集中供热热力站节能分析

关键词：热力站；运行节能；调节；水力工况

1. 概述

集中供热系统中热力站是连接热网与热用户的场所，在供热系统中起到热量的转换、调节、分配、计量、检测的作用。热力站作为供热系统中的一个中枢环节，它是供热系统节能的重要组成部分。在实际的热力站设计中，有许多细节没有引起设计者的重视，导致了整个供热系统的运行的高能耗、高成本。

2. 热力站存在的问题与对策

2.1 换热器选择不合理，阻力损失偏大

换热器作为热力站的主要设备，也是热网运行中主要的耗能设备。许多设计者在设计时，只是根据换热量进行初略的估算，没有严格的对设备进行选型计算，特别是部分设计者选择整体换热机组只是根据厂家提供的设备的参数和需要的换热量来选择换热机组，而且对换热器的阻力损失也是一个大致的估计或者根据样本提供的数据。而实际运行中水的流速对换热器的换热量以及设备的阻力损失有很大的影响，因此在换热器选型时应进行详细的热力计算。有关研究表明：板式换热器的水流速应该控制在0.2—0.5m/s。在换热器台数的选择和单台供热能力确定时，应该考虑供热的发展以及供热的可靠性、安全性，部分设计者为方便和节省投资选择单台整体换热机组，大大降低了供暖系统的可靠性。同时在换热器的进出口应设置压力表，以便对设备压力损失的监测，当设备的压力过大时应对设备进行排污、清洗，减小运行的阻力损失。

2.2 循环水泵的选择、配备不合理，造成运行能耗增加

2.2.1 循环水泵的流量、扬程偏高，造成电能的浪费

由于部分设计者的失误，在二级网循环水泵的选择时根据建筑物高度来估计循环水泵的扬程，把补给水泵与循环水泵的作用混淆在一起，结果造成水泵的扬程远远高于系统运行的阻力损失，使水泵运行电耗增加，同时影响了系统运行的安全性。部分设计者的保守以及缺乏对二级网详细的水力计算，只凭经验估算，同时考虑较大的安全系数等原因，造成所选的水泵流量、扬程远远高于实际运行所需要的阻力损失。循环水泵的流量、扬程过大，使水泵运行电耗的增加，也增加了近端用户阀门的节流损失。如图1所示，当流量QB大于运行实际需要流量QA，采用阀门节流所造成的能量损失为图中的影阴部分的面积（HAACHCHA）。因此，设计者应对二级网系统进行具体的水力计算，确定系统的循环流量和阻力损失。据有关经验，二级网循环水泵的实际扬程大约为15 mH2O~30 mH2O。

2.2.2 水泵的选型不合理，多台水泵联合运行，降低了水泵的工作效率，增加了运行能耗

在实际中不少设计者采用多台泵并联运行的模式，根据需要的循环流量和水泵名牌上的参数来选用多台水泵并联运行的方式，忽视了水泵实际的工作点是水泵特性曲线与网路特性曲线的交点（图2中的A、B点），而不是水泵名牌上参数的简单加减。从图2中可以看出，多台水泵并联工作时，扬程HB要大于单台泵的工作扬程HA，同时流量QB小于单台泵工作的流量之和(2QA)，可能造成并联水泵的流量小于实际需要的循环流量、而扬程过大的问题。其次，水泵实际的运行效率 大大低于水泵名牌参数下的工作效率 ，也低于单台水泵工作时的效率 ，增加了无效能耗。特别是对于选用多台整体式换热机组的并联的换热站系统中，采用2~3台水泵并联运行的方式，降低了水泵的运行效率，增加了无用的电耗。在实际运行中应该提倡不同工况下，单台水泵工作的运行模式，同时在水泵选择时一般选择单级水泵，并且使水泵的工作点处于水泵特性曲线的平缓处，且工作点应该在高效区，而不是根据流量和扬程简单的查取水泵型号。

2.2.3 水泵的选择、配备不合理，运行成本较高

有些大型换热站在规划、建设时，考虑兼顾近、远期的发展，在水泵选择时有些设计者按照远期的规模来选择水泵的型号，由于管网建设兼顾远期加上按照近期流量运行，系统的循环阻力远远低于所选水泵的扬程，使水泵运行能耗增加。正确的办法是根据近期的负荷进行水力计算，选择近期运行合适的水泵，当远期负荷增加时更换水泵，节约的运行成本将大大多于更换水泵的投资。

2.2.4 多台泵组合，单台泵运行的工作模式

根据热网的运行调节模式来配备水泵，选择不同类型的水泵的组合模式，互为备用，但应使每一种运行工况下单台水泵工作，这样一方面可以节省设备、场地的投资，也提高了水泵的工作效率，节省了运行成本。例如当系统采用分阶段改变流量的质调节时，安装两台水泵，流量分别100%和70%，每一种运行工况下单台水泵运行，正常工作时互为备用，事故工况下同时启用。

图1 阀门调节工况 图2 水泵并联运行工况

2.2.5 “大流量、小温差”的运行方式，造成了水泵的高能耗

有些地方为解决由于热网水力工况不佳，造成的用户冷热不均的问题，采用“大流量、小温差”的运行模式，在一定程度上减轻了用户的热力失调，但却造成水泵运行电耗的显著的增加。由水泵功率的计算公式可知：N∝Q3，当系统的供回温差变为原来的一半时，流量增大一倍，功率消耗增加8倍。有资料表明，实际运行中这种方式与“大温差、小流量、量调节”的供暖方式相比，能耗至少要高40%左右。由此可知，循环流量对于供热系统的节能潜力是很大的。管网系统的水力失调并不能简单的通过增加循环水泵的流量来解决，应从管网的设计、运行调节、热用户的运行调节和合理的流量分配来解决。比如在管网设计时，在一定投资允许的情况下，尽量减少主干管网的压降，控制主干线的平均比摩阻在30-70Pa/m的范围内。这样一方面可以减少管网运行的阻力损失，降低水泵运行的电耗，同时有利于提高管网系统的水力稳定性，有利于系统的初调节和运行调节。而对于用户系统可以在各个楼入口设自力式流量调节阀等方式来解决失调问题。

2.2.6 大力推广变频水泵技术

供热系统中循环水泵都是根据设计工况下的热负荷为依据选择计算得到的，而实际的热负荷是变化的，受到多种因素的影响，特别是在分户计量供暖系统中，热负荷 ，其中 表示建筑物本身的热工结构特性， 室外气象温度， 用户个体的调节特性， 热网的特性， 随机热源项，包括了太阳辐射热和室内散热量、换气次数等，为保证供暖质量和运行节能，系统必须根据负荷的变化规律来调节供热量。在不考虑分户计量供暖用户个体调节时，热负荷是室外温度的单值函数，因此可以采用变频水泵对用户系统采用质量和流量综合调节的方式来满足用户热负荷的变化，避免采用如图1所示的阀门节流导致的能量增加，达到运行节能的目的。分户计量供暖系统是一个动态的系统，热负荷变化的复杂性，更应选用变频水泵。

2.3 补给水泵选择与节能

二级网系统中补给水泵的流量根据系统的循环流量确定，采用补给水泵定压时，补给水泵的扬程是由供暖系统的定压点即热网的静水压线确定的，以保证供热系统在运行或停止时不超压、不汽化、不倒空、不吸气。在小区用户类型复杂时，应根据绝大多用户的建筑物高度和散热设备的承压能力来确定系统的静水压线的高度，这样可以降低补给水泵的扬程、运行能耗以及热网的运行压力。对于特殊的高层建筑，可以利用静压隔断等成熟的技术来解决超压的问题。补给水泵定压点的位置对于供热系统的运行的安全性和压力工况的调节有很大的影响，小型的供热系统定压点一般设在循环水泵吸入口，网路运行时，热网的动水压线比静水压线高，而在大型供热系统中由于网路的阻力损失较大，为了使系统运行中的供回水压力降低，提高系统的安全性和便于调节，通常将系统的定压点设在循环水泵的旁通管上利用补给水泵连续补水定压的方式。在大型的集中供热系统的换热首站以及地势高差较大的地区，一般采用这种定压方式。

补给水泵除应满足正常的补水量外，还应保证事故工况下的补水量。一般选择两台水泵并联安装，单台水泵满足不同工况的运行要求。有条件时考虑补给水泵的变频控制，节约运行成本。

2.4 二级网的供回水温差对供热系统投资、运行节能的影响

前面的分析可知，当系统设计供回水温差减少一半时，循环流量增加一倍，管网的各管段管径将增大一个型号，一方面增加了管网的投资，同时也使循环水泵的运行能耗增加了8倍。因此，供回水温差对于系统的节能潜力是很大的，在换热站系统设计时，尽可能的提高二级网的设计供回水温差，同时在运行中也应保持一定的运行温差，避免小温差运行。在一些小区由于用户采暖方式、类型的不同，一般针对不同类型用户敷设各自的管网，例如对于地板采暖用户，由于其要求供回水温度较低，一般都是采用在换热站将暖气片系统的供水换热后输送到用户，这样一方面增加管网敷设的投资，同时由于供回水温差为暖气片采暖系统的一半，在输送相同热量时大大增加了水泵的能耗。目前，对于一个小区的热用户完全可以利用单一参数的供热管网来满足不同用户类型用户对于不同用热参数的用热需求，如对于地板采暖用户低参数的用热可以采用在楼内加混水泵或者是设置定压灌的技术来解决。目前国内有关的科研院校，正在积极开发适用于这种多用户类型的设备。而对小区中的高层建筑用户也没有必要单独敷设管网，可以利用现有成熟的高层建筑采暖直供技术。

2.5 热力站的规模与节能

《城市热力网设计规范》中对热水民用热力站规模没有具体的规定，但建议从工程建设投资、运行调节方便、供热的实际效果、安全可靠性等方面考虑，热力站规模不易过大。据有关经验，热力站的规模一般5-15万平方米比较合适。但在城市热力网工程的规划、可研的经济分析时，投资估算只考虑到换热站，没有包括二级网的投资和运行费用，在一定的投资规模下，热力站的规模越大、设备的综合利用率越高，从经济效益角度分析，热力站的规模越大，越经济。热力站的规模越大，二级网的供热半径越大，循环水泵运行的电耗越大，同时也增加了末端用户水力失调的可能性，供热的可靠性、安全性得不到保证。从节省投资和运行费用考虑，可以发展建设小型的无人值守的换热站。

2.6 热网水力工况对节能的影响

供热系统中流量、压力的分布状况称为系统的水力工况。供热系统的供热效果好、坏，直接由系统的水力工况和热力工况决定。供热系统中热用户的冷热不均的现象是由系统的热力失调引起的，而热力工况又是基于水力工况的。因此，在设计、运行中应提高供热系统的水力稳定性，降低系统的水力失调度。目前，许多换热站为解决用户的热力失调，采取加大流量、提高水泵扬程的办法，一定程度上缓减了远端用户的热量不足的矛盾，却使近端用户由于无法调节出现室温过高“开窗放热”的现象，增大了系统的“补水热损失”，也使循环水泵的电耗维持在较高的水平。热网的水力工况受到多种因素的影响，产生水力失调的根本原因是由于在该运行状态下热性不能在用户需要的流量下实现各用户环路的阻力平衡。在设计中应对室外管网、室内采暖系统进行严格的水力计算、水力平衡，采取相对地减少网路干管的压降，增大用户系统压降等办法来提高系统的水力稳定性，在运行初期对网路进行初调节，保证用户的流量分配、运行过程中根据用户热负荷的变化对流量进行合理的调整和重新分配。

2.7 用户的节能意识对节能的影响

要实现建筑节能的目标，必须在研究建筑物本身节能的基础上大力提倡用户的行为节能。发展和推广计量供热技术，发挥用户的节能潜力。计量供热系统中用户可以根据自己的需要有规律的调节室温，`在无人的情况下将室温调低，利用建筑物本身的蓄热能力来维持室温，同时当室温过高主动地调节温控阀门而非采用开窗散热的方式来降低室温。而对用户热负荷的变化规律的研究、追踪、预测，动态的调节系统供热量，实现按需供热的供热模式，将大大降低供热系统运行能耗。

3. 热力站的运行管理

热力站正确的设计、施工是系统节能的基础，科学合理的运行管理才能实现供热系统真正的节能和良好的供热效果。热力站设备都是按照最不利工况下的热负荷计算选择的，而热负荷是随着室外温度等因素变化的，系统处于非满负荷运行状态，应根据热负荷的变化调节设备的运行，做到运行节能。因此，必须制定采暖期热网参数的运行调节曲线（表），根据室外温度的变化来调节供热量，达到良好的供热质量和运行节能。其次，使热网处于设计、运行要求的温差下运行，避免出现“大流量、小温差”，增加循环水泵电耗，引起热网的水力、热力失调。第三，绘制供热系统的水压图，用于供热系统压力和水力工况的分析。还有就是对换热站的设备，如换热器、除污器的压力损失进行监测，当压力损失超过一定限度时，清洗、排污，降低系统循环阻力损失。再者，根据热用户的类型和用热性质的差别，采用不同的经济合理的供热参数和供热方式，最大限度的节能。最后，正确认识供热质量与热网水力工况的重要关系，把解决热网的水力失调作为供热系统良好运行、节能的首要问题，从根本上提高供热的效果。

4. 结论

热力站作为集中供热系统中重要的一个环节，应从设计、运行管理上降低能耗，提高效率，保证供热质量。本文分析了热力站在设备选择、配备以及设计习惯等方面存在的一些问题，造成的供热系统能耗增加，提出了相应的措施。最后指出了应科学合理的对供热系统的运行、调节进行管理。

参考文献：

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4. 石兆玉. 供热系统运行调节与控制. 清华大学出版社. 1994

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