集中供汽末端間歇熱用戶供汽優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

0 背景

某熱力公司依托熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組對(duì)園區(qū)實(shí)施集中供汽，現(xiàn)新增一釀造熱用戶，位于現(xiàn)有熱力網(wǎng)末端，擬從最后一個(gè)連續(xù)熱用戶后接入，管線展開(kāi)長(zhǎng)度約1 000 m。由于釀造熱用戶兩班制間歇生產(chǎn)，因此倒班時(shí)供汽模式難以調(diào)節(jié)，通過(guò)停汽間歇運(yùn)行和小流量熱備用的傳統(tǒng)供汽管線運(yùn)行方式存在嚴(yán)重能源浪費(fèi)問(wèn)題。由于兩班制生產(chǎn)用戶間歇時(shí)間不超過(guò)4 h，因此可采用蓄熱技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 兩班制間歇熱用戶的特點(diǎn)

該釀造用戶生產(chǎn)工藝不連續(xù)，且間歇運(yùn)行，生產(chǎn)實(shí)行兩班工作制，每班工作8 h，間隔4 h，日累計(jì)用汽時(shí)間16 h。釀造生產(chǎn)工藝用汽量有典型的爬升和下降的特點(diǎn)，即在蒸壓、蒸餾開(kāi)始過(guò)程用汽量逐漸增大，蒸壓一定時(shí)間后逐漸下降，再停用。此外，兩班生產(chǎn)為非連續(xù)，存在兩個(gè)用汽高峰，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，最大工藝熱負(fù)荷為20 t/h。在采暖季，由于釀造車間需要適宜溫度，雖有冬季采暖熱負(fù)荷，也需蒸汽換熱來(lái)解決，蒸汽折算成采暖熱負(fù)荷為1.9 t/h。在采暖季，最大熱負(fù)荷為22.1 t/h，在每日15:00-18:00和1:00-5:00倒班時(shí)段僅有采暖熱負(fù)荷，最大為2.0 t/h。在非采暖季，最大熱負(fù)荷為19.3 t/h，在每日15:00-18:00和1:00-5:00為倒班時(shí)段，不用蒸汽。采暖季和非采暖季熱用戶用汽見(jiàn)圖1和圖2。

2 傳統(tǒng)方案的熱損失

依據(jù)熱源減溫減壓后外供參數(shù)、現(xiàn)有用戶和本次接駁用戶用汽參數(shù)（0.4 MPa飽和蒸汽）及最大用汽量，經(jīng)計(jì)算，供汽管道管徑選用DN200，保溫材料選用20 mm硅酸鋁針刺氈、100 mm離心玻璃棉。在該設(shè)計(jì)方案下，為避免釀造熱用戶在倒班期間產(chǎn)生能源浪費(fèi)，熱力公司采用間歇運(yùn)行方案或小負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行模式來(lái)降低熱損失。

2006年7月16日至20日，在北京展開(kāi)的“中國(guó)尋根之旅”夏令營(yíng)，有來(lái)自世界45個(gè)國(guó)家的華裔青少年和港澳臺(tái)地區(qū)的青少年5000余人參加了活動(dòng)，主要內(nèi)容包括：在人民大會(huì)堂舉行盛大的開(kāi)營(yíng)儀式、參觀北京歷史文化名勝、中華文化精粹觀摩、海內(nèi)外華裔青少年聯(lián)歡等，在海內(nèi)外引起強(qiáng)烈反響。

2.1 間歇運(yùn)行方案

間歇運(yùn)行方案需要熱力公司在熱用戶倒班時(shí)關(guān)閉進(jìn)汽閥，下一班啟動(dòng)前再開(kāi)閥暖管達(dá)到用戶用汽需求。由于關(guān)閉進(jìn)汽閥后從接駁點(diǎn)至釀造用戶之間1 000 m的管道內(nèi)蒸汽會(huì)冷凝，且在下一班啟動(dòng)時(shí)暖管也會(huì)產(chǎn)生大量的凝結(jié)水，這兩部分疏水都會(huì)帶來(lái)熱損失。閥門切斷后局部管道內(nèi)蒸汽冷凝損失為管道內(nèi)蒸汽體積乘以蒸汽密度，管道暖管時(shí)產(chǎn)生的疏水損失可通過(guò)公式計(jì)算得到

。

按原設(shè)計(jì)參數(shù)，DN200管道外徑和壁厚為219×6 mm，管道延米重量31.52 kg/m，保溫材料為離心玻璃棉，保溫厚度120 mm，保溫延米體積和重量為0.05 m

、2.5 kg/m；接駁點(diǎn)蒸汽溫度250℃、蒸汽壓力1.0 MPa，對(duì)應(yīng)焓值為2 943.22 kJ/kg；冷凝后飽和水焓值為762.68 kJ/kg。

式中：G

為啟動(dòng)凝結(jié)水量，kg/h；W

代表鋼管和閥門總重，kg；W

代表鋼管保溫材料的重量，kg；C

代表鋼管的比熱，kJ/kg·℃，對(duì)于碳素鋼取為0.469；C

代表保溫材料的比熱，kJ/kg·℃，對(duì)于離心玻璃棉取為0.837；ΔT

代表管材的升溫速度，℃/min；ΔT

代表管材的升溫速度，℃/min；i

代表工作條件下過(guò)熱蒸汽的焓值，kJ/kg；i

代表工作條件下飽和水的焓值，kJ/kg。

年輕刑警歪著脖子慢條斯理地說(shuō)，編啊，繼續(xù)編啊？你是不是皮和骨頭發(fā)癢了，要我給松松？你以為我們是吃干飯的不是？年輕刑警又一拍桌子說(shuō)，老實(shí)交代，為什么要編？

按照2.5℃/min升溫速度對(duì)管道進(jìn)行暖管，暖管小時(shí)凝結(jié)水量

依據(jù)架空管道暖管經(jīng)驗(yàn)，至少需暖管3 h才能達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)，則每個(gè)生產(chǎn)日浪費(fèi)蒸汽約為7.3 t/d［（161.85+1 161.11×3）×2班/d］，年浪費(fèi)蒸汽1 314 t,按照每噸蒸汽價(jià)格200元計(jì)算，蒸汽管道疏水帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失為1 460元/d（7.3×200），年經(jīng)濟(jì)損失26.28萬(wàn)元［1 460×（300 d-120 d）］。

全部病例來(lái)源于2015年7月—2017年7月在我院康復(fù)科門診的患者，共80例。采用隨機(jī)數(shù)字表法分為試驗(yàn)組和對(duì)照組，每組各40例。其中，試驗(yàn)組中，男16例，女24例，年齡41～75歲，平均（56.10±9.67）歲，對(duì)照組中，男18例，女22例，年齡30～76歲，平均（53.08±11.27）歲；試驗(yàn)組病程12～156個(gè)月，平均（37.58±29.36）個(gè)月，對(duì)照組病程16～120個(gè)月，平均（41.05±25.45）個(gè)月。

熱源點(diǎn)溫度受設(shè)計(jì)抽汽口參數(shù)限制，難以超過(guò)280℃，且前端有2 km管網(wǎng)覆蓋3個(gè)熱用戶，本次接駁點(diǎn)供汽壓力受上游最后一個(gè)用戶用汽壓力（至少為0.5 MPa）的限制，因此不可能無(wú)限小。經(jīng)計(jì)算，釀造用戶接駁點(diǎn)處壓力不低于0.5 MPa、溫度不高于260℃。

切斷時(shí)損失管道容積內(nèi)的蒸汽量

2.2 小流量熱備用方案

當(dāng)接駁點(diǎn)蒸汽壓力達(dá)到0.5 MPa、溫度260℃時(shí)，采用1.5 t/h蒸汽量可保證壓力到達(dá)熱用戶末端時(shí)0.49 MPa，溫度略高于飽和蒸汽。

式中:表示對(duì)第m-1幀純凈語(yǔ)音的功率譜估計(jì),表示對(duì)第m-1幀的噪聲功率譜估計(jì)。α為調(diào)節(jié)系數(shù),它的選取至關(guān)重要,其取值越接近1對(duì)“音樂(lè)噪聲”的抑制效果越好,但是會(huì)造成比較大的語(yǔ)音失真,α取值0.95～0.99時(shí)效果較佳[6],max函數(shù)返回兩個(gè)參數(shù)的最大值,SNRpost(m,k)表示后驗(yàn)信噪比,定義后驗(yàn)信噪比為:

衛(wèi)星：到2020年，基本建成普洱國(guó)家綠色經(jīng)濟(jì)試驗(yàn)示范區(qū)，是國(guó)家賦予普洱的重大任務(wù)。我們將深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想和黨的十九大精神，全面落實(shí)省委、省政府決策部署，圍繞建設(shè)生態(tài)宜居之城、健康養(yǎng)生之地、普洱茶文化之源，用好生態(tài)優(yōu)勢(shì)、做好生態(tài)文章、發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)、壯大生態(tài)財(cái)政、改善生態(tài)民生，把普洱建設(shè)成為綠色發(fā)展示范城市、祖國(guó)西南邊疆的綠色明珠。

該方案即在釀造用戶倒班時(shí)通過(guò)保持蒸汽小流量來(lái)滿足管道熱備用，使下一班次用汽時(shí)無(wú)需暖管

，也是目前熱力公司對(duì)間歇熱用戶通常的運(yùn)行方案。在管道直徑和保溫參數(shù)給定的情況下，蒸汽管道散熱量是固定的，如果流量偏小，則單位流量承擔(dān)的散熱量更多，對(duì)應(yīng)的單位流量溫降更大

。可見(jiàn)，在熱備用時(shí)為了盡可能的小流量，需提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組減溫減壓出口溫度，降低出口壓力，以保證蒸汽到達(dá)用戶側(cè)時(shí)仍為飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽。

由于階梯升溫升壓暖管時(shí)間長(zhǎng)，且操作時(shí)需對(duì)管道全段疏水閥進(jìn)行觀測(cè)，人工成本較高，且夜間操作安全難以控制，故不建議使用間歇運(yùn)行方案。

由于用戶倒班時(shí)段未生產(chǎn)，故1.5 t/h蒸汽雖到達(dá)用戶處，但用戶不承擔(dān)該費(fèi)用。該部分浪費(fèi)的蒸汽量約為12 t/d（1.5 t/h×4 h/班次×2次/d）,年浪費(fèi)蒸汽2 160 t,按照每噸蒸汽價(jià)格200元計(jì)算，蒸汽管道疏水帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失為2 400元/d（200×12）,年經(jīng)濟(jì)損失43.20萬(wàn)元（180d×2 400元/d）。

3 采用蒸汽蓄熱器的優(yōu)化方案

蒸汽蓄熱器利用壓力差實(shí)現(xiàn)低壓蒸汽和飽和水的轉(zhuǎn)換，使蒸汽以飽和水的形式儲(chǔ)存，該方法常用于不穩(wěn)定熱負(fù)荷下鍋爐出力的調(diào)節(jié)

。本文嘗試將蒸汽蓄熱器引入集中供熱管網(wǎng)工程中，將管道熱備用而以小流量運(yùn)行的蒸汽進(jìn)入蓄熱器，在正常班次時(shí)釋放出來(lái)，以減少管道用汽量。

根據(jù)蒸汽蓄熱器原理，飽和水和釋放的低壓蒸汽壓差越大，所需的蒸汽蓄熱器容積就越小

，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能提高進(jìn)入蓄熱器的蒸汽壓力。由前述分析可知，小流量時(shí)溫降較大，為保證到達(dá)末端用戶時(shí)仍為飽和蒸汽甚至過(guò)熱蒸汽，需降低接駁點(diǎn)的蒸汽壓力。因此需要提高到達(dá)末端用戶側(cè)的蒸汽壓力，減少該管段蒸汽的溫降，在保證流量不變的條件下，提高接駁點(diǎn)至釀造用戶DN200管道保溫性能。經(jīng)計(jì)算，保溫厚度增加40 mm，即保溫厚度達(dá)160 mm時(shí)，本次管道接駁點(diǎn)壓力可提高至0.9 M Pa，到達(dá)釀造用戶末端壓力為0.898 MPa，溫度175.5℃，管道熱損失86.7 W/m，管段溫降84.4℃。

在用戶側(cè)設(shè)置蒸汽蓄熱器，與主管網(wǎng)來(lái)的蒸汽減溫減壓后并聯(lián)，可將每班倒班時(shí)產(chǎn)生的6 t（1.5 t/h×4 h）蒸汽儲(chǔ)存起來(lái)，在用汽高峰時(shí)釋放出來(lái)。按照進(jìn)蓄熱器蒸汽壓力0.898 MPa和用戶側(cè)用汽壓力0.4 MPa，查手冊(cè)可得1 m

的飽和水產(chǎn)汽量為54 kg

，計(jì)算得到蓄熱器需要的水容積為111.1 m

（6 000 kg/54 kg/m

）。采用蒸汽蓄熱器后，熱力網(wǎng)運(yùn)行方案為兩個(gè)倒班期間蒸汽蓄熱器儲(chǔ)存蒸汽，正常班次時(shí)釋放出來(lái)。蒸汽蓄熱器運(yùn)行工況見(jiàn)圖3。

4 優(yōu)化方案優(yōu)勢(shì)對(duì)比

蒸汽蓄熱器方案中，增量投資增加了包括40 mm厚、體積為0.06 m

的離心玻璃棉保溫材料和111.1 m

的蒸汽蓄熱器系統(tǒng)，總費(fèi)用為180萬(wàn)元。蓄熱器投運(yùn)后，有效避免了熱用戶倒班間隙高品質(zhì)蒸汽的浪費(fèi)，減少蒸汽損失2 400 t/年，滿足國(guó)家節(jié)能減排要求。此外，蒸汽蓄熱器可減少經(jīng)濟(jì)損失43.20萬(wàn)元/年，對(duì)于180萬(wàn)元投資，增量投資回收期為4.2年。

5 結(jié)論

綜上，蒸汽蓄熱器引入至集中供汽末端兩班制間歇用戶的工程設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)倒班時(shí)熱備用小流量蒸汽的蓄熱，節(jié)能效果明顯，在現(xiàn)有能源價(jià)格下，蒸汽蓄熱器方案靜態(tài)回收期4.2年，隨著能源價(jià)格的增長(zhǎng)，其經(jīng)濟(jì)性趨于更優(yōu)。

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