大高差長輸管線熱水供熱管網系統性節能和優化研究

摘要：本文基于供熱系統是由供熱管網、熱源以及熱用戶等組成的枝狀管網系統，在熱源結構，熱負荷分布和大小及熱力站位置已知的情況下，供熱系統的改進方式即是熱網的優化，進而，對大高差長輸管線設置進行了深入研究，提出了優化設想。

關鍵詞：大高差;熱力站;長輸管線;熱泵

在常規熱電聯產模式中，供熱半徑一般不超過20公里，超過20公里之后，供熱成本將趨向不合理。利用大溫差輸送、余熱利用技術，可以使得供熱成本明顯降低。大高差供熱中由于地形高差大常常需要設置隔壓站，防止系統的超壓出現。本文通過對隔壓站的優化分析研究，實現大高差長距離輸送供熱管網系統的節能和成本降低。本文結合工程實例對大高差長距離供熱系統中的隔壓站優化進行探討。

1、隔壓熱力站特點

隔壓熱力站通常設置在主干線上，目的是隔絕系統壓力，經隔壓熱力站換熱后的二級側溫度應與一級側溫度盡量接近，否則易影響設置在支干線上的常規熱力站的換熱效率。根據板式換熱器的換熱原理，當單臺換熱器串聯的換熱板片超過一定數量后，易出現末端板片失效的問題，因此單臺換熱器的板片數量不宜過多。隔壓熱力站的供熱能力通常大于常規熱力站，為滿足隔壓熱力站的換熱要求，換熱機組通常設置多臺換熱器，因此隔壓熱力站的占地面積通常大于常規熱力站。

2、隔壓站的設置存在的問題

隔壓站的設置解決的系統超壓的問題，但是卻帶來的端差損失，提高了熱源回水的溫度，這尤其在熱電廠回收余熱時，將會出現電廠大量余熱無法回收的問題，這不僅給電廠帶來了損失，還會使得熱源供熱能力出現下降。

3、工程實例

3.1工程概況

某工程為熱電聯產供熱項目。電廠是發電容量1800MW的純凝火力發電廠，發電的同時大量的汽輪機乏汽余熱通過空冷島排掉。將電廠改造為供熱機組，并配合余熱回收及末端燃氣調峰，可承擔太原市8000萬㎡供熱面積的供熱量。電廠距離市區37.8km，采用傳統集中供熱技術難以解決長距離熱量輸送所造成的高成本問題。本項目綜合利用大溫差輸送、余熱利用、燃氣分布式調峰等方案，大幅度降低了供熱成本，使遠距離供熱輸送經濟上和技術上成為可行。

電廠標高1020，市內熱網最低標高約780，全程高差240米。根據工藝流程需要，需在市區外圍設置隔壓站，長輸管線接入隔壓站，再由隔壓站接出管道進入市區熱網。

3.2隔壓站系統簡述

在隔壓站內設置兩套供熱系統.每套供熱系統供熱能力1744MW.設計流量15000t/h.高溫側一次網供水溫度為125℃ ，回水溫度為25℃，管網設計壓力2.5Mpa。通過隔壓站換熱及隔壓，低溫側一次網供水溫度120℃，回水溫度20℃，低溫側管網設計壓力1.6Mpa。

本隔壓站供熱面積是目前國內最大的，選用的換熱器單臺面積較大，給運輸維修帶來較大的不便。因此，本隔壓站換熱器采用串聯梯級加熱。單套系統換熱器采取每3臺串聯.換熱器換熱流程見下圖：

由圖1可以看出隔壓站內的換熱器存在5℃的溫度端差。

3.3隔壓站換熱器系統的優化

換熱器端差的存在對本工程大溫差長距離供熱的供熱能力帶來一定的影響。造成電廠余熱回收的損失。本工程隔壓站內設置兩套供熱系統，每套系統的設計流量15000t/h。換熱器端差帶來的供熱損失為：Q損=4.1868X15000X2X5=174MW。

為了消除換熱器帶來的端差損失，本工程在隔壓站內設置電動壓縮式熱泵降低高溫側回水溫度。這樣不僅可以降低高溫側回水溫度，而且可以增加供熱能力。

電動壓縮式熱泵制熱循環主要設備包括蒸發器（液態制冷劑在其中蒸發，從而吸收來自工業余熱廢熱源的熱量）、壓縮機（驅動熱泵制熱循環的驅動力）、冷凝器（氣態制冷劑在其中冷凝，通過冷凝放熱實現供熱）及節流裝置。

電動壓縮式熱泵制熱循環示意如下圖所示。

采用電動壓縮熱泵優化后的流程見下圖：

從上圖可以看出，高溫側125℃的高溫水通過板式換熱器換完熱變為25℃的低溫水，然后進入電動壓縮式熱泵進一步降溫到20℃。一次側由板換引一路48℃的熱水進入電動壓縮式熱泵升溫至82℃后進入板換繼續進一步加熱至120℃。

本工程選用多級離心式熱泵，多級離心式熱泵是通過設置多級離心式壓縮機做功，將余熱經過壓縮機梯級做功提高到較高的溫度，其溫度壓頭為30℃至65℃時，熱泵制熱效率在 3.6至6.5 之間。下圖所示為多級離心式熱泵的溫度壓頭-制熱效率cop的曲線圖，從圖中可看出，溫度壓頭越小，熱泵的制熱效率越高，反之越低。

電動壓縮式熱泵回收的余熱量為174MW。熱泵的COP=3.5。電動壓縮式熱泵提供的熱量為243.6MW。即采用電動壓縮式熱泵后可以增加供熱量243.6MW。按供熱綜合熱指標50W/㎡計算，可以增加供熱面積487萬㎡。

3.4經濟效益

本工程電動壓縮式熱泵供熱量243.6MW，回收的余熱量174MW，運行時間T=151d，每天運行時間24h;采暖期平均負荷系數F=0.697。

本工程電動壓縮式熱泵的耗電功率為243.6-174=69.6MW。

本工程的回收余熱的費用見下表：

由上表可以看出投資回收期約為2年。

4.結論

1）在隔壓站內設置電動壓縮式熱泵降低高溫側回水溫度。這樣不僅可以降低高溫側回水溫度，而且可以增加供熱能力。

2）采用電動壓縮式熱泵后可以大大增加供熱量。

參考文獻

1.張開菊等，熱力網與供熱 北京? 中國電力出版社，2006年

2.劉志真，熱電聯產，北京，中國電力出版社，2006年

作者簡介：

王孝全 男 出生年月：1969年02月;工程師