供熱換熱站及熱力二次網節能改造淺析

王 國 偉

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

1 概述

截止到2018年年末，全國城市集中供熱面積達87.8億m2，管道長度達37.11萬km[1]。集中供熱面積越來越大，其供熱運行能耗也越來越受到行業的重視，電耗和熱耗都是熱力站主要能耗指標，導致能耗過大的原因一：循環泵工作點遠離水泵高效區，循環泵在低效率下工作，導致電耗過高[2]，故選擇適應管路特性曲線的循環泵是節能的關鍵。原因二：“大流量，小溫差運行”，水力不平衡是造成“大流量，小溫差運行”的主因，故解決水力平衡是根本[3]。根據以上分析可知，選擇合適的循環泵和解決管網的水力平衡是節能改造的根本，以下為某換熱站的節能改造案例分析。

2 項目概況

某熱力站承擔某小區A號樓～F號樓居民樓的供暖，設計總供熱面積為26.4萬m2。小區6棟樓均為25層的高層建筑，采用地板輻射的方式供暖，分為地暖低區和地暖高區，地暖低區設計供熱面積為14.8萬m2，實際供熱面積為12.12萬m2，設計供回水溫度為50 ℃/40 ℃；地暖高區為11.6萬m2，實際供熱面積為11.25萬m2，設計供回水溫度為50 ℃/40 ℃。

該站2012年建成投運后，出現了用戶冷熱不均以及耗電量過大的問題。據統計，2014年2月16日～2014年2月22日7 d時間，系統周耗電量達到20 306 kW·h，水泵整個采暖季恒定頻率運行，一個采暖季的耗電量高達438 029 kW·h，按照電價0.66元/(kW·h)計算，一個采暖季電費就要28.9萬元，大大增加了供熱企業的成本。節能改造降低運行成本，徹底解決用戶冷熱不均的問題迫在眉睫。

3 運行現狀

基于上述情況，對換熱站的現狀及運行情況進行了調查了解。

3.1 循環水泵改造前配置

換熱站主要用電設備是循環水泵和補水泵，補水泵耗電量相比循環水泵耗電量可以忽略不計，因此，首先了解循環水泵改造前的配置情況。地暖低區3臺循環水泵(2用1備)主要參數：額定流量500 m3/h，額定揚程44 mH2O，額定功率90 kW。地暖高區2臺循環水泵(1用1備)主要參數：額定流量600 m3/h，額定揚程38 mH2O，額定功率90 kW。

3.2 循環水泵運行工況

地暖低區和地暖高區系統實際運行參數如表1所示，地暖低區及地暖高區的循環水泵均采用變頻調節。地暖低區所配置的3臺循環泵(2用1備)，2臺運行，頻率為36 Hz，實測揚程為21 mH2O，單臺泵流量421 m3/h，按照額定參數36 Hz時，理論流量360 m3/h，額定揚程22.8 mH2O，額定功率34.67 kW；地暖高區配置的2臺循環泵(1用1備)全部運轉(為彌補管網水力不平衡帶來的冷熱不均，啟動兩臺泵，大流量小溫差運行)，運行頻率為38 Hz，實測揚程為24 mH2O，單臺泵流量135 m3/h，按照額定參數38 Hz時，理論流量456 m3/h，額定揚程21.9 mH2O，額定功率21.6 kW。

表1 地暖低區和地暖高區系統運行參數

表1為換熱站的監測數據：地暖低區和地暖高區的一次網流量、一次網供回水溫差及二次網供回水溫差。根據監測數據，可計算得到二次網流量、系統熱負荷以及面積熱指標。

1)地暖低區的二次網流量842 t/h，單臺泵流量約421 t/h，效率約75.3%；但是水泵的揚程偏小，和地暖低區實際供回水壓差21 m不符。而且從表1運行數據也能看出，地暖低區二次網供回水溫差也只有3.7 ℃。因此，地暖低區的水泵也可以尋求匹配更合理的型號。

2)地暖高區的二網流量270 t/h，單臺循環水泵的流量為135 t/h，效率45%，水泵工作點偏離高效區。

3)換熱站內4臺循環水泵的功率： 34.67 kW×2+21.6 kW×2=112.54 kW；周耗電量：112.54 kW×24 h/d×7 d=18 906.72 kW·h。證明水泵的工作點判斷有一定的合理性。

綜上所述，改造前有必要對現有的管網系統進行詳細分析，找到系統存在的不合理的地方，提出可行的方案，從而達到節能的目的。

4 改造方案

4.1 管網的初調節

新建或者改建管網進行初調節是必不可少的，供熱初調節應納入到設計和施工內容的一部分。特別是枝狀管網，由于近遠端距離相差比較大，僅靠管道的口徑進行水力平衡是無法實現的，所以只能靠閥門進行調節。從改造前地暖低、高區的運行結果看，低區系統實際運行供回水溫度為3.71 ℃，高區系統實際運行供回水溫度為6.97 ℃，高、低區設計供回水溫差10 ℃，都有一定差距，其溫差差距就是水力不平衡的直接反映。水泵功率和循環流量的三次方成正比，大流量，小溫差運行是造成運行電耗過高的主要原因，故管網的初步調節是必不可少的。本工程采用比例調節和回水溫度混合調節方法，使管網達到一個理想的水力平衡狀態。

4.2 循環水泵選擇

通過對水泵揚程、流量、功率的測試，結合運行記錄二網供回水溫度、壓力等參數，可以確定出水泵的運行效率，再結合建筑面積，根據以往相關類型建筑節能改造后的供回水溫差，可以確定出適宜的循環泵流量和揚程，控制循環泵的工作點位于水泵的高效區。

根據表1的計算結果，地暖低區的面積熱指標為28.33 W/m2，地暖高區的面積熱指標為19.42 W/m2，由于目前系統尚存在水力失調，部分用戶不熱，因此在匹配循環泵時，地暖低區面積熱指標取35 W/m2，循環泵的設計參數：流量為366.91 m3/h，揚程為11.6 mH2O，根據流量和揚程，選擇水泵額定流量400 m3/h，額定揚程為12.5 mH2O，額定功率為22 kW；地暖高區面積熱指標取25 W/m2，循環泵的設計參數：流量為241.92 m3/h，揚程為12 mH2O，根據流量和揚程，選擇水泵額定流量300 m3/h，額定揚程為12 mH2O，額定功率為22 kW。

4.3 耗電量比較

從理論計算，改造前循環泵實際功率之和為112.54 kW，改造后循環泵理論功率之和為44 kW，故理論節電率為(112.54-44)/112.54=60.9%。

5 改造后節能效果

改造后經過一個采暖季運行后實際節熱量和節電量為：

1)地暖低區改造前單位面積耗熱量為0.400 GJ/(采暖季·m2)。改造后單位面積耗熱量為0.338 GJ/(采暖季·m2)。單位面積節熱0.062 GJ/(采暖季·m2)，節熱率為15.5%。

2)地暖高區改造前單位面積耗熱量為0.357 GJ/(采暖季·m2)。改造后單位面積耗熱量為0.323 GJ/(采暖季·m2)。單位面積節熱0.034 GJ/(采暖季·m2)，節熱率為9.52%。

3)改造前單位面積耗電量1.59 kW·h/m2，改造后單位面積耗電量為0.68 kW·h/m2，節電率為57.23%。

6 結論

1)通過本工程實踐，節能改造后其整個采暖季平均供回水溫度接近10 ℃，其值接近設計供回水溫度，故“大流量、小溫差運行”主要是由水力不平衡引起的。

2)換熱站主要的用電設備為循環水泵，減小循環水泵用電量的主要途徑是提供循環水泵的效率及管網平衡，達到“小流量，大溫差運行”。

3)理論節電率60.9%只是考慮循環泵功率在改造前后的節電率，實際節電率57.23%是整個熱力站用電量在節能改造前后的節電率，其理論節電率和實際節電率非常接近，說明熱力站主要的耗電設備為循環泵，同時也證明理論分析的正確性。

4)地暖低區和地暖高區的節熱量相差較大，主要原因是節熱率是一個不確定的參數，其與原供熱效果、運行方式、氣象參數等因素有關。