城市供热模块化换热站的设计与运行技术研究

白 莉，戴华庚

吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118

集中供热能够合理利用能源,提升能源利用率[1],是目前我国北方城镇普遍使用的供热方式[2].换热站是集中供热的枢纽,它能够将热电厂、供热锅炉房的高温热水或水蒸气换热成用户供暖所需的低温热水.传统的换热站需要土建工程配合,从设计到建成周期较长,且占地面积大，尤其是对于供暖期前竣工的建筑物,常有因换热站未及时建成而耽误新建建筑物的供暖.本文研究一种模块式换热站(以建筑供热面积为50 000 m2为例)的设计及其运行技术.模块化换热站大大减少了传统换热站的土建工程量,也适合做楼宇换热站使用,尤其适用于单个楼体、别墅等小范围的供热模式[3].

1 模块化换热站的结构及特点

模块化换热站以5 000 m2，10 000 m2，25 000 m2，50 000 m2，100 000 m2供热面积为标准,设有换热器、水泵、除污器、阀门、仪表、管路附件及自动控制系统和测量仪表等设备,将这些仪表、设备组合在一起安装在配备保护外壳的安装底座上，如图1所示,并装配相应的自动控制与测量系统.为节省空间便于运输和安装,模块化换热站经过不断的优化设计,各个零部件之间的布置更加紧凑合理，如图2所示,使其占地面积及空间体积达到最小.作为热源与热用户之间的换热中转站[4],模块化换热站可以根据供热面积现场组装后立刻投入使用.

图1 外观图Fig.1 Appearance drawing

图2 设备图Fig.2 Equipment diagram

2 模块化换热站主要设备计算与选择

2.1 热负荷确定

热负荷由式(1)确定.

Qh=qhAc×10-3

(1)

式中,qh为采暖热指标,取40 W/m2;Ac为采暖建筑物的建筑面积,取50 000 m2.

2.2 换热器的选型计算

换热器是换热站的核心设备.换热站宜采用换热效率高、耐腐蚀、传热性能好的板式换热器.换热器的换热面积见式(2).

(2)

式中,Q为设计热负荷,kW;K为传热系数,一般取2 000 W/(m2·K)～5 000 W/(m2·K);Δt为传热温差,一般用对数温差,本文取26.47 ℃.

2.3 循环水泵的选型计算

循环水泵的流量,见式(3)、式(4),扬程见式(5).

G=(1.1～1.2)G′

(3)

(4)

H=(H1+H2+H3+H4)×(1.1～1.2)

(5)

式中,G′为热网最大设计流量,t/h;Q为设计热负荷,kW;c为水的比热容,kJ/[kg·℃],取4.2;t1，t2分别为供热管网的供、回水温度,℃,取60 ℃和40 ℃;H1为沿程阻力,m H2O;H2为局部阻力,m H2O;H3为末端阻力,m H2O,一般可为5 m H2O～10 m H2O,本文取8 m H2O;H4为设备阻力,m H2O.

热源损失包括热源加热设备(换热器或锅炉)和管路系统(主要由管道、管件、阀门等组成)等的阻力[5],一般可为10 m H2O～15 m H2O,本文取12 m H2O,即H1+H2+H3=12 m H2O.

根据上述循环水泵的流量与扬程的计算结果,选用工作点在高效范围内的循环水泵型号.

2.4 补给水泵的选型计算

在运行过程中,换热站存在失水现象,需要向管网中补充相应水量以保证系统能够正常运行,失水可能是管道及供热设施密封不严、系统漏水、系统检修放水、事故冒水、用户偷水等原因.补水泵的作用是向供热系统内补充循环用水和部分损失的循环水,将供热系统维持在一个稳定的压力值[6].

在闭式热水网路中,系统补水量应小于总循环水量的1 %.在对补给水泵进行选型计算时,补水装置和补给水泵中的流量应参考供热系统的正常补水量和事故补水量两个方面[7],一般情况下取正常补水量的4倍进行计算,相当于总循环水量的4 %.(本文取4 %).补给水泵流量及扬程计算见式(6),式(7).

G=G循×4%

(6)

Hb=1.15(H1+H2+H3)

(7)

式中,h1为地形高差,m H2O,取2 m H2O;h2为最高建筑物的高度,m H2O,取20 m H2O;h3为富裕压头,m H2O,取5 m H2O.

2.5 除污器的选择

除污器的作用是过滤和去除管网中流动水的杂质[8],并且将管网中的空气排出,对换热站内的设备起到保护作用.除污器型号各有利弊,例如直通型、Y型过滤器等体积较小,占地面积较小；旋流除污器体积较大,但是过滤效果不同.因此需要根据具体的除污要求等确定选用.根据实际工程情况,本文选取直通型过滤器.根据水力计算结果,模块化换热站内二次网管径为200 mm(公称直径).

2.6 模块化换热站设备选型汇总

以供热面积50 000 m2为一个标准模块,将模块中换热站的主要构件(板式换热器、循环水泵、补给水泵、除污器)进行计算和选型,两个工况具体参数见表1.经上述公式计算,得到选型计算值见表2.由于两种工况的选型计算值相近,故选择同一型号设备见表3,其它供热面积的设备选型见表3.

表1 工况参数

表2 工况Ⅰ下负荷及设备选型计算结果Table 2 Calculation results of load and equipment selection under working condition Ⅰ

表3 供热面积模块化换热站设备汇总Table 3 Summary of modular heat exchange station equipment for heating area

3 模块化换热站的设计运行技术要点

(1) 定压方式的选择. 本文采取的定压方式为补水泵变频调速定压.其工作原理是当供暖系统内的压力变化时,PLC控制器就会根据预先设定的压力值及时调整补水泵的转速,实现系统内的压力恒定,而且在运行过程中不需要管理人员的实时监控,能够自主维持压力的恒定.补水泵变频调速定压的技术可以采用自动控制和人工控制两种方式,即使自动控制在运行过程中出现故障,也可以通过人工控制继续运行,待解决所有故障后方可继续运行.

(2) 除污器在供热系统中的重要性. 在换热站内的一次网供水管段与二次网回水管段均应设有除污器.一次网供水管段的除污经常容易被忽视,尤其在一些换热站的建设过程中,一次网除污器的设置有时并未提及,一次网需要安装除污器并按照管径不同的情况下进行选择[9].

(3) 保证二次网水质的重要性. 换热站中换热器、部分构件、管道等会因管网中循环水未经过加药处理出现腐蚀、结垢等现象,影响换热器的换热效率,对一些部件的使用也会产生影响,而且循环水的水质问题会影响到整个换热站的运行情况.在对长春市某换热站的调研时发现,目前二次网的管道经常会有失水、漏水的现象发生，这种情况产生的原因主要是供热公司对二次网补水的水质要求不高(采用自来水),循环水的水质会直接对管道产生腐蚀影响,导致管道发生泄露,而且对热用户的散热设备造成腐蚀.因此选择合适的加药装置使二次网循环水的水质达到标准十分重要.

(4) 模块化换热站的自动控制. 模块化换热站中含有主机,在现场进行多个换热站组合安装运行时将压力传感器和温度传感器等进行连接即可,自动控制系统不发生变化.模块化换热站采用的自动控制系统中包含PLC控制器、触摸屏、变频器等，在屏幕上能够显示出模块化换热站在运行时的各个参数,简化了换热站运行管理程序.通过自动控制系统对现场各个参数进行监测和调节,可减少值班人数,也可实现远程无人操控.例如换热站的供热负荷会根据室外温度的变化而发生变化,利用室外温度传感器、变频器与PLC控制器的组合会及时改变循环水泵的转速,循环水泵的转速会改变供回水的温差,满足供热负荷变化,达到节能的效果,并且能提升模块化换热站的运行稳定性.

(5) 模块化换热站的安全运行. 换热站在运行过程中,热力系统的压力需要维持在一定的范围内[10],否则会影响供热系统的运行稳定性.在模块化换热站中,增压装置选择的是补水泵,在热力系统压力低于正常范围的情况下,通过补水泵向系统内补水加压,将系统内的压力回复到正常范围.传统换热站选用的泄压装置为安全阀,本文选用的泄压装置为泄压电磁阀,电磁阀比安全阀更精准且使用寿命较长、运行稳定性更高.当系统内的压力高于正常范围时,通过泄压电磁阀泄压,使压力回复到正常状态.

4 结论

城市供热模块化换热站按模块化思想进行整合,以单位供热面积(50 000 m2)作为研究对象,通过对板式换热器、循环水泵、补给水泵等设备进行预先选型,再经过设计优化各个设备之间的间距,减少换热站的占地面积.根据供热对象的实际供热面积确定设备的负荷和仪表管道规格,供热设备的外部配有保护外壳和安装底座,选择单位模块的数量在工厂进行组合安装.模块化换热站通过交通工具运抵现场后,按设定好的位置安装固定,然后根据现场管道实际连接相应预留管段后可迅速投入使用,极大地缩短了各个设备现场安装和调试的时间,减少了由于土建施工带来的人力、物力、及时间的投入.

城市供热模块化换热站的自动控制系统能够简化换热站的管理模式,根据供热负荷的变化工作人员可以在现场或远程更改换热站设备的运行参数，进而改变设备的运行状态以提高供热品质.通过屏幕显示的参数如发现设备故障,工作人员可以及时调用备用设备,从而不影响换热站的供热效果.

本文所提出的城市供热模块化换热站可以提高换热站的施工效率、运行稳定性和管理便捷性,对传统换热站的建设和运行过程提供借鉴和指导,在集中供热领域具有广泛的应用前景和推广价值.