污水調節池及污水取排系統在污水熱能利用中的設計研究

吳德珠,廖堅衛,賴文彬,孫德興,張承虎

(1.廣東省建筑設計研究院,廣州510010;2.哈爾濱工業大學,哈爾濱150006)

1 引 言

近年來,隨著我國環保和節能政策的有力實施,污水源熱泵系統供熱空調技術得到了普遍的重視和迅速的發展[1]。由于污水流量及污水溫度是連續變化的,同時建筑負荷也是逐時變化的,而且往往兩者之間的變化趨勢是相反的,要擴大污水源熱泵系統供熱空調面積或實現工程全面的污水源熱泵供熱空調,需要設置污水調節池,對污水供應量進行移峰填谷[2]。污水的順暢取得及排放是工程成功的第一步,因此污水取排及污水泵房的設計與施工就突現出相當重要的作用,而系統設計的關鍵內容是污水取水口和排水口的布置以及系統取水方式的選擇。

2 污水調節池的設計

2.1 幾個概念

當污水進口溫度確定時,忽略各項因素對機組COP的影響,把機組COP看作定值,污水的冷熱供應能力由參與換熱的污水流量大小來決定[3]。

假設一個夏季工況的污水源熱泵系統中,存在一個體積為V*的污水調節池,且已經蓄滿了污水,則應該有如圖1所示的這樣一個關系。

圖中,V*是污水調節池的體積,Q*表示污水調節池在蓄滿污水的情況下能提供的最大冷量,Qi(τ)表示進入污水調節池的瞬時冷量,Qo(τ)表示從污水調節池瞬時取走的冷量,Q′(τ)表示污水調節池體積不夠大時,可能從污水調節池中瞬時溢出的冷量。

一天中 (一個周期T內),污水溫度變化幅度不大,忽略污水進入污水調節池時溫度的變化,同時假設污水調節池沒有冷量損失,忽略污水由于不同溫度混合產生的熵產,用Q*表示污水調節池在蓄滿污水的情況下能提供的最大冷量,它是一個定值。

式中:

△twm—污水平均可利用溫差,定義

—污水的體積流量,是時間τ的單值函數,m3/s;

T—設計計算周期,一般為24h。

瞬時進入污水調節池的冷量和瞬時從污水調節池取走的冷量可分別表示為:

式中:

A—系統能供熱 (或供冷)的建筑面積,通常是未知量,m3;

(τ)—單位建筑面積瞬時冷負荷,W/m2。

假設在一個變化周期內 (一般為1天),時刻序列[τj]是Qi=Qo的時刻,[τ2n-1,τ2n](n=1、2…)時段Qi＞Qo(流量富余時段),[τ2n,τ2n-1]時段Qi＜Qo(流量不足時段),那么流量富余時段富余的污水冷量 △Q1可表示為:

圖2 進入和流出污水調節池冷量關系圖

流量不足時段需從調節池補充的冷量為:

富余的冷量將儲存于污水調節池中,進入污水調節池的瞬時冷量不足于提供從污水調節池取走的冷量時,將通過儲存于污水調節池里的冷量補充。

2.2 污水調節池的臨界體積

當污水廠出水逐時流量不能實現工程全面積污水源熱泵供熱空調,而污水日總流量可供面積大于實際需要的供熱空調面積時,可以設污水調節池蓄水以滿足系統需水要求;由于污水流量及污水溫度是連續變化的,同時建筑負荷也是逐時變化的,對于給定的污水源,合理地設置污水調節池可以實現更大建筑面積的污水源熱泵供熱空調。

污水調節池用來存儲[τ2n-1,τ2n]時間段內富余的污水冷量,在實際工程中,如果污水調節池的大小不合適,可能會出現污水調節池能存儲的最大冷量Q*與富余的污水量的冷量 △Q1不相等的情況,這也就直接影響著熱泵系統的供冷能力。污水調節池蓄冷量恰好等于富余冷量,也恰好等于欠缺冷量時調節池具有的體積叫做污水調節池臨界體積。

若污水調節池體積足夠大,這意味著,系統設計所需的供冷量的不足部分可以全部由污水調節池里存有的冷量來補充。

在已知污水流量和溫度的變化曲線,以及當地相關的氣象參數等條件下,通過試算或者數值方法,根據平均流量V·m和污水平均利用溫差 △twm、平均冷負荷指標qm的意義,解方程 (6)得出該污水源在調節池足夠大時能供冷的建筑面積Amax。

對于給定的污水源,對應Amax的污水調節池體積就是調節池臨界體積,因為污水調節池體積再增大,已經沒有多余的污水來充滿調節池。根據下式可以計算調節池臨界體積:

在實際工程中,污水調節池的體積可以在計算理論最優體積基礎上考慮1.1～1.2倍的安全系數。設置污水調節池時,需要考慮有足夠的空間以滿足修建調節池所需的建筑面積,同時還應考慮污水池對周圍環境的影響及安全控制等實際問題。

3 污水取排系統設計要點

污水熱能利用中,污水取排系統是指污水從取水口,通過輸送管道、過濾設備送至機房,換熱利用后再通過排放的管道輸送回水體的一個完整系統。污水取排系統的設計,不僅關系到系統水量的供應與系統的穩定性,同時涉及到工程投資費用,控制管理與維護,以及市政、交通等方面一系列的規章制度,必須重視。

3.1 取、排水口布置方式

系統取水口和排水口布置的總思路是盡量避免排水口出水直接進入取水口,利用取排水口的空間距離、水域的自然功能和水流動能特性帶走使用過的系統排水,盡量減少冷熱流道的摻混干擾,達到系統穩定安全取水的目的,同時減少取水利用對周圍環境的負面影響。取排水口的布置方式主要分為分列式、差位式和重疊式三種。

3.1.1 分列式

如圖3所示,系統取水口和排水口在同一水平面上要保持一個相當大的距離,目的是避免用過的系統排水進入取水水域影響水的換熱利用。在我國及世界各國,絕大部分電廠的水循環冷卻系統都采用這種布局[4]。其特點是設計施工簡便,適用范圍廣,可靠性高。

圖3 分列式取排水口布置圖

3.1.2 重疊式

如圖4所示,在排水口下面一定深度處布置取水口,取排水口的平面距離為零,它利用不同溫度水體分層的現象對水體實行換熱利用。重疊式取排水方式的特點是:打破了排、取水口一定要有較大水平間距的傳統觀點,節省管道及渠道建設投資,管理方便,它的水力熱力特性優于分列式。采用重疊式取排水方式的前提條件是水域必須具備有一定的水深和一定的容積。

圖4 重疊式取排水口布置剖面圖

3.1.3 差位式

如圖5所示,取水口在河道中間,排水口在岸邊或排水口在河道中間,取水口在岸邊。取排水口的距離是同一河道斷面垂直水流方向的橫間距,這種方式把取排水口間距從水流方向的縱向間距,轉移到垂直水流方向的橫向間距上來[5],其特點是:排水有去路,取水有來源;同時取排水管線可采用同一渠道,節省投資、管理方便;水力熱力特性優于分列式及重疊式。應用差位式取排水方式的前提條件是,水域有較大的橫向縱向空間[6]。廣東省沙角發電基地二期B、C廠的取排水口的布置[7]是國內使用差位式取排水方式比較成功的工程之一。

圖5 差位式取排水口布置平面圖

污水源熱泵系統的水源可分為城市污水、江水、河水、湖水和海水。當采用城市污水時,由于污水干渠寬度一般在10m以內,且水深不超過1m,其橫向空間、縱向空間都相對較小,因此在污水干渠中設置同垂直面的取排水口,必然會造成排水與取水的摻混,降低取水冷熱量。因此建議采用分列式的取排水口方式,選擇合理的間距將取排水口設置在污干渠同一連通水域的不同區域,充分考慮取水口與排水口之間的相互影響,以保證取排水水域互不摻混。

采用江河湖海水作為污水源熱泵系統的水源時,取排水水域在縱向空間和橫向空間都有較大的可利用范圍,可以根據工程實際情況選擇三種方式中最為合理的取排水口設置。當取排水水域有較大的縱向可利用空間時,建議采用重疊式取排水方式以減少工程管道渠道投資費用;當取排水水域有較大的橫向可利用空間時,建議采用差位式取排水方式以保證系統取排水的安全可靠性。

在工程實際中,應根據實際水文地形條件,充分利用水域的自然功能和水流動能特性,利用平面和立面差位,合理選擇取排水口設置方式,達到系統經濟、高效、節能、安全等綜合目的。

3.2 污水取水方式

污水源熱泵系統的主要取水方式可以分為:全淹沒濕式取水,干式水泵取水,自吸水泵取水[8]。

3.2.1 全淹沒濕式取水—潛水泵取水方式

利用污水潛水泵安放于污水調節池中或者污水干渠中直接取水,或在污水調節池附近設置取水井,引水入井再用污水潛水泵取水,如圖6所示。

圖6 潛水泵取水方式示意圖

優點:a.全淹沒濕式取水安裝布置簡便,工程造價低,節省泵房空間,適用于機房空間較小的情況;b.污水潛水泵能適應各種污水水質,系統相對安全可靠;c.取水口的設置靈活,可高可低,根據系統需水量和污水干渠排水量設置,取水井還可兼顧蓄水的功能,實用范圍較廣。

缺點:a.在系統沒有污水調節池時,污水干渠中設置污水潛水泵,在一定程度上會影響污水干渠的正常排水,必須得到市政單位的同意;b.污水潛水泵必須全部淹沒于污水中,只能用于污水排量較大的污水干渠中;c.將污水潛水泵置于污水干渠中或者污水調節池中,必然會大量將沉積于底部的淤泥雜質一并帶入系統,加大系統除污過濾的負擔;d.污水泵的清理維護不便。

3.2.2 干式水泵取水

用干式水泵從污水調節池取水,或者開鑿引水渠污水干渠引水,再用干式水泵取水。方式需設置水泵房(一般可設置于主機房內),且泵房底面高度或水泵吸入口要低于水源最低液面0.7m左右,污水經短距離自流管線進入污水泵吸入口,如圖7所示。

這種方式優勢在于:設計施工簡便,設立單獨的水泵房或將水泵置于主機房內,便于水泵的統一管理與維護;密閉性好,對周圍環境影響較小。

圖7 干式水泵取水方式示意圖

不足之處在于對取水口的設計要求較高,取水口必須設置在水源較低水位,對于沒有設置污水調節池的系統,在高峰取水或污水干渠低峰排水時容易出現取水口露出水面吸空的情況;一般運用于污水源熱泵機房設置于地下,污水干渠流量較穩定或者設置污水調節池的系統。

3.2.3 自吸水泵取水

將取水管道直接插入污水干渠中,并保證吸水口不吸空,再利用自吸水泵抽水,系統結構示意圖如圖8所示:

圖8 自吸水泵取水方式示意圖

采用自吸水泵取水,水泵吸入口可高出水源液面2m左右,也就是說取水泵房可設置在地面或淺層地下,因而泵房的設置就具有較大的靈活性;并且設置安裝簡便,工程造價低。

這種方式的不足之處在于:必須采用自吸水泵,并應有相應措施保證自吸水泵的正常開啟、吸水、運行;相對而言系統不穩定系數增加。

根據工程情況和實際要求,可以采用一些比較特殊的取水方式或者是結合幾種取水方式的綜合運用,以保證工程需要與系統的安全穩定運行。

4 結論

(1)污水調節池的最優體積是滿足關系Q*=△Q1=△Q2時對應的污水調節池的臨界體積,

此時系統可以提供最大的供熱空調建筑面積。

(2)如果因為空間和其它原因的限制,污水調節池體積V*′小于最優體積V*,則污水將損失熱量熱量損失率為

(3)取排水口設置方式有分列式、差位式和重疊式三種。分列式建議用于空間范圍較為狹窄的城市污水水源;重疊式建議用于具有較大縱向空間的江河湖海等地表水源;差位式建議用于水域有較大橫向、縱向空間的江河湖海等地表水源。

(4)污水源熱泵系統的主要取水方式有潛水泵取水、干式水泵取水和自吸水泵取水三種。潛水泵取水應用比較廣泛;干式水泵取水方式主要應用于機房位置較低,污水干渠流量較穩定或者設置污水調節池的系統;自吸水泵取水方式需要有具體措施保證自吸水泵的正常開啟、吸水、運行才能保證系統的穩定。

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