的回水溫度，℃；th為室內(nèi)設(shè)計要求溫度，℃；tg為室外計算溫度時的供水溫度，℃；tw為室外計算溫度時的回水溫度，℃；tw′為任意室外日平均溫度，℃；B為散熱器指數(shù)(實驗得數(shù))；G為相對流量比(即系統(tǒng)實際流量與設(shè)計流量比)。

式(1)和(2)是來源于不考慮熱網(wǎng)熱損失的熱平衡方程：

Q1=Q2=Q3。

(3)

式中：Q1為建筑物的熱負荷(W)；Q2為散熱器放出的熱量(W)；Q3為熱網(wǎng)輸出的熱量(W)。

運行基本調(diào)節(jié)公式(1)和(2)，是個理論公式，只有當建筑物的設(shè)計熱負荷與實際需要量相等，而且G已知，才可以求出該工況下的熱煤運行參數(shù)，這是我們很熟悉的。但是，我們在多年的熱水供暖工程的運行管理實踐中體會到，設(shè)計熱負荷的計算，由于種種偏于安全的考慮，往往與設(shè)計流量不相等，因此，當我們在應(yīng)用上述運行調(diào)節(jié)基本公式時，并不能確定出符合實際運行工況要求的熱煤參數(shù)。為了切實指導(dǎo)實際運行，有必要對運行調(diào)節(jié)基本公式進行處理和改造，得出正確實用的運行調(diào)節(jié)公式，才能真正指導(dǎo)實踐，把運行管理納入科學(xué)的軌道。

在運行調(diào)節(jié)基本公式中加入熱負荷修正系數(shù)，得出正確的實用的熱水供暖質(zhì)調(diào)節(jié)公式。

(4)

(5)

式中：n為一棟建筑物在設(shè)計工況下，實際熱負荷與設(shè)計熱負荷之比，稱熱負荷修正系數(shù)；q為運行工況與設(shè)計工況下建筑物熱指標之比；tn為室內(nèi)設(shè)計要求溫度，℃；tw為運行室內(nèi)實際溫度，℃；G為相對流量比。

該成果還通過變量值導(dǎo)出熱負荷修正系數(shù)n和相對流量比G的公式：

(6)

(7)

現(xiàn)根據(jù)實測供暖工程列出《熱水供暖實際運行熱煤參數(shù)的確定》的具體應(yīng)用實例：系統(tǒng)設(shè)計工況：室外計算溫度tw=-24 ℃；室內(nèi)溫度tn=18 ℃；供水溫度tg=95 ℃；回水溫度th=70 ℃；測定獲得數(shù)據(jù)：室外日均溫度tw′=-14.8 ℃；室內(nèi)日均溫度tn′=18.3 ℃；供水日均溫度tg′=57.4 ℃；回水日均溫度th′=48.5 ℃

將上列數(shù)據(jù)代入式(6)和(7)得：

0.59，

將n及G值代入式(4)和(5)即可得出該工程現(xiàn)行流量下的熱煤運行調(diào)節(jié)參數(shù)對照表。

3.2 安裝自力式流量控制閥

在內(nèi)供區(qū)域各換熱站內(nèi)的各主環(huán)路安裝自力式流量控制閥，即平衡閥，用于調(diào)節(jié)各主環(huán)路之間的水力平衡，使各換熱站的主循環(huán)管網(wǎng)的流量達到按需控制的目的。避免部分區(qū)域過熱和過冷，減少不必要的能源浪費。根據(jù)各采暖用戶距離熱源的遠近和管網(wǎng)阻力大小，在部分公共用戶和居民樓前安裝相應(yīng)口徑的平衡閥。根據(jù)用戶采暖面積計算出合理的流量，通過流量設(shè)定，使原來溫度偏低的居民樓達到需要的流量，解決居民樓供熱效果冷熱不均的問題。同時，選擇不同區(qū)域和位置的居民家庭，安裝小型精密的具有存儲功能的溫度測量器，以便監(jiān)測實際的供暖效果，以更好地指導(dǎo)供熱調(diào)節(jié)。

3.3 安裝超聲波熱量總表

在各換熱站的主管網(wǎng)，安裝超聲波熱量總表，可以顯示各主要管線通往各供熱區(qū)域的實時流量和熱量。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可對水力平衡的調(diào)節(jié)起到量化的指導(dǎo)作用。能夠?qū)?yīng)各區(qū)域的總供熱面積，定量合理地掌控其供熱量。

對外供區(qū)域的主管線出口，也同樣安裝超聲波熱量總表和平衡閥，合理分配總熱量，根據(jù)其總建筑面積，通過上述裝置提供的數(shù)據(jù)參考，給予合理的熱量供應(yīng)。

3.4 安裝樓宇節(jié)能自動控制器

為合理節(jié)約能源，根據(jù)商業(yè)和公建單位節(jié)假日、周末和夜間無人的特點，在這些樓前入口處安裝樓宇節(jié)能自動控制器。通過程序設(shè)定，確保在上述時段，自動將流量關(guān)小，實現(xiàn)樓內(nèi)小流量低溫運行模式(圖8)，避免不必要的能源浪費。同時也將更多的流量調(diào)劑到居民樓群，滿足他們在這些時段相應(yīng)更多的用熱需求。

3.5 安裝監(jiān)控儀表

在中心換熱站的供回水管道和換熱器的進出口安裝溫度和壓力檢測裝置，同時安裝電腦監(jiān)控系統(tǒng)。可在操作室里對各項供熱指標實現(xiàn)實時監(jiān)控，減少員工抄表的工作量。同時可以通過這些參數(shù)，對站內(nèi)系統(tǒng)做出準確分析，對于異常狀況能及時發(fā)現(xiàn)和解決，提高換熱站的供熱運行管理水平。

圖8 樓宇控制器流量變化圖

3.6 購置先進的測漏儀

對于失水的換熱站和區(qū)域，購置先進的測漏儀，與換熱站超聲波熱量表結(jié)合使用，快速查找漏點，加以排除，降低失水，減少熱量損失，穩(wěn)定供暖系統(tǒng)。

4 節(jié)能效果

齊魯石化辛店生活區(qū)因2010年供暖熱源由燃煤鍋爐改造為外購蒸汽換熱的方式(除1號換熱站外)，所以兩采暖季能耗數(shù)量對比不直觀?，F(xiàn)在選擇1號換熱站作為能耗比較對象，因為這個換熱站前后供暖熱源一直是外購蒸汽，方式?jīng)]有發(fā)生變化。

2009年—2010年供暖季1號站消耗的蒸汽總量為26 000 t。2010年—2011年采暖季，1號站在實施了改造，采用了上述各項節(jié)能措施后，截至供暖結(jié)束，共消耗蒸汽21 908 t，與2009年—2010年采暖季相比，節(jié)約了蒸汽4 092 t，能耗同比降低15.7%。按蒸汽內(nèi)部結(jié)算價格165元/t結(jié)算，節(jié)約人民幣67.5萬元。

以上節(jié)能效果僅以1號站的能耗數(shù)目作為統(tǒng)計對象，不包括其他同樣實施了節(jié)能改造措施的區(qū)域，1號站供暖面積為12.95萬m2，節(jié)約蒸汽4 092 t，折合節(jié)約0.031 6 t/m2，辛店社區(qū)總供暖面積146.37萬m2，所以，如果以辛店總區(qū)域的供暖能耗作為統(tǒng)計對象的話，可結(jié)余蒸汽量按50%計算，一個供暖期節(jié)汽約2.3萬t。

通過節(jié)能改造，不僅有效地節(jié)約了能源，降低了能耗，而且還優(yōu)化了各社區(qū)的供暖系統(tǒng)，同時也使供暖效果得到明顯改善，實現(xiàn)了按時按需按質(zhì)供暖，使熱量分配更合理，室溫更舒適，用戶更滿意，實現(xiàn)節(jié)能改造較小的投入換來長遠的經(jīng)濟效益。