熱力站的節能設計

蔣杰 中建八局交通市政規劃研究院

熱力站是指連接一級供熱網和二級供熱網之間的站房，使供熱系統達到安全高效的運行，是熱量轉換和系統監控的重要組成部分。近年來，城市供熱規模逐漸增大，但高能耗、高損失、低效率的缺點一直存在，其中熱耗是熱力站主要能耗指標，電耗則為次要指標，水耗相對較小。目前，對于普通民用建筑采暖供熱，采用熱水作為熱媒的熱效率相對較高，輸送距離也較長。另外采用間接連接方式，能夠減少供熱成本，增強供熱系統的安全性和可靠性，因此，以下文中所闡述或涉及的熱力站均為間接連接式的熱水熱力站。

1 主要設備和管道

1.1 換熱器

換熱器的選型應根據熱效率、單位能耗以及使用年限進行綜合比選。換熱器應以30 ～60W/m2供熱指標和民用建筑總面積計算熱負荷 ，并應考慮設備5%～10%的熱損失，故換熱效率應保證在90%以上。在實際工況中，設計溫度和流量可能會偏離原有理論設計值，為了保證換熱效果，單臺換熱器的實際有效換熱面積應比理論值增加約15%～20%，但不應過高而加大換熱器本身的進出口壓降。換熱器的配置數量應根據用戶采暖總熱負荷，小于3MW 的宜選用1 臺，熱負荷在3M ～6MW 內的可選用2 臺，一般不宜設備用，兩臺換熱器并聯運行時宜按同程連接設計。

板式換熱器采用特殊的波紋板傳熱，二級網循環水在平板中流動時，提高了紊流效應，增強了傳熱效果，且具有結構緊湊、耐腐蝕、熱損失低和方便拆洗等特點，故應盡可能選用采用板式換熱器。流速對傳熱系數和壓降均具有很大的關聯和影響，應找到傳熱系數和壓降的平衡點，進出口壓降不宜大于50kPa，以便有利于節能降耗，常用不同類型換熱器優缺點詳見表1。

表1 常用不同類型換熱器優缺點對比表

為了保證換熱效果，板式換熱器應定時進行沖洗。一般情況下采用反沖洗法分別對一、二級網側進行沖洗，利用沖洗過程中產生的沖擊力，對板片產生振動，進而剝離換熱面上的沉著的污垢，并隨著排污閥泄水排出換熱器內部。

1.2 循環水泵

循環水泵的選型應根據供熱管道最大阻力、所有用戶的瞬時最大總流量進行，且耗電輸熱比（EHR）應滿足節能要求。選型時應盡量選用中低比轉速的離心泵，并使得水泵在高效工況（EHR）下運行。EHR指標越低，節能效果越好。

式中EHR為耗電輸熱比，G為單臺循環泵流量，H為單臺循環泵揚程，η為水泵電機傳動效率，A為與熱負荷有關的計算系數，B為與機房及用戶的水阻力有關的計算系數一級泵B=20.4,二級泵B=24.4，∑L為室外供回水主管的總長，α為主管總長計算系數

循環泵設計流量不應大于設計總流量的110%，設計揚程不應大于系統總阻力的120%。泵的進口端的熱水壓力應保證不發生汽蝕。運行水泵數量宜備用1 臺，應盡量減少水泵并聯的臺數，不同規格的循環泵也不宜并聯。變頻調節相對于調節閥的節流調節可以降低能耗，故循環水泵應具有變頻調節功能，并保證水泵電機轉速在70%～100%額定轉速區間內。另外，在循環水泵出口的前端宜設置射流節能設備，可以降低水泵出口的漩渦損失。

1.3 補水泵

補水泵應滿足系統內補水量和系統定壓所需壓頭，并應設超壓自動泄水裝置。補水泵的設計流量為正常補水量的3 ～4 倍，補水泵的設計揚程不宜小于補水點壓力外加30 ～50kPa 的富余量。一般情況下選用單級離心泵，定壓壓力較高的話，可選用多級離心泵。補水泵的控制宜采用變頻調節，可以避免補水泵自身的頻繁啟動和降低調節閥的節流損失。補水泵的數量一般不少于2 臺，可補設備用泵。

1.4 水處理裝置和補水箱

二級管網的熱媒水質應符合《采暖空調系統水質》(GB/T29044-2012)的規定，詳見表2，嚴禁不符要求的普通水源接入管網。硬度過高的水，水中的鈣鎂離子在水溫較高時，容易慢慢析出并附著在換熱器和管網內壁上形成水垢。另外，水中的微生物大量滋生，容易改變水質，也導致水垢不斷變厚。造成換熱設備結垢、腐蝕以及管道堵塞引起增加管道阻力，進而增加循環泵的電耗和影響換熱器的換熱效果，更增加換熱設備的清洗排污率。

水處理通常采用離子交換法和電磁法。離子交換法是采用陽離子交換樹脂，對原水進行軟化,利用鈉離子交換鈣鎂離子，以達到降低水的硬度。推薦使用全自動軟水器，可以相對降低水耗和鈉鹽耗量。電磁法是安裝電磁設備，利用電場和磁場防止鈣鎂離子沉積結垢。電磁法設備安裝相對比較方便。并在運行中，向二級管網中定時添加緩蝕劑、阻垢劑、殺菌劑，防止水中滋生細菌，對設備和管道腐蝕。補水箱的有效容量不應超過補水泵30min 的流量，以免因補水量小，長時間得不到更新而影響水質。

現階段，隨著二級管網自身泄露量的減小，二級網的補水量也相對變小。當二級網系統補水量不大時，可利用一級管網的回水作為補水。具體做法為：在一級網側和二級網側分別設壓力變送器，一級網補二級網存在三種工況，一級網側大于二級網時，一級網直接向二級網補水；當一級網側小于二級網時，開啟變頻補水泵，變頻器根據二級網的壓力進行調節。當一級網和二級網的絕對壓力差小于0.15MPa時，設置密閉隔壓水箱，水泵從水箱吸水，再向二級網補水。

采用一級補二級的自動補水定壓裝置，增加了一級網熱源的補水量，但可取消補水箱和水處理裝置，進而節約了熱力站自身設備的運行電耗和水耗。

1.5 除污器

一級供水總管和二級回水管應設置除污器，設計壓力和溫度應滿足要求，濾網至少能去除1.5mm 以上微粒，但阻力不宜大于30kPa，宜選用帶具有反沖洗功能的除污器；在實際運行的工況下，應根據除污器出口壓力波動的大小，及時進行清洗和排污。

1.6 管道布置和閥門

管道布置應做到力求短直，在保證自身熱補償的情況下，宜盡量減少交叉和拐彎。管道應合理選用管徑，采用經濟比摩阻，一般為30 ～70Pa/m。設備進出口應設異徑管，以減小阻力損失。管道的高點應設放氣閥，低點應設放水閥，以保證管道運行正常。

一級管網的供回水總管和二級管網各分支管路的供回水管道均應設閥門。閥門應符合實際溫度和壓力的要求，連接方式宜為法蘭連接。閥門應盡可能選用低阻力的閥門。

閥門和管道附件均應采用密封性好，壽命長的高質量產品，避免在實際運行中產生跑冒滴漏現象。

1.7 保溫

供熱管道、設備、閥門和附件應保溫，保溫層外表面的溫度不宜大于50℃，管道沿程的溫降應小于0.2℃/km，導熱系數不應大于0.08W/m·K，以便盡量減少熱損失。保溫材料宜選用不燃和難燃的無機材料；保溫層厚度宜采用經濟厚度。

2 監測儀表和自動控制裝置

熱力站必須設置供熱參數監測系統和自動控制系統，并應符合《城鎮供熱監測與調控系統技術規程》。監測系統包含監測并記錄一級管網和二級管網的供回水壓力、供回水溫度和供回水流量等參數，還有二級管網的補水量。監測系統應能及時采集、顯示存儲和運算各個熱力參數，實現監測和報警功能，使整個供熱系統安全可靠的運行。

自動控制系統包含對一級管網供水流量的調節和熱量瞬時積分運算功能、連鎖控制二級網供水溫度、循環泵和補水泵的變頻轉速。為了滿足系統的熱量供需平衡，熱力站應安裝氣候補償儀。氣候補償儀主要包含室外氣溫傳感器、氣候補償節能控制器、溫度傳感器和執行元件等。供熱時間段內，氣候補償器可根據室外溫度參數和已設定的溫度設計值進行比較，調節一級網側的供水流量，二級網的供回水溫度則作相應改變，從而實現了一級網的量調節和二級網的質調節，避免不同區域用戶的室溫產生較大偏差，達到節能目的，詳見圖1。相比手動調節，氣候補償儀的自動調節可以減小人為手動調節的滯后性，進而節約熱耗。

圖1 氣候補償儀供熱控制系統簡圖

運行調節熱平衡關系式：

式中為實際室外溫度下雨室外供暖計算溫度下的相對負荷比；tn為室內空氣計算溫度；tw’、tw分別為室外供暖計算溫度、實際室外溫度；分別為室外供暖計算溫度下的供水溫度、實際供水溫度；th分別為室外供暖計算溫度下的回水溫度、實際回水溫度；b 為散熱器指數值；為為實際室外溫度下室外供暖計算溫度下的相對流量比。

當室外溫度變化時，為了保證室內舒適的溫度，通過氣候補償儀控制和調節一級網的閥門開度和二級網的循環水流量，使二級網的供熱溫度和流量在合理經濟的范圍內，以達到節能目的。間接連接的供熱系統宜采用質調節，最佳調節工況則為質和量的雙重調節。隨室外溫度的變化，不僅要調整二級網供水溫度，還需要調整二級網的循環水流量。

大量資料表明，由于設計疏漏、維護不當以及新增供熱用戶的影響形成了系統的水力失調，水力失調又是造成系統大流量和小溫差運行的根本原因。具體應通過記錄同一系統中熱力參數的變化和最不利用戶的供熱效果，對各支路和用戶進行流量調節和壓力平衡調節，進而保證一級網和二級網側的實際流量和設計流量偏差在合理范圍內。

實際運行中，應根據當地供熱時間、天氣冷暖情況和建筑物實際散熱量，匯總各階段的不同供熱系統熱力參數，合理的設定氣象補償儀和變頻調節的指標。

3 結語

熱力站的節能降耗，直接關系到供熱效果以及運行經濟指標。以上所述熱力站的設計節能措施，都是可靠可行的，只要在首次設計或二次改造中積極實行和落實，就可以為供熱企業創造較好的經濟效益，還可以提高供熱用戶的舒適度。