换热站深度节能设计

换热站深度节能设计

王崇，,王婷，,郭英新

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摘要  在城镇集中供热系统中，换热站耗电量可以占到系统总耗电量的50%-70%，换热站的节能设计对于整个供热系统的节能运行起着至关重要的作用，在换热站节能设计中设备的优化比选是关键，本文通过分析换热站各环节的耗功情况，对换热站内换热器、除污器、止回阀等设备进行了分析比选，提出二次网循环水泵参数的优化选取方案，通过设备的优选和设备参数选取的优化提升换热站的节能性，可有效降低换热站的运行电耗。

关键词  节能设计集中供热  换热站  换热器  优化比选  循环水泵  

0 前言

集中供暖是北方城市冬季供暖的主要形式，截止2019年北方集中供热面积约92.5亿平方米。在城镇集中供热系统中，换热站担负着将由一次网输送来的热量输送给热用户的任务，这其中换热站一般采用间接换热方式，即采用换热器换取一次网的热量，再由二次侧循环系统输送给热用户，这样一方面起到了隔绝一次网与热用户的作用，另外还可以起到调节二次网供热参数的作用。换热站在整个集中供热系统中起着承上启下的作用。

在供热系统运行成本项中电费是第二大单项成本，仅次于一次能源的费用，高于人工、维修、水的单项费用。供暖系统的电力消耗主要在热量的生产和输送过程中，这其中换热站的电耗量一般可以占到整个供热系统耗电量的50%-70%，在换热站耗电中，约有50%的电功消耗在换热站内部，剩余部分消耗于二次网和热用户端。因此换热站的节能设计的优化，对于供热系统节能运行起着关键作用。

1 换热站各流程耗功情况

    常规换换热站流程为：一次侧：一次侧供水母管→一次侧除污器→一次网分支管→Y型除污器→各分区板式换热器→一次网回水母管→一次网回水母管→一次网二级泵（分布式系统）→一次网回水；二次侧：二次网回水→二次网除污器→二次网循环水泵→Y型除污器→板式换热器→二次网供水；其他：水处理及补水定压系统、配电及控制系统。

在二次侧，系统通过二次网循环水泵将电能转化为机械能，推动系统内循环介质的流动，水泵输出的功与系统流量、扬程成正比关系。机械功消耗在循环系统的各个环节之中，在流量一定的情况下，耗功主要体现在系统内循环介质动压头的损失。一般换热站二次网循环水泵扬程在25-30mH2O，这其中换热站压头损失在10-20mH2O间，用户端的压头损失在5mH2O以内，其余部分为二次网消耗。换热站内压头损失由大到小一般依次为换热器压头损失（3-8mH2O），除污器压头损失（过滤型3-8mH2O），阀门、管件局部阻力压头损失（3-5mH2O），站内管道压头损失（0.5-2mH2O）。降低换热站的节能设计在于降低各个环节的功耗。

2 耗功分析与节能设计

1、换热器

在换热站系统中换热设备采用的多为板式换热器，板式换热器具有换热效率高的特点，换热系数在3000-5000W/㎡*℃，远高于管式换热器800-2000W/㎡*℃的换热系数，但相较于管式换热器板式换热器也存在循环阻力大的缺点，这是由于其内部结构所决定的。目前，换热站采用的板式换热器一般为对称型换热器，即板式换热器冷、热侧的流通通道完全相同。

在集中供热系统中，大型集中供暖系统一次侧的设计供回水温度一般设计参数为为120/60℃，在实际运行中一次网运行温度在深寒期供水温度不超过110℃，回水温度不超过55℃，二次网供水温度根据各小区管网和末端情况不同各有不同，散热器末端的系统运行温差一般在10-15℃间，地采暖末端的系统运行温差多为5-8℃间。因地采暖更加舒适的采暖效果，在近些年新建住宅小区绝大多数为地板辐射采暖，但这种“小温差大流量”的采暖系统也因“大流量”的特点在电耗方面有更加突出的问题。由一、二次侧运行参数可知，正常运行时一次侧与二次侧循环水量比值一般在5-10之间，即二次侧的流量是一次侧流量的5-10倍。循环量大意味着换热器板间流速高，流速越高，阻力越大［1］，当流体的体积流量比大于1.7时，宜采用非对称型板式换热器［2］，相较于对称性板式换热器，非对称型板式换热器通过改变板片的波纹形状，使板片在组装后在一次侧和二次侧形成不同的流通通道，通过压缩一次侧的流通面积增加二次侧的流通面积，这样更好的平衡了一次侧和二次侧的流量与流通面积的匹配，使一次侧和二次侧均能达到较为高效经济的流速，同时可以降低换热器二次侧的流通阻力，因此，集中供热换热站内散热器应优选非对称型板式换热器。

2、除污器

在换热站系统中，为去除循环介质中的杂质，一般会在一次网的供水主管和二次网的回水主管上加装除污器，为防止杂质进入设备一般还会在二次网循环水泵入口、换热器入口加装Y型除污器。除污器的类型一般分为过滤型和离心旋流式，这其中直通式或角通式除污器和Y型除污器因其低廉的价格和较小的体积被广泛采用。这类过滤型的除污器通过在其内部设置过滤网将杂质滤在过滤网上，滤网孔径的大小决定其过滤精度，循环阻力一般在5m-10mH

2O。常因设置的滤网孔径过小造成除污器经常性的堵塞，造成除污器阻力过大，或为降低系统阻力将滤网孔径设置的很大，起不到除污效果，造成杂质进入换热设备，使换热系统效率下降。同时因堵塞大量排污或拆洗也会造成水和热能的损失。

旋流除污器是一种利用离心分离的原理进行除污的设备，其进水管安装在筒体的偏心位置，当水通过旋流除污器进水管后，沿筒体的周围切线方向形成斜向下的周围流体，水流旋转着向下推移，当水流达到锥体部位后，转而沿筒体轴心向上旋转，最后经出顶端水管排出，杂污在流体惯性离心力和自身重力作用下沿锥体壁面沉积在下部，通过排污口，杂物即可在水流作用下流出旋流除污器。

旋流除污器其自身的结构特点可以保障换热器基本无堵塞的可能，其压头损失一般在在0.5mH2O以内，另外旋流除污的原理也适用于供暖这种循环式的系统，每一次循环都会形成一定的除污效果，多次循环则可形成多次的除污，多次循环的除污效果优于过滤型除污器。据测试对于平均容量1.8g/cm3的铁锈，泥砂等杂质，旋流除污器分离粒径为0.07mm，当粒径为0.3mm时，其除污效率可达到97%，同等除污效果的过滤型除污器滤网需要达到50目以上，在实践中此种目数的滤网由于其经常性的堵塞是难以运行的。因此，在换热站系统中一、二次网循环水过滤器应优选旋流式的除污器。

3、阀门

在换热站的循环水系统中，阀门起着对水管路切断、调节、泄水、排污、逆止等作用，是水系统不可缺少的部分，同时在系统中阀门、管件等的局部阻力也消耗了较大的压头，在其中循环水泵出口处安装的止回阀局部阻力最大，目前常用的止回阀类型有蝶形止回阀、升降式止回阀、旋启式止回阀。蝶形止回阀内部设两半幅阀板，阀板中间设转动轴，和弹簧装置，当水流顺流时两片阀板顺水流打开，当水流逆向流动时阀板反向关闭以起到逆止的作用；升降式止回阀和旋启式止回阀原理较为相似，顺水时阀板升起或旋转，通道打开，逆流时阀板降下，阻止水流逆流。在这三种止回阀中，系统正向循环时蝶形止回阀局部阻力最大，主要因其阀板位于管道的中心位置，且设置弹簧机构，升降式止回阀引起改变水流的流向，且也存在弹簧机构，局部损失也较大，旋启式止回阀在阀板升起时可最大限度的减少阀板对水流的影响，因此其局部阻力最小，以DN300管道为例，升降式止回阀当量长度为122.2m，同口径的旋启式止回阀只有22.7m［3］，两者相差近100m的当量长度。因此在换热站系统节能设计中水泵出口的止回阀应优先选用旋启式的止回阀。

4、二次网循环水泵参数选取

二次网循环水泵是换热站内的主体耗电设备，耗电量达到换热站总耗电量的95%以上，采取有效措施提升循环水泵的效率可实现较好的节电效果，这其中除了高效电机、配置变频系统等的应用外，循环水泵参数的选定也十分重要，能否使水泵实际运行工况在高效区间是系统是否节能的关键。根据相关测试，变频技术在一定范围内可改变循环水泵的流量和扬程，但若工频运行不在高效区间的，水泵依靠变频技术也不可能运行在高效区间［3］。在换热站系统设计中，以热负荷和供回水参数计算系统的循环流量，根据流量对二次网最不利外管网做水力计算，附加用户端的阻力和换热站的压头损失确定系统的总压头损失。在实际设计过程中往往留有很大的富余系数，从热负荷计算起，到管网水力计算、局部阻力的估算，到设备选型等各个环节，计算过程中存在层层的叠加系数和富余量的情况，这样做也是为了保障设备有更好的满足率，但却最终导致设备在实际运行中严重偏离了设备额定参数，远离了设备运行的最高效区间，造成设备的低效运行。如何准确的找到实际运行的工况点，实际上在系统投用前是不可能完全实现的，新建的工程项目具有先设计、施工后运行的特点，同时对于不同的运营单位也有不同的运行策略，因此只有待供热区域发展成熟、稳定后，结合实际需要的运行策略通过精确地测量实际运行中所需的实际流量、扬程，依据实际的流量、扬程配置循环水泵，才可以确保循环水泵处于高效区间。通过调整循环水泵参数节能空间预计在5%-10%之间。新建项目中，循环水泵均设置备用水泵，实际在换热站运行初期水泵故障率较低，在实际实施时可预留备用泵位置，待测定实际运行参数后再行选取适用的循环水泵，现有水泵则可作为备用泵使用，这样可以避免重复投资造成的浪费。

3 小结

通过对集中供暖中换热站各环节的耗电分析，对板式换热器、除污器、止回阀的选型进行分析比选，提出了二次网循环水泵参数的优选方案，通过这些优化方向可实现换热站的深度节能设计，系统整体节电量预计在15%-40%，可实现较好的节电效果。

［1］任改霞，赵 锋.板式换热器传热及阻力特性研究［J］山西建筑.2014.10. 40 （30）.139-140

［2］程宝华.板式换热器及换热装置技术应用手册61-62、70

［3］邵宗义，牛九玲.供热系统变频循环水泵效率分析［J］暖通空调.2017.47（7）.104-108