李壯男/哈爾濱市直屬房產(chǎn)物業(yè)管理有限責(zé)任公司
供熱系統(tǒng)全方位節(jié)能節(jié)電技術(shù)
李壯男/哈爾濱市直屬房產(chǎn)物業(yè)管理有限責(zé)任公司
對于每一個供熱企業(yè)來說,要想生存、要想發(fā)展、都必須充分重視供熱質(zhì)量、經(jīng)營管理、收費和經(jīng)濟運行等各個方面的問題,而各個方面的問題又都是有機地連在一起的,都是互相關(guān)聯(lián)、缺一不可的,忽視了哪一方面都會給企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益帶來不良的后果。有些問題(如收費難的問題、用戶冷熱不均的問題)大家都認識到了,但由于種種原因一直困擾著供熱企業(yè),很難解決。還有一些問題在很大程度上影響著供熱企業(yè)的供熱質(zhì)量、成本,從而影響著供熱企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益,但由于認識不清或被一些不合理的傳統(tǒng)做法和習(xí)慣勢力左右著,已成了“司空見慣”的狀態(tài),如供熱系統(tǒng)的電耗過大,電能浪費嚴(yán)重的問題就是這樣一個大問題。
供熱企業(yè)是電耗大戶,各種水泵、風(fēng)機、照明都用電。如果設(shè)備選型不當(dāng),系統(tǒng)設(shè)計不合理,很容易造成電能的大量浪費。一些先進的供熱企業(yè)熱網(wǎng)循環(huán)水泵每平方米面積的電耗只有0.7元~1.2元。但許多企業(yè)卻超過了先進企業(yè)的3~4倍,電能浪費非常嚴(yán)重。這樣的供熱系統(tǒng)很普遍,甚至一些相當(dāng)大的供熱企業(yè)也是如此。經(jīng)多方調(diào)查、研究可知,造成這種局面有以下幾個原因:
1.“墨守成規(guī)”和“寧大勿小”的設(shè)計習(xí)慣造成電能浪費。一些設(shè)計人員“墨守成規(guī)”或生搬硬套,不加分析、不加研究地始終按習(xí)慣做法搞設(shè)計。同時還存在著“寧大勿小”的心理,因為怕?lián)?zé)任,總是把用電設(shè)備選得很大,而不考慮是否會造成能源浪費(如多臺泵并聯(lián)或水泵揚程偏高,脫離實際需要等問題)。
2.不合理的選型造成的電能浪費。還有一些設(shè)計院人員或供熱企業(yè)的工程技術(shù)人員,對一些基本理論認識不清,研究不夠,往往造成了錯誤設(shè)計、錯誤選型,使供熱系統(tǒng)或用電設(shè)備白白浪費了寶貴的電能(如用樓房的高度選擇循環(huán)水泵揚程的問題)。
3.不合理的技改措施造成的電能浪費。一些企業(yè)的工程技術(shù)人員在供熱系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)技術(shù)問題而影響供熱質(zhì)量時,不做認真的分析研究,找出問題的主要原因,抓住主要矛盾,而是憑經(jīng)驗、憑感覺采取了更換用電設(shè)備或盲目增加用電設(shè)備的方法。雖然使問題有了一定程度的改善(有時反而加大了問題的嚴(yán)重性),卻進一步浪費了大量的電能(如熱網(wǎng)水力失調(diào),不去調(diào)網(wǎng),卻增加循環(huán)水泵臺數(shù)或更換大泵)。
4.運行管理不善造成的電能浪費。還有一些其它原因,如對供熱設(shè)備的使用條件認識不清或運行管理不到位,造成水循環(huán)阻力增加等,都可造成電能白白浪費掉。而對這些情況往往又錯誤的認為是正常的,許多企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)或工程技術(shù)人員又“視而不見”或“聽之任之”,處在一種麻木的狀態(tài)下。他們不去同其它企業(yè)比較,不向先進企業(yè)學(xué)習(xí),使企業(yè)一直處在高電耗的情況中,造成了運行成本過高,企業(yè)虧損嚴(yán)重。甚至錯誤地認為電費只占供熱成本的一小部分,不用計較,供熱企業(yè)就是一個“半福利”的單位,虧損是正?,F(xiàn)象等等。
由以上的情況可知,供熱系統(tǒng)的節(jié)電潛力是非常大的,必須引起充分的重視。但要想節(jié)電還必須從供熱系統(tǒng)的各組成部分如:熱源、熱網(wǎng)、熱力站、熱用戶,從供熱系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)如:設(shè)計、施工、以及運行管理、技術(shù)改造等全方位地分析問題,研究問題,找出各方面的主要矛盾,從而采取綜合措施,達到最大程度的節(jié)約電能。這樣企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益,才能得到更大的提高。
所謂水力失調(diào),就是管網(wǎng)各處實際流量與所需不一致。任何一個供熱系統(tǒng)都不可能通過對管網(wǎng)、熱力站和熱用戶等系統(tǒng)的設(shè)計、管網(wǎng)的布置、水力計算、管徑、管件及設(shè)備的選型等,徹底解決運行時的水力平衡問題。任何一個供熱系統(tǒng)都必須在系統(tǒng)運行時進行認真地調(diào)節(jié),才有可能逐步接近水力平衡。如果調(diào)節(jié)水力平衡的設(shè)備選擇不當(dāng),使用不當(dāng),調(diào)節(jié)的手段不先進,不合格,甚至不進行運行調(diào)節(jié),供熱系統(tǒng)就一定會存在不同程度的水力失調(diào)問題。從而造成部分熱用戶室溫過高而浪費了熱能,部分用戶室溫不達標(biāo),影響了供熱質(zhì)量。而此時,許多供熱部門往往又錯誤的采用更換循環(huán)水泵,加大循環(huán)水流量等辦法解決。雖然使水力工況在一定程度上有所改善,水力失調(diào)狀況有所減輕,但由此卻帶來了電能的大量浪費,使供熱企業(yè)的運行成本大大提高,同時使其它的節(jié)電措施無法實施。
應(yīng)該從根本上消除熱網(wǎng)的水利失調(diào),才能確保用戶的供熱質(zhì)量。但以前消除水利失調(diào)的方法--人工調(diào)節(jié)關(guān)斷閥、調(diào)節(jié)閥或平衡閥的方法,不但給運行調(diào)節(jié)人員帶來相當(dāng)大的工作量,而且根本無法使管網(wǎng)的水力失調(diào)得到徹底改善。采用自動控制的方法又大大提高了熱網(wǎng)建設(shè)資金的投入。目前最好的辦法,是最近幾年來已開始普及的,在每個熱用戶的入口安裝恒流量調(diào)節(jié)閥或自力式流量控制閥的方法。只要按每個熱用戶需要的流量,一次性調(diào)節(jié)好,就可保證全網(wǎng)的水力平衡。它不但可保證流入每個熱用戶的循環(huán)水量與設(shè)計或?qū)嶋H需要一致,而且還會自動消除熱網(wǎng)的剩余壓頭,保證熱網(wǎng)有良好的水力工況。
目前“恒流量調(diào)節(jié)閥”是“自力式流量控制閥”中的佼佼者,它不但調(diào)節(jié)性能良好,而且可帶電動執(zhí)行器,實現(xiàn)遠程自動控制。供熱系統(tǒng)只有在根除了水力失調(diào)后,才有可能實現(xiàn)下面一些更有力的節(jié)電措施。
根據(jù)熱量計算公式:Q=G×C×(Tg-Th)可知,當(dāng)供熱系統(tǒng)向熱用戶提供相同的熱量Q時,供回水溫差△T=Tg-Th與
循環(huán)水量G成反比例關(guān)系。即系統(tǒng)的供回水溫差大,則循環(huán)水量就小,水泵的電耗就會大大降低。從下面的一個例子,就可看出溫差與電耗之間的關(guān)系。
例如一個供熱系統(tǒng)設(shè)計熱負荷為7MW,一網(wǎng)供回水溫差△T=30℃。經(jīng)計算,其循環(huán)水量為 200m3/h。外網(wǎng)管徑為DN200。查表可知沿程阻力系數(shù)為170Pa/m。經(jīng)水力計算,管網(wǎng)沿程總阻力損失為50m水柱,如果按此流量和揚程選水泵,即水泵功率為45K W。如果把供回水溫差由△T=30℃提高到△T=60℃,其循環(huán)水量可下降到100m3/h,按外網(wǎng)管徑DN200查表可知,沿程阻力系數(shù)為42Pa/m。同溫差30℃時的阻力系數(shù)相比是:42:170=1:4。按此推算,此時管網(wǎng)沿程總阻力損失應(yīng)為H=50m/4=12.5m。按流量100m3/h和揚程12.5米選泵,其水泵功率只有5.5K w。
由此發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律:當(dāng)供回水溫差提高到原來的兩倍時,循環(huán)水量也降至原來的二分之一,而管網(wǎng)的沿程阻力降至原來的四分之一,而水泵的功率要降至原來的八分之一。即:△T2=2△T1則G2=1/2G1H2=1/22G1N2=1/23N1由此可看出,提高供熱系統(tǒng)的供回水溫差,可大大降低運行電耗。同時由于阻力損失的大幅度降低,可以使有中繼泵站的供熱系統(tǒng),取消了中繼泵站,節(jié)省了建設(shè)投資和中繼泵站的運行費用。
目前,直供系統(tǒng)或間供系統(tǒng)的二級管網(wǎng),也都存在著運行溫差過小的問題。用戶的室內(nèi)采暖系統(tǒng)一般都按供回水溫差25℃設(shè)計,但實際運行的溫差都在20℃以下,有的甚至只有10℃左右。因此存在著大量電能浪費問題。二級管網(wǎng)和室內(nèi)
采暖系統(tǒng)的節(jié)能潛力也很大。
在泵的選型與安裝上,目前普遍存在著一些不合理的地方,許多時候不依照水力計算,而是死套所謂的“規(guī)定”,并層層加碼或參照別人的設(shè)計、以前的設(shè)計,甚至在錯誤的理論指導(dǎo)下確定泵的型號。而工程設(shè)計人員和運行管理人員又都習(xí)以為常,渾然不覺。因此在水泵的問題上存在大量的電能浪費。主要問題有:
1.泵揚程偏高、與實際需要相差太大。循環(huán)水泵揚程過高既造成了電能浪費,有時還使泵在超流量工況下工作,使電機過載,不得不在關(guān)小水泵出口閥門的狀況下工作,進一步造成了電能的浪費,可以使電耗超過實際需要的三倍以上。
如某一種水泵流量為100m3/h,當(dāng)揚程H=12.5m時,水泵功率N=5.5K w;揚程H=20m時,N=11K w;揚程H=32m時,N=15K w;揚程H=42m時,N=22K w。
造成水泵揚程偏高的原因一般有兩種:
(1)錯誤地把樓房高度加在循環(huán)水泵的揚程中。一種是錯誤認識造成的。一些人錯誤地把采暖系統(tǒng)的樓房高度,作為選擇循環(huán)水泵揚程的依據(jù)。他們把循環(huán)水泵的作用和補水定壓泵的作用混到了一起,不知道循環(huán)水泵的揚程只是用來克服采暖系統(tǒng)的循環(huán)阻力,而補水定壓泵的揚程是維持采暖系統(tǒng)所需靜水壓強。循環(huán)水泵的揚程不應(yīng)負擔(dān)樓房的高度。這種錯誤在某些地方還普遍存在著,是供熱理論和供熱常識普及不夠的結(jié)果。那些把熱力站的循環(huán)水泵揚程定為32m甚至40m的就是這種情況。
(2)設(shè)計人員“寧大勿小”心理和習(xí)慣的后果。另一種是設(shè)計人員不良的設(shè)計習(xí)慣造成。一般的設(shè)計人員都存在一個“寧大勿小”的心理,認為所選的設(shè)備、各方面的參數(shù)大一些總比小了好,這樣不會出問題。而很少去考慮怎樣做才能更經(jīng)濟、更實用,怎樣做才能使自己的設(shè)計水平有所提高,怎樣做才能使這方面的技術(shù)更進步、更先進。而且有的人一直“墨守成規(guī)”,或不加思索,不加研究和鑒別地去參考別人的設(shè)計,或隨著大多數(shù)狀況走,這樣可不動腦,可少犯錯誤。這樣在選擇設(shè)備時就會死搬規(guī)程,或?qū)訉蛹哟a,最后再乘以一個安全系數(shù),使所選水泵的揚程超過實際很多。不但造成了大量的能源浪費,而且往往給運行帶來很大困難。如不關(guān)小出口閥門,電機就會超載。一般情況下,熱力站循環(huán)水泵揚程大多都在8m--13m之間,供熱半徑大的也不超過18m,最小的只有6m左右。
2.多臺泵并聯(lián)運行降低了水泵效率,大量浪費電能。
(1)應(yīng)正確認識水泵并聯(lián)運行工況。由泵的并聯(lián)工況可知,單臺泵運行效率要高于多臺泵并聯(lián)運行。但目前許多設(shè)計者都習(xí)慣選擇二開一備、三開一備,甚至多開一備的方式,有時不但達不到所需要流量,而且造成了電能的巨大浪費。合理的設(shè)計是在每種工況下都是單臺泵運行。因此可根據(jù)運行的工況,在同一個熱源或熱力站中同時選擇幾種不同型號的水泵,或變速泵。
(2)熱源循環(huán)水泵的設(shè)計原則。另外熱源的循環(huán)水泵必須同時滿足熱網(wǎng)和熱源的共同要求,不能根據(jù)鍋爐的循環(huán)水量、一臺爐配一臺泵的多泵形式。這樣幾臺泵并聯(lián)運行后既不能滿足鍋爐的要求,也不能滿足熱網(wǎng)的要求。形成這種習(xí)慣的主要原因是:許多人錯誤地認為,水泵并聯(lián)后的流量就是各泵銘牌流量之和。實際并聯(lián)后的流量一定小于銘牌流量之和。它取決于并聯(lián)特性曲線與管網(wǎng)特性曲線的交點。
3.循環(huán)水泵出口裝設(shè)止回閥問題的探討。在給排水系統(tǒng)中,給水泵或排水泵出口設(shè)止回閥是必要的。因為這些系統(tǒng)都是開式系統(tǒng),都是把水由低處往高處送,或者把水從低壓處送往高壓處。停泵時如果沒有止回閥,則水會倒流。而供熱系統(tǒng)是一個閉式系統(tǒng),循環(huán)水泵的作用是克服網(wǎng)路的循環(huán)阻力,使水在網(wǎng)路中循環(huán)。當(dāng)水泵停止工作時,水泵兩側(cè)的壓強相等,不會作反向流動。因此安裝止回閥只會增加網(wǎng)路的阻力,無謂的消耗電能,沒有任何作用。熱源和換熱站的循環(huán)水泵出口都可不設(shè)止回閥,但直供混水系統(tǒng)的混水泵和回水加壓泵,同補水系統(tǒng)與給水系統(tǒng)一樣,泵的出口應(yīng)設(shè)止回閥。
對于多臺水泵并聯(lián)安裝的情況。按離心水泵操作規(guī)程,不工作的水泵應(yīng)關(guān)閉水泵進出口閥門,不需要由止回閥起隔離作用。此措施經(jīng)多年實踐證明,沒出現(xiàn)任何問題,而且北歐的供熱系統(tǒng)中,循環(huán)水泵出口就不設(shè)止回閥。
熱源的節(jié)電節(jié)能除前面提到的循環(huán)水泵選型、安裝的節(jié)電措施、以及提高熱源供
回水溫差的節(jié)電措施外,圍繞著鍋爐的節(jié)電節(jié)能措施還有很多。如:提高鍋爐的燃燒效率的各種措施,鍋爐增加分層、分行、分段給煤的設(shè)備、防止鍋爐水垢、煙垢的各種措施,鍋爐鼓引風(fēng)系統(tǒng)加裝變頻調(diào)速器等節(jié)電措施,這些都是大家比較熟悉的。這里主要介紹一個往往被許多人忽視,但又非常重要的問題。就是如何實現(xiàn)鍋爐在額定循環(huán)水量下工作,既節(jié)約電能而又不影響系統(tǒng)總循環(huán)水量和供水溫度的問題。每臺熱水鍋爐在設(shè)計中都給定了額定循環(huán)水量和最高供回水溫度。鍋爐本體對循環(huán)水的總阻力損失就是在這個循環(huán)水量的情況下計算出來的。一般都不超過0.1MPa,即10米水柱。而整個供熱系統(tǒng)的總循環(huán)水量是根據(jù)系統(tǒng)的供回水溫差和供熱負荷確定的。它往往大于幾臺鍋爐額定循環(huán)水量之和。許多工程技術(shù)人員都忽略了這一點。在設(shè)計和運行中不采取任何措施,而是使鍋爐的實際運行循環(huán)水量與外網(wǎng)總循環(huán)水量相等。這樣就造成了每臺鍋爐的循環(huán)水量大于額定循環(huán)水量,使?fàn)t內(nèi)水的阻力損失大大超過鍋爐說明書中的阻力損失。從前面第三條論述中得出的規(guī)律可知,鍋爐的實際循環(huán)水量達到了額定循環(huán)水量2倍時,鍋爐本體的水循環(huán)阻力就是額定阻力損失的4倍,而此時用于克服鍋爐水循環(huán)阻力的電耗就會是額定電耗的8倍。多么嚴(yán)重的電能浪費問題。這個問題通常的解決辦法是在循環(huán)水泵去鍋爐的供回水干管之間加設(shè)一個旁通管。當(dāng)鍋爐的循環(huán)水量為 G=400m3/h,外網(wǎng)的循環(huán)水量G=2400m3/h,調(diào)節(jié)旁通管調(diào)節(jié)閥的開度,使流經(jīng)旁通管的循環(huán)水量達到1200m3/h。而此時鍋爐本體的供回水溫差為60℃,而熱網(wǎng)的供回水溫差為30℃,鍋爐本體的水循環(huán)阻力為額定阻力,一般為0.06-0.1Mpa旁通管管徑的大小應(yīng)根據(jù)流經(jīng)旁通管水量的大小來確定,但旁通管的阻力小,可選擇小一些的管徑,以便同鍋爐阻力匹配,亦可降低造價。另外為了進一步減小鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)的總阻力損失,總供回水干管和鍋爐的供回水管的管徑應(yīng)大些。
熱力站的節(jié)電措施除了前面提到的循環(huán)水泵的選型與安裝問題,和提高二網(wǎng)供回水溫差的措施之外,還有以下幾個措施可進一步節(jié)電。
1.直供混水系統(tǒng)的熱力站。直供混水系統(tǒng)的熱力站,應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)水壓圖的情況,盡選擇在旁通管上加混水泵的方式。此時混水泵的混水量G3=G2-G1小于二級網(wǎng)的總循環(huán)水量,而且又充分利用了一級網(wǎng)提供的資用壓頭,使混水泵的電耗降到最低。
2.間供系統(tǒng)的熱力站。間供系統(tǒng)的換熱站中,換熱設(shè)備的選型也影響著二級網(wǎng)循環(huán)水泵的電耗。應(yīng)盡量減小換熱器的水循環(huán)阻力。經(jīng)研究得出的結(jié)論是:板式換熱器中水的流速應(yīng)控制在0.2-o.5m/s。也就是在選取板式換熱器時,使換熱器的換熱面積大一些,達到每平方米換熱面積供450-700m2的建筑面積為最佳。
3.熱力站規(guī)模大小與節(jié)電關(guān)系。對于間供系統(tǒng)和直供混水系統(tǒng),熱力站規(guī)模的大小也直接影響影響全系統(tǒng)的電耗。一般規(guī)律是這兩種系統(tǒng)的熱力站規(guī)模越小,越省電。因為此時一級網(wǎng)的供回水溫差大,循環(huán)水量小,供到每個熱力站的電耗就小。而熱力站到熱用戶,雖然由于供回水溫差小,循環(huán)水量大,但因為熱力站負擔(dān)的供熱面積小,供熱半徑就小,因此電耗就低。供熱半徑大的熱力站,電耗就高!如果采用中,小型換熱機組或無人值守換熱站更好。因為它占地小,甚至可以不建換熱站,節(jié)約了土建投資。
4.熱力站的運行管理與節(jié)電關(guān)系。站節(jié)電應(yīng)注意的另一個問題是應(yīng)在熱力站的一、二級網(wǎng)的除污器前后加裝壓力表。運行人員應(yīng)經(jīng)常視察除污器前后的壓差,當(dāng)壓差超過0.02Mpa時,應(yīng)及時清掏或反沖除污器,以降低阻力損失,節(jié)約電耗。
1.盡量不采用直供系統(tǒng)。供熱系統(tǒng)最好不要采用直供形式,盡量采用間供形式或直供混水形式,才能減少循環(huán)水泵的運行電耗。
2.管網(wǎng)管徑大小與節(jié)電。供熱管網(wǎng)的管徑大小與建設(shè)投資成正比,與運行電耗成反比。但同時也與城市供熱發(fā)展規(guī)劃密切相關(guān),有時供熱的發(fā)展會超出規(guī)劃的設(shè)想。因此為了節(jié)電,為了給今后供熱發(fā)展留出充分的空間,熱網(wǎng)的管徑在建設(shè)資金允許的條件下,應(yīng)盡量大一些,經(jīng)濟比摩阻最好控制在30-50Pa/m。這樣還可以同時提高管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性。
3.環(huán)狀管網(wǎng)的優(yōu)越性。環(huán)狀管網(wǎng)不但可以自動優(yōu)化水利工況,平衡供熱效果,同時還可以減少管網(wǎng)事故對供熱的影響。因此,在有條件的地方可以把支狀管網(wǎng)連成環(huán)狀管網(wǎng),也相當(dāng)于加大了某些管段的管徑,既有利于節(jié)電,又可提高供熱質(zhì)量。另外應(yīng)大膽推廣在安定理論指導(dǎo)下的直埋技術(shù),采用無補償(或少補償)、無固定墩的直埋技術(shù)。可大大降低投資和施工難度。提高管網(wǎng)的安全性。
4.大膽采用多熱源聯(lián)合供熱。多熱源聯(lián)合供熱可以在供熱初、末期充分發(fā)揮主熱源的熱效率,同時由于全網(wǎng)的循環(huán)水量小,調(diào)峰熱源不啟運,從而大大節(jié)約了電能。而在供熱尖峰期啟運調(diào)峰熱源后,使主熱源的供熱半徑和循環(huán)水量均縮小。節(jié)約了水泵的電耗。所以對于中、大型供熱系統(tǒng)一定要采用多熱源聯(lián)合供熱的形式。尤其是熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),為了使熱電廠的熱化系數(shù)接近0.5,提高供熱系統(tǒng)的安全性,必須設(shè)置大型調(diào)峰熱源、或同時設(shè)置幾個調(diào)峰熱源,實行多熱源聯(lián)合供熱。多熱源聯(lián)合供熱的設(shè)計和運行調(diào)節(jié)并不復(fù)雜,目前已有多家供熱企業(yè)的成功經(jīng)驗和一套較完整的理論,可大膽推廣應(yīng)用。
5.分集水器的取舍。目前在許多熱源和熱力站還都設(shè)有分水器和集水器。這是從蒸汽供熱系統(tǒng)沿襲下來的不合理做法。它不但增加了管網(wǎng)和熱力站的施工難度提高了造價,而且增加了運行電耗,尤其是現(xiàn)在對熱網(wǎng)水力工況的調(diào)節(jié)已進入到了第四個階段----用恒流量調(diào)節(jié)閥或自力式流量控制閥調(diào)節(jié)水力平衡的階段,已不需要分層次調(diào)節(jié)各分支點的調(diào)節(jié)閥了,只是在用戶終端一次性調(diào)節(jié)恒流量調(diào)節(jié)閥的流量,就可以使全網(wǎng)達到水力平衡。因此分集水器就更沒有必要繼續(xù)存在下去,應(yīng)徹底取締。