大溫差吸收式換熱機組與熱網自控在集中供熱系統的應用

任曉東

（太原市熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030000）

引言

集中供熱滿足了大部分北方城鎮的冬季室內熱舒適性，熱量由熱源集中生產，通過一次管網和二次管網輸送至用戶末端散熱設備，在室外溫度較低的情況下，維持室內溫度恒定。對于熱網來說，供回水溫差和循環流量決定了熱量輸送的多少。以熱電廠為熱源的供水溫度設計為150～110℃，以區域鍋爐房為熱源，供熱規模較小時，供水溫度采用95℃，而一次網回水溫度一般設計在70～55℃[1]?？紤]安全運行問題，一次網供水溫度不宜過高，考慮傳統換熱器換熱效果，一次網回水溫度也不宜過低，否則會導致無法正常散熱，用戶室溫很難維持正常供熱水平。隨著供熱面積的擴增，需擴大熱網循環水的熱量攜帶能力，但熱網循環流量受限于既有管網管徑無法持續增加，故為增加熱網輸送能力，采用大溫差吸收式換熱機組深度提取熱源熱量，提高管網供熱能力，同時為熱源進行余熱回收提供便利條件[2]。

1 項目概況

本項目屬于太原市集中供熱工程，2012年有熱力站190余座，供熱面積1 660萬m2，近年供熱面積逐年擴充，為應對管網熱量輸送不足的問題，自2013年開始，每年新設大溫差吸收式換熱機組，截止到2016—2017年采暖季，總供熱面積2 700萬m2，其中采用141臺大溫差換熱機組進行供熱，大溫差熱力站占總供熱面積的50.84%，大溫差換熱機組的投運解決了管網供熱能力不足的問題。同時，配置了太原鋼鐵生產工藝產生的余熱輔助熱源。通過降低一次網回水溫度，極大限度地提取余熱水熱量，促進熱源供熱系統的節能降耗與增收減排。

2 大溫差換熱機組介紹

大溫差換熱機組采用的是溴化鋰吸收式熱泵制熱循環的原理，利用一次網供水作為驅動，深度提取一次網的熱量，拉大一次側供回水溫差，提高熱網供熱能力。大溫差換熱機組可在不改變二次網運行參數的前提下，降低一次網回水溫度，利用熱泵原理實現“逆溫差”換熱。

大溫差換熱機組可以在20%～100%負荷范圍內無極調節，且部分負荷范圍的性能指數要高于滿負荷指數，二次側熱水出口溫度高，變工況、變負荷性能優良，其主要由兩部分組成，即熱水型吸收式熱泵和并聯的板式換熱器。熱水型吸收式熱泵由發生器、冷凝器、吸收器、蒸發器構成。

并聯的板式換熱器則作為發生器一次網出水與蒸發器一次網進水的銜接，板式換熱器將發生器出水進一步降溫，并加熱二次網熱網循環水后，作為余熱進入蒸發器，利用內部溴化鋰吸收式循環，深度提取一次網熱量，將一次網回水溫度降至二次網溫度以下，輸送回熱源端進行下一個熱力循環。

當原有熱力站進行大溫差吸收式換熱機組改造時，保留原有板換系統，可與吸收式換熱機組并聯使用，提高熱力站換熱設備備用率。一次側由吸收式換熱機組和板式換熱器并聯，當一次網供水溫度較低或二次網供水溫度較高，換熱機組無法正常啟用時，關閉吸收式換熱機組入口閥門，全部二次網回水由原板式換熱器加熱；當一次網供水溫度較高時，滿足機組啟運條件，關閉板式換熱器進水閥門，全部二次網回水由吸收式換熱機組加熱。吸收式換熱機組與原板式換熱器并聯使用，提高了全采暖季熱力站負荷調整的靈活性，并提高了熱力站供熱能力和供熱可靠性。

3 集中供熱系統控制

本項目在2013年進行大溫差換熱機組改造的同時，增設了全網平衡軟件控制系統，協助熱網進行一次網水力工況與熱網運行狀態控制，通過減少熱力站冷熱不均現象，與大溫差吸收式換熱機組一同為一次網回水溫度降溫，運行效果顯著。

3.1 一次側控制

一次側采用均勻性調節的控制方式，控制功能通過全網平衡軟件實現。

熱網的均勻性調節是以各個熱力站供熱效果相同為目標進行的調節，由穩態下的熱平衡方程得到的，基本上反映了該熱力站所承擔的建筑平均室溫，如果將各個熱力站的二次側供回水平均溫度調整到趨于設定值，則可以近似認為采暖房間的室溫是彼此均勻的。

各熱力站的二次網供回水平均溫度趨于設定值為熱網的調節目標，對各熱力站一次網供水流量進行調節，保證各熱力站間的均勻供熱，避免由于冷熱不均、為了保證偏冷用戶達到供熱要求而造成過熱用戶的浪費。因此，這種調節方式是保證供熱要求的節能降耗手段。

3.2 二次側控制

根據該供熱管網的歷史供熱數據和供熱效果，確定能基本保證二次網運行且不發生大面積水平失調和垂直失調的平米流量指標，根據該供熱管網的歷史供熱數據，確定能保證二次網基本運行的熱負荷，依據各熱力站建筑形式、結構特點、建設年代及管網新舊程度等，設定回水溫度最低值，使全網平衡軟件自動控制一次網流量，調整二次網供回水溫度以滿足供熱需求。

4 運行效果分析

4.1 大溫差換熱機組運行效果

自2013年進行大溫差換熱機組改造與熱網全網平衡自控改造，熱網運行穩定性顯著提高，供熱一次網平米流量大大降低，且一次網回水溫度較低，有利于熱源進行余熱回收[3]。

經過2013年—2016年四個暖期的運行，在一次側供水溫度較高的情況下，大溫差換熱機組可將一次網回水溫度降低至25℃左右。且由于本項目大范圍使用大溫差吸收式換熱機組，可在原有管網整體結構不變的情況下，提高既有管網輸送能力30%以上。圖1為2017年2月11日某吸收式換熱機組熱力站瞬時數據圖表。

圖1 各熱泵機組熱力站數據圖表

對近幾年的運行數據分析發現，每當熱源溫度低于85℃時，機組的一次網回水溫度會明顯提高，因此，為確保大溫差機組的高效運行，需要保證一次網供水溫度在85℃以上，當熱源溫度不能滿足此要求時，將切換至原有換熱器加熱系統工作，以確保系統高效運行。

4.2 大溫差換熱機組與熱源余熱回收協同效果

熱網采用大溫差換熱機組與全網平衡軟件進行一次網水力工況調整后，一次網回水溫度大大降低。一次網回水送回電廠前，經由太原鋼鐵余熱回收系統進行加熱，最高可將一次網回水溫度加熱至62℃左右，其最大余熱回收量約100 MW。經太鋼余熱回收系統加熱后，一次網回水溫度提高到進行大溫差供熱改造前的回水溫度水平，之后再由電廠加熱后供出。由于增設了大溫差吸收式換熱機組，使本項目在2016—2017采暖季中，增加供熱量75萬GJ左右。

4.3 全網平衡調節效果

由于本項目采用全網平衡技術，實時調整一次網水力工況，消除遠、近端熱力站冷熱不均現象，降低熱網運行能耗。2016—2017采暖季，供熱面積2 689萬m2，總耗熱量1 058萬GJ，熱單耗0.396 GJ/m2；在項目改造前，2012—2013采暖季，供熱面積1 657萬m2，總耗熱量700萬GJ，熱單耗0.422 GJ/m2。上采暖季熱單耗比改造前降低6.2%，節能效果顯著。

下頁圖2為2016—2017采暖季二次網平均溫度、供回水溫差及外溫曲線，由運行曲線圖可以看出，二次網供回水平均溫度始終保持平穩運行狀態，供回水溫差也基本保持設定值，基本消除了2013年以前，熱力站之間的冷熱不均現象，系統運行十分穩定。

圖2 2016—2017年采暖季二次網平均溫度、供回水溫差及外溫

5 結論

1）大溫差換熱機組可以大幅度降低一次網回水溫度，根據運行數據發現，一次網供水溫度不宜過低，低于80℃時，降溫效果不好。在一次網供水溫度較高時，一次網回水最低可降至25℃左右。

2）熱網大部分熱力站進行大溫差改造后，一次網大溫差運行效果明顯，可在既有管網不變的前提下，提高管網輸送能力30%以上。

3）采用全網平衡軟件對一次網進行水力工況控制，可消除因遠、近端熱力站冷熱不均造成的一次網回水溫度較高的現象。通過對比項目改造前后供熱能耗，因消除近端熱力站過熱現象，優化一次網水力工況，可節能6.2%。

4）熱力站采用大溫差吸收式換熱技術，熱網采用全網平衡優化一次網水力工況，降低一次網回水溫度，有利于熱源處進行余熱回收，提高余熱回收效益。

通過2013—2017年四個采暖季的實際運行，大溫差換熱機組及全網平衡調控運行穩定，從根本上解決了熱網輸送與平衡問題，提高了熱網擴容能力與自動化水平，且節能效果顯著，同時也符合中央提出的北方地區冬季清潔取暖、節能減排的精神。

[1]賀平，孫剛.供熱工程：第4版[M].北京：中國建筑工業出版社，2009：11；45.

[2]張世鋼，付林，李永紅，等.吸收式換熱過程及設備[J].暖通空調，2015，45（9）：85-90.

[3]李永紅，張世鋼，付林.不同熱網回水溫度對電廠余熱回收供熱的經濟性影響[J].區域供熱，2015（4）：5-9；22.