白 莉，戴華庚

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118

集中供熱能夠合理利用能源,提升能源利用率[1],是目前我國北方城鎮(zhèn)普遍使用的供熱方式[2].換熱站是集中供熱的樞紐,它能夠?qū)犭姀S、供熱鍋爐房的高溫?zé)崴蛩魵鈸Q熱成用戶供暖所需的低溫?zé)崴?傳統(tǒng)的換熱站需要土建工程配合,從設(shè)計到建成周期較長,且占地面積大，尤其是對于供暖期前竣工的建筑物,常有因換熱站未及時建成而耽誤新建建筑物的供暖.本文研究一種模塊式換熱站(以建筑供熱面積為50 000 m2為例)的設(shè)計及其運行技術(shù).模塊化換熱站大大減少了傳統(tǒng)換熱站的土建工程量,也適合做樓宇換熱站使用,尤其適用于單個樓體、別墅等小范圍的供熱模式[3].

1 模塊化換熱站的結(jié)構(gòu)及特點

模塊化換熱站以5 000 m2，10 000 m2，25 000 m2，50 000 m2，100 000 m2供熱面積為標準,設(shè)有換熱器、水泵、除污器、閥門、儀表、管路附件及自動控制系統(tǒng)和測量儀表等設(shè)備,將這些儀表、設(shè)備組合在一起安裝在配備保護外殼的安裝底座上，如圖1所示,并裝配相應(yīng)的自動控制與測量系統(tǒng).為節(jié)省空間便于運輸和安裝,模塊化換熱站經(jīng)過不斷的優(yōu)化設(shè)計,各個零部件之間的布置更加緊湊合理，如圖2所示,使其占地面積及空間體積達到最小.作為熱源與熱用戶之間的換熱中轉(zhuǎn)站[4],模塊化換熱站可以根據(jù)供熱面積現(xiàn)場組裝后立刻投入使用.

圖1 外觀圖Fig.1 Appearance drawing

圖2 設(shè)備圖Fig.2 Equipment diagram

2 模塊化換熱站主要設(shè)備計算與選擇

2.1 熱負荷確定

熱負荷由式(1)確定.

Qh=qhAc×10-3

(1)

式中,qh為采暖熱指標,取40 W/m2;Ac為采暖建筑物的建筑面積,取50 000 m2.

2.2 換熱器的選型計算

換熱器是換熱站的核心設(shè)備.換熱站宜采用換熱效率高、耐腐蝕、傳熱性能好的板式換熱器.換熱器的換熱面積見式(2).

(2)

式中,Q為設(shè)計熱負荷,kW;K為傳熱系數(shù),一般取2 000 W/(m2·K)～5 000 W/(m2·K);Δt為傳熱溫差,一般用對數(shù)溫差,本文取26.47 ℃.

2.3 循環(huán)水泵的選型計算

循環(huán)水泵的流量,見式(3)、式(4),揚程見式(5).

G=(1.1～1.2)G′

(3)

(4)

H=(H1+H2+H3+H4)×(1.1～1.2)

(5)

式中,G′為熱網(wǎng)最大設(shè)計流量,t/h;Q為設(shè)計熱負荷,kW;c為水的比熱容,kJ/[kg·℃],取4.2;t1，t2分別為供熱管網(wǎng)的供、回水溫度,℃,取60 ℃和40 ℃;H1為沿程阻力,m H2O;H2為局部阻力,m H2O;H3為末端阻力,m H2O,一般可為5 m H2O～10 m H2O,本文取8 m H2O;H4為設(shè)備阻力,m H2O.

熱源損失包括熱源加熱設(shè)備(換熱器或鍋爐)和管路系統(tǒng)(主要由管道、管件、閥門等組成)等的阻力[5],一般可為10 m H2O～15 m H2O,本文取12 m H2O,即H1+H2+H3=12 m H2O.

根據(jù)上述循環(huán)水泵的流量與揚程的計算結(jié)果,選用工作點在高效范圍內(nèi)的循環(huán)水泵型號.

2.4 補給水泵的選型計算

在運行過程中,換熱站存在失水現(xiàn)象,需要向管網(wǎng)中補充相應(yīng)水量以保證系統(tǒng)能夠正常運行,失水可能是管道及供熱設(shè)施密封不嚴、系統(tǒng)漏水、系統(tǒng)檢修放水、事故冒水、用戶偷水等原因.補水泵的作用是向供熱系統(tǒng)內(nèi)補充循環(huán)用水和部分損失的循環(huán)水,將供熱系統(tǒng)維持在一個穩(wěn)定的壓力值[6].

在閉式熱水網(wǎng)路中,系統(tǒng)補水量應(yīng)小于總循環(huán)水量的1 %.在對補給水泵進行選型計算時,補水裝置和補給水泵中的流量應(yīng)參考供熱系統(tǒng)的正常補水量和事故補水量兩個方面[7],一般情況下取正常補水量的4倍進行計算,相當(dāng)于總循環(huán)水量的4 %.(本文取4 %).補給水泵流量及揚程計算見式(6),式(7).

G=G循×4%

(6)

Hb=1.15(H1+H2+H3)

(7)

式中,h1為地形高差,m H2O,取2 m H2O;h2為最高建筑物的高度,m H2O,取20 m H2O;h3為富裕壓頭,m H2O,取5 m H2O.

2.5 除污器的選擇

除污器的作用是過濾和去除管網(wǎng)中流動水的雜質(zhì)[8],并且將管網(wǎng)中的空氣排出,對換熱站內(nèi)的設(shè)備起到保護作用.除污器型號各有利弊,例如直通型、Y型過濾器等體積較小,占地面積較??；旋流除污器體積較大,但是過濾效果不同.因此需要根據(jù)具體的除污要求等確定選用.根據(jù)實際工程情況,本文選取直通型過濾器.根據(jù)水力計算結(jié)果,模塊化換熱站內(nèi)二次網(wǎng)管徑為200 mm(公稱直徑).

2.6 模塊化換熱站設(shè)備選型匯總

以供熱面積50 000 m2為一個標準模塊,將模塊中換熱站的主要構(gòu)件(板式換熱器、循環(huán)水泵、補給水泵、除污器)進行計算和選型,兩個工況具體參數(shù)見表1.經(jīng)上述公式計算,得到選型計算值見表2.由于兩種工況的選型計算值相近,故選擇同一型號設(shè)備見表3,其它供熱面積的設(shè)備選型見表3.

表1 工況參數(shù)

表2 工況Ⅰ下負荷及設(shè)備選型計算結(jié)果Table 2 Calculation results of load and equipment selection under working condition Ⅰ

表3 供熱面積模塊化換熱站設(shè)備匯總Table 3 Summary of modular heat exchange station equipment for heating area

3 模塊化換熱站的設(shè)計運行技術(shù)要點

(1) 定壓方式的選擇. 本文采取的定壓方式為補水泵變頻調(diào)速定壓.其工作原理是當(dāng)供暖系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化時,PLC控制器就會根據(jù)預(yù)先設(shè)定的壓力值及時調(diào)整補水泵的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的壓力恒定,而且在運行過程中不需要管理人員的實時監(jiān)控,能夠自主維持壓力的恒定.補水泵變頻調(diào)速定壓的技術(shù)可以采用自動控制和人工控制兩種方式,即使自動控制在運行過程中出現(xiàn)故障,也可以通過人工控制繼續(xù)運行,待解決所有故障后方可繼續(xù)運行.

(2) 除污器在供熱系統(tǒng)中的重要性. 在換熱站內(nèi)的一次網(wǎng)供水管段與二次網(wǎng)回水管段均應(yīng)設(shè)有除污器.一次網(wǎng)供水管段的除污經(jīng)常容易被忽視,尤其在一些換熱站的建設(shè)過程中,一次網(wǎng)除污器的設(shè)置有時并未提及,一次網(wǎng)需要安裝除污器并按照管徑不同的情況下進行選擇[9].

(3) 保證二次網(wǎng)水質(zhì)的重要性. 換熱站中換熱器、部分構(gòu)件、管道等會因管網(wǎng)中循環(huán)水未經(jīng)過加藥處理出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象,影響換熱器的換熱效率,對一些部件的使用也會產(chǎn)生影響,而且循環(huán)水的水質(zhì)問題會影響到整個換熱站的運行情況.在對長春市某換熱站的調(diào)研時發(fā)現(xiàn),目前二次網(wǎng)的管道經(jīng)常會有失水、漏水的現(xiàn)象發(fā)生，這種情況產(chǎn)生的原因主要是供熱公司對二次網(wǎng)補水的水質(zhì)要求不高(采用自來水),循環(huán)水的水質(zhì)會直接對管道產(chǎn)生腐蝕影響,導(dǎo)致管道發(fā)生泄露,而且對熱用戶的散熱設(shè)備造成腐蝕.因此選擇合適的加藥裝置使二次網(wǎng)循環(huán)水的水質(zhì)達到標準十分重要.

(4) 模塊化換熱站的自動控制. 模塊化換熱站中含有主機,在現(xiàn)場進行多個換熱站組合安裝運行時將壓力傳感器和溫度傳感器等進行連接即可,自動控制系統(tǒng)不發(fā)生變化.模塊化換熱站采用的自動控制系統(tǒng)中包含PLC控制器、觸摸屏、變頻器等，在屏幕上能夠顯示出模塊化換熱站在運行時的各個參數(shù),簡化了換熱站運行管理程序.通過自動控制系統(tǒng)對現(xiàn)場各個參數(shù)進行監(jiān)測和調(diào)節(jié),可減少值班人數(shù),也可實現(xiàn)遠程無人操控.例如換熱站的供熱負荷會根據(jù)室外溫度的變化而發(fā)生變化,利用室外溫度傳感器、變頻器與PLC控制器的組合會及時改變循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速,循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速會改變供回水的溫差,滿足供熱負荷變化,達到節(jié)能的效果,并且能提升模塊化換熱站的運行穩(wěn)定性.

(5) 模塊化換熱站的安全運行. 換熱站在運行過程中,熱力系統(tǒng)的壓力需要維持在一定的范圍內(nèi)[10],否則會影響供熱系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性.在模塊化換熱站中,增壓裝置選擇的是補水泵,在熱力系統(tǒng)壓力低于正常范圍的情況下,通過補水泵向系統(tǒng)內(nèi)補水加壓,將系統(tǒng)內(nèi)的壓力回復(fù)到正常范圍.傳統(tǒng)換熱站選用的泄壓裝置為安全閥,本文選用的泄壓裝置為泄壓電磁閥,電磁閥比安全閥更精準且使用壽命較長、運行穩(wěn)定性更高.當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力高于正常范圍時,通過泄壓電磁閥泄壓,使壓力回復(fù)到正常狀態(tài).

4 結(jié)論

城市供熱模塊化換熱站按模塊化思想進行整合,以單位供熱面積(50 000 m2)作為研究對象,通過對板式換熱器、循環(huán)水泵、補給水泵等設(shè)備進行預(yù)先選型,再經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化各個設(shè)備之間的間距,減少換熱站的占地面積.根據(jù)供熱對象的實際供熱面積確定設(shè)備的負荷和儀表管道規(guī)格,供熱設(shè)備的外部配有保護外殼和安裝底座,選擇單位模塊的數(shù)量在工廠進行組合安裝.模塊化換熱站通過交通工具運抵現(xiàn)場后,按設(shè)定好的位置安裝固定,然后根據(jù)現(xiàn)場管道實際連接相應(yīng)預(yù)留管段后可迅速投入使用,極大地縮短了各個設(shè)備現(xiàn)場安裝和調(diào)試的時間,減少了由于土建施工帶來的人力、物力、及時間的投入.

城市供熱模塊化換熱站的自動控制系統(tǒng)能夠簡化換熱站的管理模式,根據(jù)供熱負荷的變化工作人員可以在現(xiàn)場或遠程更改換熱站設(shè)備的運行參數(shù)，進而改變設(shè)備的運行狀態(tài)以提高供熱品質(zhì).通過屏幕顯示的參數(shù)如發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障,工作人員可以及時調(diào)用備用設(shè)備,從而不影響換熱站的供熱效果.

本文所提出的城市供熱模塊化換熱站可以提高換熱站的施工效率、運行穩(wěn)定性和管理便捷性,對傳統(tǒng)換熱站的建設(shè)和運行過程提供借鑒和指導(dǎo),在集中供熱領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價值.