城市供熱模塊化換熱站的設(shè)計(jì)與運(yùn)行技術(shù)研究

白 莉，戴華庚

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

集中供熱能夠合理利用能源,提升能源利用率[1],是目前我國(guó)北方城鎮(zhèn)普遍使用的供熱方式[2].換熱站是集中供熱的樞紐,它能夠?qū)犭姀S、供熱鍋爐房的高溫?zé)崴蛩魵鈸Q熱成用戶供暖所需的低溫?zé)崴?傳統(tǒng)的換熱站需要土建工程配合,從設(shè)計(jì)到建成周期較長(zhǎng),且占地面積大，尤其是對(duì)于供暖期前竣工的建筑物,常有因換熱站未及時(shí)建成而耽誤新建建筑物的供暖.本文研究一種模塊式換熱站(以建筑供熱面積為50 000 m2為例)的設(shè)計(jì)及其運(yùn)行技術(shù).模塊化換熱站大大減少了傳統(tǒng)換熱站的土建工程量,也適合做樓宇換熱站使用,尤其適用于單個(gè)樓體、別墅等小范圍的供熱模式[3].

1 模塊化換熱站的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

模塊化換熱站以5 000 m2，10 000 m2，25 000 m2，50 000 m2，100 000 m2供熱面積為標(biāo)準(zhǔn),設(shè)有換熱器、水泵、除污器、閥門、儀表、管路附件及自動(dòng)控制系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x表等設(shè)備,將這些儀表、設(shè)備組合在一起安裝在配備保護(hù)外殼的安裝底座上，如圖1所示,并裝配相應(yīng)的自動(dòng)控制與測(cè)量系統(tǒng).為節(jié)省空間便于運(yùn)輸和安裝,模塊化換熱站經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì),各個(gè)零部件之間的布置更加緊湊合理，如圖2所示,使其占地面積及空間體積達(dá)到最小.作為熱源與熱用戶之間的換熱中轉(zhuǎn)站[4],模塊化換熱站可以根據(jù)供熱面積現(xiàn)場(chǎng)組裝后立刻投入使用.

圖1 外觀圖Fig.1 Appearance drawing

圖2 設(shè)備圖Fig.2 Equipment diagram

2 模塊化換熱站主要設(shè)備計(jì)算與選擇

2.1 熱負(fù)荷確定

熱負(fù)荷由式(1)確定.

Qh=qhAc×10-3

(1)

式中,qh為采暖熱指標(biāo),取40 W/m2;Ac為采暖建筑物的建筑面積,取50 000 m2.

2.2 換熱器的選型計(jì)算

換熱器是換熱站的核心設(shè)備.換熱站宜采用換熱效率高、耐腐蝕、傳熱性能好的板式換熱器.換熱器的換熱面積見(jiàn)式(2).

(2)

式中,Q為設(shè)計(jì)熱負(fù)荷,kW;K為傳熱系數(shù),一般取2 000 W/(m2·K)～5 000 W/(m2·K);Δt為傳熱溫差,一般用對(duì)數(shù)溫差,本文取26.47 ℃.

2.3 循環(huán)水泵的選型計(jì)算

循環(huán)水泵的流量,見(jiàn)式(3)、式(4),揚(yáng)程見(jiàn)式(5).

G=(1.1～1.2)G′

(3)

(4)

H=(H1+H2+H3+H4)×(1.1～1.2)

(5)

式中,G′為熱網(wǎng)最大設(shè)計(jì)流量,t/h;Q為設(shè)計(jì)熱負(fù)荷,kW;c為水的比熱容,kJ/[kg·℃],取4.2;t1，t2分別為供熱管網(wǎng)的供、回水溫度,℃,取60 ℃和40 ℃;H1為沿程阻力,m H2O;H2為局部阻力,m H2O;H3為末端阻力,m H2O,一般可為5 m H2O～10 m H2O,本文取8 m H2O;H4為設(shè)備阻力,m H2O.

熱源損失包括熱源加熱設(shè)備(換熱器或鍋爐)和管路系統(tǒng)(主要由管道、管件、閥門等組成)等的阻力[5],一般可為10 m H2O～15 m H2O,本文取12 m H2O,即H1+H2+H3=12 m H2O.

根據(jù)上述循環(huán)水泵的流量與揚(yáng)程的計(jì)算結(jié)果,選用工作點(diǎn)在高效范圍內(nèi)的循環(huán)水泵型號(hào).

2.4 補(bǔ)給水泵的選型計(jì)算

在運(yùn)行過(guò)程中,換熱站存在失水現(xiàn)象,需要向管網(wǎng)中補(bǔ)充相應(yīng)水量以保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行,失水可能是管道及供熱設(shè)施密封不嚴(yán)、系統(tǒng)漏水、系統(tǒng)檢修放水、事故冒水、用戶偷水等原因.補(bǔ)水泵的作用是向供熱系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充循環(huán)用水和部分損失的循環(huán)水,將供熱系統(tǒng)維持在一個(gè)穩(wěn)定的壓力值[6].

在閉式熱水網(wǎng)路中,系統(tǒng)補(bǔ)水量應(yīng)小于總循環(huán)水量的1 %.在對(duì)補(bǔ)給水泵進(jìn)行選型計(jì)算時(shí),補(bǔ)水裝置和補(bǔ)給水泵中的流量應(yīng)參考供熱系統(tǒng)的正常補(bǔ)水量和事故補(bǔ)水量?jī)蓚€(gè)方面[7],一般情況下取正常補(bǔ)水量的4倍進(jìn)行計(jì)算,相當(dāng)于總循環(huán)水量的4 %.(本文取4 %).補(bǔ)給水泵流量及揚(yáng)程計(jì)算見(jiàn)式(6),式(7).

G=G循×4%

(6)

Hb=1.15(H1+H2+H3)

(7)

式中,h1為地形高差,m H2O,取2 m H2O;h2為最高建筑物的高度,m H2O,取20 m H2O;h3為富裕壓頭,m H2O,取5 m H2O.

2.5 除污器的選擇

除污器的作用是過(guò)濾和去除管網(wǎng)中流動(dòng)水的雜質(zhì)[8],并且將管網(wǎng)中的空氣排出,對(duì)換熱站內(nèi)的設(shè)備起到保護(hù)作用.除污器型號(hào)各有利弊,例如直通型、Y型過(guò)濾器等體積較小,占地面積較小；旋流除污器體積較大,但是過(guò)濾效果不同.因此需要根據(jù)具體的除污要求等確定選用.根據(jù)實(shí)際工程情況,本文選取直通型過(guò)濾器.根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果,模塊化換熱站內(nèi)二次網(wǎng)管徑為200 mm(公稱直徑).

2.6 模塊化換熱站設(shè)備選型匯總

以供熱面積50 000 m2為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊,將模塊中換熱站的主要構(gòu)件(板式換熱器、循環(huán)水泵、補(bǔ)給水泵、除污器)進(jìn)行計(jì)算和選型,兩個(gè)工況具體參數(shù)見(jiàn)表1.經(jīng)上述公式計(jì)算,得到選型計(jì)算值見(jiàn)表2.由于兩種工況的選型計(jì)算值相近,故選擇同一型號(hào)設(shè)備見(jiàn)表3,其它供熱面積的設(shè)備選型見(jiàn)表3.

表1 工況參數(shù)

表2 工況Ⅰ下負(fù)荷及設(shè)備選型計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of load and equipment selection under working condition Ⅰ

表3 供熱面積模塊化換熱站設(shè)備匯總Table 3 Summary of modular heat exchange station equipment for heating area

3 模塊化換熱站的設(shè)計(jì)運(yùn)行技術(shù)要點(diǎn)

(1) 定壓方式的選擇. 本文采取的定壓方式為補(bǔ)水泵變頻調(diào)速定壓.其工作原理是當(dāng)供暖系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化時(shí),PLC控制器就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的壓力值及時(shí)調(diào)整補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的壓力恒定,而且在運(yùn)行過(guò)程中不需要管理人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控,能夠自主維持壓力的恒定.補(bǔ)水泵變頻調(diào)速定壓的技術(shù)可以采用自動(dòng)控制和人工控制兩種方式,即使自動(dòng)控制在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障,也可以通過(guò)人工控制繼續(xù)運(yùn)行,待解決所有故障后方可繼續(xù)運(yùn)行.

(2) 除污器在供熱系統(tǒng)中的重要性. 在換熱站內(nèi)的一次網(wǎng)供水管段與二次網(wǎng)回水管段均應(yīng)設(shè)有除污器.一次網(wǎng)供水管段的除污經(jīng)常容易被忽視,尤其在一些換熱站的建設(shè)過(guò)程中,一次網(wǎng)除污器的設(shè)置有時(shí)并未提及,一次網(wǎng)需要安裝除污器并按照管徑不同的情況下進(jìn)行選擇[9].

(3) 保證二次網(wǎng)水質(zhì)的重要性. 換熱站中換熱器、部分構(gòu)件、管道等會(huì)因管網(wǎng)中循環(huán)水未經(jīng)過(guò)加藥處理出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象,影響換熱器的換熱效率,對(duì)一些部件的使用也會(huì)產(chǎn)生影響,而且循環(huán)水的水質(zhì)問(wèn)題會(huì)影響到整個(gè)換熱站的運(yùn)行情況.在對(duì)長(zhǎng)春市某換熱站的調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn),目前二次網(wǎng)的管道經(jīng)常會(huì)有失水、漏水的現(xiàn)象發(fā)生，這種情況產(chǎn)生的原因主要是供熱公司對(duì)二次網(wǎng)補(bǔ)水的水質(zhì)要求不高(采用自來(lái)水),循環(huán)水的水質(zhì)會(huì)直接對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕影響,導(dǎo)致管道發(fā)生泄露,而且對(duì)熱用戶的散熱設(shè)備造成腐蝕.因此選擇合適的加藥裝置使二次網(wǎng)循環(huán)水的水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)十分重要.

(4) 模塊化換熱站的自動(dòng)控制. 模塊化換熱站中含有主機(jī),在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多個(gè)換熱站組合安裝運(yùn)行時(shí)將壓力傳感器和溫度傳感器等進(jìn)行連接即可,自動(dòng)控制系統(tǒng)不發(fā)生變化.模塊化換熱站采用的自動(dòng)控制系統(tǒng)中包含PLC控制器、觸摸屏、變頻器等，在屏幕上能夠顯示出模塊化換熱站在運(yùn)行時(shí)的各個(gè)參數(shù),簡(jiǎn)化了換熱站運(yùn)行管理程序.通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié),可減少值班人數(shù),也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)人操控.例如換熱站的供熱負(fù)荷會(huì)根據(jù)室外溫度的變化而發(fā)生變化,利用室外溫度傳感器、變頻器與PLC控制器的組合會(huì)及時(shí)改變循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速,循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速會(huì)改變供回水的溫差,滿足供熱負(fù)荷變化,達(dá)到節(jié)能的效果,并且能提升模塊化換熱站的運(yùn)行穩(wěn)定性.

(5) 模塊化換熱站的安全運(yùn)行. 換熱站在運(yùn)行過(guò)程中,熱力系統(tǒng)的壓力需要維持在一定的范圍內(nèi)[10],否則會(huì)影響供熱系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性.在模塊化換熱站中,增壓裝置選擇的是補(bǔ)水泵,在熱力系統(tǒng)壓力低于正常范圍的情況下,通過(guò)補(bǔ)水泵向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)水加壓,將系統(tǒng)內(nèi)的壓力回復(fù)到正常范圍.傳統(tǒng)換熱站選用的泄壓裝置為安全閥,本文選用的泄壓裝置為泄壓電磁閥,電磁閥比安全閥更精準(zhǔn)且使用壽命較長(zhǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定性更高.當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力高于正常范圍時(shí),通過(guò)泄壓電磁閥泄壓,使壓力回復(fù)到正常狀態(tài).

4 結(jié)論

城市供熱模塊化換熱站按模塊化思想進(jìn)行整合,以單位供熱面積(50 000 m2)作為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)板式換熱器、循環(huán)水泵、補(bǔ)給水泵等設(shè)備進(jìn)行預(yù)先選型,再經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化各個(gè)設(shè)備之間的間距,減少換熱站的占地面積.根據(jù)供熱對(duì)象的實(shí)際供熱面積確定設(shè)備的負(fù)荷和儀表管道規(guī)格,供熱設(shè)備的外部配有保護(hù)外殼和安裝底座,選擇單位模塊的數(shù)量在工廠進(jìn)行組合安裝.模塊化換熱站通過(guò)交通工具運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)后,按設(shè)定好的位置安裝固定,然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)際連接相應(yīng)預(yù)留管段后可迅速投入使用,極大地縮短了各個(gè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試的時(shí)間,減少了由于土建施工帶來(lái)的人力、物力、及時(shí)間的投入.

城市供熱模塊化換熱站的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化換熱站的管理模式,根據(jù)供熱負(fù)荷的變化工作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程更改換熱站設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以提高供熱品質(zhì).通過(guò)屏幕顯示的參數(shù)如發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障,工作人員可以及時(shí)調(diào)用備用設(shè)備,從而不影響換熱站的供熱效果.

本文所提出的城市供熱模塊化換熱站可以提高換熱站的施工效率、運(yùn)行穩(wěn)定性和管理便捷性,對(duì)傳統(tǒng)換熱站的建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程提供借鑒和指導(dǎo),在集中供熱領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值.