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【原创论文六】| 新型直接连接供热系统节能应用分析

日期: 2019-03-11
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吉林市热力集团有限公司  黄建利

北京天时前程自动化工程技术有限公司 陈玺

【摘要】目前,直接连接供热方式因其结构简单、运行可靠、投资少、维护费用低等诸多优点,仍在不同规模的供热系统中大量使用。随着高层建筑在城市建设中的大量涌现,形成了高层建筑与多层建筑共存的局面。面对这种局面,传统直供系统的适应性正经受着严峻的考验,其所暴露出的一些问题——如系统定压问题、耗电量大等,加大了供热系统的运行难度和运营成本。针对这些问题,提出了一种“新型直接连接供热系统”模型,以EMC(合同能源管理)的运营模式运行。该模式在吉林市热力集团部分热力站新工艺改造中进行了实践。经过几个供暖季的实际运行,证明新型直接连接供热系统运行安全、稳定可靠,并取得了可观的节能效益。

【关键词】直接连接   工艺改进   合同能源管理

一、前言

建筑能耗是城市总体能源消费的重要组成部分。据统计,我国建筑的总能耗大约占全部能源消费总量的20%,而北方城镇采暖能源消耗又占建筑物总能耗的22.5%以【1】。因此,减少建筑能耗对国家的节能减排具有重大意义。

吉林市热力集团有限公司(以下称吉林热力)由多个热电联产热源联网供热,管网主干线、支线总长度93公里,户线总长度76公里,庭院管网878公里。热力站432座(包含5座中继泵站),均采用直接连接系统供热(以下称直接供热)。目前总供热面积2300万平方米。

2014年,吉林热力与北京天时前程自动化工程技术有限公司共同对原有直供系统的工艺进行了深入的研究探讨,开发出新型直接连接供热系统(以下称新系统)工艺,并对部分热力站进行了实验改造,实验结果达到了预期的优化和节能的目的。随后,双方以EMC(合同能源管理)方式进行合作,将吉林热力146座热力站逐步改造成新系统。新系统经过三个采暖期的实际运行,取得了良好的节能效果。

二、常规直接供热系统工艺

与间接供热系统相比,直接供热系统因为省去了换热器,膨胀水箱、水处理及补水系统等设备,所以工艺布置结构紧凑、占地面积小,大大降低了工程初投资和系统维护费用。

然而,通过对直接供热系统多年运行参数进行统计分析,其结果反映出常规直接供热系统在工艺和应用上均存在问题。即由于城市供热规模不断扩大,热源能力又不能同步扩大,因此造成热网水力工况的逐年恶化——中远端热力站分布压头经常处于临界状态或负压差状态;同时,直接供热系统简单可靠的优势逐渐被较高的水泵电耗、管路流量损失和压头损失等突出的问题所削弱,加大了生产调度和运行管理的难度,直接导致系统整体能耗加大。

为了更好地剖析这些问题,以下就目前常用的直接连接供热系统——循环加压泵入口混水系统工艺进行分析。

泵前混水直供系统是将高温供水与低温回水混合后,通过循环加压泵直接输送给用户的供热方式(见图1)。一般情况下,泵前混水系统针对一种确定的水利工况,具有明显的节能优势。但是,当同一供热范围内多环路高层建筑与单环路多层建筑共存时,由于建筑的功能、高度、热力站标高、室内系统分环的不同,形成了在同一供热范围内多种水力工况共存的情况。经典连接方式的泵前混水系统已经无法适应当前复杂的水利工况,甚至是顾此失彼,运行效果明显变差。

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图1 水泵入口传统混水直供工艺流程图

三、新型直接连接供热系统工艺与智能控制原理

供热节能一般分为两个部分:降低热耗和降低电耗。随着技术、产品的进步和供热自动化应用水平的提高,无论是直接连接还是间接连接的供热系统中的无效热耗基本都得到了有效的控制;而在降低电耗的技术和应用方面还存在很大的提升空间。

热力站内电能消耗设备主要是各类水泵,根据吉林热力现场能耗分析,水泵的耗电量占整个热力站运行电耗的95%以上。传统的节能方法是选择高效水泵以及配置变频器来实现初级的节能效果。探索从工艺改进和革新设备的方法是降低换热站电耗的创新思路。本文介绍的新系统正是通过调整工艺思想和加装智能化调节设备的方式,降低换热站电耗的创新模式,实现最大化节电的目的。

(一)新型直接连接供热系统工艺介绍

在传统的直接连接供热系统中,循环加压泵和混合泵的设计选型,不仅要满足特定工况参数,保证热网高温侧提供的分布压头大于或等于低温侧需用压头,还要满足实现低温侧定流量调节即时变化的混合比。当出现热网高温侧的分布压头小于低温侧需用压头,甚至是产生负压头的不正常工况时,就必须通过调整循环泵和混合泵的参数组合来改善工况。在这种情况下,循环泵和混合泵的运行参数(流量、扬程、功率)将比按正常工况选定的水泵参数产生较大偏差。

仅从吉林市2016-2017采暖期室外平均气温在(-19℃~16℃)范围内波动的折线图(见图2)中可以看出,水泵在运行期内的大部分时间里,实际运行参数远高于系统需要的参数,造成水泵的实际工作点远偏离高效区间,因此实际运行的高电耗也就无法避免。另一方面,传统直接连接供热系统的定压方式不同于间接连接供热系统的一站一定压方式,而是对于全部热力站由热源统一定压;随着热网运行参数的变化,低温侧的绝对压头和分布压头时时大幅度地变化,低温侧的运行工况必然大幅波动,直接影响了供热效果。

新型直接连接供热系统的高温循环泵与低温循环泵的配置方案见图3。由于采用了革新的工艺,使得绝对压头和分布压头的变化幅度都降低到很小的区间,获得了水力工况的高稳定性,使供热效果得到大幅度提升。

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图2 2016-2017采暖期吉林市室外平均气温

通过历史数据分析,发现原系统对热耗的控制很好,但电耗较大,尤其在高层建筑的系统中尤为明显。新系统(见图3)的工艺革新之处是将泵前混水改为泵后混水,混合点高温侧的水泵(称高温循环泵)实现了高温侧(逻辑)循环、调整分布压头、控制混合温度以及对混合点后低温侧实现独立定压等多项功能。原混合泵(称低温循环泵)实现了混合点后低温侧(逻辑)循环、控制混合温度及分布压头等多项功能,在回水管路配置的电动调节阀与高温循环泵配合实现高温侧(逻辑)循环。按改进后的新型直接连接供热方案,经计算选型后的两类水泵的总功率明显低于改进前两类水泵的总功率。

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图3 改进型直供系统工艺流程图

下面是以3万平方米及8万平方米热力站改造为例的设备选型结果及节能效果。

(见图4、表1、表2及表3)

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图4 计算图示


表1  3万平方米热力站设备选型计算表

系统

供热面积

计算热指标

计算热负荷

二次供温

二次回温

定压比热

计算流量

一次供温

一次回温

混合系数

热网流量

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

低区

16000

55

880

55

40

4179

50.54

90

40

2.33

15.16

35.38

中区

7000

55

385

55

40

4179

22.11

90

40

2.33

6.63

15.48

高区

7000

55

385

55

40

4179

22.11

90

40

2.33

6.63

15.48

表2  8万供热面积热力站设备参数对比表

水泵

型号

功率(kW

扬程(m

流量(m³/h

改造前循环泵

KQL/250/345/4

55

37

460

改造后高温循环泵加压泵

TD  80-38/2SWHCJ

15

38

80

改造后低温循环泵

TD  200-18/4SWHCB

22

18

300

表3  单站节约电量对比表

桃北家园

年度

2015-2016采暖期[l1] 未改造数据

2016-2017采暖期改造后数据[陈2] 

供热面积(㎡)

56581.91  

57293.59  

动力电量kWh

145987.00  

89592.00  

单位面积耗电量(kWh/㎡)

2.58  

1.56  

节约电量百分比

39%



通过以上数据分析得出结论:由于新工艺的改造,提升了热力站自动化控制水平,较大幅度地节约了电能消耗。

(二)新型直接连接供热系统智能控制原理

为了使改进后的工艺流程发挥更加精细的自动化控制效果,分别在热力站低区、中区、高区等一次网设置了供、回水压力和供、回水温度监测,高温侧供、回水流量计量、高温循环泵、低温循环泵频率反馈和电动调节阀开度反馈等测点,同时在二次网设置了供、回水压力监测和供、回水温度监测等测点。根据以上测点获取的数据,提出以下控制方案:

1、对一次回水电动调节阀的控制

一次回水电动调节阀的主要作用是调节一次水的供水量。调节阀的调节必须首先考虑整个热网的水力工况,保证热网的稳定性;由调度人员根据天气变化以及各站情况设定调度范围(最大调节量与最小调节量),调节不可过频、过大,应以低频率、小幅度进行调节。

为实现闭环控制,可以采取下述三种运行方式。这三种方式各有优缺点,调度人员可以根据不同的实际情况和控制目标,酌情选定:

(1)一次回水温度闭环控制:其缺点是由于二次水温的反作用,反馈较滞后,所以调节达到系统稳态的速度慢;优点是利于全网调度和水力平衡,对整个供热系统的稳定运行有好处。

(2)二次供水温度闭环控制:其优点是调节达到系统稳态的速度快;缺点是只能反映供热量的增减,不能完全反映用户的供热效果,对大网的稳定运行不利。

(3)一次总供热量闭环控制:其优点是调节达到系统稳态速度快,可以反映出用户的供热效果,对大网稳定运行有好处,是集中供热系统控制模式的发展方向。

2、对二次循环泵的控制

热力站二次侧控制的目标,是通过调整变频器输出频率来控制二次循环泵的转速,从而实现二次网水力平衡。建议采用模拟量方式进行控制,以提高控制灵敏度,便于针对现场工况做出及时响应。反馈方式可以采用RS485通讯方式采集变频器的运行状态,为运行分析提供数据支持。

热力站二次侧控制的要点是在保证二次水力平衡的前提下,尽量减少循环水量,以减少水耗、电耗、热耗。理论上控制点放在末端楼座的入口处最为理想,但考虑到其实施的可行性较差,故将其放置在热力站二次网出口处,即以二次水的供回水压差为控制目标。

热力站二次侧控制的方法是本地或远程设定供回水压差,对二次循环泵采取恒压差控制,以供回水压差为依据进行同步调节。

3、对二次网定压的控制

采用高温循环泵控制二次网定压,为了避免在运行过程中出现意外事故,自控系统增加了以下保护功能:

(1)启动(包括断电再启动)过程处理程序:由于传统混供方式如混水后的压力过高,可能导致用户侧超压,发生二次管线爆裂。所以,新型混供方式在启动阶段采用了分阶段逐级升压的方法,就是逐渐地升高混水后压力,这样可以保证系统压力的平衡,避免事故发生。

(2)压力超限处理程序:由于外网的压力波动会影响混水后压力的剧烈变化。当混水后压力超限时,必须降低二次网出口的压力,同时增大混水阀和回水阀的开度。

(3)供水压力超低限及空管处理程序:系统实时监测供水压力,如果供水压力低于下限,则自动判断为供水空管。此时,如果仍将变频器与混后压力进行闭环控制,会使电机高速运行,容易导致泵的损坏。所以,在这种情况下,控制器会改变为开环控制,以最低保护频率运行,同时增大混水阀开度,保证二次循环的供水量。当供水压力恢复正常后,系统自动将变频器与混后压力设定为闭环控制。整个控制过程无需人为干预。

保证供热管网的安全稳定是供热生产首要考虑的任务。当网内供热不足、供水温度达不到要求时,要有相应措施保证供热管网的稳定。控制系统要能够主动抑制各站争水,保证全网压力平衡不被破坏,末端不能空管。通过控制系统设置热力站流量高限参数,当站内流量达到高限时,即使混后温度达不到设定值,站内供水流量也不再增加;当供水温度增高,流量下降到高限以下时,系统自动恢复温度控制。

四、节能效果

通过2014-2017年持续改造,根据双方合同结算数据,项目取得了明显的节能效果。

2014-2015采暖期(2月-4月),新系统投入运行15座热力站。改造后与前一年同期相比平均节能48%,节省79.2万千瓦时电量,折算标准煤年节能量319.97tce/a。

2015-2016采暖期,新系统增加投入运行102座热力站。改造后与前一年同期相比平均节能44.03%,节省744.7万千瓦时电量。全部热力站节省901.6万千瓦时电量,折算标准煤年节能量3642.46tce/a。

2016-2017采暖期,新系统又新增投入运行43座热力站。改造后与前一年同期相比平均节能32.36%,节省161万千瓦时电量。全部热力站节省922.75万千瓦时电量,折算标准煤年节能量3727.91tce/a。

截至2018年4月,吉林市热力集团有限公司分三期共投入新系统运行的热力站160座,所有改造后站点年平均节能率达到38.15%,累计节省1903.55万千瓦时电量,折算标准煤累计节能量7690.34tce。

注:为便于对比,以上节能量系数按国家统计局电力折算标准煤系数0.404kgce/kWh计算,节能量=电量*0.404kgce/kWh·a;电量数据来源历年吉林热力效益结算表。

五、结论

新型直接连接供热系统的创新工艺经过三年的实践证明:新系统克服了原直接连接系统在新工况下的安全性、稳定性和经济性不断变差的缺点。与传统工艺相比,节能效果显著,系统的自动化程度、安全性、稳定性和经济性普遍提高。使直接连接这种简单、可靠、占地面积小、初投资小的经典换热站连接形式旧貌换新颜,在当前热网新的水力工况下实现了安全、稳定、经济的运行,成为城市集中供热系统建设方案的一个优化的新选择。这将会为供热企业的节能减排做出有益的贡献。


参考文献:

【1】《中国建筑能耗研究报告(2017)》  中国建筑节能协会


原论文发表在《区域供热》2018.6期 P64-P68,文章题为《新型直接连接供热系统节能应用分析》

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