王冷琢 中國海洋石油渤海有限公司

一、緒論

（一）研究背景

隨著人們的生活水平的提高，人們對(duì)生活舒適度的要求也不斷提升，我國北方冬季供熱需求量的增長(zhǎng)可以反映出這點(diǎn)。在2020～2021年的供暖季，我國受大規(guī)模寒潮影響，多地刷新其歷史最低氣溫記錄，供熱需求和供熱壓力大幅增加。全國煤礦日產(chǎn)量接近1200萬噸，電廠日供煤量達(dá)到740萬t，鐵路煤炭日裝車8萬車，均為歷史最高水平[1]。但以現(xiàn)有的能源利用技術(shù)水平，化石能源的開采與利用不可避免地帶來大量生態(tài)環(huán)境問題，以京津冀地區(qū)為例，供暖季極易出現(xiàn)持續(xù)霧霾天氣[2-3]，燃煤采暖產(chǎn)生的大量污染物嚴(yán)重影響著大氣環(huán)境，極大危害著人們健康和生活[4-5]。因此，我國尤其是北方地區(qū)迫切需要推進(jìn)發(fā)展清潔能源供熱。截至2016年底，我國北方地區(qū)燃煤以外的供熱方式，諸如天然氣、電、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、太陽能、工業(yè)余熱等方式的供熱面積總和僅占北方地區(qū)總供熱面積的17%[6]。

我國大規(guī)模的開采地?zé)崴M(jìn)行集中區(qū)域供熱始于上世紀(jì)八十年代初期，目前水熱型地?zé)崮芄峒夹g(shù)已基本成熟，水熱型地?zé)崮芡ㄟ^人工鉆井或天然通道開采利用[7]，一般分為直接供熱方式和間接供熱方式，由于直接供熱方式受地?zé)崴幕瘜W(xué)成分、含沙量，結(jié)垢問題，水汽含量等諸多因素的影響與限制，水熱型地?zé)峁┡绞降陌l(fā)展方向主要為間接供熱方式[8]。

（二）研究現(xiàn)狀

間接供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且發(fā)展成熟，這使得間接供熱系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用比較廣泛。劉曉敏[9]等從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度對(duì)雄縣地?zé)崴┡Ｊ阶龀隽嗽u(píng)價(jià)，雄縣地?zé)崴┡到y(tǒng)的建立以地?zé)醿?chǔ)層綜合評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，結(jié)合梯級(jí)利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雄縣地?zé)崴母咝?、清潔利用，梯?jí)利用分為三級(jí)，其中第一級(jí)通過板換換熱后的地?zé)崴疁囟冉档?8℃，可為暖氣片用戶提供45～60℃的熱水。付效東[10]針對(duì)河南某中深層地?zé)豳Y源開采出的55℃，流量為100m3/h的地?zé)崴扇》旨?jí)利用的模式，以熱泵機(jī)組作為輔助，可滿足變負(fù)荷地?zé)峁┡枨?，其一?jí)板換出水設(shè)計(jì)溫度為37℃，二級(jí)板換出水溫度為17.69℃。

換熱器是地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，換熱器的設(shè)計(jì)對(duì)地?zé)嵯到y(tǒng)能效、經(jīng)濟(jì)性起著決定性的作用。由于板式換熱器具有傳熱系數(shù)高、末端溫差小、結(jié)構(gòu)緊湊、不宜結(jié)垢、維修清洗方便等優(yōu)勢(shì)，板式換熱器在地?zé)衢g接系統(tǒng)中普遍應(yīng)用。此外，當(dāng)水質(zhì)中腐蝕性離子濃度較高時(shí)，還可使用如鈦金屬的特殊材質(zhì)板換。潘旭等[11]利用均勻設(shè)計(jì)擬定數(shù)值模擬，通過回歸分析得到了模擬范圍內(nèi)的板換最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)波紋間距為5.7 mm、波紋傾角為110°、波紋深度為3.2 mm時(shí)，綜合傳熱性能因子最大，換熱器的換熱性能較好，在理論上對(duì)于工程實(shí)踐有指導(dǎo)意義。

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，為擺脫復(fù)雜的換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)效益問題的單純?cè)O(shè)計(jì)等提供了有力的支撐工具。流體物性計(jì)算系統(tǒng)與流程模擬功能的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)板式換熱器及地?zé)衢g接系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文就地?zé)豳Y源建立了地?zé)崴g接供熱系統(tǒng)，研究了換熱器在不同出口溫度下可獲取的最大供熱量，并利用軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了板式換熱器結(jié)構(gòu)，獲得使換熱器投資回收期最短的換熱器出口溫度。

二、理論基礎(chǔ)

（一）地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)

如圖1所示，地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)主要包括地?zé)峋?、潛水泵、板式換熱器。地?zé)峋畠?nèi)的熱水通過潛水泵抽出，將熱量通過板式換熱器傳遞給供熱循環(huán)水后進(jìn)入下級(jí)熱利用，下一級(jí)可采用二級(jí)換熱器或熱泵機(jī)組進(jìn)一步降低地?zé)崴幕毓鄿囟?。在地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)中，換熱器的換熱量（kW）可由公式（1）計(jì)算

式中：mh是進(jìn)入板式換熱器的地?zé)崴髁?，kg/h；h11是換熱器中地?zé)崴M(jìn)水焓值，kJ/kg；h12是換熱器中地?zé)崴鏊手?，kJ/kg。

（二）板式換熱器

板式換熱器三維示意圖如圖2所示，它由一個(gè)帶夾緊螺栓或頂桿的框架和若干被壓制成波紋的金屬薄板組成，薄板上帶有橡膠密封墊片。薄板經(jīng)工藝加工使帶有特殊的波紋以獲取低流速下的高度湍流和高傳熱系數(shù)，同時(shí)還能增強(qiáng)金屬薄板的機(jī)械剛性。薄板上的橡膠密封墊片起到密封和分配流體的作用[13]。

不考慮換熱損失，對(duì)于水-水單相流體換熱的板式換熱器換熱量為：

式中：mc是進(jìn)入板式換熱器的循環(huán)供熱水流量，kg/h；h21是循環(huán)供熱水供水焓值，kJ/kg；h22是循環(huán)供熱水回水焓值，kJ/kg。

式中：t11、t12分別是地?zé)崴M(jìn)水和出水溫度，℃；t21、t22分別是循環(huán)供熱水進(jìn)水和出水溫度，℃。

板式換熱器的傳熱面積F（m2）為：

其中，K是換熱器總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

在板式換熱器中，流體對(duì)流傳熱系數(shù)可通過一系列由經(jīng)驗(yàn)得出的關(guān)聯(lián)式計(jì)算，在關(guān)聯(lián)式中，不同的換熱工況、板型對(duì)應(yīng)不同的系數(shù)或指數(shù)，K值綜合了各段的對(duì)流傳熱系數(shù)，可最終計(jì)算得到傳熱面積。傳熱面積是板式換熱器的重要指標(biāo)之一，板換的投資成本會(huì)隨傳熱面積的增大而增加，對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的間接換熱系統(tǒng)，換熱器的投資成本在一定程度決定系統(tǒng)總投資成本。

三、模擬建立

以某地?zé)豳Y源為基礎(chǔ)，地?zé)釤崴疁囟葹?5℃，水流量為80t/h，地?zé)崤c供熱循環(huán)水換熱為散熱片用戶供暖，供熱循環(huán)水供回水溫為75℃/50℃。模擬中，物性數(shù)據(jù)來自B-JAC物性包；換熱形式采用兩股流逆流換熱，冷流自下向上流動(dòng)；考慮高溫、高氯的換熱工況，板片材料選擇鈦板，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能；在熱源條件下為強(qiáng)化傳熱性能，板片形式可采用普遍應(yīng)用的BR型，板片V字角度為45°，BR型板片如圖3所示。以最小換熱面積為優(yōu)化條件，利用軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)換熱器結(jié)構(gòu)尺寸，并校核設(shè)計(jì)結(jié)果。

四、結(jié)果分析

熱源為95℃，80t/h的地?zé)崴瑩Q熱器留有10℃以上的窄點(diǎn)溫差，模擬第一級(jí)換熱器出口溫度在60～85℃范圍內(nèi)的換熱量。如圖4，當(dāng)換熱器出口溫度從85℃下降至60℃，換熱器的換熱量從932kW增加至3257kW，供回溫度75℃/50℃的循環(huán)水流量從32t/h增至112t/h，若按一般住宅采暖熱指標(biāo)60W/m2，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤600元計(jì)算，供熱面積由1.6萬m2增至5.4萬m2，一個(gè)供暖季可節(jié)約費(fèi)用由19.8萬元增至69.2萬元。

換熱器出口溫度的降低可以增加換熱量，提高資源利用率，帶來更大的收益，同時(shí)對(duì)換熱器的要求也會(huì)提高。圖5反映出換熱器出口溫度對(duì)換熱器窄點(diǎn)溫差和對(duì)數(shù)平均溫差的影響，隨著換熱器出口溫度的下降，換熱器窄點(diǎn)溫差和對(duì)數(shù)平均溫差均減小，這對(duì)換熱面積的增加起正向作用。

對(duì)第一級(jí)換熱器出口溫度為60℃、65℃、70℃、75℃、80℃和85℃的地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)中的換熱器分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別得出各工況下?lián)Q熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸、估算投資成本，并計(jì)算換熱器的回收投資期。如圖6所示，研究結(jié)果表明換熱器出口溫度由85℃降至60℃時(shí)，有效換熱面積由17.38m2增至98.98m2，投資增加了近5倍。由于利用地?zé)釒淼墓と斯?jié)約費(fèi)用和換熱器投資成本均隨換熱器出口溫度的增加而增大，換熱器的投資回收期呈現(xiàn)出先縮減后延長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，且在換熱器出口溫度為75℃時(shí)能達(dá)到最短的投資回收期。

五、結(jié)論

本文通過流程模擬研究了地?zé)崴g接供熱系統(tǒng)，獲得換熱器在不同出口溫度下可獲取的最大供熱量及供熱情況，當(dāng)換熱器出口溫度從85℃下降至60℃，換熱器的換熱量從932kW增加至3257kW，供熱面積由1.6萬m2增至5.4萬m2；對(duì)地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)中的換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出各工況下?lián)Q熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸和回收投資期，結(jié)果表明：在工況范圍內(nèi)，地?zé)嵯到y(tǒng)第一級(jí)換熱器出口溫度為75℃時(shí)的換熱器投資回收期最短。