城市集中供熱系統(tǒng)節(jié)能問題及對策分析

高琨

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030027)

隨著城市規(guī)模的不斷發(fā)展，社會大眾的生活水平的不斷提高，對生活品質(zhì)的追求亦在不斷上升。傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)能耗較高，且供熱效果較差，不僅無法滿足當前現(xiàn)代城市的集中供熱需求，同時亦不符合當前我國節(jié)能環(huán)保發(fā)展理念。因此，想要切實實現(xiàn)對城市集中供熱系統(tǒng)節(jié)能效果的有效改善，首先應(yīng)當注重對導(dǎo)致其節(jié)能水平不理想的主要因素進行全面的分析，并采取針對性完善措施，全面提升城市集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1 工程案例

1.1 工程概況

A城市位于我國北方地區(qū)，集中供熱是該城市冬季的主要區(qū)取暖方式。P小區(qū)作為住宅小區(qū)，其入網(wǎng)面積為24萬m2，在2019年的實際供熱面積為17.89萬m2。該小區(qū)鍋爐房以及熱力站能源消耗情況如表1。

表1 P小區(qū)鍋爐房及熱力站能源消耗統(tǒng)計表

1.2 熱源能耗分析

1.2.1 鍋爐房煤耗計算

首先計算鍋爐的熱效率ηgl：

(1)

在公式(1)中：

ηgl為P小區(qū)鍋爐房的鍋爐熱效率。

qi為各熱量占送入爐內(nèi)總熱量的百分比，單位為%；

q1為有效利用熱量所占百分比，單位為%；同時排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失、爐體散熱損失、灰渣等其他熱損失分別用q2-q6分別表示。

對集中供熱系統(tǒng)年煤炭消耗量的計算公式為：

(2)

在該公式(2)中：

B為P小區(qū)鍋爐房供熱年煤炭消耗量，單位為kg/y；

Qgl為P小區(qū)鍋爐房的年供熱量，單位為GJ/y，該值的取值范圍與用戶的熱負荷大小相關(guān)。

29309為2019年P(guān)小區(qū)供熱所用煤炭的發(fā)熱量，單位為KJ/Kg；

通過公式(1)的計算，想要實現(xiàn)煤耗的減少，首先應(yīng)當最大限度增加鍋爐的有效利用熱量，同時盡可能減少各種因素所產(chǎn)生的熱損失，方能夠有效提升熱利用量。通過公式(2)的計算，P小區(qū)在年供熱量不發(fā)生的改變的前提下，鍋爐的熱效率越高，其所消耗的煤炭量亦會隨之減少。因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)用戶的熱負荷變化對鍋爐供熱量的實時調(diào)節(jié)，不僅能夠保障集中供熱效果，同時能夠進一步實現(xiàn)對煤炭資源的節(jié)約。

1.2.2 電力消耗計算

在集中供熱系統(tǒng)中，其主要的耗電設(shè)備主要有循環(huán)水泵、補水泵、加壓泵、防腐塑料泵、鼓風機和引風機等電力設(shè)備。

水泵點位供熱量的耗電量計算公式為：

S=∑[2.78×10-4(Gi×Hi)/ηsi]/∑Q0

(3)

在公式3中：

i表示供熱系統(tǒng)中的各個水泵；

Gi表示水泵的運行流量，單位為m3/h；

Hi表示水泵的運行揚程，單位為m；

ηsi表示水泵的運行效率，單位為%；

∑Q0表示為供熱系統(tǒng)的年供熱量，單位為kW/y。

同時公式(3)同樣適用于對風機耗電量的計算，在計算風機耗電量時：

G表示風機的運行風量，單位為m3/h；

H表示風機的運行風壓，單位為m；

η表示風機的運行效率，單位為%。

通過公式(3)的計算，在供熱系統(tǒng)中，對水泵以及風機的選擇能夠直接影響供熱系統(tǒng)的總耗電量。

1.2.3 水源消耗

在該供熱系統(tǒng)中，熱網(wǎng)以及用戶系統(tǒng)的用水量直接關(guān)系到循環(huán)水量，循環(huán)水量的消耗主要體現(xiàn)在兩個方面，其一為系統(tǒng)用水，其二為補水量。對于水源的消耗計算公式為：

P=100×BS/G

(4)

在公式(4)中：

P表示補水率，單位為%；

BS表示為系統(tǒng)補水量；

G表示為循環(huán)水量

通過公式(4)可以算出，系統(tǒng)的補水率越大，則證明其系統(tǒng)的水量損失約為嚴重。水源消耗的增加不僅會導(dǎo)致水資源的浪費，同時會在一定程度上增加補水泵的運行能耗。與此同時，補水一般為冷水，補水量的增加同樣會導(dǎo)致熱源利用率的下降，影響供熱效果。

2 城市集中供熱系統(tǒng)能耗問題分析

通過對A城市P小區(qū)集中供熱情況與供熱效果的分析，導(dǎo)致其供熱系統(tǒng)出現(xiàn)能耗問題的主要因素體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 熱源的運行效率有待提升

在整個城市集中供熱系統(tǒng)運行過程中，熱源的運行效率對其能耗的消耗量起著決定性作用。傳統(tǒng)燃煤鍋爐的運行效率越高，其煤炭燃燒過程中所產(chǎn)生的熱量利用率也會隨之增加，反而言之，鍋爐的運行效率較低，為了保障供熱系統(tǒng)的供熱效果，則需要加大煤炭的消耗來實現(xiàn)，因此，想要切實解決供熱系統(tǒng)能耗過高的問題，首先應(yīng)當重點關(guān)注鍋爐的運行效率。據(jù)相關(guān)調(diào)查資料顯示，在當前我國大部分的集中供熱系統(tǒng)中，傳統(tǒng)燃煤鍋爐的運行效率僅能達到64%左右，距離我國相關(guān)標準規(guī)定還存在一定的提升空間，而導(dǎo)致城市集中供熱系統(tǒng)鍋爐運行效率過低的因素較為復(fù)雜，首先煤炭的發(fā)熱量對鍋爐的運行效率具有直接的影響，一些劣質(zhì)煤炭在燃燒過程中，其所產(chǎn)生的熱量不足，進而會導(dǎo)致供熱效率下降。同時鍋爐自身的設(shè)計缺陷以及質(zhì)量缺陷同樣會對鍋爐的運行效率造成一定的制約。

因熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣鍋爐的運行效率較傳統(tǒng)的燃煤鍋爐高，進一步推動熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣鍋爐在集中供熱熱源中的比重上升。

2.2 供熱管網(wǎng)熱損現(xiàn)象有待改善

供熱管網(wǎng)是城市集中供熱系統(tǒng)中的熱量運輸系統(tǒng)，鍋爐輸出的熱量經(jīng)過熱管網(wǎng)將熱量輸送到用戶時，其本身會產(chǎn)生一定的熱損。如果熱量運輸所產(chǎn)生的熱損過大，將會對熱管網(wǎng)范圍內(nèi)用戶的供熱效果造成一定的影響，而為了滿足用戶的供熱需求，則需要加大能耗來實現(xiàn)。因此，供熱管網(wǎng)熱損嚴重同樣會導(dǎo)致能耗的提高。而導(dǎo)致供熱管網(wǎng)熱損現(xiàn)象嚴重的主要因素主要體現(xiàn)在以下三個方面：其一是由于集中供熱管網(wǎng)絡(luò)分布設(shè)計中存在缺陷，供熱管網(wǎng)運輸距離過大、管道規(guī)格型號選擇不合理等因素，都會對供熱管網(wǎng)在進行熱量運輸過程中損失大量的熱量，導(dǎo)致能耗過高。其二是由于供熱管網(wǎng)在運行過程中，發(fā)生管網(wǎng)熱泄漏事故，同樣會導(dǎo)致熱損消耗過大。其三則是因為在供熱管網(wǎng)進行敷設(shè)過程中，其保溫措施不到位，進而導(dǎo)致供熱管網(wǎng)運行過程中散熱加快，從而對導(dǎo)致其熱損過大。因此，想要切實實現(xiàn)對供熱管網(wǎng)的熱損現(xiàn)象的有效控制，首先應(yīng)當加強對供熱管網(wǎng)的優(yōu)化。

2.3 供熱水力失調(diào)問題亟待解決

目前一次側(cè)的水力平衡調(diào)整已能夠?qū)崿F(xiàn)通過軟件控制電動調(diào)節(jié)閥等設(shè)備自動平衡熱量，但二次網(wǎng)的水力平衡調(diào)整因自控設(shè)備未安裝到達樓、戶，二次網(wǎng)仍存在較大的水力平衡調(diào)整空間。供熱管網(wǎng)在輸送熱量過程中，因不同用戶所處系統(tǒng)位置不同，資用壓頭不同，輸送至終端用戶的熱量亦存在一定的差異，供熱水力平衡其主要是指結(jié)合供熱管網(wǎng)自身的設(shè)計特點，結(jié)合不同供熱終端用戶的取暖需求，對輸送熱量進行合理調(diào)節(jié)，通過對管網(wǎng)輸送流量的有效控制，來維持不同終端用戶用熱需求的平衡。而供熱水力失調(diào)其主要是指城市集中供熱系統(tǒng)在運行過程中，由于水力調(diào)節(jié)不合理，導(dǎo)致輸送至用戶的熱量存在差異，最終造成同一供熱系統(tǒng)中不同用戶室內(nèi)的溫度存在明顯的差異。

3 城市集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化措施

在城市集中供熱系統(tǒng)運行過程中，為有效提升該系統(tǒng)的整體節(jié)能水平，相關(guān)技術(shù)人員首先應(yīng)當對整個系統(tǒng)運行中會產(chǎn)生的能源損失類型進行歸納與總結(jié)，并制定針對性的解決措施，如此方可保障城市集中供熱系統(tǒng)能夠低損耗運轉(zhuǎn)。

3.1 提升供熱系統(tǒng)熱源運行效率

在對城市集中供熱系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)整過程中，技術(shù)人員應(yīng)重點優(yōu)化熱源效率，主要為優(yōu)化鍋爐性能。最大限度提升鍋爐的運行效率，最終有效保障鍋爐所產(chǎn)生的能源能夠被充分利用[1]。在此過程中，首先，技術(shù)人員應(yīng)重點研究鍋爐設(shè)備。在選擇鍋爐型號時，應(yīng)對不同型號的鍋爐結(jié)構(gòu)進行深入研究，并對所有鍋爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及各構(gòu)件的尺寸參數(shù)進行對比分析，在經(jīng)過科學計算與分析以后，最終選擇出符合城市集中供熱系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模的鍋爐設(shè)備，通過精準選型，能夠有效增強鍋爐在運行過程中的運行效率，同時也會規(guī)避由于鍋爐自身結(jié)構(gòu)問題所出現(xiàn)的能耗損失問題。其次，技術(shù)人員還應(yīng)當圍繞城市集中供熱系統(tǒng)運行中所應(yīng)用的燃料類型進行系統(tǒng)分析。在選擇燃料時，應(yīng)盡量選擇一些放熱較高的燃料，且在原煤投放之前，還需對原煤進行過篩處理，有效避免原煤中所摻雜的劣質(zhì)煤投放后影響燃燒效果。最后，技術(shù)人員還需在城市集中供熱系統(tǒng)中安裝熱量表等儀表設(shè)備，實現(xiàn)對鍋爐運行狀態(tài)的實時顯示，技術(shù)人員也可通過對儀表數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，保障鍋爐設(shè)備的高質(zhì)量、高效率運行[2]。一旦鍋爐在運行中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，技術(shù)人員還可對鍋爐進行全面檢查，找到異常原因并及時采取相應(yīng)的維修措施，最終有效規(guī)避熱能耗損失的發(fā)生。

3.2 合理優(yōu)化供熱管網(wǎng)熱損現(xiàn)象

供熱管網(wǎng)是城市集中供熱系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其主要功能是連接熱源與熱用戶，將熱量輸送到各個分支供熱管道中，保障居民室內(nèi)的整體供熱水平。在對供熱系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員還需關(guān)注供熱管網(wǎng)在運行中所產(chǎn)生的能源消耗問題，保障供熱管網(wǎng)在運行中能夠低能耗運行。在對供熱管網(wǎng)進行調(diào)整時，首先，技術(shù)人員應(yīng)在合理范圍內(nèi)，優(yōu)化供熱路由路徑，最大限度縮短熱網(wǎng)管道的整體長度。現(xiàn)階段部分北方城市為降低供熱管網(wǎng)的能效，在供熱系統(tǒng)的建設(shè)中直接應(yīng)用了直埋式的大管徑供熱管道。由于這類供熱管道的管徑較大，輸送熱量效率較高，因此能夠在提升供熱速率基礎(chǔ)上，還能夠有效降低熱量散失問題[3]。另一方面，技術(shù)人員還需明確該系統(tǒng)在運行過程中的運行需求，明確該供熱系統(tǒng)所轄范圍內(nèi)的不同區(qū)域?qū)岬膶嶋H需求，如此方可有效提升供熱管網(wǎng)的整體運行速率，避免鋪設(shè)一些應(yīng)用效率較低的管路。與此同時，在城市集中供熱系統(tǒng)運行過程中，要想全面提升該系統(tǒng)的節(jié)能水平，相關(guān)技術(shù)人員還應(yīng)當重點關(guān)注供熱系統(tǒng)的保溫性能，并制定相應(yīng)的優(yōu)化措施。通常來說，城市集中供熱系統(tǒng)中的保溫層結(jié)構(gòu)的主要功能是降低供熱管道在供熱過程中產(chǎn)生的熱量損耗。在對其進行優(yōu)化時，技術(shù)人員首先應(yīng)當選擇保溫性能較好，且性價比較高的保溫層材料，如高密度聚乙烯以及聚氨酯等等，并且在選擇過程中還需要選擇合適的材料厚度，如此方可有效增強整個供熱管線的保溫能力，對于我國熱輸送效率達到90%的目標會起到有效助推作用。同時，管道敷設(shè)計時要考慮地下水影響，盡可能避免在地下水位高的位置直埋敷設(shè)，若供熱管道長時間被地下水浸泡，不僅導(dǎo)致管網(wǎng)保溫失效，熱量散失升高，還會加速管道腐蝕，影響熱網(wǎng)安全運行。

3.3 注重對各級熱網(wǎng)供熱水力平衡的調(diào)節(jié)

為進一步降低城市集中供熱系統(tǒng)運行中的高能耗問題，相關(guān)管理部門還應(yīng)對當前集中供熱系統(tǒng)存在的水力失調(diào)問題給予高度重視。通過全面解決水力失調(diào)，能夠大幅度降低由于供熱不均勻所造成的熱量損失，并且能夠有效提升居民供熱服務(wù)水平。在對水力失調(diào)問題進行處理過程中，相關(guān)技術(shù)人員首先應(yīng)當對所轄區(qū)域內(nèi)的供熱需求進行詳細了解后，計算出該區(qū)域日常應(yīng)達到的供熱標準。在供熱標準確定后，技術(shù)人員需對供熱系統(tǒng)中的流量與壓差進行詳細分析與探討，最終確定及科學合理且具有高度可行性的壓差值與流量值，如此可有效緩解當前二次網(wǎng)出現(xiàn)的水力不均衡問題。另一方面，為有效增強對城市集中供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)水平，相關(guān)技術(shù)人員結(jié)合城市集中供熱系統(tǒng)的供熱水平，加快推進安裝自動溫控閥，通過該設(shè)備能能夠根據(jù)室溫反饋控制入戶流量及熱量，最終有效規(guī)避過熱損失問題發(fā)生。同時需進一步推廣多熱源并網(wǎng)運行，改善熱網(wǎng)運行工況，提高熱網(wǎng)輸熱效率。

3.4 注重變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

在城市集中供熱系統(tǒng)中，能源的消耗還包含對電能的消耗，供熱系統(tǒng)中的風機設(shè)備、水泵設(shè)備是電能消耗的主要途徑。尤其是對于一些老供熱系統(tǒng)，其所采用的水泵、風機等設(shè)備過于陳舊，隨著供熱范圍的不斷擴大，雖然能夠通過對節(jié)流閥的控制來實現(xiàn)對流量的基本調(diào)節(jié)，但是卻無法實現(xiàn)對水泵電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，進而導(dǎo)致無法實現(xiàn)對電能消耗的控制，進而導(dǎo)致對電能的過度消耗。隨著我國現(xiàn)代變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)憑借其強大的節(jié)能效果，逐漸被廣泛應(yīng)用各個領(lǐng)域。因此，供熱系統(tǒng)應(yīng)當提高對變頻技術(shù)的重視，將其應(yīng)用至對水泵等裝置的優(yōu)化，結(jié)合其流量需求，借助變頻技術(shù)實現(xiàn)對水泵電機轉(zhuǎn)速的改變，以此來控制水泵流量，這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)對流量的控制，同時能夠有效降低水泵運行對電能的消耗。另一方面，供熱管網(wǎng)在運行活動中，會由于各種因素所導(dǎo)致供熱管網(wǎng)水量不足，進而在供熱系統(tǒng)中會設(shè)置相應(yīng)的補水裝置，以此來保障供熱管網(wǎng)的運行壓力。將變頻補水泵安裝在循環(huán)水泵入口的位置，并通過安裝下相應(yīng)的壓力傳感器對管網(wǎng)水壓進行實時檢測，一旦出現(xiàn)壓力減弱信號，會通過相應(yīng)的穿管器直接將壓力信息反饋至對應(yīng)的接收設(shè)備，接收設(shè)備根據(jù)其壓力值，調(diào)節(jié)補水泵的旋轉(zhuǎn)的速度，從而改變原本的水流量，達到補水目的，在完成補水之后，系統(tǒng)將水泵轉(zhuǎn)速自動調(diào)整會節(jié)能狀態(tài)，這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)水泵管理更加便捷，同時能有效節(jié)約水泵運行對電能的消耗。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)階段我國城市化發(fā)展進程的不斷提速，城市發(fā)展對各種資源與能源的消耗需求亦是與日俱增。想要切實提升城市集中供熱系統(tǒng)節(jié)能效果，在當前的運行應(yīng)用，首先應(yīng)當對其存在的能耗損失問題進行深入剖析，結(jié)合其問題的原因采取針對性優(yōu)化措施，在保障其供熱效果的前提下，最大限度降低對資源、能源的消耗，全面提升我國城市集中供熱水平。