供熱換熱站及熱力二次網(wǎng)節(jié)能改造淺析

王 國 偉

(太原市市政工程設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

1 概述

截止到2018年年末，全國城市集中供熱面積達(dá)87.8億m2，管道長度達(dá)37.11萬km[1]。集中供熱面積越來越大，其供熱運(yùn)行能耗也越來越受到行業(yè)的重視，電耗和熱耗都是熱力站主要能耗指標(biāo)，導(dǎo)致能耗過大的原因一：循環(huán)泵工作點(diǎn)遠(yuǎn)離水泵高效區(qū)，循環(huán)泵在低效率下工作，導(dǎo)致電耗過高[2]，故選擇適應(yīng)管路特性曲線的循環(huán)泵是節(jié)能的關(guān)鍵。原因二：“大流量，小溫差運(yùn)行”，水力不平衡是造成“大流量，小溫差運(yùn)行”的主因，故解決水力平衡是根本[3]。根據(jù)以上分析可知，選擇合適的循環(huán)泵和解決管網(wǎng)的水力平衡是節(jié)能改造的根本，以下為某換熱站的節(jié)能改造案例分析。

2 項目概況

某熱力站承擔(dān)某小區(qū)A號樓～F號樓居民樓的供暖，設(shè)計總供熱面積為26.4萬m2。小區(qū)6棟樓均為25層的高層建筑，采用地板輻射的方式供暖，分為地暖低區(qū)和地暖高區(qū)，地暖低區(qū)設(shè)計供熱面積為14.8萬m2，實(shí)際供熱面積為12.12萬m2，設(shè)計供回水溫度為50 ℃/40 ℃；地暖高區(qū)為11.6萬m2，實(shí)際供熱面積為11.25萬m2，設(shè)計供回水溫度為50 ℃/40 ℃。

該站2012年建成投運(yùn)后，出現(xiàn)了用戶冷熱不均以及耗電量過大的問題。據(jù)統(tǒng)計，2014年2月16日～2014年2月22日7 d時間，系統(tǒng)周耗電量達(dá)到20 306 kW·h，水泵整個采暖季恒定頻率運(yùn)行，一個采暖季的耗電量高達(dá)438 029 kW·h，按照電價0.66元/(kW·h)計算，一個采暖季電費(fèi)就要28.9萬元，大大增加了供熱企業(yè)的成本。節(jié)能改造降低運(yùn)行成本，徹底解決用戶冷熱不均的問題迫在眉睫。

3 運(yùn)行現(xiàn)狀

基于上述情況，對換熱站的現(xiàn)狀及運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)查了解。

3.1 循環(huán)水泵改造前配置

換熱站主要用電設(shè)備是循環(huán)水泵和補(bǔ)水泵，補(bǔ)水泵耗電量相比循環(huán)水泵耗電量可以忽略不計，因此，首先了解循環(huán)水泵改造前的配置情況。地暖低區(qū)3臺循環(huán)水泵(2用1備)主要參數(shù)：額定流量500 m3/h，額定揚(yáng)程44 mH2O，額定功率90 kW。地暖高區(qū)2臺循環(huán)水泵(1用1備)主要參數(shù)：額定流量600 m3/h，額定揚(yáng)程38 mH2O，額定功率90 kW。

3.2 循環(huán)水泵運(yùn)行工況

地暖低區(qū)和地暖高區(qū)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)如表1所示，地暖低區(qū)及地暖高區(qū)的循環(huán)水泵均采用變頻調(diào)節(jié)。地暖低區(qū)所配置的3臺循環(huán)泵(2用1備)，2臺運(yùn)行，頻率為36 Hz，實(shí)測揚(yáng)程為21 mH2O，單臺泵流量421 m3/h，按照額定參數(shù)36 Hz時，理論流量360 m3/h，額定揚(yáng)程22.8 mH2O，額定功率34.67 kW；地暖高區(qū)配置的2臺循環(huán)泵(1用1備)全部運(yùn)轉(zhuǎn)(為彌補(bǔ)管網(wǎng)水力不平衡帶來的冷熱不均，啟動兩臺泵，大流量小溫差運(yùn)行)，運(yùn)行頻率為38 Hz，實(shí)測揚(yáng)程為24 mH2O，單臺泵流量135 m3/h，按照額定參數(shù)38 Hz時，理論流量456 m3/h，額定揚(yáng)程21.9 mH2O，額定功率21.6 kW。

表1 地暖低區(qū)和地暖高區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

表1為換熱站的監(jiān)測數(shù)據(jù)：地暖低區(qū)和地暖高區(qū)的一次網(wǎng)流量、一次網(wǎng)供回水溫差及二次網(wǎng)供回水溫差。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可計算得到二次網(wǎng)流量、系統(tǒng)熱負(fù)荷以及面積熱指標(biāo)。

1)地暖低區(qū)的二次網(wǎng)流量842 t/h，單臺泵流量約421 t/h，效率約75.3%；但是水泵的揚(yáng)程偏小，和地暖低區(qū)實(shí)際供回水壓差21 m不符。而且從表1運(yùn)行數(shù)據(jù)也能看出，地暖低區(qū)二次網(wǎng)供回水溫差也只有3.7 ℃。因此，地暖低區(qū)的水泵也可以尋求匹配更合理的型號。

2)地暖高區(qū)的二網(wǎng)流量270 t/h，單臺循環(huán)水泵的流量為135 t/h，效率45%，水泵工作點(diǎn)偏離高效區(qū)。

3)換熱站內(nèi)4臺循環(huán)水泵的功率： 34.67 kW×2+21.6 kW×2=112.54 kW；周耗電量：112.54 kW×24 h/d×7 d=18 906.72 kW·h。證明水泵的工作點(diǎn)判斷有一定的合理性。

綜上所述，改造前有必要對現(xiàn)有的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，找到系統(tǒng)存在的不合理的地方，提出可行的方案，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

4 改造方案

4.1 管網(wǎng)的初調(diào)節(jié)

新建或者改建管網(wǎng)進(jìn)行初調(diào)節(jié)是必不可少的，供熱初調(diào)節(jié)應(yīng)納入到設(shè)計和施工內(nèi)容的一部分。特別是枝狀管網(wǎng)，由于近遠(yuǎn)端距離相差比較大，僅靠管道的口徑進(jìn)行水力平衡是無法實(shí)現(xiàn)的，所以只能靠閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。從改造前地暖低、高區(qū)的運(yùn)行結(jié)果看，低區(qū)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行供回水溫度為3.71 ℃，高區(qū)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行供回水溫度為6.97 ℃，高、低區(qū)設(shè)計供回水溫差10 ℃，都有一定差距，其溫差差距就是水力不平衡的直接反映。水泵功率和循環(huán)流量的三次方成正比，大流量，小溫差運(yùn)行是造成運(yùn)行電耗過高的主要原因，故管網(wǎng)的初步調(diào)節(jié)是必不可少的。本工程采用比例調(diào)節(jié)和回水溫度混合調(diào)節(jié)方法，使管網(wǎng)達(dá)到一個理想的水力平衡狀態(tài)。

4.2 循環(huán)水泵選擇

通過對水泵揚(yáng)程、流量、功率的測試，結(jié)合運(yùn)行記錄二網(wǎng)供回水溫度、壓力等參數(shù)，可以確定出水泵的運(yùn)行效率，再結(jié)合建筑面積，根據(jù)以往相關(guān)類型建筑節(jié)能改造后的供回水溫差，可以確定出適宜的循環(huán)泵流量和揚(yáng)程，控制循環(huán)泵的工作點(diǎn)位于水泵的高效區(qū)。

根據(jù)表1的計算結(jié)果，地暖低區(qū)的面積熱指標(biāo)為28.33 W/m2，地暖高區(qū)的面積熱指標(biāo)為19.42 W/m2，由于目前系統(tǒng)尚存在水力失調(diào)，部分用戶不熱，因此在匹配循環(huán)泵時，地暖低區(qū)面積熱指標(biāo)取35 W/m2，循環(huán)泵的設(shè)計參數(shù)：流量為366.91 m3/h，揚(yáng)程為11.6 mH2O，根據(jù)流量和揚(yáng)程，選擇水泵額定流量400 m3/h，額定揚(yáng)程為12.5 mH2O，額定功率為22 kW；地暖高區(qū)面積熱指標(biāo)取25 W/m2，循環(huán)泵的設(shè)計參數(shù)：流量為241.92 m3/h，揚(yáng)程為12 mH2O，根據(jù)流量和揚(yáng)程，選擇水泵額定流量300 m3/h，額定揚(yáng)程為12 mH2O，額定功率為22 kW。

4.3 耗電量比較

從理論計算，改造前循環(huán)泵實(shí)際功率之和為112.54 kW，改造后循環(huán)泵理論功率之和為44 kW，故理論節(jié)電率為(112.54-44)/112.54=60.9%。

5 改造后節(jié)能效果

改造后經(jīng)過一個采暖季運(yùn)行后實(shí)際節(jié)熱量和節(jié)電量為：

1)地暖低區(qū)改造前單位面積耗熱量為0.400 GJ/(采暖季·m2)。改造后單位面積耗熱量為0.338 GJ/(采暖季·m2)。單位面積節(jié)熱0.062 GJ/(采暖季·m2)，節(jié)熱率為15.5%。

2)地暖高區(qū)改造前單位面積耗熱量為0.357 GJ/(采暖季·m2)。改造后單位面積耗熱量為0.323 GJ/(采暖季·m2)。單位面積節(jié)熱0.034 GJ/(采暖季·m2)，節(jié)熱率為9.52%。

3)改造前單位面積耗電量1.59 kW·h/m2，改造后單位面積耗電量為0.68 kW·h/m2，節(jié)電率為57.23%。

6 結(jié)論

1)通過本工程實(shí)踐，節(jié)能改造后其整個采暖季平均供回水溫度接近10 ℃，其值接近設(shè)計供回水溫度，故“大流量、小溫差運(yùn)行”主要是由水力不平衡引起的。

2)換熱站主要的用電設(shè)備為循環(huán)水泵，減小循環(huán)水泵用電量的主要途徑是提供循環(huán)水泵的效率及管網(wǎng)平衡，達(dá)到“小流量，大溫差運(yùn)行”。

3)理論節(jié)電率60.9%只是考慮循環(huán)泵功率在改造前后的節(jié)電率，實(shí)際節(jié)電率57.23%是整個熱力站用電量在節(jié)能改造前后的節(jié)電率，其理論節(jié)電率和實(shí)際節(jié)電率非常接近，說明熱力站主要的耗電設(shè)備為循環(huán)泵，同時也證明理論分析的正確性。

4)地暖低區(qū)和地暖高區(qū)的節(jié)熱量相差較大，主要原因是節(jié)熱率是一個不確定的參數(shù)，其與原供熱效果、運(yùn)行方式、氣象參數(shù)等因素有關(guān)。