换热站节能改造技术研究

翟率名， 田玉卓

（石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043）

0 引言

集中供热已成为现代化城镇的基础设施之一，是城镇公共事业的重要组成部分。对城市集中供热的要求不仅仅是规模的不断增大，而是供热管网的运行更具有合理性和经济性，特别是对供热系统的能源利用率和供热品质提出了更高的要求。在集中供热方式中，间接供热系统所占的比例越来越大。对于间接供热系统，换热站是热源和热用户的连接场所，它的作用是依据热网工况和热用户的需求，将热网输送的热媒进行调节、转换，从而满足用户的供热需求。一个城市中通常会有几个供热管网区域，而一个供热管网区域会有几个、几十个甚至上百个换热站，换热站作为中间环节，其运行状况的好坏直接关系到供热管网的水力及热力工况。如何随时了解换热站的工作状况及相关设备的运行状态，并根据这些信息及室外温度的变化对换热站进行及时有效的调节，使得集中供热管网处于最佳的运行状态，进而获得良好的经济效益、环境效益及社会效益，这是供热企业和热用户所共同追求的目标。

1 换热站的构成

1．1 传统换热站的工作原理

传统的换热站是采用人工调控的非自动控制系统，一般由换热器、循环水泵、补水泵、补水箱及各种阀门等组成，如图1所示。

图1 传统换热站工作原理图

传统换热站普遍存在的问题是：换热站内管理人员凭经验进行调节控制，造成能源的浪费，供暖效率不高；供热管网的水力失调和热力失调难以克服，近远端用户冷热不均，常常不能满足热用户的需求；水泵耗电量大，运行成本高；无法实现对二次网供回温度的调节控制；管理人员难以及时发现事故隐患，易造成设备损坏；各个热力站之间往往独立运行，不能达到供热系统的整体最佳运行状态。

1．2 智能控制换热站的工作原理

智能控制换热站采用先进的测控技术和通信技术，对供热管网的温度、流量、压力、阀门开关量等进行监控、调节及远传至中心管理系统。智能控制换热站由换热器、循环水泵、补水泵、气候补偿器及调节阀等组成，利用传感器对温度、流量、压力等热工参量进行测量，实现实时采集和处理各种数据，并通过恰当的控制算法对热工参量进行控制，实现以“安全、节能、舒适”为目标的供热过程。智能控制换热站的工作原理如图2所示。

图2 智能控制换热站工作原理图

从图2可以看出智能控制换热站主要采用的节能技术措施为：二次网供水温度气候补偿调节；利用变频循环水泵对二次网进行变流量调节，尽量减少了建筑入口处调节阀的节流作用造成的能量损耗；实时监测一次网和二次网的供回水的温度、压力等；总体上，实现按需供热，最大限度节能运行。

2 二次网供回水温度调节

气候补偿器作为一种供热调节的智能控制装置，其调节的目的是使供热系统的供热量随着室外温度的变化而变化，从而实现按需供热，保证用户室内温度满足热舒适度的要求。依据气候补偿器内预先设定的调节参数，调节换热站一次网侧电动调节阀的开度，使得一次网的热媒流量增大或减小，实现二次网侧供水温度的调节，如图3所示。

图3 二次供水温度调节原理图

2．1 不同室外温度对应热用户侧供回水温度理论值

令运行调节时相应某一室外温度下供暖热负荷与供暖设计热负荷之比，称为相对供暖热负荷比¯Q，而称其流量之比为相对流量比。散热器热水供暖系统供热调节的基本公式如下［1］

二次网侧的运行调节按照质调节进行处理，即¯G＝1，将此条件代入公式（1）中可得二次网侧供水温度、回水温度的计算公式

在室内计算温度tn和室外计算温度t′w为定值的前提下，将公式（1）和公式（2）联立可以得到任意室外温度所对应的二次网供水温度设定值，并以此设定值为调节目标来调节换热器一次网侧电动调节阀的开度。以石家庄为例，室内外计算温度分别为18℃和－6．2℃，二次网侧供回水温度设计值分别为75℃、50℃，依据公式（2）得到的二次网侧供水温度随室外温度的变化曲线如图4所示。

图4 二次网供水温度理论调节曲线

2．2 不同室外温度对应热用户侧供水温度经验值

在小区换热站实际运行中往往最高供水温度值也达不到设计值，同时考虑到冬季室内温度波动的大小主要取决于建筑物的围护结构，围护结构对室外温度波动产生衰减作用，使室内温度的波动曲线趋于平缓，并且冬季室内外平均温差比室外温度的日波动值要大［2］。因此，当室外温度在某个小范围内波动时，室内温度可以近似作为定值处理，即在此范围内不用改变二次网侧供水温度设定值。综合以上考虑，气候补偿器对二次侧供水温度设定值采用室外温度补偿经验法，经验调节表如表1所示。

2．3 一次网侧电动调节阀开度调节

为了使二次网侧供水温度达到预先设定值，需要对换热器一次网侧电动调节阀的开度进行相应的改变。同时考虑到供热管网自控系统的运行长短问题，一般来说，电动调节阀的使用寿命只有20～30万次，当动作行程大于5%时就可以视为一次，如果不重视阀门的使用寿命，有可能导致自控系统运行两年便会出现严重问题［3］。因此对于电动调节阀的开度调节也常采用经验调节法，如表2所示。

表1 二次供水温度经验调节表

表2 电动调节阀开度的经验调节表

3 热用户侧变流量调节

在供热管网中，循环水泵是负责输配热能的主要设备，同时保证水循环系统具有一定的供回水压差，其耗电大小和供热管网的运行成本有密切联系。减少输配能耗最有效的方法是采用变流量系统，使得循环水泵的供水量随着供暖用户的热负荷的变化而变化，达到按需供热、节能运行的目的。为了实现循环水泵的变流量调节，集中供热管网系统的结构形式需要做适当的调整，也就是说采用双级泵系统，即将热源循环泵与热用户侧循环泵分开。

3．1 循环水泵变流量调节原理

实现热用户侧变流量调节，最主要问题是循环水泵的变转速技术。利用变频调速器对水泵电机进行调速，使得供热管网内的流量、压力与实际要求一致。理论上水泵变频调速符合水泵相似定律，即水泵的流量、扬程和轴功率均与水泵的叶轮转速之间存在着一定的比例关系

式中，n为电机转速；f 为电动机工作电源频率；s为电机转差率；p 为电机磁极对数。

变频调速过程中，电动机的转差率较小并且转差损耗小，可以不考虑其变化对电动机转速的影响，因此从式（5）中可以看出，当极对数一定时，通过改变电源频率，可以实现对交流电机的调速。公式（4）中可看出，水泵变频调速时，轴功率的变化量远比水泵的扬程、流量的变化量大的多，从而降低运输能耗。

3．2 循环水泵变流量的控制方式

仅仅使用变频器还不能完全实现循环水泵的变流量调节，必须对其控制方式进行研究，才能达到换热站的节电运行及智能化自动控制。循环水泵变流量控制方式采用压差控制，压差控制的实现是在最不利环路末端或者二次网侧供回水干管之间安装压差传感器，通过压差传感器传送的信号，来调节热用户侧水泵的循环流量［4］。压差控制原理如图5所示。

图5 压差控制原理图

压差设定值是用来保证最不利用户具有足够的资用压头。二次网供回水干管压差控制方式是通过变频器改变转速来维持循环水泵进出口压差恒定即保持循环水泵扬程恒定，因此该方式的压差设定值为设计工况下循环水泵的扬程。最不利环路末端压差控制的设定值为设计工况下最不利环路处热用户的资用压差。

3．3 如何确定合适的压差设定值

对于室外热水网路，热用户资用压差是指热网提供给该用户室内系统可能消耗的最大压力。不论采用何种压差控制方式，压差设定值的大小取决于二次网侧循环水泵的扬程值。只有先确定循环水泵的最佳循环流量和最佳扬程值，才能获得合适的压差设定值。

二次网变流量运行时，供热管网采用双级泵系统。但在循环泵选型时，循环流量仍为设计流量，只是扬程的选择不同，热源循环泵的扬程只考虑热源部分的阻力，热用户侧循环泵扬程包括管网和用户的阻力。

热用户侧循环泵的扬程按下式计算

式中，H 为循环水泵的扬程（Pa）；H1为热水网路供回水管的压力损失（Pa）；H2为主干线末端热用户系统的压力损失（Pa）；S 为二次侧管网的管段阻力特性系数（Pa／（kg·h）2）；G 为二次侧循环水泵的流量（kg／h）。

热用户侧循环水泵的设计流量为

式中，Q′为建筑物的供暖设计热负荷（W）；G′为设计循环流量（kg／h）；t′g，t′h为设计供回水温度（℃）；qf为建筑物供暖面积热指标（W／m2）；F 为建筑物供暖面积（m2）。

在供热管网运行期间，室内供暖单管和双管系统的最佳循环流量分别是由以下公式确定［5］

式中，¯G 为二次网侧循环水泵的最佳流量与设计流量之比（%）；t′n、tn分别为设计室内温度和实际室内温度（℃）；t′w、tw分别为设计室外温度和实际室外温度（℃）；B 为散热器的传热指数，对于常用散热器B＝0．14～0．37。

联立公式（7）、（8）、（9）或（10）得最佳循环流量G 为

由公式（6）及（11）可以得到某室外温度所对应的循环水泵最佳流量和最佳扬程值，从而确定合适的压差设定值。例如石家庄某小区采用室内双管供暖系统，供暖面积为10万m2，面积热指标为35 W／m2，设计供回水温度是75℃／50℃，室内外设计温度分别为18℃、－6．2℃，设计循环流量为1．2×105kg／h，当室内外实际温度分别为18℃、4℃时为0．833，则最佳循环流量为1×105kg／h，此时实际轴功率是设计状况下的57．8%，大概节约40%的电能。

4 结论

从图4中可以看出，室外温度的变化对二次供水温度影响较大，存在很大的节能空间。但从实际出发，二次网侧供水温度采用经验调节来避免实时调节可能造成的阀门损坏。利用室内供暖系统的最佳循环流量及循环水泵最佳扬程值来确定适宜的压差设定值，将此压差设定值作为调节目标来实现热用户侧循环流量按需调节。当实际热负荷为设计热负荷的60%，实际轴功率是设计工况下轴功率的21．6%，使得输送单位循环水量的耗电量减少，实现供热管网的整体上节能运行。

［1］田玉卓，闫全英，赵秉文．供热工程［M］．北京：中国建筑工业出版社，2008．

［2］彦启森，赵庆珠．建筑热过程［M］．北京：中国建筑工业出版社，1996：19－20．

［3］李金．城市集中供暖系统节能及换热站控制系统的设计［D］．西安，西安建筑科技大学信息与控制工程学院，2011．

［4］王晓梅．室外变流量热网运行调节与控制策略的研究［D］．山东，山东建筑大学热能工程学院，2007．

［5］石兆玉．实施计量技术后供热系统的控制决策［J］．区域供热，2012，30（5）：1－7．