淺析老城區集中供熱系統節能改造

(大慶市特種設備檢驗研究所，黑龍江 大慶 163311)

0 引 言

城市供熱系統節能是建筑節能的重要組成部分，許多城市的供熱設施嚴重老化，供熱能源浪費嚴重[1-3]。老城區供熱管網存在著嚴重的水力失調問題，以致于普遍存在供熱系統冷熱不均問題，近端用戶室內溫度過高，開窗放熱問題普遍存在，造成了大量的熱量浪費。由于二級管網不平衡，平均可造成10%～20%的熱能浪費，節能潛力巨大。但由于外網信息量大，數據繁雜，通過人工統計分析比較困難，再加上現場的實際操作難度，巨大的節能潛力往往被人們所忽視。文中通過實際生產實踐中的探索，充分挖掘節能潛力，提出集中供熱系統節能改造方案。

1 簡述供熱系統工藝過程

集中供熱系統運行的基本過程是由熱源生產熱量、然后通過循環泵將熱量輸送到熱網，熱網根據用戶需要流量完成熱量的分配，最后用戶通過散熱器完成熱量的供給。

(1)熱量生產過程——由熱源系統完成。

(2)熱量輸配過程——由循環泵和室外管網系統完成。

(3)熱量散發過程——由用戶散熱器完成。

供熱系統節能，除了設備本身層面如鍋爐、換熱器效率外，最大的節能部分就是熱量生產、輸配及放熱這三個環節的整體能量優化。通過實時補償、實現適量供熱，最終用戶室內溫度都達到18～19 ℃。

2 供熱系統現狀及存在的問題

2.1 熱網輸配流量不均衡

存在冷熱不均、近端開窗戶問題，造成大量熱量浪費，雖然每個采暖期都通過人工進行反復調整，但由于供熱系統用戶數量龐大，熱用戶之間還存在著流量的相互擾動，如果沒有先進的調控設備，靠人力把熱量調整均勻，是實現不了的，所以在現有技術條件下，只能是加大系統總熱量使末端用戶也滿足室溫要求，但這時近端開窗戶的現象就普遍存在了，這也是現今國內大部分熱力公司供熱的現狀，是供熱系統中能源浪費最大的一部分，據統計由于開窗戶帶來的能源浪費高達10%～20%。

熱網系統是連接熱源和熱用戶的網絡，通過熱網系統將熱源生產的熱量傳輸給各熱用戶。目前供熱管網普遍存的問題有：

(1)熱網運行方式是高溫間供，管網承擔的面積也大，水力失調情況較為嚴重，調節難度很大，每年啟運前期都要花費大量人力和物力進行管網水力平衡調試，需要反復調整多次，往往調試工作要近兩個月的時間才能完成。

(2)熱力站內的儀表尚未完善，有些熱力站只安裝了流量儀表，沒有熱量功能，無法直觀地顯示冬季耗熱量的多少，只憑理論計算和實際經驗估算調節，費時費力。

(3)熱用戶室內系統形式復雜，有同程式系統和異程式系統；多單元大循環系統和單元循環系統；上供下回垂直式系統和水平串聯式系統；分戶供熱有散熱器系統和地板輔射系統等等，其運行阻力各不相同，差異很大，沒有計量裝置，只能憑溫度感覺調整單元或入戶閥門，很難達到水力平衡。

(4)熱用戶室內系統老化、結垢較為嚴重，由于有些供熱管網已經運行近二十年，加之這些年無人維護和清洗，致使水流量不足、散熱器散熱量不足，耗費大量的熱量。

(5)雖然多數樓房都有用戶井，井內安裝了閘閥，調節閥等裝置，但調節閥都是手動調節閥，沒有流量和熱量顯示，調節能力差，達不到效果。如閥門開度大了，會影響其后端各熱力站和各熱用戶供熱運行，閥門開度小了，影響該站所負責的熱用戶不熱，所以，需要反復多次試驗著調整，根據每年熱負荷變化，調節更加復雜。綜上所述，存在冷熱不均現象較為嚴重，能源浪費較大，很難保證供熱效果。

2.2 熱源運行調節不適量

供熱系統總的要求是按需供熱，只有供熱量與需熱量平衡了，用戶室內溫度才能保證，而需熱量的變化是隨著室外溫度晝升夜降而發生周期變化的，這就要求供熱系統要根據室外溫度變化及時進行調整，否則就會出現過熱或熱量不及的問題，現有熱源系統的運行主要是根據天氣預報的最高和最低溫度，憑操作人員經驗進行熱源的調節，由于沒有精確的負荷預報和量化的調度指令，系統運行存在著經驗性和隨機性的問題，實際抽查發現整個采暖期用戶室內日平均溫度波動達6度左右，這對于熱源來說由于沒有量化精確的負荷控制造成了較大的能源浪費，由于熱源系統不能精確適應氣候變化而造成的熱量損失至少在5%以上。

3 供熱系統節能改造具體實施方案

3.1 建立熱網信息化及數據采集管理工作

通過采用先進的信息化手段，建立一套從熱源、到熱網、到熱用戶全方位的綜合管理平臺，將現場繁雜的數據進行整理、分析處理，通過水力計算等高級功能模塊，對現場的管網信息做水力工況診斷分析，從而協助用戶解決現場的實際問題，達到提高生產管理水平和節能降耗的目的。

在建設供熱信息化的同時，需要有步驟、有計劃的實施現場基礎數據采集工作，包括管網信息的現場勘查工作，用戶室溫采集點布置工作。只有現場基礎工作做的細，信息化平臺才能夠發揮大的作用。信息化平臺的建立后，可以實現有針對性的在二級網管路上安裝必要的流量平衡調節設備，并實施必要的管路、閥井改造工程，以達到有效緩解水力失調問題的目的。

(1)建立供熱調度管理平臺，可實現對大型熱網的中心控制室的集中調度管理，熱網平衡分析。

(2)建立供熱管網信息平臺，基于GIS平臺實現設備檔案管理，并可對熱力管網實施水力工況計算，實現診斷分析功能。

(3)建立供熱呼叫服務平臺，實現話務量統計分析功能。

(4)建立供熱能耗分析平臺，實現能耗數據的量化管理，定量分析功能。

3.2 實施全面的熱網水力平衡技術改造

全面熱網平衡工作，是搞好供熱系統節能改造工作的基礎工作。熱網平衡在現場實施的細化程度，決定了供熱系統節能改造項目最終能夠實現多大的節熱、節電效果。

3.2.1 分支環路水力平衡方案

通過站內的分支線閥門調節，主要是解決了樓群與樓群間的平衡。換熱站的二級網循環泵的揚程主要是為了克服最不利的那個環路的阻力，如果其他支線環路不加以控制，就會造成其他支線環路流量過大，在同等供水溫度的前提下，供熱量就會超標。通過我們實施的管網分支環路平衡技術，可以實現節能、節電的雙重目的。

3.2.2 樓前水力平衡解決方案

在掌握用戶室溫數據、供熱管網信息數據的基礎上，根據現場的實際情況，在專業的熱網水力平衡分析軟件的指導下，實施有效的熱網平衡改造及增加必要的調節手段，盡量減少因為熱網不平衡導致的能耗浪費，將熱網平衡工作，變得更加具有可操作性。

(1)改造單元閥井內的閥門，使其具有可調節性。

(2)單元供、回水閥門入戶側，安裝現場壓力測試點，實現量化調節。

(3)對部分空間狹小，條件惡劣的閥井或樓內閥組間，實施改造。

(4)根據調節精度要求，布置室內溫度測點安裝數量。

3.2.3 平衡到戶的末梢水力平衡方案

全面水力平衡調整工作，在細化到樓前用戶側時，對熱網系統的水質提出了很高的要求，這就需要我們在實施水力平衡改造前，先解決系統的水質問題。

主要采取的技改措施為：

(1)在換熱站內二級網總回水，安裝立式擴容除污器，以降低水流速，將水中的絮狀沉淀，匯集到沉淀器一端，通過排污排出沉淀箱，達到除污目的

(2)采用新型環保防腐阻垢劑，可起到防腐、阻垢、除垢、除銹、育保護膜、防人為失水、濕法停用保護、殺菌、滅藻、除生物黏泥、修復作用

在水質問題解決的前提下，在每戶的閥組間安裝戶平衡閥，解決戶與戶間的垂直失調問題，實現最大限度的節約能源，均衡供熱。

3.3 實施全面的節電技術改造

通過嚴格的理論、分析、計算，并結合現場的實際情況和實踐經驗，提出一套有針對性的節電改造方案及節電分析報告，同時制定出與之配套的運行管理辦法，實現可持續的節電效果。

3.3.1 換熱站分布式水泵節電方案

常規換熱站系統，每單分區系統多采用一套總循環泵的運行方式，由于各分支環路的外管網特性差別較大，所需的流量和壓差不同，循環泵需要克服最不利支線環路所需要克服的阻力來運行，其他支線環路就會在嚴重的大流量情況下運行。

實際現場的運行效果是，在滿足最不利支線環路供熱基本要求的前提下，其他環路就會存在大量的能量浪費，造成系統即費電、又費熱的運行方式。

在換熱站實施二級網分布泵系統改造時，需對其所負擔的外網用戶所存在的問題進行綜合分析后，實施改造，一般采取的辦法是：

(1)取消現有的二級網循環泵，根據不同支路的外網管路特性，為每個支路單獨設變頻循環泵，將變頻泵裝于從分水器出來的供水管上。

(2)在供回水管上均安裝壓力傳感器，水泵的轉速由供回水管壓差控制。

3.3.2 換熱站水泵系統優化運行方案

同時針對不宜實施二級網分布泵改造的換熱站，亦可根據各自的特點，有針對性地實施水泵或管路改造，并制定科學合理的運行方式，達到最大的節電目的，具體如下：

①加一網回水泵旁通管，減小站內阻力。

②水泵出入口管過細，阻力較大的位置實施改造，減小站內阻力。

③間供換熱站，板換阻力大，可通過加旁通管或調整板換入口閥門開度的辦法，調整適宜的板換阻力和換熱效率。

④直供站，在以混合泵方式進行工作時，一網回水閥門和摻水閥門應有一個全部打開，以減少不必要的系統阻力。

⑤在一條管路上，通過泵閥組合進行參數調整時，泵運行時，閥門應該全部打開。

⑥直供站，在二級網回水壓力高于一級網回水壓力時，應停掉一網回水泵(或將混合泵，改為純摻水)，以降低站內電耗。

⑦對于多支線環路的，必須保證最不利環路的供回水總閥門處于全開狀態，減小不必要的阻力。

⑧合理分析二級網站內系統阻力，換熱器的阻力20～50 kPa，水泵的進出口阻力30～50 kPa，除污器的阻力10～20kPa，對阻力損失過大的設備進行合理的調整、檢修維護，減小站內阻力。

⑨在二級網滿足同樣的工況的情況下，具體是一臺變頻泵高頻率運行省電，還是兩臺變頻泵低頻率情況下省電，要根據現場具體情況確定。不能盲目的認為一臺泵運行就一定省電。

3.4 實施全面的節熱技術改造

3.4.1 熱網氣象調度

根據每日氣象局發布的預報室外溫度，并參考本地氣象站的實測室外溫度，實時計算出各換熱站供熱指標，并與全網總供熱指標做對比，時刻關注熱網的熱平衡情況，保證熱量被平衡分配到每一個換熱站，滿足每個換熱站的供熱需求。解決了熱網的失控狀態，實現了科學調度管理。

3.4.2 典型用戶室溫監測

供熱的手段是以水為載體，通過熱交換來實現，水的溫度和水的流量起到關鍵因素。

供熱的目的是實現該供熱區域內的所有熱用戶的室內溫度達標。為了實現這一目的，調整供熱參數是手段，最終檢驗我們工作的結果是用戶的室內溫度。

因此我們盡可能多的在用戶室內安裝測溫設備，然后在每個換熱站的每條分支環路上，選擇三個典型用戶，作為指導供熱參考，并不斷加以修正，以保證該區域的供熱效果基本達標。

3.4.3 供熱指標管理

換熱站所轄區域內的所有供熱建筑，綜合熱指標的確定，對于供熱運行具有重要的指導作用。但是這個參數的確定，需要一個長期摸索，不斷修正的過程。

最初的熱指標的確定，是根據該區域所有供熱建筑的設計熱指標，通過理論計算的辦法，予以確定。然后經過較長一段時間的運行、摸索，加以核實、修正，以達到逐漸趨于準確的目的。

3.4.4 分時分區節能控制裝置

分時分區節能控制裝置根據供熱曲線，通過檢測二級網供水溫度和室外溫度，自動調節電動調節閥的開度，實現換熱站的質調節；可以根據不同的時間段及地點(白天、夜晚不同，冬季、春季不同，學校、辦公室、居民樓不同)設置多條曲線，監控中心也可以根據經濟分析，自動生成經濟運行的曲線，管理人員通過網絡及RTU修改運行曲線和設定參數，完成運行曲線的修改、移植，達到節約熱能、經濟運行的效果，如圖1所示。

圖1 運行曲線

對居民類用戶主要的調節方式是每天晚間22點至凌晨3點期間降溫供熱，室內溫度維持14 ℃左右，凌晨3點～8點提溫運行，溫度維持在18 ℃左右，8點～16點降溫供熱溫度維持14 ℃左右，16點～22點提溫運行溫度維持在18 ℃左右。對企事業單位機關學校幼兒園類用戶主要的調節方式是每天晚間19點～6點降溫供熱溫度維持12 ℃左右。6點～19點溫度維持在18 ℃左右。

對企事業單位機關學校幼兒園類等用戶在周末及節假日期間全天維持在10 ℃左右。

4 結束語

通過對集中供熱系統實施全面的節能改造，流量平衡設備解決了供熱系統冷熱不均的問題，同時熱源調度系統，使熱源根據室外溫度變化精確控制總供熱量，實現適量供熱，使用戶室內溫度達到要求值。這樣總體上就使開窗戶浪費的熱能在補充遠端不熱用戶的情況下、實現用戶室溫均勻，同時又通過總熱量的控制實現適量供熱，最終使供熱系統用能過程整體優化，達到大幅度節能減排的目的。

[1] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網監控系統的設計與實現[J].森林工程，2013，29(4)：90-95+160.

[2] 史維增，龍小菊.淺析集中供熱系統換熱站節能措施[J].應用能源技術，2012(3)：27-29.

[3] 魏玉滿.供熱管道保溫材料的選擇及經濟保溫層厚度計算[J].應用能源技術，2012(4)：34-36.