淺談混水直供供熱方式的運行特征及經(jīng)濟性

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混水直供供熱方式在集中供熱中發(fā)展較慢，其原因主要是早期缺乏熱網(wǎng)監(jiān)控設備的投入以及一次網(wǎng)高溫水對水質的要求較高等兩大方面。隨著供熱技術的發(fā)展及先進監(jiān)控設備在供熱系統(tǒng)中的應用，在一次網(wǎng)水溫不高的情況下（即管網(wǎng)直供與間供的過渡期），混水換熱直供方式也慢慢的找到自身的控制方式，同時體現(xiàn)了它獨特的二次網(wǎng)系統(tǒng)定壓方式——回水閥定壓，實現(xiàn)了它經(jīng)濟節(jié)能的優(yōu)越性。本文主要介紹本公司16座熱力站實現(xiàn)混水換熱直供方式過程中的運行特征及相對間接供熱方式的經(jīng)濟性。1.系統(tǒng)概括本公司的供熱系統(tǒng)是在熱電廠設置換熱首站作為熱源，以電廠凝汽器及尖峰加熱器生產(chǎn)的熱水作為介質向一次熱網(wǎng)輸送熱量，然后通過二次熱網(wǎng)將熱量輸送給熱用戶的系統(tǒng)。系統(tǒng)中二次網(wǎng)回水一部分通過混水循環(huán)泵作用混入一次網(wǎng)供水成為二次網(wǎng)供水，另一部分回水作為一次網(wǎng)回水返回一次總網(wǎng)，具體如圖1所示。受地勢的影響，此供熱系統(tǒng)采用了三種混水換熱方式：a.水泵旁通加壓，b.水泵回水加壓，c.水泵供水加壓；并在一次網(wǎng)供水中遠處設中繼加壓站，在一次網(wǎng)回水上設減壓站。a、水泵旁通加壓：混水泵設置在混水旁通管路上，利用水泵將二次網(wǎng)的一部分回水加壓打入一次網(wǎng)供水中混合加熱，形成二次網(wǎng)供水，二次網(wǎng)的另一部分回水作為一次網(wǎng)回水返回一次網(wǎng)回水總管；一次網(wǎng)供回水上設置調(diào)節(jié)閥，水泵采用變頻控制。此供熱方式適用于一次網(wǎng)供水的高中壓區(qū)。b、水泵回水加壓：混水泵設置在二次網(wǎng)回水總管上，利用水泵將二次網(wǎng)回水加壓，一部分回水受混水旁通管路上的調(diào)節(jié)閥或者一次網(wǎng)回水管路上調(diào)節(jié)閥（視水泵出口到一次網(wǎng)總回水與到二次網(wǎng)供水需增壓力相對大小定）支配流入一次網(wǎng)供水混合加熱，形成二次網(wǎng)供水，另一部分回水直接返回一次網(wǎng)回水總管；一次網(wǎng)供回水上設置調(diào)節(jié)閥，水泵采用變頻控制。此供熱方式適用于一次網(wǎng)供水的高壓區(qū)且地勢低洼處。c、水泵供水加壓：混水泵設置在二次網(wǎng)供水總管上，一次網(wǎng)回水調(diào)節(jié)閥將二次網(wǎng)回水壓力調(diào)節(jié)至滿足二次網(wǎng)系統(tǒng)靜壓，當一次網(wǎng)供水壓力高于二次網(wǎng)回水靜壓時，一次網(wǎng)供水側電動調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)流量的同時一次網(wǎng)供水閥后壓力與二次網(wǎng)回水靜壓相持平衡，利用水泵將二次網(wǎng)一部分回水及一次網(wǎng)供水同時吸入混合加熱，形成二次網(wǎng)供水，另一部分二次網(wǎng)回水直接返回一次網(wǎng)回水總管；一次網(wǎng)供水（或混水旁通）與一次網(wǎng)回水上設置調(diào)節(jié)閥，水泵采用變頻控制。此供熱方式適用于一次網(wǎng)供水的低壓區(qū)。（當一次網(wǎng)供水壓力低于二次網(wǎng)回水靜壓時，一次網(wǎng)側的電動調(diào)節(jié)閥移至混水旁通上，此電動調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)流量的同時混水旁通閥后壓力與一次網(wǎng)供水壓力相持平衡）2.運行特征受一次網(wǎng)壓力區(qū)域及地勢不同的影響，不同特征的供熱區(qū)域采用的不同混水直供供熱方式，其運行工況與水泵耗電量有所不同，但二次網(wǎng)的定壓方式、控制方式及系統(tǒng)穩(wěn)定性等都具有相同的特征。2.1 不同點：（1）二次網(wǎng)升壓點不同?；焖惫┑闹饕卣魇枪?jié)能，一次網(wǎng)與二次網(wǎng)直接連接混合，一次網(wǎng)的流動動能帶入二次網(wǎng)中，二次網(wǎng)可以利用一次網(wǎng)的動能作為自身的動能將熱水送往各熱用戶。以上三種供熱方式是根據(jù)一次網(wǎng)的壓力區(qū)域以及熱力站與主管道分支開口處的相對地勢高差而布置的。A）旁通加壓的混水方式，熱力站處在一次網(wǎng)高中壓區(qū)且熱力站房與主管道分支開口處的相對地勢高差較小的位置（圖2Ⅰ點），從壓力分析圖中可以看出此處一次網(wǎng)分支供回水壓差（30mH2O）足以滿足二次網(wǎng)的資用壓差，此處混水只需將二次網(wǎng)的部分回水強制混入一次網(wǎng)便可，所以在此供熱區(qū)域內(nèi)二次網(wǎng)升壓點在混水旁通上；B）回水加壓的混水方式，熱力站處在一次網(wǎng)高中壓區(qū)且站房與主管道分支開口處的相對地勢高差較大的位置（圖2Ⅱ點），從壓力分析圖中可以看出此處一次網(wǎng)分支供回水壓差（39mH2O）足以滿足二次網(wǎng)的資用壓差，但地勢相對分支開口處較低，要將分支回水送回主回水管，如果同時滿足相對地勢高差（9mH2O）、二次網(wǎng)自身防止高端倒空的回水靜壓、二次網(wǎng)資用壓差與此分支回水上的資用壓差，且當一次網(wǎng)總回水在該處的就地壓力比二次網(wǎng)的靜壓高時，還需考慮這兩者的壓力差，經(jīng)計算用于同時滿足這些條件的就地壓力已超出二次網(wǎng)散熱器最大承受壓力，為保證用戶系統(tǒng)的安全性，必須將一次網(wǎng)的供水壓力降至能滿足二次網(wǎng)安全運行的壓力，所以需在二次網(wǎng)總回水處設置加壓泵對二次網(wǎng)回水進行加壓，彌補一次網(wǎng)分支回水返回主管所需壓力的不足，同時也將二次網(wǎng)的一部分回水強制混入減壓后的一次網(wǎng)供水形成二次網(wǎng)供水（若受地勢高差的原因，一次網(wǎng)回水返回需要的壓力大于二次網(wǎng)供水壓力時，一次網(wǎng)回水上的電動調(diào)節(jié)閥移至混水旁通管道上控制混水量，此時混水旁通閥后壓力與二次網(wǎng)的供水壓力相持平衡，在二次網(wǎng)恒流量運行的工況下，二次網(wǎng)資用壓差不變，自然二次網(wǎng)的靜壓也就因為旁通調(diào)節(jié)閥的調(diào)整而相持穩(wěn)定），所以在此供熱區(qū)域內(nèi)其二次網(wǎng)升壓點在二次網(wǎng)的回水總管上；C）供水加壓的混水方式，熱力站處在一次網(wǎng)低壓區(qū)且站房與主管道分支開口處的相對地勢高差較小的位置（圖2Ⅲ點），從壓力分析圖中可以看到在一次網(wǎng)供回水本身的資用壓差（4mH2O）已不能滿足二次網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)阻力，同時熱力站地勢與分支開口處基本相當，或者熱力站地勢相對分支開口處過高，一次回水壓力不需克服太多的相對地勢高差，這樣只需用水泵對一次網(wǎng)供水加壓，拉大一次網(wǎng)供回水的資用壓差，使其滿足二次網(wǎng)的內(nèi)網(wǎng)阻力，同時也將一部分二次網(wǎng)回水吸入加壓達到二次網(wǎng)供水壓力，在此區(qū)域內(nèi)二次升壓點在二次網(wǎng)的供水總管上。受城市地勢的影響，還會有熱力站處在一次網(wǎng)低壓區(qū)且站房與主管道分支開口處的相對地勢高差較大的位置復雜地勢，可以采用稍復雜的混水方式，因本公司的混水供熱系統(tǒng)內(nèi)沒有相應的地勢及混水方式，在此暫不闡述。（2）耗量不同。因二次網(wǎng)升壓點不同，相同的二次網(wǎng)流量，水泵的做功不同，所以各混水方式的運行耗電量就不同。假設三個混水方式不同的熱力站，運行工況下水泵綜合效率均為0.7，且運行參數(shù)一樣：一次網(wǎng)來水流量為175t/h，經(jīng)混水加熱，混入175t/h的二次網(wǎng)回水，二次網(wǎng)流量為350t/h，二次網(wǎng)運行需要資用壓力為0.11MPa。經(jīng)計算采用旁通加壓式的混水方式的熱力站小時電耗量為7.5KWh；采用二次供水加壓式及二次回水加壓式的混水方式的熱力站小時電耗量為15KWh；2.2 共同點：（1）二次網(wǎng)定壓方式均采用一次網(wǎng)分支回水閥門進行定壓，也就是前文提到的回水閥定壓方式?；焖惫┕岱绞蕉尉W(wǎng)系統(tǒng)也需要定壓，因為各供熱小區(qū)的地勢高差不均，要保證二次網(wǎng)系統(tǒng)最高處不倒空，不同的地勢高差需要不同的靜壓力。此三種混水方式均是在各熱力站一次網(wǎng)分支回水處設置調(diào)節(jié)閥通過節(jié)流分擔一部分一次網(wǎng)分支的資用壓差，使二次網(wǎng)資用壓力保持在一次網(wǎng)分支壓力的較高段，同時滿足二網(wǎng)系統(tǒng)的靜壓。通常一次網(wǎng)供水上的電動調(diào)節(jié)閥是根據(jù)閥門全開且閥門前后壓差為0.1MPa時通過的最大流量來選定的，受各熱力站地勢高差不等的影響，大部分一次網(wǎng)分支供回水的資用壓差遠遠超過二次網(wǎng)的資用壓差加上0.1MPa，這樣必然造成閥門全開時通過流量過大，在調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供水溫度時，會因為閥門關得過小，而造成二次網(wǎng)供水壓力不足。因為一次網(wǎng)分支供回水的資用壓差（△P1資）需要由分支內(nèi)部阻力來消耗，若分支內(nèi)部阻力只有一次網(wǎng)供水的減壓閥和電動調(diào)節(jié)的阻力（△P1供）和二次網(wǎng)供回水的資用壓差（△P2資），這樣就可以得出三者的關系， 即  △P1資=△P1供+△P2資（1）那么，此時二次網(wǎng)回水壓力等于一次網(wǎng)回水壓力（如圖3C），在二次網(wǎng)資用壓差恒定（0.10MPa）的工況下（二次網(wǎng)恒流量控制），當一次網(wǎng)回水壓力（0.19MPa）偏低時，此分支供水上的減壓閥和電動調(diào)節(jié)閥需要承擔的阻力（△P1供）過大，從而造成二次供水壓力（0.29 MPa）不足，即二次網(wǎng)靜壓不足。為解決二次網(wǎng)靜壓不足這一問題，需在一次網(wǎng)回水上設置一個調(diào)節(jié)閥來分擔一部分一次網(wǎng)供回水的資用壓差。因為一次網(wǎng)分支供回水的資用壓差（△P1資）需要由分支內(nèi)部阻力來消耗，分支內(nèi)部阻力多了一次回水上調(diào)節(jié)閥的阻力（△P1回），這樣就可以得出四者的關系，即△P1資=△P1供+△P2資+△P1回（2）為保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在系統(tǒng)運行過程中△P1資與△P2資通常是恒定的。根據(jù)關系式（1-2）得知，可以通過調(diào)整△P1回的大小來改變△P1供的大小，從而達到調(diào)整二次網(wǎng)供回水壓力的目的，也就是二次網(wǎng)定壓，如圖3AB。從圖3AB可以看出，通過調(diào)整一次回水的調(diào)節(jié)閥可以給二次網(wǎng)系統(tǒng)持定不同的靜壓，而一次主網(wǎng)與二次網(wǎng)的運行工況相對穩(wěn)定，這就上面所說的回水閥定壓方式。在實踐中也是這樣的，在正常冷熱水1：1混合的工況下，受各站地勢條件影響，16個混水站中有8個站需關小一次網(wǎng)回水閥門，將壓力“憋”到二次網(wǎng)所需要的供水壓力；當冷熱水混合比大于1：1時，16個混水站均需要關小一次網(wǎng)回水閥門，將壓力“憋”到二次網(wǎng)所需要的供水壓力。（2）一次網(wǎng)與二次網(wǎng)供回水運行工況可以相對隔開，可以針對二次管網(wǎng)運行工況需要進行調(diào)節(jié)控制，而一次管網(wǎng)運行工況不存在明顯波動，系統(tǒng)穩(wěn)定。二次網(wǎng)運行工況調(diào)整一般是對供水溫度與供水壓力的調(diào)整。a供水壓力的調(diào)整也就是靜壓點的調(diào)整，主要利用一次網(wǎng)回水處的調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)，二次網(wǎng)系統(tǒng)靜壓點的調(diào)整值在一次網(wǎng)分支的資用壓力范圍內(nèi)進行（如圖3AB），不影響到一次網(wǎng)的其他分支；b供水溫度的調(diào)整主要是以一次網(wǎng)供水溫度質調(diào)節(jié)為主，調(diào)整一二次網(wǎng)的流量比為補充的形式。根據(jù)整個大管網(wǎng)的系統(tǒng)特征，混水方式可以有不同的流量混合比，當二次網(wǎng)與一次網(wǎng)的流量比值為2或者2以上時，以調(diào)整一二次網(wǎng)的流量比為補充的方式對二次網(wǎng)供水溫度進行調(diào)節(jié)時，一次網(wǎng)的流量變化很小，由此變化流量引起的一次主管網(wǎng)沿程壓損基本可以忽略，所以一次網(wǎng)很穩(wěn)定。（3）控制方式相同。a混水泵均參照二次網(wǎng)流量進行變頻恒流量控制：根據(jù)二次網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)的供熱面積及流量調(diào)配程度，在保證各樓各單元用戶熱水循環(huán)流通的情況下，通過變頻調(diào)節(jié)水泵出口流量，從而控制二次網(wǎng)的循環(huán)流量；b一次網(wǎng)供水側調(diào)節(jié)閥參照二次網(wǎng)供水溫度進行調(diào)節(jié)控制：因二次網(wǎng)流量恒定，一次網(wǎng)的流量直接影響二次供水溫度，可執(zhí)行定溫控制或溫度經(jīng)驗曲線控制等多種控制方式對二次網(wǎng)供水溫度進行調(diào)節(jié)控制；c一次網(wǎng)回水側調(diào)節(jié)閥參照二次網(wǎng)所需靜壓力進行恒壓控制：受一次網(wǎng)供水側調(diào)節(jié)閥對二次供溫的控制調(diào)節(jié)，二次網(wǎng)的供水壓力會跟隨發(fā)生變化，為保證二次網(wǎng)系統(tǒng)不倒空不超壓，一次網(wǎng)回水側的調(diào)節(jié)閥需作相應調(diào)節(jié)以保持二次網(wǎng)的回水壓力；d設置超壓泄水保護：因為供熱系統(tǒng)循環(huán)周期比較長，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)時間需要延長，當一次網(wǎng)出現(xiàn)異常情況時，設置電磁泄壓閥超壓泄水實時保護，以保證二次網(wǎng)系統(tǒng)安全性。3.經(jīng)濟分析3.1 初投資費用低因熱力站工藝結構上沒有換熱器，加上它自身獨特的定壓方式—回水閥門定壓，混水熱力站節(jié)省換熱器及變頻補水定壓方式所需的管件與設備的投資；另外由于設備占地面積少，加上采用無人值守，熱力站土建造價明顯下降，所以混水直供熱力站相對于間接供熱造價明顯低。假設一個8萬平米的混水直供熱力站，其初投資相對于間接供熱換熱站大體估價如下頁簡表。就本系統(tǒng)05-06年供熱面積為105萬平米，一共組建16個混水熱力站，建站規(guī)模平均按8萬平米供熱能力計算，外網(wǎng)混水直供熱力站相對于間接供熱熱力站節(jié)省初投資192萬元。3.2 運行成本低（1）一次網(wǎng)供熱系統(tǒng)流量分配圖：（2）混水直供與間接供熱一次網(wǎng)循環(huán)泵用電功率比較：（3）混水直供二次管網(wǎng)各熱力站水泵用電功率：（一次網(wǎng)水量：二次網(wǎng)水量=1：2）（4）運行電費比較：從以上計算表格看，本混水直供供熱系統(tǒng)運行成本在冷熱水1：1混合的運行模式下相對于間接供熱是經(jīng)濟的。3.3 熱損耗較小，維護費用低從直觀上看混水直供供熱方式?jīng)]有換熱器，相對間接供熱方式可減少換熱器的散熱損失，所以混水直供相對于間接供熱熱利用率更高；混水直供熱力站沒有換熱器，在檢修期間相對間接供熱方式節(jié)省大量的維護費用，間接供熱各小區(qū)熱力站的換熱器通常每隔一兩年都需要做定期的除垢清洗，特別是板式換熱器流道間隙窄，容易結垢，換熱板間嚴密性要求高，密封墊在拆裝過程中容易損壞，這樣造成熱力站維修成本的增加，經(jīng)測算平均每年單臺換熱器維護費用為2500元，16個換熱站32臺換熱器平均年維修費用為8萬元。4.結 論通過闡述本公司混水直供供熱系統(tǒng)的運行特征及相對間接供熱方式的經(jīng)濟比較分析，可以看到通過利用熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實施無人值守自動監(jiān)控，可實現(xiàn)與間接供熱方式相同的多種控制功能，供熱系統(tǒng)穩(wěn)定，供熱效果良好；另外混水直供供熱方式工藝結構簡潔及二次網(wǎng)靜壓定壓方式獨特—回水閥門定壓方式，使供熱方式在建設初投資、運行費用、維護費等均有優(yōu)于傳統(tǒng)的間接供熱方式。本供熱系統(tǒng)供熱面積為105萬平米，實施混水直供供熱方式平均散熱量0.55GJ/（年•m2），通過采用北京碩人時代熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，部分站點實施定溫控制平均散熱量0.4～0.5GJ/（年•m2），供暖期為140天，熱力公司單方面考慮，此外網(wǎng)系統(tǒng)相對間接供熱方式年運行費用節(jié)省35萬元，初投資節(jié)省192萬元，節(jié)省維護費用8萬元。