【论文精选】集中供热系统热力站优化设计

  作者：谭佩斯，常俊志，孙凯

 

　   第一作者单位：呼伦贝尔双良能源系统有限公司

 

　　1   概述

 

　　目前，以热电厂、大型区域锅炉房为热源的集中供热系统，在考虑一级管网水质和调节方式的前提下，大多在用户侧建设热力站，采用间接换热方式进行供热。热力站的优化设计成为保证供热质量、确保供热安全的前提，本文对集中供热系统热力站优化设计进行探讨。

 

　　2   热力站优化设计

 

　　2.1  热力站规模

 

　　根据我们近年来总结的经验，以单座热力站的供热面积宜控制在（5~10）×104 m2，供热半径不宜超过1 km为设计原则。此设计原则主要考虑以下因素。

 

　　若供热面积和供热半径过大，易影响二级管网水力工况，导致用户冷热不均。若出现水力失调，供热公司一般会加大循环泵流量，导致耗电量、用热量增大。水力失调也易使得末端用户大量放水，不仅影响热力站安全运行，还导致补水量增大。若供热面积和供热半径过小，易导致供热区域内热力站建设数量过多，热力站建设成本大幅提高，管理人员增多，运行管理费用增加。

 

　　2.2  换热机组生产安装方式

 

　　目前，换热机组主要有两种生产安装方式：一种为将板式换热器、水泵（包括循环泵、补水泵）等设备在生产车间组装成整装换热机组，然后运送到热力站内与站内预留口（一级管网、二级管网接口）对接，从而完成站内设备安装。另一种为将板式换热器、水泵等设备直接运送至热力站，在站内进行现场组装。

 

　　①整装换热机组

 

　　在兰州某集中供热项目中，热源锅炉房及热力站均由同一公司建设运营。由于兰州供暖室外计算温度为-9 ℃，属于非严寒地区，当供暖期间热力站内设备发生故障时，在发生冻害之前有足够的时间对设备进行检修更换，并考虑到热力站空间有限，换热机组选用整装换热机组。由于锅炉房为自建，有条件利用一级侧回水对二级管网进行补水，因此整装换热机组未设置补水箱、补水泵等，操作简单。该住宅小区热力站整装换热机组工艺流程见图1。

　　图1   该住宅小区热力站整装换热机组工艺流程

 

　　1.球阀 2.Y型过滤器 3.蝶阀 4.热量表 5.板式换热器 6.流量计 7.电动调节阀 8.软连接 9.循环泵 10.减压阀 11.电磁阀 12.安全阀

 

　　整装换热机组的主要优点为：节省空间，可以实现标准模块化设计，控制柜可直接安装在整装换热机组上，可提前进行接线调试，简化了调试环节。

 

　　整装换热机组的主要缺点为：循环泵、板式换热器未设置备用，当出现故障时，若维修更换不及时，会造成停热事故。若二级管网突然大量失水，易导致一级网压力剧烈波动，锅炉房热负荷剧烈变化。若锅炉房不能及时为二级管网补水并调整热负荷，也将造成停热事故。由于整装换热机组的操作空间有限，检修与维护非常困难。规模较大的整装换热机组运输与进站都比较困难，若现场未预留适应的运输通道，需要将整装换热机组进行现场二次拆分进站，增加了运输与安装成本。整装换热机组中的设备底座通常固定在槽钢上并连成一体，运行时容易形成共振，噪声大，影响设备使用寿命。控制柜直接安装在整装换热机组上，当机组发生泄漏时，容易产生事故。

 

　　②现场组装换热机组

 

　　在呼伦贝尔某供热项目中，热源为热电厂（非自建）。由于呼伦贝尔冬季室外温度低，供暖室外计算温度达-31.6 ℃，热力站必须考虑水泵与板式换热器的备用，防止设备出现故障时由于维修不及时而造成停热事故。由于热源为非自建，因此应在二级侧设置补水箱、补水泵，为二级管网注水用的注水管道（注水来自一级管网）作为备用补水手段。由于该热力站设备较多，若采用整装换热机组，换热机组尺寸过大，运输、安装难度非常大，维护检修也比较困难，因此最终选用现场组装换热机组。该住宅小区热力站现场组装换热机组工艺流程见图2。

　　图2   该住宅小区热力站现场组装换热机组工艺流程

 

　　1.球阀 2.蝶阀 3.旋流除污器 4.热量表 5.板式换热器 6.流量计 7.电动调节阀 8.止回阀 9.软连接 10.循环泵 11.安全阀 12.减压阀 13.过滤器 14.电磁阀 15.补水箱 16.补水泵

 

　　与整装换热机组相比，现场组装换热机组占地空间大，但对运输条件要求不高，进站容易。能够根据热力站内实际情况进行设计安装，主要设备分别配置单独的基础，不会形成共振，噪声小，后期维护检修方便。控制柜单独隔离设置，安全性得到了保证。

 

　　2.3  设备与管道附件的设计与选型

 

　　①除污器

 

　　图1中二级管网回水管道上安装Y型过滤器，其优点是占地空间小，安装拆卸方便，缺点是过滤面积有限，易发生堵塞，堵塞时过滤器前后会产生较大压差，此时需拆分清洗滤网。因此，Y型过滤器仅适用于热负荷较小的热力站，当热力站热负荷较大时需安装扩容式除污器如旋流除污器、篮式除污器等。图2中二级管网回水管设计选用的旋流除污器，相比Y型过滤器具有过滤面积大、过滤精度高、排污方便等优点，但由于设备尺寸比较大，难以直接安装在整装机组上，需现场安装。

 

　　②存在局部阻力的设备和管道附件

 

　　热力站内的阻力主要有两部分，一部分为热水流经管道时的沿程阻力，另一部分为热水经过板式换热器、阀门、弯头、三通等产生的局部阻力。其中局部阻力约占热力站内总阻力的80%以上，因此通过优化设备选型可大幅降低局部阻力，节约电能。

 

　　a.板式换热器

 

　　在进行板式换热器选型时，应计算板式换热器二次侧在设计工况下的允许最大压降，以防止出现板式换热器阻力过高的情况。

 

　　b.止回阀

 

　　为防止并联水泵之间出现循环短路现象，并联水泵（如图2中二级管网循环泵、补水泵）出口须安装止回阀。目前市场上的止回阀质量参差不齐，对止回阀的阻力影响较大。根据我们对近年来采购安装的止回阀总结的数据，质量好的止回阀阻力为1~3 m，质量差的阻力达5~10 m。因此，选用质量过关的止回阀，对降低站内局部阻力有很大帮助。

 

　　c.弯头

 

　　热力站内管道弯头宜选用长半径弯头，以降低局部阻力。以DN 200 mm管道为例，热水质量流量取110 t/h，流速取1 m/s，密度取980 kg/m3，计算长半径弯头、短半径弯头的局部阻力。局部阻力Δp的计算式为：

　　将已知参数代入式（1），可计算得到长半径弯头、短半径弯头的局部阻力分别为294、392 Pa。由计算结果可知，长半径弯头的局部阻力比短半径弯头更低。

 

　　d.三通

 

　　热力站内管道三通不采用直角三通，而采用45°斜接三通，两种三通见图3。

　　图3   直角三通与斜接三通

 

　　仍以DN 200 mm管道为例，计算两种三通形式的局部阻力，直角三通的局部阻力系数取1.5，45°斜接三通局部阻力系数取0.5，热水密度取980 kg/m3，热水流速取1 m/s。由式（1）可计算得到，直角三通、45°斜接三通的局部阻力分别为735、490 Pa。由计算结果可知，45°斜接三通的局部阻力比直角三通更低。

 

　　3   结语

 

　　在热力站设计过程中，设备的合理设计与选型对热力站后期的运行效果有至关重要的作用。在设备设计选型过程中，应根据使用环境、工况以及技术要求等，进行整体考虑与设计。热力站的阻力是设计中值得注意的内容之一，热力站内的管道设计与安装，应在保障空间合理的前提下尽可能减少大局部阻力管道附件的使用量，这样不仅可以降低造价，还可减小局部阻力。

【编辑：暖立方散热器网】