供熱系統(tǒng)集約化運(yùn)行的能耗監(jiān)測(cè)及節(jié)能調(diào)節(jié)問題探討

宋躍文，曲學(xué)軍，康 健

(1.沈陽航空航天大學(xué):a.后勤服務(wù)中心;b.航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽110136;2.沈陽格林豪森房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，沈陽110574)

冬季供暖是北方居民生活的重要組成部分，供熱單位也是能源消耗大戶。隨著國家對(duì)節(jié)能要求的提高及煤炭等能源價(jià)格的不斷上漲，各供熱單位都在采取各種措施來降低能源的消耗，隨著先進(jìn)的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及自動(dòng)控制技術(shù)在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用，以往城市供熱工作能耗高、環(huán)境差、管理粗放的面貌逐步得以改觀，正在向集約化、自動(dòng)化、數(shù)字化方向發(fā)展。從鍋爐設(shè)計(jì)制造來看，目前燃煤鍋爐的額定熱效率已經(jīng)達(dá)到一定水平，進(jìn)一步提高的空間已經(jīng)有限，因此當(dāng)鍋爐、管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完成后，如何通過科學(xué)的運(yùn)行管理，采用先進(jìn)的技術(shù)手段，落實(shí)技術(shù)指標(biāo)量化考核，就成為減少能源消耗、降低供熱成本的關(guān)鍵。

1 能耗監(jiān)測(cè)及我校供熱現(xiàn)狀分析

供熱系統(tǒng)能量監(jiān)控是供熱管理的重要方面，與能耗相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)也是考核供熱管理水平的重要指標(biāo)。隨著先進(jìn)測(cè)試技術(shù)、自控技術(shù)的發(fā)展及其在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)熱量及能耗的檢測(cè)和計(jì)算也越來越準(zhǔn)確。主要能量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及技術(shù)指標(biāo)有:耗煤量及其低位熱值總熱量消耗、鍋爐熱效率計(jì)算、鍋爐總熱量輸出、換熱站一次網(wǎng)熱量輸入及二次網(wǎng)熱量消耗、排煙熱損失及固體不完全燃燒熱損失等。

我校新建的鍋爐房于2011年冬季供暖期開始啟用，新鍋爐房目前安裝2臺(tái)46MW(65t/h)鍋爐(可增容至3臺(tái))，目前可以實(shí)現(xiàn)120萬平米以上的供熱任務(wù)，增容后最大供熱面積接近200萬平，其規(guī)模已經(jīng)達(dá)到一定水平。從鍋爐到各輔機(jī)都選用了目前比較先進(jìn)的設(shè)備，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及自動(dòng)化程度也已經(jīng)達(dá)到了一定水平，可以說已經(jīng)具備了采用先進(jìn)的管理方式，實(shí)行集約化和精細(xì)化運(yùn)行的基本硬件條件。目前我校鍋爐房負(fù)責(zé)供熱面積近75萬平，2年內(nèi)計(jì)劃通過對(duì)外掛網(wǎng)增至125萬平左右。目前共有換熱站5座，其中有2座于2011年重新改造。

從以上鍋爐房裝機(jī)容量和外網(wǎng)熱供熱面積看，我校的供熱規(guī)模已達(dá)到比較大的規(guī)模，這樣規(guī)模的供熱系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行管理有著很高的要求，如果運(yùn)行的好可以提高效率、節(jié)能降耗，如果運(yùn)行管理跟不上，那么其能源浪費(fèi)水平也會(huì)水漲船高，比以前的小鍋爐房高出很多。下面從鍋爐運(yùn)行熱效率、換熱站運(yùn)行調(diào)節(jié)及設(shè)備優(yōu)化等方面進(jìn)行具體分析。

2 鍋爐熱效率計(jì)算及節(jié)能分析

鍋爐熱效率是供熱運(yùn)行的重要考核指標(biāo)，是衡量鍋爐運(yùn)行水平和節(jié)能效果的關(guān)鍵。通過對(duì)鍋爐運(yùn)行的各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定、采集，計(jì)算出鍋爐能量消耗和熱量產(chǎn)出，進(jìn)而計(jì)算出鍋爐熱效率，從而掌握鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)狀況水平。同時(shí)通過對(duì)各項(xiàng)熱損失測(cè)定，并分析原因，找出提高效率，減低損失，節(jié)能降耗的方法。熱效率計(jì)算有正平衡法和反平衡法2種。

2.1 正平衡計(jì)算法

正平衡計(jì)算法通過對(duì)鍋爐熱水進(jìn)出口參數(shù)(溫度和壓力)和燃料消耗量及其低位發(fā)熱值等的測(cè)量，按其比值計(jì)算出鍋爐效率，即鍋爐實(shí)際熱量輸出(熱水吸收的熱量)與燃料輸入熱量的比值。其公式分為:

式中:η爐—鍋爐熱效率(%)

D—熱水流量(t/h)

C—熱水比熱容(Kcal/kg℃)

tg，th—供回水溫度(℃)

B—煤消耗量(t/h)

Qdw—煤的低位發(fā)熱值(Kcal/kg)

2.2 反平衡計(jì)算法

反平衡計(jì)算法通過測(cè)定鍋爐各項(xiàng)熱損失的方法來計(jì)算鍋爐熱效率。需測(cè)定的內(nèi)容包括:固體不完全燃燒損失Qzc、以及灰渣物理熱損失Qzw、排煙熱損失Qyw、氣體不完全燃燒熱損失Qyc、散熱損失Qs等，需要對(duì)煙氣的參數(shù)(溫度、含碳量、排煙量)、爐渣的參數(shù)(含碳量、溫度、體積等)、以及送風(fēng)參數(shù)和爐體散熱等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)測(cè)定的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)方法計(jì)算出各項(xiàng)熱損失，然后將這些計(jì)算所得熱損失代入公式(2)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算所得數(shù)值為鍋爐反平衡法計(jì)算熱效率。其公式為:

反平衡計(jì)算法對(duì)鍋爐整體運(yùn)行狀況反映全面，對(duì)熱量損失能夠進(jìn)行較準(zhǔn)確分析，不僅可以了解鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)狀況，并且可以從各項(xiàng)損失的分析中，找出減少損失，提高效率的途徑，但其測(cè)試項(xiàng)目較多，工作量大。正平衡計(jì)算法測(cè)試項(xiàng)目較少，簡單易行。在實(shí)際供熱運(yùn)行中一般以正平衡法計(jì)算為主，反平衡法為輔的方式，將正平衡計(jì)算鍋爐效率數(shù)值做為主要考核指標(biāo)，同時(shí)將爐渣含碳量、煙氣參數(shù)作為輔助考核指標(biāo)(一般規(guī)定一個(gè)限制量)。同時(shí)煙氣參數(shù)分析也是進(jìn)行供風(fēng)和引風(fēng)調(diào)節(jié)的依據(jù)，包括煙氣含氧量、溫度等。

2.3 我校熱效率檢測(cè)情況及節(jié)能分析

在實(shí)際運(yùn)行過程中，影響鍋爐熱效率的因素有很多，比如說:使用的煤種、爐膛溫度、熱損失情況，鍋爐管道結(jié)垢情況等，如果能夠?qū)嵝室约澳芰肯倪M(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和分析，找到提高熱效率的有效途徑并進(jìn)行改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)鍋爐熱效率達(dá)到或接近額定水平。按我校年消耗供暖用煤約18 000噸計(jì)算，每提高鍋爐熱效率1個(gè)百分點(diǎn)，即可節(jié)煤180噸左右，按每噸600元計(jì)算，可節(jié)省開支10.8萬元，如果提高5個(gè)百分點(diǎn)，可節(jié)省開支54萬元。

根據(jù)我校鍋爐房數(shù)據(jù)檢測(cè)情況(見表1)，我校供熱還沒有進(jìn)行熱效率的分析和指標(biāo)考核，部分能耗數(shù)據(jù)沒有檢測(cè)。雖然有皮帶秤對(duì)上煤總量進(jìn)行測(cè)量，但對(duì)單臺(tái)爐的分別測(cè)量和分時(shí)段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)沒有，不能對(duì)每個(gè)班次用煤量進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算;系統(tǒng)水沒有流量檢測(cè)，對(duì)鍋爐實(shí)際熱量輸出無法計(jì)算;而對(duì)于爐渣含碳量也是定期送檢的辦法，沒有進(jìn)行長期檢測(cè)。目前先進(jìn)的供熱運(yùn)行系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，司爐人員和管理人員隨時(shí)都可以查看能源消耗、熱量輸出、熱效率等數(shù)據(jù)。

表1 鍋爐熱效率數(shù)據(jù)檢測(cè)一覽表

3 換熱站供熱調(diào)節(jié)及變頻節(jié)能計(jì)算

換熱站在供熱運(yùn)行中是進(jìn)行供熱區(qū)域調(diào)節(jié)的樞紐，在合理分配熱量、減少熱量損失等方面起到非常重要的作用。目前先進(jìn)的管理方式已經(jīng)實(shí)現(xiàn)換熱站的無人值守和遠(yuǎn)程調(diào)控，將站內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)通過數(shù)字化方式采集，以無線數(shù)據(jù)傳輸將數(shù)據(jù)上傳至供熱調(diào)度中心，通過遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)各換熱站的換熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)各供熱區(qū)域的熱量分配，提高熱量的效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。供熱量主要通過一次網(wǎng)閥門開啟程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)通過二次網(wǎng)循環(huán)泵變頻控制進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)。

3.1 我校換熱站運(yùn)行調(diào)節(jié)情況分析

目前我校的換熱站參數(shù)采集及運(yùn)行調(diào)節(jié)情況如表2所示。溫度和壓力采用普通儀表測(cè)量，僅用以保證基本運(yùn)行需要;二次網(wǎng)溫度采用人工記錄，其余參數(shù)沒有統(tǒng)計(jì)記錄;沒有流量檢測(cè)，無法進(jìn)行換熱量計(jì)算;一次網(wǎng)供熱調(diào)節(jié)采用人工方式，但從近幾個(gè)月供暖情況看，各站的供熱量基本沒有進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致某時(shí)段部分居民室溫出現(xiàn)30度的情況，造成了一定的熱量的過渡消耗;循環(huán)泵頻率基本不調(diào)節(jié)，變頻器沒有發(fā)揮節(jié)能調(diào)節(jié)作用，僅起到了“降頻啟動(dòng)”的作用。

表2 換熱站數(shù)據(jù)檢測(cè)一覽表

3.2 變頻調(diào)速流量調(diào)節(jié)循環(huán)泵節(jié)能分析計(jì)算

下面以我校某換熱站為例進(jìn)行循環(huán)泵變頻節(jié)能分析計(jì)算，該換熱站二次網(wǎng)循環(huán)泵90 Kw(兩臺(tái)、一用一備)，流量 600 t/h，揚(yáng)程 38 m，效率80%，其耗電量可用公式(3)計(jì)算:

式中:ω—循環(huán)水泵耗電量(Kw/h)

η循—水泵效率(%)

D—水泵流量(t/h)

H—水泵揚(yáng)程(m)

采用變頻調(diào)速運(yùn)行，通過變頻根據(jù)室外溫度對(duì)循環(huán)泵流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)實(shí)際流量比為i、實(shí)際工況下循環(huán)水泵能耗為ωi，系統(tǒng)的實(shí)際壓力損失與流量的立方成正比，實(shí)際能耗可用公式(4)計(jì)算。

根據(jù)沈陽市冬季月平均氣溫、平均熱負(fù)荷比(流量比)計(jì)算循環(huán)水泵能耗如表3所示。

目前該換熱站運(yùn)行方式是定頻運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行頻率為45 Hz，流量比約為0.9，因此由公式(4)計(jì)算得總耗電量為206 112 kWh，節(jié)能比為33%，按每度電0.8元計(jì)算，則可節(jié)省開支54 396元。而我校共有5座換熱站，同時(shí)運(yùn)行循環(huán)泵總功率為392 kW(不包含一次網(wǎng)循環(huán)泵)，按比例推算可節(jié)省開支近23.7萬元。

3.3 循環(huán)泵選型及控制優(yōu)化

采用循環(huán)泵變頻流量調(diào)節(jié)循環(huán)泵的選型配置及控制方式是非常關(guān)鍵的。如果設(shè)備選型配置或控制方式不合理就不能實(shí)現(xiàn)合理的流量調(diào)節(jié)，從而不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。以下根據(jù)我校實(shí)際情況進(jìn)行分析。

表3 變頻調(diào)速流量調(diào)節(jié)的循環(huán)水泵電耗量

(1)某換熱站循環(huán)泵三臺(tái)(兩用一備)，沒有采用以室外溫度為依據(jù)調(diào)整頻率的方式，而采用定壓方式(與補(bǔ)水泵控制方式相同)，這種方式導(dǎo)致結(jié)果是兩臺(tái)泵運(yùn)行頻率不同步。其中一臺(tái)以工頻50 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)，另外一臺(tái)僅為30 Hz，在這種情況下，由于滿頻運(yùn)轉(zhuǎn)的泵揚(yáng)程將比低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的泵高出很多，因此頻率低的泵出力很小，效率低，造成不必要的能量空耗。后經(jīng)調(diào)整采取兩臺(tái)泵同步啟動(dòng)方式。

(2)某換熱站站循環(huán)泵選型配置不合理。該站二次網(wǎng)共設(shè)置4臺(tái)循環(huán)泵(三用一備)，在供熱系統(tǒng)循環(huán)泵選型時(shí)，最合理的方式是一用一備的布局，若考慮調(diào)節(jié)靈活或供熱區(qū)域內(nèi)總面積有變動(dòng)的，采用三臺(tái)泵(兩用一備)也較多，但很少有三用一備的情況。其原因是兩臺(tái)泵運(yùn)行效率低于一臺(tái)泵，其流量僅為一臺(tái)泵的1.5倍左右。而三臺(tái)泵運(yùn)行效率更低，其總流量不會(huì)超過一臺(tái)泵的兩倍。另外如果泵的型號(hào)不相同，或者運(yùn)行頻率不同步，那么其效率還會(huì)降低。

4 結(jié)束語

城市供暖是高能耗的工作，超過70%的成本用于購買供熱用煤。以我校為例，按目前規(guī)模每年供暖用煤在18 000噸左右，耗資超過1 000萬元，大規(guī)模的供熱公司購煤成本甚至過億元，因此看似較小的節(jié)能措施，都可能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，本文所分析的提高鍋爐熱效率(按提高5個(gè)百分點(diǎn)計(jì)算)和循環(huán)泵變頻流量調(diào)節(jié)即可節(jié)省近77萬元。隨著先進(jìn)測(cè)試技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，使得供熱的精細(xì)化運(yùn)行成為可能。通過以上對(duì)我校能耗監(jiān)測(cè)、設(shè)備及運(yùn)行調(diào)節(jié)等方面的分析，我校在供熱運(yùn)行科學(xué)化、集約化水平上有很大可以提升的空間。

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