北京赛车计划网:【原創論文六】| 新型直接連接供熱系統節能應用分析

日期: 2019-03-11
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北京pk计划软件手机免费版 www.mdnzn.icu 吉林市熱力集團有限公司? 黃建利

北京天時前程自動化工程技術有限公司 陳璽

【摘要】目前,直接連接供熱方式因其結構簡單、運行可靠、投資少、維護費用低等諸多優點,仍在不同規模的供熱系統中大量使用。隨著高層建筑在城市建設中的大量涌現,形成了高層建筑與多層建筑共存的局面。面對這種局面,傳統直供系統的適應性正經受著嚴峻的考驗,其所暴露出的一些問題——如系統定壓問題、耗電量大等,加大了供熱系統的運行難度和運營成本。針對這些問題,提出了一種“新型直接連接供熱系統”模型,以EMC(合同能源管理)的運營模式運行。該模式在吉林市熱力集團部分熱力站新工藝改造中進行了實踐。經過幾個供暖季的實際運行,證明新型直接連接供熱系統運行安全、穩定可靠,并取得了可觀的節能效益。

【關鍵詞】直接連接? ?工藝改進? ?合同能源管理

一、前言

建筑能耗是城市總體能源消費的重要組成部分。據統計,我國建筑的總能耗大約占全部能源消費總量的20%,而北方城鎮采暖能源消耗又占建筑物總能耗的22.5%以【1】。因此,減少建筑能耗對國家的節能減排具有重大意義。

吉林市熱力集團有限公司(以下稱吉林熱力)由多個熱電聯產熱源聯網供熱,管網主干線、支線總長度93公里,戶線總長度76公里,庭院管網878公里。熱力站432座(包含5座中繼泵站),均采用直接連接系統供熱(以下稱直接供熱)。目前總供熱面積2300萬平方米。

2014年,吉林熱力與北京天時前程自動化工程技術有限公司共同對原有直供系統的工藝進行了深入的研究探討,開發出新型直接連接供熱系統(以下稱新系統)工藝,并對部分熱力站進行了實驗改造,實驗結果達到了預期的優化和節能的目的。隨后,雙方以EMC(合同能源管理)方式進行合作,將吉林熱力146座熱力站逐步改造成新系統。新系統經過三個采暖期的實際運行,取得了良好的節能效果。

二、常規直接供熱系統工藝

與間接供熱系統相比,直接供熱系統因為省去了換熱器,膨脹水箱、水處理及補水系統等設備,所以工藝布置結構緊湊、占地面積小,大大降低了工程初投資和系統維護費用。

然而,通過對直接供熱系統多年運行參數進行統計分析,其結果反映出常規直接供熱系統在工藝和應用上均存在問題。即由于城市供熱規模不斷擴大,熱源能力又不能同步擴大,因此造成熱網水力工況的逐年惡化——中遠端熱力站分布壓頭經常處于臨界狀態或負壓差狀態;同時,直接供熱系統簡單可靠的優勢逐漸被較高的水泵電耗、管路流量損失和壓頭損失等突出的問題所削弱,加大了生產調度和運行管理的難度,直接導致系統整體能耗加大。

為了更好地剖析這些問題,以下就目前常用的直接連接供熱系統——循環加壓泵入口混水系統工藝進行分析。

泵前混水直供系統是將高溫供水與低溫回水混合后,通過循環加壓泵直接輸送給用戶的供熱方式(見圖1)。一般情況下,泵前混水系統針對一種確定的水利工況,具有明顯的節能優勢。但是,當同一供熱范圍內多環路高層建筑與單環路多層建筑共存時,由于建筑的功能、高度、熱力站標高、室內系統分環的不同,形成了在同一供熱范圍內多種水力工況共存的情況。經典連接方式的泵前混水系統已經無法適應當前復雜的水利工況,甚至是顧此失彼,運行效果明顯變差。

【原創論文六】| 新型直接連接供熱系統節能應用分析


圖1 水泵入口傳統混水直供工藝流程圖

三、新型直接連接供熱系統工藝與智能控制原理

供熱節能一般分為兩個部分:降低熱耗和降低電耗。隨著技術、產品的進步和供熱自動化應用水平的提高,無論是直接連接還是間接連接的供熱系統中的無效熱耗基本都得到了有效的控制;而在降低電耗的技術和應用方面還存在很大的提升空間。

熱力站內電能消耗設備主要是各類水泵,根據吉林熱力現場能耗分析,水泵的耗電量占整個熱力站運行電耗的95%以上。傳統的節能方法是選擇高效水泵以及配置變頻器來實現初級的節能效果。探索從工藝改進和革新設備的方法是降低換熱站電耗的創新思路。本文介紹的新系統正是通過調整工藝思想和加裝智能化調節設備的方式,降低換熱站電耗的創新模式,實現最大化節電的目的。

(一)新型直接連接供熱系統工藝介紹

在傳統的直接連接供熱系統中,循環加壓泵和混合泵的設計選型,不僅要滿足特定工況參數,保證熱網高溫側提供的分布壓頭大于或等于低溫側需用壓頭,還要滿足實現低溫側定流量調節即時變化的混合比。當出現熱網高溫側的分布壓頭小于低溫側需用壓頭,甚至是產生負壓頭的不正常工況時,就必須通過調整循環泵和混合泵的參數組合來改善工況。在這種情況下,循環泵和混合泵的運行參數(流量、揚程、功率)將比按正常工況選定的水泵參數產生較大偏差。

僅從吉林市2016-2017采暖期室外平均氣溫在(-19℃~16℃)范圍內波動的折線圖(見圖2)中可以看出,水泵在運行期內的大部分時間里,實際運行參數遠高于系統需要的參數,造成水泵的實際工作點遠偏離高效區間,因此實際運行的高電耗也就無法避免。另一方面,傳統直接連接供熱系統的定壓方式不同于間接連接供熱系統的一站一定壓方式,而是對于全部熱力站由熱源統一定壓;隨著熱網運行參數的變化,低溫側的絕對壓頭和分布壓頭時時大幅度地變化,低溫側的運行工況必然大幅波動,直接影響了供熱效果。

新型直接連接供熱系統的高溫循環泵與低溫循環泵的配置方案見圖3。由于采用了革新的工藝,使得絕對壓頭和分布壓頭的變化幅度都降低到很小的區間,獲得了水力工況的高穩定性,使供熱效果得到大幅度提升。

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圖2 2016-2017采暖期吉林市室外平均氣溫

通過歷史數據分析,發現原系統對熱耗的控制很好,但電耗較大,尤其在高層建筑的系統中尤為明顯。新系統(見圖3)的工藝革新之處是將泵前混水改為泵后混水,混合點高溫側的水泵(稱高溫循環泵)實現了高溫側(邏輯)循環、調整分布壓頭、控制混合溫度以及對混合點后低溫側實現獨立定壓等多項功能。原混合泵(稱低溫循環泵)實現了混合點后低溫側(邏輯)循環、控制混合溫度及分布壓頭等多項功能,在回水管路配置的電動調節閥與高溫循環泵配合實現高溫側(邏輯)循環。按改進后的新型直接連接供熱方案,經計算選型后的兩類水泵的總功率明顯低于改進前兩類水泵的總功率。

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圖3 改進型直供系統工藝流程圖

下面是以3萬平方米及8萬平方米熱力站改造為例的設備選型結果及節能效果。

(見圖4、表1、表2及表3)

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圖4 計算圖示


表1? 3萬平方米熱力站設備選型計算表

系統

供熱面積

計算熱指標

計算熱負荷

二次供溫

二次回溫

定壓比熱

計算流量

一次供溫

一次回溫

混合系數

熱網流量

混合流量

S

q

Q

tg2

th2

Cp

Gxh

tg

th

u

G1

Ghh

m2

W/m2

kW

oC

oC

J/kgoC

m3/h

oC

oC

0

m3/h

m3/h

低區

16000

55

880

55

40

4179

50.54

90

40

2.33

15.16

35.38

中區

7000

55

385

55

40

4179

22.11

90

40

2.33

6.63

15.48

高區

7000

55

385

55

40

4179

22.11

90

40

2.33

6.63

15.48

表2? 8萬供熱面積熱力站設備參數對比表

水泵

型號

功率(kW

揚程(m

流量(m3/h

改造前循環泵

KQL/250/345/4

55

37

460

改造后高溫循環泵加壓泵

TD ?80-38/2SWHCJ

15

38

80

改造后低溫循環泵

TD ?200-18/4SWHCB

22

18

300

表3? 單站節約電量對比表

桃北家園

年度

2015-2016采暖期[l1]?未改造數據

2016-2017采暖期改造后數據[陳2]?

供熱面積(㎡)

56581.91 ?

57293.59 ?

動力電量kWh

145987.00 ?

89592.00 ?

單位面積耗電量(kWh/㎡)

2.58 ?

1.56 ?

節約電量百分比

39%



通過以上數據分析得出結論:由于新工藝的改造,提升了熱力站自動化控制水平,較大幅度地節約了電能消耗。

(二)新型直接連接供熱系統智能控制原理

為了使改進后的工藝流程發揮更加精細的自動化控制效果,分別在熱力站低區、中區、高區等一次網設置了供、回水壓力和供、回水溫度監測,高溫側供、回水流量計量、高溫循環泵、低溫循環泵頻率反饋和電動調節閥開度反饋等測點,同時在二次網設置了供、回水壓力監測和供、回水溫度監測等測點。根據以上測點獲取的數據,提出以下控制方案:

1、對一次回水電動調節閥的控制

一次回水電動調節閥的主要作用是調節一次水的供水量。調節閥的調節必須首先考慮整個熱網的水力工況,保證熱網的穩定性;由調度人員根據天氣變化以及各站情況設定調度范圍(最大調節量與最小調節量),調節不可過頻、過大,應以低頻率、小幅度進行調節。

為實現閉環控制,可以采取下述三種運行方式。這三種方式各有優缺點,調度人員可以根據不同的實際情況和控制目標,酌情選定:

(1)一次回水溫度閉環控制:其缺點是由于二次水溫的反作用,反饋較滯后,所以調節達到系統穩態的速度慢;優點是利于全網調度和水力平衡,對整個供熱系統的穩定運行有好處。

(2)二次供水溫度閉環控制:其優點是調節達到系統穩態的速度快;缺點是只能反映供熱量的增減,不能完全反映用戶的供熱效果,對大網的穩定運行不利。

(3)一次總供熱量閉環控制:其優點是調節達到系統穩態速度快,可以反映出用戶的供熱效果,對大網穩定運行有好處,是集中供熱系統控制模式的發展方向。

2、對二次循環泵的控制

熱力站二次側控制的目標,是通過調整變頻器輸出頻率來控制二次循環泵的轉速,從而實現二次網水力平衡。建議采用模擬量方式進行控制,以提高控制靈敏度,便于針對現場工況做出及時響應。反饋方式可以采用RS485通訊方式采集變頻器的運行狀態,為運行分析提供數據支持。

熱力站二次側控制的要點是在保證二次水力平衡的前提下,盡量減少循環水量,以減少水耗、電耗、熱耗。理論上控制點放在末端樓座的入口處最為理想,但考慮到其實施的可行性較差,故將其放置在熱力站二次網出口處,即以二次水的供回水壓差為控制目標。

熱力站二次側控制的方法是本地或遠程設定供回水壓差,對二次循環泵采取恒壓差控制,以供回水壓差為依據進行同步調節。

3、對二次網定壓的控制

采用高溫循環泵控制二次網定壓,為了避免在運行過程中出現意外事故,自控系統增加了以下?;すδ埽?/span>

(1)啟動(包括斷電再啟動)過程處理程序:由于傳統混供方式如混水后的壓力過高,可能導致用戶側超壓,發生二次管線爆裂。所以,新型混供方式在啟動階段采用了分階段逐級升壓的方法,就是逐漸地升高混水后壓力,這樣可以保證系統壓力的平衡,避免事故發生。

(2)壓力超限處理程序:由于外網的壓力波動會影響混水后壓力的劇烈變化。當混水后壓力超限時,必須降低二次網出口的壓力,同時增大混水閥和回水閥的開度。

(3)供水壓力超低限及空管處理程序:系統實時監測供水壓力,如果供水壓力低于下限,則自動判斷為供水空管。此時,如果仍將變頻器與混后壓力進行閉環控制,會使電機高速運行,容易導致泵的損壞。所以,在這種情況下,控制器會改變為開環控制,以最低?;て德試誦?,同時增大混水閥開度,保證二次循環的供水量。當供水壓力恢復正常后,系統自動將變頻器與混后壓力設定為閉環控制。整個控制過程無需人為干預。

保證供熱管網的安全穩定是供熱生產首要考慮的任務。當網內供熱不足、供水溫度達不到要求時,要有相應措施保證供熱管網的穩定??刂葡低騁芄恢鞫種聘髡菊?,保證全網壓力平衡不被破壞,末端不能空管。通過控制系統設置熱力站流量高限參數,當站內流量達到高限時,即使混后溫度達不到設定值,站內供水流量也不再增加;當供水溫度增高,流量下降到高限以下時,系統自動恢復溫度控制。

四、節能效果

通過2014-2017年持續改造,根據雙方合同結算數據,項目取得了明顯的節能效果。

2014-2015采暖期(2月-4月),新系統投入運行15座熱力站。改造后與前一年同期相比平均節能48%,節省79.2萬千瓦時電量,折算標準煤年節能量319.97tce/a。

2015-2016采暖期,新系統增加投入運行102座熱力站。改造后與前一年同期相比平均節能44.03%,節省744.7萬千瓦時電量。全部熱力站節省901.6萬千瓦時電量,折算標準煤年節能量3642.46tce/a。

2016-2017采暖期,新系統又新增投入運行43座熱力站。改造后與前一年同期相比平均節能32.36%,節省161萬千瓦時電量。全部熱力站節省922.75萬千瓦時電量,折算標準煤年節能量3727.91tce/a。

截至2018年4月,吉林市熱力集團有限公司分三期共投入新系統運行的熱力站160座,所有改造后站點年平均節能率達到38.15%,累計節省1903.55萬千瓦時電量,折算標準煤累計節能量7690.34tce。

注:為便于對比,以上節能量系數按國家統計局電力折算標準煤系數0.404kgce/kWh計算,節能量=電量*0.404kgce/kWh·a;電量數據來源歷年吉林熱力效益結算表。

五、結論

新型直接連接供熱系統的創新工藝經過三年的實踐證明:新系統克服了原直接連接系統在新工況下的安全性、穩定性和經濟性不斷變差的缺點。與傳統工藝相比,節能效果顯著,系統的自動化程度、安全性、穩定性和經濟性普遍提高。使直接連接這種簡單、可靠、占地面積小、初投資小的經典換熱站連接形式舊貌換新顏,在當前熱網新的水力工況下實現了安全、穩定、經濟的運行,成為城市集中供熱系統建設方案的一個優化的新選擇。這將會為供熱企業的節能減排做出有益的貢獻。


參考文獻:

【1】《中國建筑能耗研究報告(2017)》? 中國建筑節能協會


原論文發表在《區域供熱》2018.6期 P64-P68,文章題為《新型直接連接供熱系統節能應用分析》

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