王沾瑛

（太原市熱力集團有限責任公司第三供暖分公司，山西 太原 030000）

集中供暖之所以能夠快速發(fā)展，與其本身的特性密不可分，降低空氣污染、節(jié)能、噪聲小、自動化水平高、設備故障率低、降低城市交通流量。城市集中供暖是一種有效的節(jié)約能源和環(huán)境保護措施，是實現(xiàn)城市現(xiàn)代化重要基礎，同時是經濟發(fā)展和人民物質生活水平重要標志。

1 我國供暖能耗現(xiàn)狀

目前，國家正處在經濟和社會發(fā)展的關鍵性階段，經濟結構、城市化水平、消費結構等方面都有了明顯變化，這一系列的變動導致了能源消費的快速增長，導致能源供求失衡。我國能源儲量以煤炭為主，但相對于全球人均水平，僅為51.3%，而天然氣則僅為11.3%，中國的能源資源狀況決定了其能源結構將以煤炭為主，因此環(huán)境污染相對較重。我國經濟發(fā)展速度很快，但2/3的發(fā)展都是以過度消耗資源和生態(tài)環(huán)境為代價的。例如，2019年，我國在全球煤炭生產中，僅占全球4.4%。

中國在能源系統(tǒng)和技術創(chuàng)新上有著極大發(fā)展空間，各個行業(yè)都有良好節(jié)能潛力，特別是工業(yè)、交通、建筑等，中國當前的能源消費非常龐大，中國2006年的建筑消費總量為3.3億t，占全國消費總量的24%，而2011年則為3.76億t，占全國能源消費總量的27.6%，年均增長5%。隨著我國建筑業(yè)的迅速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，建筑能源消耗在整個社會能源消耗中所占比重將不斷增加，到2023年末，建筑能源消耗將由目前的27.6%迅速提高到超過1/3。中國目前擁有超過400億m的城鄉(xiāng)建設用地，其中95%以上為高能耗的建筑。到2023年，中國將新增城市和鄉(xiāng)村房屋300億m，如果不進行有效的節(jié)約能源，其能源消耗將達1.2兆千瓦時，4.1千萬t標準煤炭，比目前的國家高出3個百分點。經過三十多年的能源研究與實踐，人們普遍認為，建筑節(jié)能是最具潛力、最直接、最有效的方法，是緩解能源緊張、社會經濟發(fā)展最有效的方法。

我國城市居民建筑能耗按照其特點可劃分為：1）北方居民采暖能耗；2）居民生活能耗（照明、炊事、生活熱水）；3）普通的非民用建筑（辦公室、商店、學校等）能源消耗；4）大型公用建筑（高檔寫字樓、星級酒店、大型購物中心）。在這些城市中，我國的供暖能耗在全國范圍內約為56%～58%，雖然熱電聯(lián)產作為熱源，其熱效率可達80%，地區(qū)鍋爐的熱效率可達60%～65%，而國內的供暖系統(tǒng)能耗卻只有35%～55%，遠遠落后于世界供暖發(fā)達國家80%的水平。在我國北方，有60%以上的城市都使用了不同規(guī)模采暖，部分建筑因調整不當而過熱，開窗散熱所造成的熱損失平均超過30%，一些小型燃煤鍋爐的能源利用率降低也是導致能源消耗的一個重要因素，通過改善供暖方式、調整管網系統(tǒng)、提高熱源利用率，可以降低建筑供暖的能耗。

2 工程介紹

A開發(fā)區(qū)目前的建設用地面積4.5km，分為東西南三個部分，園區(qū)內的建筑物以工廠和附屬設施為主，從2000年至今，已有多家公司從各個地區(qū)前來投資、建廠，經過十余年的發(fā)展和建設，逐步形成了人口密集、工業(yè)發(fā)達、市場繁榮的城市，是交通方便，經濟發(fā)展的綜合性地區(qū)。一級熱網概況南城區(qū)供暖鍋爐房在2004年建成并投入使用，2006—2007年度南區(qū)已基本完成土地出讓，供暖面積達到40，000m（以80 W/m計算），本鍋爐房擁有14 MW的熱水燃煤鍋爐2臺，29MW熱水燃煤鍋爐1臺，合計57 MW，在供暖前期和后期，有兩套機組運行，一套在嚴寒期運行29 MW機組，一套14 MW機組作為后備。鍋爐設備包括鼓風機，引風機，循環(huán)水泵及補充水泵，無級調速爐排和鍋爐給水流量表，14 MW鍋爐設計供水溫度為130℃/70℃，循環(huán)流量為200t/h，29 MW鍋爐的設計供水溫度為130℃/70℃，循環(huán)流量為400t/h。鍋爐室配有一次網循環(huán)泵3個，泵的額定流量為500t/h，揚程為42.5 m，具有75 kW的動力。鍋爐換熱站的供暖面積為5.3萬m，配有3個循環(huán)水泵，額定流量300MW，揚程33 m，配有37 kW的功率，安裝3個板式換熱器，共計129 m（43 m）；綜合換熱站擁有16.1000m的采暖面積，4個循環(huán)水泵，額定流量300t/h，揚程40 m，功率55 kW，安裝4個板式換熱器，共計184 m（46 m）；換熱站供暖面積為18.6萬m，其水泵和換熱器的結構與綜合站的結構基本一致。所有的換熱器都是以水泵為基礎進行持續(xù)的供水，其有效容積為30 m。集中供暖系統(tǒng)結構，熱力站構成原理詳情見圖1。

圖1 熱力站構成原理

3 存在的問題

3.1 耗煤量大

2017年度，燃煤鍋爐耗用10700公噸，供暖面積40，000m；根據《民用建筑節(jié)能設計標準（采暖居住建筑部分）》JGJ26—95的規(guī)定，每平米26.75 kg，T市第二階段節(jié)能型住宅的能耗指標為11.8 kg/m標準煤，但由于該地區(qū)主要集中在工業(yè)廠房，目前雖沒有相應的節(jié)能標準，但耗煤量會增加，但是用熱量消耗指數(shù)來計算，其效率仍然處于較高范疇。產生這種情況的原因有：1）鍋爐運行的效率低下：在T地區(qū)，按照供暖系統(tǒng)的實際運行情況以及近年來的氣象資料，在整個供暖周期中，只有2%～5%的時間可以滿足室內的實際運行。換句話說，通過算出的戶外氣溫，在整個采暖期內，鍋爐全負荷運轉的時間僅有2%～5%，而其他時間則處于滿載狀態(tài)。超負荷運轉的結果是：鍋爐的工作效率低下，消耗大量煤炭，縮短鍋爐使用壽命；2）鼓風機與引風機的配合不良，導致煤粉燃燒不足：該鍋爐房與其他鍋爐房系統(tǒng)設置一臺風機不同，在系統(tǒng)中設置了兩臺風機，鍋爐煙風系統(tǒng)中，本項目采用二級引風工藝，工藝流程如下：吹風—多管除塵器—一段引風—水浴—脫硫—二段引風—排煙，由于受低溫噴水和高溫排煙的影響，塔身麻石接縫填料常常會發(fā)生滲漏，如果不打開2級導風，則處于正壓區(qū)，風機室內環(huán)境惡劣。2級導流閥打開后，煙氣進入負壓區(qū)，雖然煙氣不會外泄，但一定會將空氣引入脫硫塔，2級吸氣系統(tǒng)會消耗更多的能量。2018年夏天，雖然采用高溫玻璃纖維技術修復了麻石接縫，但至今仍有滲漏。這一設計會導致系統(tǒng)內壓力分配不均勻，在正壓區(qū)存在一定區(qū)域，使得鍋爐內的壓力難以得到有效控制，并且因為是兩個風機一起工作，配合也是一個問題，在運轉時，大量熱能被抽走。

3.2 耗電量大

鍋爐整體熱水輸送功率為1384893kWh，平均為3.46 kWh/m，電能消耗巨大，經過分析認為：1）調節(jié)難度大：鍋爐房、換熱器、用戶使用的閥都是蝶閥，其調節(jié)效果不佳，每次調整都會對其造成一定的不利影響，調節(jié)工作困難，調整周期較長。在此期間，由于管網流量過大，導致水泵消耗較大；2）引風機與鼓風機沒有調節(jié)：由于抽風器和鼓風器在工作狀態(tài)下開始工作后，無法根據燃燒狀況自動決定風量，單靠手動調節(jié)風箱的風流，造成無謂的電能損失；3）水泵沒有變頻調節(jié)：在當前的采暖模式中，雖然采用了變頻泵，但由于在實際操作中不能啟動變頻調速功能，使其轉速不發(fā)生變化。有兩個主要的理由，其中一個原因就是時間的延遲。變頻泵的起動，是根據一次系統(tǒng)的總回水水溫來決定的。當一次系統(tǒng)主回水水溫高時，采暖負載就會下降，此時就會減慢循環(huán)泵的轉速，可降低循環(huán)泵送熱水的流量，以均衡供暖負荷偏小，但事實上，循環(huán)泵送出的熱量要經過一段時間才能到達各熱交換站，也就是有一個延遲，而循環(huán)泵送出的熱水經過各換熱器后，新的供暖方式將帶來新的改變，傳統(tǒng)的循環(huán)泵供暖和熱水的調節(jié)方式已經不能滿足新一輪供暖的需要。

4 解決方案

4.1 鍋爐房系統(tǒng)

為解決目前燃煤鍋爐的低效問題，提出了通過調整機組的容積和增加機組功率來改善其工作性能的途徑；而這一切的基礎就是增加每一座機組的功率。1）增加爐溫：選擇14 MW機組工況良好的機組，進行實驗，將機組的供水量逐漸升高到110℃，并對其他機組的爐溫進行調整，結果表明，機組功率增加了20%；2）強化對煤炭質量的整體管控：以往采暖使用的煤炭來源較為雜亂，導致各批次煤炭的發(fā)熱量和質量難以有效地監(jiān)控，從而導致了機組功率的不穩(wěn)定。為此，采取了點選、特殊布置煤位等方法，對煤炭品質進行全面控制，使其最終能滿足如下條件：①使用基低發(fā)熱量超過21500 kJ/kg；②在灰分中碳不超過10%的情況下，可燃性揮發(fā)性物質在20%以上；③煤粉最大顆粒尺寸不得大于50 mm，低于3 mm的煤炭不得大于15%；3）對鍋爐吹風的技術進行改進：在鍋爐廠中，通常安裝有鼓風的設備，但通常很難由用戶進行檢查和計量，一般在實際操作中，利用風扇擋板調整空氣流量，導致風機處于低效率工作區(qū)域，產生了大量的電能損耗。鑒于電力是一種高品質的能量，所以，在鍋爐采暖的現(xiàn)狀下，采用直流變頻技術來降低鍋爐的能耗，是目前節(jié)能的重要手段；4）嚴格控制鍋爐水質質量，鍋爐給水能否達到鍋爐水質控制標準，是鍋爐安全、經濟運行的關鍵所在，也是保障鍋爐出力、節(jié)約能源、防止事故發(fā)生的重要措施；5）減少固體不完全燃燒：降低煤炭的含水率，提前預熱，保證燃料燃燒時間充足；6）回收煙氣余熱：燃煤鍋爐在運行時，排出的煙氣余熱屬于二次能源，為了響應國家節(jié)約能源的號召，燃煤鍋爐可選擇二次利用燃煤鍋爐煙氣余熱。煙氣通過空氣預熱器，用于加熱燃燒用空氣，提高爐膛溫度和降低排煙溫度，以提高燃燒效率。一般排煙溫度每降低10℃，鍋爐效率可提高0.5%～0.6%；另外也可采用省煤器，將煙氣加熱鍋爐給水，提高給水溫度。在該地區(qū)，有14 MW的高溫熱水鍋爐2個，29 MW的高溫熱水鍋爐1個，該鍋爐所安裝的吹風機的具體規(guī)格見表1。

表1 鼓風機與引風機型號

在鼓式送風系統(tǒng)上進行了改進，并在鼓式送風裝置上安裝了變頻器，其型號見下表2。

表2 鼓風機與引風機配變頻器型號

4.2 循環(huán)系統(tǒng)

根據水泵能耗高的特點，本文提出了如下技術優(yōu)化：1）新增一次網電控閥門，以調整一次網流量，并更換熱交換機，電控閥門為雙通道閥門，一次網流量能適應熱負荷的變化；2）將自動平衡閥安裝到相應的分支管中，使每個分支管根據每個分支管的壓力來調整流量，當其他用戶的情況發(fā)生變化時，不會對使用者造成任何影響；3）根據鍋爐進、出水設計溫度差、各用戶能耗及管網損耗，對循環(huán)水泵安裝變頻調速泵流量，由于鍋爐的最終任務是按照用戶需求來供暖，因此，在用戶需要熱量固定情況下，熱源供給是一個重要問題。而熱源的供熱量，是根據水泵的流量和回水管的溫度變化來確定。開發(fā)區(qū)鍋爐房鍋爐的設計供回水溫差是60℃，但由于運行中的循環(huán)水流量較大，造成了實際的供回水溫度相差20～30℃，鍋爐長期處于低負荷工況運行。經計算，將此大流量小溫差運行模式改為小流量大溫差運行模式，采用變頻設備降低流量，并適當增加供水溫度，經計算，這種方法可以節(jié)省35～40%的電力消耗，節(jié)能效果非常顯著；4）為降低失水率，對一級熱網設備進行嚴格的檢查、保養(yǎng)和維修，對腐蝕嚴重、失水量過大的二級熱網進行了管網改造，改造后收到了很好的效果。在失水率降低，水量節(jié)約的同時，也將會大大降低熱耗的損失；5）減少熱力管道散熱熱損失：熱網中如果供熱管道保溫良好，則管道散熱熱損失可以控制在一個很小的范圍內，否則這部分熱損失則會大大提高。將供熱管網中保溫破損、地下水滲透浸泡供熱管道、補償器未保溫等情況進行進一步保溫、堵漏，盡量將管道熱損失降到最小；6）在換熱站中添加一個氣候補償器，在外部環(huán)境改變時，設置在大樓外部的溫度傳感器將外界的氣溫資訊速傳送給氣候補償裝置，補償裝置會在不同的環(huán)境中調節(jié)。將返回的溫度和調整曲線進行比較；在沒有相匹配的情況下，溫度補償器向三通閥發(fā)送輸出信號，改變三通閥的供水和回水比例，使得輸出的溫度與調整曲線一致。

4.3 室外管網系統(tǒng)

開發(fā)區(qū)南部地區(qū)供暖系統(tǒng)存在著較為明顯的熱力不平衡現(xiàn)象，其典型特征是，在近環(huán)路部分用戶氣溫偏高，遠環(huán)路部分用戶氣溫在18℃以下。熱力平衡的先決條件是要保證管網的水量均衡，并按需進行流量分配。為此，采用如下的最優(yōu)操作方案：1）增加必要的設備，在各采暖用戶的入口、進口和回水管上設置氣壓表，溫度計，自動流量控制閥門等；2）根據各熱用戶、各環(huán)路供給水壓力差、溫度差和熱源總回水的差值，進行水力平衡的調整。換言之，在恒溫條件下，熱源總回水的溫度不會發(fā)生變化，實現(xiàn)了整體的溫度穩(wěn)定性。從原理上說，各回路、各熱用戶進水口的閥要根據各用戶的供回水壓力差、溫度差與熱源總供回水差和壓力差來調節(jié)。對分支供回水溫差比總供回水溫差小的用戶進行節(jié)流。依據此原則，記錄、對比各個用戶的回水溫度，并將測量結果與實測的壓力差、溫度差進行對比，并按建筑面積的大小及溫度的高低進行調整。由于熱用戶、熱網、熱源、循環(huán)水泵等組成了一個復雜的整體系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)的水力運行狀況相互影響，任何一種改變都會導致整個系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化；也就是造成了不同用戶間流量的再分配。因此，在調整熱網系統(tǒng)時，要按照從遠到近、從大到小的某種規(guī)律，反復多次調節(jié)，方可實現(xiàn)，在各用戶的供回水溫差與供暖系統(tǒng)的總供回水溫差相差小于2℃，該系統(tǒng)的水力運行狀況基本平衡。

4.4 行為節(jié)能措施

在我國北方廣大地區(qū)，現(xiàn)有大量的供暖系統(tǒng)存在著水力失衡，致使原有的有限熱量無法按照需要進行分配；導致室內溫度不均勻，無法滿足使用者的要求。目前，供暖收費體制尚未全面實施，供暖系統(tǒng)運行費用居高不下，供暖質量難以提高；同時，要達到建筑節(jié)能的階段性目標也比較困難。由于歷史的原因，目前我國的建筑供暖存在著大量的"欠賬"，其原因是居民節(jié)能意識不強，節(jié)能手段不夠科學。在室內溫度偏高的情況下，由于缺少必要的引導，“開窗放熱”成為最佳選擇，而室內溫度太低的使用者卻是束手無策，導致能源消耗加劇。因此，必須大力提倡節(jié)能和綜合利用，在當前的能源結構中，行為節(jié)能可以積少成多，從而成為一種行之有效的節(jié)能方式。集中供暖供暖是一種封閉的、相對獨立的系統(tǒng)，建成后難以改變其基本運行方式，由于受各種因素的影響，供暖系統(tǒng)難以完全滿足人們的實際需求，因此，必須通過人為的干預或采用相應的技術措施來改善供暖系統(tǒng)的運行，以達到滿足用戶實際需求的目的。但是，這一行為的執(zhí)行具有一定的必要條件，并非所有的普通供暖用戶都能達到，行為節(jié)能是指不能改變系統(tǒng)形式，也不能對系統(tǒng)講行進行很大的調整。通過人為其設置或采取一些技術措施和方法，可以滿足人們的日常生活需求，同時也可以降低不必要能耗，節(jié)約能源。建筑的性質、結構和維護結構的隔熱和蓄熱是影響供暖效果的重要因素，由于氣候條件及系統(tǒng)形態(tài)的影響，需要針對具體情況采取"行為節(jié)能"措施，以達到較好的效果。按照建筑節(jié)能設計的標準對新建建筑進行設計或者對現(xiàn)有的建筑進行節(jié)能改造，全面提高其維護結構的保溫隔熱的能力，加強墻體的保溫，提高門窗氣密性，加強屋頂?shù)谋丶夹g，有效的利用太陽的輻射。

對供暖的熱用戶，尤其要強化熱量平衡的概念和認識，即熱量總量有限，應合理地分配有限的熱量，或者把過剩的熱量返還給熱源，然后再把多余熱量輸送到其他地方，這樣，就可以防止過熱的使用者采取錯誤的方法，避免資源的浪費。由于我國目前尚未完成對供暖收費系統(tǒng)的徹底改革，也沒有按戶計量、按熱收費等措施，提高居民節(jié)約能源的基本觀念顯得尤為重要。當然，技術上也要有適當?shù)闹笇?。雖然“行為節(jié)能”并非最有效的應對能源消耗量的辦法，但是在這樣一個龐大的消費群和能源消費基礎上，不能因為“利小”就放棄節(jié)約能源。

4.5 區(qū)域鍋爐房供暖微機監(jiān)控方案

除對鍋爐、循環(huán)、外部管網等進行必要的改造外，還要購置一臺計算機監(jiān)測系統(tǒng)；鍋爐房的現(xiàn)場控制器主要完成對鍋爐房各個設備其工作過程的數(shù)據可自動獲取，并可進行獨立的實時監(jiān)控，并可將工作數(shù)據經CATV網傳送至熱網監(jiān)控系統(tǒng)。熱網絡監(jiān)測中心還可以利用有線網絡對各個站點進行數(shù)據采集，并以數(shù)字、棒圖、曲線等形式進行數(shù)據處理；通過報警、報表、水力、熱工等方法，實現(xiàn)對鍋爐房及各熱力站的集中監(jiān)測和處理，并在特定條件下，根據管網的工作狀況，實現(xiàn)對鍋爐房及各熱力站的參數(shù)控制。熱網監(jiān)測中心與熱源監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)網絡連接，可以通過網絡進行數(shù)據的讀取和控制，但是無法進行任何的操作和修改。管理電腦還可以對熱源和供暖網絡進行網絡監(jiān)控，較少人力支出的同時還能管網運行安全。

5 結語

1）在節(jié)約能源方面，必須充分注意鍋爐的效率。對影響其工作效率的因素進行了分析，提出了相應的改進措施；2）循環(huán)系統(tǒng)起到節(jié)電的作用。循環(huán)系統(tǒng)由一次網、二次網兩部分組成，其中循環(huán)水泵的耗電量是采暖系統(tǒng)中的主要能源消耗，通過在循環(huán)系統(tǒng)中配置變頻調速裝置，使得循環(huán)系統(tǒng)的流量與負載的變化保持一致；因此，在實踐中，節(jié)能是非常有必要的；3）外網水力失衡是造成系統(tǒng)循環(huán)流量大的主要因素。由于水力失衡，導致了系統(tǒng)供水系統(tǒng)的回水溫差偏低，回水溫度低于設計值，導致了系統(tǒng)的循環(huán)水量偏大；因此，增加了循環(huán)水泵的功耗。從該開發(fā)區(qū)鍋爐的實際使用情況來看，這是一個非常嚴重的問題，通過安裝相關的調整裝置和進行了調試，取得了顯著的節(jié)能效果；4）降低管網失水率，減少熱力管道散熱熱損失，加大熱用戶文明用熱宣傳力度，都體現(xiàn)出了節(jié)能效果；5）采用計算機進行系統(tǒng)監(jiān)測，是保證供暖系統(tǒng)正常工作和節(jié)約能源的重要手段。文章結合工程實例，提出了一種基于計算機的監(jiān)測系統(tǒng)，并對其工作原理進行了闡述，并指出了利用計算機進行監(jiān)測的優(yōu)越性。