高溫熱水供熱系統的運行調節和技術改造①

茆贇

摘 要：通過虹橋國際機場擴建工程西區能源中心對熱水供熱系統的案例，從系統的設計、工作原理和運行情況介紹該供熱方式的實際應用。針對應用該系統所發現的一些問題，提出技術改進方案，完善運行調節，希望以此推動熱水供熱系統在上海地區更好、更廣泛地應用。

關鍵詞：熱水供熱系統 能源中心 虹橋機場 運行調節 技術改造

中圖分類號：TU83 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0047-02

1 前言

1.1 背景

虹橋國際機場作為上海機場集團的兩大機場之一，在上海機場系統中起輔助作用，并與浦東國際機場互為備降。同時也是虹橋交通樞紐的重要組成部分，構建了“空鐵聯運”的模式，起著面向全國、服務長三角的作用。

由于虹橋國際機場的年航空旅客吞吐量在2004年已經達到1489萬人次，遠遠超過最初的設計吞吐量（960萬人次），多年處于超負荷狀態。為了滿足航空業務增長的需求，緩解運行壓力，特別是保障上海世博會的需要，機場方面借助上海航空樞紐港和虹橋綜合交通樞紐建設，自2008年開始實施西區擴建工程，全面助力推進上海“兩個中心”建設。

2012年虹橋機場東區改造的規劃逐步開展，并將在2013年下半年正式實施啟動，虹橋國際機場在上海“兩個中心”建設的作用將更加突出地日益彰顯，并將對虹橋商務區的發展提供強有力的支持。

1.2 供熱需求

虹橋國際機場擴建工程西區能源中心位于上海虹橋機場T2航站樓北側，于2008年6月開工，2010年1月竣工驗收，并與候機樓同步在2010年3月16日投入正式運行。其作用在于為虹橋機場T2航站樓、預留指廊和南、北兩個酒店（建筑面積共47.3萬m2）進行供冷供熱。目前服務范圍是T2航站樓和南側酒店（建筑面積為38.8萬m2），規劃熱負荷情況如表1。

由上表1確定能源中心需要配備總容量32.3 MW以上的鍋爐作為熱源，且預留擴建場地考慮后期側預留指廊和酒店（合計建筑面積8.5萬m2）的熱負荷。

2 供熱系統的設計和工作原理

2.1 高溫熱水系統的設計

在明確熱負荷后，設計對供熱系統采用蒸汽還是熱水作為輸送介質進行比較，從節能角度、投資效益、水資源利用等角度出發，選擇在上海地區應用大體量高溫熱水供熱系統。能源中心設計安裝3臺11.2 MW的熱水鍋爐（兩用一備），并預留一臺鍋爐的位置，以滿足后期擴建項目需要。

2.2 熱水系統的工作原理

高溫熱水系統工作原理是利用熱水循環水泵將傳熱的媒介（熱水）在能源中心和候機樓之間打循環，在能源中心使用熱水鍋爐加熱獲取熱量，在候機樓使用板式熱交換器釋放熱量，通過供、回水壓差調節流量確定所需熱量的輸送（詳見圖1）。

在候機樓的8組板式熱交換器設置電動調節閥，根據需求的變化調節閥門開度，從而影響供、回水的壓差。該壓差進而調節變頻循環水泵的運行頻率，從而改變循環水量使之與供熱的需求相匹配。

3 供熱系統的運行

3.1 初步的調試和運行

2009年12月能源中心和候機樓的基本建成，根據需要進入試運行階段，開始供熱。但當時由于熱力監控系統尚未完成安裝，原本自動運行的設備（包括鍋爐、循環水泵、板式熱交換器的控制閥）由于缺少控制源信號，供熱系統的調試工作只能依靠人工設置，手動進行調節和干涉。彼時的運行都依靠運行人員的責任心、技術能力和歷史經驗。

雖然最終手動調試成功，確保了候機樓的運行，但這花費了大量的人力和物力，且僅僅能夠實現系統的基本運轉，與設計理念相比較有一定差距。

3.2 全自動調試和運行

2010年10月底熱力監控系統安裝完畢，并逐一成功進行了控制測試，于是整個熱水供熱系統具備了全自動調試和運行的條件。經過精心準備和協調，業主方、設計方、設備方和運行管理方共同努力，供熱系統于12月中旬進入系統聯動，完成全自動調試和運行，最終實現了整個熱水供熱系統的聯動控制和自動運行。

在整個調試過程中，通過在技術上的創新和改造，對設備性能參數和控制模式的調整，先后克服回水溫度過低、循環流量不足、管網壓力波動致使鍋爐跳機的問題，還克服板式熱交換器的控制閥調節過于靈敏致使管網控制震蕩等多個問題。在技術上和運行管理上改善了原有系統，使得實際運行控制既與設計原理相符，又緊密結合經濟運行和安全保障的需要，確保了高溫熱水供熱系統在機場的成功應用。

3.3 實際運行中存在的問題和改進措施

通過對供熱系統的運行熱效率分析，整個系統的節能效果較好，能源利用率較高。但在實際運行中也存在著調節控制的穩定性、連續性和及時性不夠理想的問題。

3.3.1 熱水供熱系統運行調節的穩定性

由于系統采用大溫差、變流量的控制原理，根據用戶的用熱需求（溫差），板式熱交換器的調節閥實時調節流量，變化較快。調節閥引起的管網壓差變化也相應較快，熱水循環變頻泵的運行頻率也隨時變化。因此，整個熱水供熱系統是一個不斷變化的。但作為熱源的熱水鍋爐需要具備穩定的運行條件和技術參數才能安全、可靠地運行。將兩者直接連成一個整體，必然產生一定的矛盾，從而影響系統的穩定性，對運行調節產生一定的影響。

3.3.2 運行中存在的問題和改進

從運行效率看系統總體的節能效果還是較好的，但熱水供熱系統在運行調節的穩定性、連續性和及時性上存在一定的問題。

（1）熱水供熱系統運行調節的穩定性。

由于設計采用大溫差變流量的技術，板式熱交換器的調節閥是根據用熱需求（溫差）實時調節流量的，變化較快。熱水循環變頻泵是根據板式熱交換器的調節閥引起的管網壓差調節的，也是隨時變化的。而整個熱水供熱系統將需要具備一定運行條件和穩定參數運行的熱水鍋爐與變化的管網和熱交換器連成一個整體，由此產生一定的矛盾，影響了系統的穩定性，對運行調節產生一定的影響。

（2）熱水供熱系統運行調節的連續性。

由于熱水鍋爐選型、控制模式和設置的原因，只能按出水溫度110 ℃和95 ℃供熱運行。因此，整個供熱系統的量調節（水泵流量）是連續的，但質調節（供水溫度）只有兩檔。這樣運行調節的連續性不足，而設計系統時也未作針對性的修補，造成供熱系統對于低負荷的適應能力較低。而上海地區的氣候在過渡季節對此的要求特別高，這使得系統的運行調節產生一定的困難。

（3）熱水供熱系統運行調節的的及時性。

由于熱水供熱系統采用高溫水作為傳熱介質，以循環水泵作為輸送動力，在鍋爐內受熱，在板式換熱器中放熱，兩者之間的輸送距離較大，熱量傳遞的時效性必然受到一定影響。以目前供熱系統為例，鍋爐與板式換熱器之間的水量約為200 t，理論上1臺循環水泵需要滿負荷運行1個多小時才能將鍋爐加熱后的熱水輸送到用戶的板式熱交換器，而實際上由于受用戶調節閥開度和負荷需求的影響，可能需要更長的時間。

4 供熱系統的技術改造

4.1 改善目標

能源中心熱水供熱系統實際運行中最大的問題在于不能滿足低負荷下的運行。由于設計理論符合偏大，建筑節能和管理節能的措施到位以及暖冬效應影響，經常發生因氣溫偏高、日照條件較好情況下候機樓的熱負荷急劇降低，甚至低于1臺熱水鍋爐的最低工作負荷，最終致使鍋爐無法正常運行。

同時由于設計負荷與實際運行負荷不一致，造成末端用戶的回水溫度較低（50 ℃左右），與鍋爐運行要求（70 ℃左右）偏差較大且供水溫度（100 ℃左右）低于鍋爐額定溫度（110 ℃左右），對鍋爐穩定、安全運行帶來較嚴重的隱患，其額定供熱能力也受到限制。

4.2 技術改造

對于上述問題，我們提出了技術改造方案，其原則是在保持原有系統的基礎上用最簡單、最經濟的、對運行模式影響最小的方式進行。我們在原設計系統中增加了2根連通管，將鍋爐高溫出水引至供熱系統回水；將鍋爐進水引至供熱系統的供水。此外，在管路上安裝了電動調節閥，用于控制啟閉、調節流通水量（詳見圖2）。

將部分鍋爐高溫出水引至供熱系統回水，能夠加熱溫度較低的回水，確保其由50 ℃左右提高到70 ℃左右滿足鍋爐正常運行的需要。同時這一技改措施也緩解了需要穩定運行條件和技術參數的熱水鍋爐與變流量循環系統之間運行調節的矛盾。該項改造于2011年運行采暖季前完成，起到了預計效果，確保了鍋爐的穩定、正常運行和供熱系統調節穩定性，解決了運行調節的實際問題。

將部分鍋爐進水引至供熱系統的供水，能夠降低溫度較高的供水，提高供熱管網的安全性。同時保證低負荷時循環系統有足夠保證運行的水流量，確保整個供熱循環得以進行，不至于因低負荷發生停止供熱的事件。此外，真正實現了系統運行調節的連續性和供熱的質調節，豐富了供熱系統的調節手段。而且通過技改還保證了鍋爐的額定工況，即能夠以110 ℃的出水溫度運行，改變了以往受系統牽制只能部分負荷運行的情況。該項改造于2012年運行采暖季前完成，起到了一舉多得的效果，解決了供熱系統調節連續性和鍋爐額定工況工作的問題。

5 經驗和總結提高

5.1 經驗和體會

通過上文的分析，我們既看到熱水供熱系統在實際應用中的優勢，也看到了存在的問題。在此基礎上，技術人員綜合比較了多個設想，并參考相關資料提出了解決問題的技術方案。通過技改，我們最終從最便捷、最經濟的角度實現了系統的優化，提高了熱水供熱系統的適應性和穩定性，滿足系統安全、穩定、經濟的運行。

虹橋機場采用高溫熱水供熱系統這一供熱方式，且其應用達到如此規模體量，是上海地區等江南地區的首次，必然存在一些考慮欠周的地方。這是任何一項技術推廣應用中必然的，出現的各類問題可以通過相關各方的努力，依靠技術和管理手段進行完善的，相關經驗的積累也有助于該技術的進一步推廣和應用。

5.2 完善和提高

就虹橋機場能源中心的高溫熱水供熱系統，通過技術改造增設加熱管、降溫管及控制調節閥，初步完善了系統，消減了不斷變化的管網系統和需要穩定的鍋爐系統之間的矛盾，確保了系統的正常運行，實現了整個熱水供熱系統所有設備的自動控制運行，并在熱水供熱系統的量調節基礎上實現了質調節。

此外，從運行的經濟性和節能角度考慮，進一步計劃在能源中心鍋爐房預留位置上安裝1臺額定功率較小的鍋爐（5 MW左右），滿足系統低負荷下的運行，進一步提高系統對實際運行需求的適應能力，消除部分安全隱患。

當然我們的技術改造不能就此止步，還需要進一步分析、研究實際運行，增加量調節和質調節對負荷變化的覆蓋范圍以及調節的便利性，使得高溫熱水供熱系統能夠適應上海地區負荷變化較大，且部分時段負荷較小的運行條件，使其在充分發揮節能優勢的基礎上滿足運行調節的要求。

參考文獻

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[2]虹橋綜合交通樞紐策劃、規劃、設計、研究[J]，2008：1-16，31-42.

[3]大體量高溫熱水供熱系統在虹橋國際機場的應用[J].上海空港，2012（15）：42-47.