熱水輸送系統節能技術應用

韓軍 肖敦紅 李衛軍 王金明 李國義 周俊

（大港油田第三礦區管理服務公司，天津大港 300280）

一、前言

隨著供熱技術的應用與發展，供熱技術水平不斷提高，供熱單耗逐年下降。在熱水輸送系統上，逐步使用了很多新技術，使萬平米電功率有了明顯下降。本文作者根據多年供熱運行實踐經驗，總結了目前熱水輸送系統中存在的能源浪費現象及原因，介紹了針對這些現象和原因的優化解決方案以及實際應用效果。

二、當前熱水輸送系統常見的電能浪費現象和原因分析

通過調研分析發現，當前大部分供熱系統的熱水輸送仍然采用的是直供水方式。這里所說的直供水方式是指鍋爐（換熱器）出水不與回水進行混合而直接用于供暖的供熱方式，該方式的一個典型特點是鍋爐（換熱器）出水總流量等于系統回水流量。在這種方式下，存在以下幾種電能浪費的現象和原因：

1、鍋爐（換熱器）循環水量超過額定流量致使鍋爐（換熱器）阻力增大

在現實中，很多供熱系統的循環水量都大于，有的甚至成倍大于鍋爐（換熱器）額定循環水量之和。如果把總循環水量不作處理地分配到每臺鍋爐（換熱器），大多數鍋爐（換熱器）本體的循環水量都會高于額定的流量，這樣會導致兩個問題，一是可能造成設備內部水力分配不均導致爆管，二是使設備阻力損失成平方關系地高于設備額定阻力損失：當鍋爐（換熱器）的循環水量是額定流量的2倍時，鍋爐（換熱器）本體的阻力損失就會是額定阻力損失的4倍。

2、循環水泵動力浪費現象在一個供熱系統的大多數環路中存在

無論環路負荷大小、距離遠近，所有環路都由一臺（組）循環水泵提供循環動力，且在循環水泵（組）揚程和流量的選取上，都以滿足最不利環路需求為標準，必然地造成了各環路間的水力失調，雖然近年來推廣使用管路平衡閥、流量控制器等方式來解決水力失調問題，但這種解決方式仍然是以增加有利環路阻力的方法來進行的，所以，循環水泵所提供的動力對大多數環路而言都是偏高的，這樣就造成了輸送電能的浪費。

3、多臺循環水泵并聯或串聯運行造成泵效下降

由于水泵制造技術的限制和其它原因，原來很多規模較大的供熱系統都采用多臺循環水泵并聯運行的方式來提供足夠的流量，在水力條件比較惡劣地環路采用中繼加壓泵方式 （實際上是水泵串聯）來提供足夠的揚程。多臺泵并聯（或串聯）運行時的實際參數是由水泵并聯（或串聯）后的特性曲線和管路特性曲線的交點所決定的，眾所周知，并聯（或串聯）后的泵效低于相同工況下單泵泵效。

4、循環水泵出口安裝止回閥增加了管網局部阻力

一般認為，循環水泵出口安裝止回閥主要是起到防止水擊損壞設備的作用，但作者認為，在循環泵的進出口母管之間加裝帶有止回閥的旁通管可以更好地防止水擊產生的危害。循環泵出口的止回閥會在管路中造成較大的局部阻力，進而消耗電能，而后者不會產生阻力損失。作者在不同規模的供熱系統中做過多年試驗，取消泵出口止回閥后并未見造成明顯的后果。所以作者認為，在35萬平米以下的供熱系統中取消循環泵出口止回閥的做法是可行的。

5、循環泵進出口不安裝擴散管導致管網沿程阻力增大

大部分循環水泵由于結構原因，制作時泵體的出口法蘭公稱直徑小于進口法蘭公稱直徑。我們在設計安裝循環泵時大多數都不對配管的大小做經濟比摩阻驗算，而是按照水泵進出口法蘭大小直接配管。在一般情況下，按照水泵流量驗算，循環水泵進口配管往往比經濟比摩阻稍大一些，而出口的配管卻大大超過經濟比摩阻，長時間運行浪費了大量電能。

6、循環水泵的揚程選取偏高現象普遍存在

循環水泵揚程偏高是供熱系統普遍存在的問題，這是供熱系統電能浪費最嚴重的地方。之所以會出現這種情況，其主要原因是設計人員“寧大勿小”的心理使之在套用相關規范時采用 “上線疊加”，再乘以安全系數的做法照成的。在大多數時候，這種現象難以避免。

三、熱水輸送系統節能技改的思路和方法

1、將直供水方式改造成為混水直供方式。這里所說的混水直供方式，是指鍋爐（換熱器）出水與部分回水進行混合后供暖的供熱方式，該方式的一個典型特點是鍋爐（換熱器）出水總流量一般小于系統回水量。

改造的總體思路是改變以往循環泵選擇以最不利環路為依據的做法，做到分環路循環，盡量減少循環泵總功率，以節約電能。改造的具體做法是：熱源水單獨循環，各環路單獨循環，各個環路分別計算，分別配備適合于本環路工況需求的循環泵。具體原理圖如下：

如圖所示，鍋爐循環泵從各環路總回水管上抽取適量回水送到鍋爐進行加熱，然后再從各環路循環泵前混入環路循環回水，使環路循環水溫提高，從而保證供暖。

這樣，鍋爐循環泵只負責克服鍋爐阻力，各環路循環泵單獨克服本環路阻力。通過合理選擇鍋爐循環泵參數和變頻調節，可以使鍋爐流量、溫差均達到滿負荷，通過合理選擇各環路循環泵參數和變頻調節，可以方便地調節各環路的各種運行指標，達到在滿足供暖要求的情況下，盡量減少循環泵功率的目的。

在各環路循環泵轉速不變，閥門開度不變，補水量充足的情況下，泵的運行曲線不變，管路特性曲線不變，所以，二者的交點，即環路運行平衡點不變，也就是說，不論本環路以外的其它各種參數如何變化，本環路的總循環量是基本恒定的。因此，各環路被鍋爐循環泵抽走的水量始終等于鍋爐循環泵注入環路的熱水量，整個系統水量能夠保持相對平衡穩定的狀態。

在實際應用中，可以通過適當合并工況近似環路，通過優化管道工藝流程等方式方法，達到設備相互備用、降低設備數量的目的，以減少占地，降低初期投資或改造成本。

2、安裝鍋爐（換熱器）旁通管。除上述分環路供水的方式外，還可采用從循環泵出口安裝旁通管至分水器的做法來實現混水供熱方式，該方式的主要作用是在無法減少系統總流量或鍋爐 （換熱器）運行臺數調整時，盡量控制鍋爐（換熱器）循環水量在額定值。控制的方式是在旁通管上安裝調節閥門和減壓閥，有條件地還可以安裝流量計，通過閥門調節來實現。這樣，既能保證設備處于額定工作狀態以提高工效，又能防止設備內部發生水力失調危及設備安全，還能減少不必要的阻力損失以降低能耗。

3、大力推行單臺泵獨立運行方式。隨著水泵制造技術的發展，單泵功率得以逐步提升，單泵提供的流量和揚程也不斷放大，很多供熱系統已經可以通過優選循環水泵的方式實現單泵運行。在實際應用中，盡可能不采用多臺泵并聯使用，即使并聯使用，也盡可能降低并聯臺數。

4、優化泵的連接工藝。采取取消泵出口止回閥、泵出口閥門采用阻力較小的蝶閥、在泵的進出口安裝擴散器且使泵的進出口管徑一致、在泵進出口管道與母管連接處盡可能采取斜三通代替直角丁字形三通等方式，盡量減少阻力損失。

5、合理選擇循環泵的揚程。在以上四種解決思路和方法的基礎上，參照原有系統的循環泵進出口壓差及下表，合理確定系統或環路阻力，合理確定循環泵參數，再配以變頻調節，達到降低循環泵總功率的目的。

在調研中我們發現，大部分供熱系統每萬平米電功率都超過5KW，甚至達到了8KW，遠超出上表給出的狀態參數，因此作者認為，目前還需要大力推進供熱系統節能技改。

需要說明的是，上述節能技術改造措施，除了重新選用熱水循環泵以外，大部分技改措施投入都不大，并且見效較快。

四、熱水輸送系統節能技改的應用及效果

2010 年，我們將上述節能技改的思路和方法運用于大港油田華幸鍋爐房，取得了非常明顯的效果，見到了很好的經濟效益和社會效益。

1、節能技改前鍋爐房系統狀況

華幸鍋爐房座落于大港油田華幸小區，除承擔華幸小區28萬m2的供暖面積外，還用一個單獨環路承擔與之相距2.6km的華福小區6萬m2供暖面積。 鍋爐房有三臺參數為 Q＝670 m3／h，H＝70m，P＝185kW的熱水循環泵，正常情況下啟用兩臺備用一臺，循環泵進出口管道按照其法蘭直徑配管，并在每臺循環泵出口安裝止回閥。在華福小區啟用一臺參數為 Q＝150 m3／h，H＝44m，P＝30Kw 的中繼加壓泵。系統循環流量1450 m3／h，單臺鍋爐流量超出額定流量30%。

整個供暖系統分為五個環路，采用直供水方式。循環泵揚程設計按照滿足華福環路為標準，其它四個環路出口安裝調壓閥來控制出口壓力，造成壓頭浪費較大。既使如此，環路間水力失調現象仍然較嚴重，華福環路供暖流量不足，供暖效果不理想。

2、節能技改的主要內容

按照上述思路和方法，主要進行了以下幾項改造：一是改直供水方式為混水直供方式，二是改泵并聯運行為單泵運行（一用一備），三是去掉泵出口止回閥，四是安裝了循環泵擴散管并盡量增大泵進出口管徑，五是所有泵均采用變頻調節。

3、節能技改后的效果：

熱水輸送系統泵總功率由原有的400kw下降到254kw。由于采用了增加擴散器、取消泵出口單流閥、增容總出口母管的口徑、改善出口系統斜三通連接方式等技術手段，進一步降低了管道阻力，通過變頻調節，改造后總節電達到了55萬度/采暖期。

通過優選循環泵，取消了華福中繼泵站，減少了4名中繼泵站值班人員，進而減少了供暖成本。

華福小區供暖效果較改造前要好，平均供暖室內溫度提高了近3℃，創造了很好的社會效益和經濟效益。

五、結束語

把供暖系統循環水直供輸送方式改造成為混水直供方式，并對循環水泵的安裝實施本文所提到的技術改造，勢必大幅降低供暖企業的總體電耗。在改造投資資金相對寬裕的情況下，再對循環水泵的選型及運行模式進行優化，會進一步減少企業電能損耗。