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        多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)中污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

        2022-02-01 02:43:02蔡春雷訾大鵬李登功梁京濤
        煤氣與熱力 2022年12期
        關(guān)鍵詞:中水供冷冷水

        蔡春雷,張 磊,訾大鵬,李登功,梁京濤

        (1.煙臺市數(shù)字化城市管理服務(wù)中心,山東 煙臺 264000;2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 第六設(shè)計研究院,天津 300381;3.泰安市泰山城區(qū)熱力有限公司, 山東 泰安 271000;4.大眾報業(yè)(大眾日報社)集團(tuán)工程維修部,山東 濟(jì)南 250014)

        1 概述

        截至2019年底,北方農(nóng)村地區(qū)清潔供暖率約31%,比2016年提高21.6%。北方農(nóng)村地區(qū)累計完成散煤替代約2 300×104戶,其中京津冀及周邊地區(qū)、汾渭平原累計完成散煤清潔化替代約1 800×104戶。

        我國北方地區(qū)某污水處理廠現(xiàn)狀污水日處理能力為17×104t/d,擴(kuò)建完成后日處理能力將提升至25×104t/d。根據(jù)城市規(guī)劃部門要求,優(yōu)先利用污水處理廠處理后的中水作為冷熱源,組建污水源熱泵+熱電聯(lián)供+電驅(qū)動冷水機(jī)組的多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)(簡稱多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)),為污水處理廠附近規(guī)劃區(qū)域用戶供熱供冷。本文對多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)中污水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行分析,對項目存在的問題提出建議。

        2 項目概況

        規(guī)劃區(qū)域內(nèi)住宅及配套建筑供暖裝置為地面輻射供暖系統(tǒng),供冷裝置為分體式空調(diào)器。辦公樓、酒店、商場采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)供暖、供冷。用戶設(shè)計冷熱負(fù)荷見表1。

        為保證污水源熱泵系統(tǒng)安全運(yùn)行,對中水水質(zhì)進(jìn)行分析。典型月跟蹤結(jié)果顯示,中水水質(zhì)滿足GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求,但部分時間氯離子、氨氮質(zhì)量濃度偏高,存在易腐蝕不銹鋼、銅質(zhì)部件的風(fēng)險[1]。因此,在換熱器材料選擇以及中水與熱泵機(jī)組換熱方式上要引起注意。

        表1 用戶設(shè)計冷熱負(fù)荷

        3 設(shè)計要點(diǎn)

        3.1 中水與熱泵機(jī)組換熱方式

        中水與熱泵機(jī)組的換熱方式分為直接式換熱、間接式換熱。采用直接式換熱時,中水經(jīng)防阻機(jī)過濾后直接進(jìn)入熱泵機(jī)組。與間接式換熱相比,直接式換熱沒有中間換熱器的換熱損失及壓力損失,系統(tǒng)運(yùn)行能效更高。但根據(jù)國內(nèi)工程經(jīng)驗,中水與熱泵機(jī)組采用直接式換熱,運(yùn)行一段時間后,熱泵蒸發(fā)器易出現(xiàn)黏著物,難以清理,因此該項目采用間接式換熱。中間換熱器采用易于拆卸清理的耐壓暢通污水換熱器,考慮到部分時間中水中氯離子、氨氮質(zhì)量濃度偏高,中間換熱器采用碳鋼材質(zhì),并涂敷防腐層。同時采用先進(jìn)的焊接工藝,保證焊接處平滑無毛刺,使防腐層牢固地粘附在金屬表面,也減少對中水中黏稠物的鉤掛。

        由于該項目污水源為處理后的中水,沒有大尺寸顆粒物,因此中間換熱器前不再設(shè)置防阻機(jī)。中水經(jīng)中間換熱器換熱后排至污水干渠,經(jīng)中間換熱器與中水換熱后的清潔中介水進(jìn)入熱泵機(jī)組。中間換熱器布置在能源站內(nèi)。

        3.2 中水取水系統(tǒng)

        不僅中水溫度、流量連續(xù)變化,建筑負(fù)荷也逐時變化,通常二者的變化趨勢相反,為保證熱泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行,需要設(shè)置調(diào)節(jié)池,以穩(wěn)定中水供應(yīng)量[2]。中水取水系統(tǒng)見圖1。從檢查井的中水管引出1條支管,依靠重力將中水輸送至調(diào)節(jié)池。當(dāng)調(diào)節(jié)池液面低于中水管液面時,中水可自動流入調(diào)節(jié)池。當(dāng)調(diào)節(jié)池液面與中水管液面持平時,中水不再進(jìn)入調(diào)節(jié)池,這種設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是不必設(shè)置溢流管[3]。支管出口設(shè)置的閘板閥除用于調(diào)節(jié)中水流量外,還用于在過渡期進(jìn)行調(diào)節(jié)池檢修、清理時截斷中水。采用潛水泵取水方式,潛水泵設(shè)置在調(diào)節(jié)池內(nèi)。潛水泵取水方式安裝布置簡便,工程造價低,適用于空間較小的機(jī)房。采用的潛水泵能適應(yīng)各種水質(zhì),安全可靠。

        根據(jù)對供暖期典型日的分析,中水流量比較穩(wěn)定,最低流量出現(xiàn)在7:00—9:00。為避免中水流量不足影響熱泵機(jī)組正常工作,并留有一定緩沖空間,根據(jù)負(fù)荷發(fā)展,設(shè)置2座調(diào)節(jié)池:近期調(diào)節(jié)池有效容積400 m3,遠(yuǎn)期調(diào)節(jié)池有效容積1 200 m3。調(diào)節(jié)池的設(shè)計應(yīng)考慮保溫及排氣功能。

        圖1 中水取水系統(tǒng)

        4 污水源熱泵系統(tǒng)工藝流程

        4.1 設(shè)備選型

        擴(kuò)建完成后污水處理廠日污水處理能力為25×104t/d,出于保守,供暖期中水最小質(zhì)量流量按7 800 t/h考慮,中水供、回水溫度為12、7 ℃。由此,熱泵機(jī)組額定制熱量選取60 MW,對應(yīng)額定制冷量為54 MW。由于規(guī)劃區(qū)域內(nèi)用戶設(shè)計熱負(fù)荷為100.8 MW,因此40.8 MW熱負(fù)荷缺口由熱電機(jī)組承擔(dān)。

        根據(jù)業(yè)主要求,供熱管道兼作供冷管道,但由于冷水循環(huán)溫差小,因此需要考慮管徑對冷水流量的限制。供暖期,供暖熱水供、回水溫度為65.0、40.3 ℃,設(shè)計熱負(fù)荷為100.8 MW,可計算得到供暖熱水設(shè)計質(zhì)量流量為3 510 t/h,供熱管道選取DN 800 mm。供冷期,冷水供、回水溫度為5、11 ℃,熱泵機(jī)組額定制冷量為54 MW,可計算得到冷水設(shè)計質(zhì)量流量為7 740 t/h,遠(yuǎn)超出DN 800 mm管道的輸送能力,因此,將冷水設(shè)計質(zhì)量流量設(shè)定為與供暖熱水相同(為3 510 t/h),可計算得到熱泵機(jī)組制冷量為24.5 MW。

        與輸送熱水相比,冷水輸送過程中溫升更加明顯,因此供、回水管各考慮溫升0.5 ℃。為保證熱泵機(jī)組進(jìn)出水溫度為11、5 ℃,用戶側(cè)進(jìn)出水溫度按照5.5、10.5 ℃計算,可為用戶提供冷量20.4 MW。用戶設(shè)計冷負(fù)荷為74.8 MW,冷負(fù)荷缺口54.4 MW可在用戶側(cè)設(shè)置電驅(qū)動冷水機(jī)組填補(bǔ)。

        4.2 供暖期工藝流程

        供暖期污水源熱泵系統(tǒng)工藝流程見圖2。供暖期中水由潛水泵加壓進(jìn)入中間換熱器,與中介水換熱后溫度由12 ℃降至7 ℃后排至污水干渠。中介水經(jīng)中間換熱器加熱后,溫度由5 ℃升至10 ℃,作為熱泵機(jī)組低溫?zé)嵩础岜脵C(jī)組出水經(jīng)加熱器(熱源為熱電機(jī)組)加熱后,溫度由55 ℃升至65 ℃。由于地面輻射供暖系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)的供水溫度不同,供暖熱水供水分別經(jīng)住宅換熱器、公建換熱器向住宅及配套建筑、公共建筑供暖,放熱后溫度為40.3 ℃的供暖熱水回水進(jìn)入熱泵機(jī)組。

        4.3 供冷期工藝流程

        供冷期污水源熱泵系統(tǒng)工藝流程見圖3。供冷期中水由潛水泵加壓進(jìn)入中間換熱器,與中介水換熱后溫度由27 ℃升至32 ℃后排至污水干渠。中介水經(jīng)中間換熱器冷卻后,溫度由34 ℃降至29 ℃,作為熱泵機(jī)組冷源。熱泵機(jī)組出口冷水溫度為5.0 ℃,受管道沿程冷損失影響,公建換熱器一級側(cè)進(jìn)口冷水溫度升至5.5 ℃。公建換熱器一級側(cè)出口冷水溫度為10.5 ℃,受管道沿程冷損失影響,熱泵機(jī)組進(jìn)口冷水溫度升至11.0 ℃。公建換熱器二級側(cè)進(jìn)、出口冷水溫度為12、7 ℃。不足冷量由電驅(qū)動冷水機(jī)組補(bǔ)充。

        圖2 供暖期污水源熱泵系統(tǒng)工藝流程

        圖3 供冷期污水源熱泵系統(tǒng)工藝流程

        5 建議

        ① 供暖與供冷共用管網(wǎng),一般管徑根據(jù)供暖熱負(fù)荷確定。由于冷水具有小溫差運(yùn)行的特點(diǎn),管徑成為限制冷水輸送能力的關(guān)鍵因素。因此,在設(shè)計階段,應(yīng)充分考慮供暖與供冷共用管網(wǎng)的情況。

        ② 供暖期中水供、回水溫度按10、5 ℃設(shè)計,若遇降雪等極端天氣,中水供水溫度易出現(xiàn)過低的情況,可能導(dǎo)致熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度過低,機(jī)組出現(xiàn)無法開啟。為避免這種情況發(fā)生,應(yīng)增設(shè)中水預(yù)熱裝置,應(yīng)對供暖期極端天氣。

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