热力站的节能设计

蒋杰 中建八局交通市政规划研究院

热力站是指连接一级供热网和二级供热网之间的站房，使供热系统达到安全高效的运行，是热量转换和系统监控的重要组成部分。近年来，城市供热规模逐渐增大，但高能耗、高损失、低效率的缺点一直存在，其中热耗是热力站主要能耗指标，电耗则为次要指标，水耗相对较小。目前，对于普通民用建筑采暖供热，采用热水作为热媒的热效率相对较高，输送距离也较长。另外采用间接连接方式，能够减少供热成本，增强供热系统的安全性和可靠性，因此，以下文中所阐述或涉及的热力站均为间接连接式的热水热力站。

1.1 换热器

换热器的选型应根据热效率、单位能耗以及使用年限进行综合比选。换热器应以30 ～60W/m2供热指标和民用建筑总面积计算热负荷 ，并应考虑设备5%～10%的热损失，故换热效率应保证在90%以上。在实际工况中，设计温度和流量可能会偏离原有理论设计值，为了保证换热效果，单台换热器的实际有效换热面积应比理论值增加约15%～20%，但不应过高而加大换热器本身的进出口压降。换热器的配置数量应根据用户采暖总热负荷，小于3MW 的宜选用1 台，热负荷在3M ～6MW 内的可选用2 台，一般不宜设备用，两台换热器并联运行时宜按同程连接设计。

板式换热器采用特殊的波纹板传热，二级网循环水在平板中流动时，提高了紊流效应，增强了传热效果，且具有结构紧凑、耐腐蚀、热损失低和方便拆洗等特点，故应尽可能选用采用板式换热器。流速对传热系数和压降均具有很大的关联和影响，应找到传热系数和压降的平衡点，进出口压降不宜大于50kPa，以便有利于节能降耗，常用不同类型换热器优缺点详见表1。

表1 常用不同类型换热器优缺点对比表

为了保证换热效果，板式换热器应定时进行冲洗。一般情况下采用反冲洗法分别对一、二级网侧进行冲洗，利用冲洗过程中产生的冲击力，对板片产生振动，进而剥离换热面上的沉着的污垢，并随着排污阀泄水排出换热器内部。

1.2 循环水泵

循环水泵的选型应根据供热管道最大阻力、所有用户的瞬时最大总流量进行，且耗电输热比（EHR）应满足节能要求。选型时应尽量选用中低比转速的离心泵，并使得水泵在高效工况（EHR）下运行。EHR指标越低，节能效果越好。

式中EHR为耗电输热比，G为单台循环泵流量，H为单台循环泵扬程，η为水泵电机传动效率，A为与热负荷有关的计算系数，B为与机房及用户的水阻力有关的计算系数一级泵B=20.4,二级泵B=24.4，∑L为室外供回水主管的总长，α为主管总长计算系数

循环泵设计流量不应大于设计总流量的110%，设计扬程不应大于系统总阻力的120%。泵的进口端的热水压力应保证不发生汽蚀。运行水泵数量宜备用1 台，应尽量减少水泵并联的台数，不同规格的循环泵也不宜并联。变频调节相对于调节阀的节流调节可以降低能耗，故循环水泵应具有变频调节功能，并保证水泵电机转速在70%～100%额定转速区间内。另外，在循环水泵出口的前端宜设置射流节能设备，可以降低水泵出口的漩涡损失。

1.3 补水泵

补水泵应满足系统内补水量和系统定压所需压头，并应设超压自动泄水装置。补水泵的设计流量为正常补水量的3 ～4 倍，补水泵的设计扬程不宜小于补水点压力外加30 ～50kPa 的富余量。一般情况下选用单级离心泵，定压压力较高的话，可选用多级离心泵。补水泵的控制宜采用变频调节，可以避免补水泵自身的频繁启动和降低调节阀的节流损失。补水泵的数量一般不少于2 台，可补设备用泵。

1.4 水处理装置和补水箱

二级管网的热媒水质应符合《采暖空调系统水质》(GB/T29044-2012)的规定，详见表2，严禁不符要求的普通水源接入管网。硬度过高的水，水中的钙镁离子在水温较高时，容易慢慢析出并附着在换热器和管网内壁上形成水垢。另外，水中的微生物大量滋生，容易改变水质，也导致水垢不断变厚。造成换热设备结垢、腐蚀以及管道堵塞引起增加管道阻力，进而增加循环泵的电耗和影响换热器的换热效果，更增加换热设备的清洗排污率。

水处理通常采用离子交换法和电磁法。离子交换法是采用阳离子交换树脂，对原水进行软化,利用钠离子交换钙镁离子，以达到降低水的硬度。推荐使用全自动软水器，可以相对降低水耗和钠盐耗量。电磁法是安装电磁设备，利用电场和磁场防止钙镁离子沉积结垢。电磁法设备安装相对比较方便。并在运行中，向二级管网中定时添加缓蚀剂、阻垢剂、杀菌剂，防止水中滋生细菌，对设备和管道腐蚀。补水箱的有效容量不应超过补水泵30min 的流量，以免因补水量小，长时间得不到更新而影响水质。

现阶段，随着二级管网自身泄露量的减小，二级网的补水量也相对变小。当二级网系统补水量不大时，可利用一级管网的回水作为补水。具体做法为：在一级网侧和二级网侧分别设压力变送器，一级网补二级网存在三种工况，一级网侧大于二级网时，一级网直接向二级网补水；
当一级网侧小于二级网时，开启变频补水泵，变频器根据二级网的压力进行调节。当一级网和二级网的绝对压力差小于0.15MPa时，设置密闭隔压水箱，水泵从水箱吸水，再向二级网补水。

采用一级补二级的自动补水定压装置，增加了一级网热源的补水量，但可取消补水箱和水处理装置，进而节约了热力站自身设备的运行电耗和水耗。

1.5 除污器

一级供水总管和二级回水管应设置除污器，设计压力和温度应满足要求，滤网至少能去除1.5mm 以上微粒，但阻力不宜大于30kPa，宜选用带具有反冲洗功能的除污器；
在实际运行的工况下，应根据除污器出口压力波动的大小，及时进行清洗和排污。

1.6 管道布置和阀门

管道布置应做到力求短直，在保证自身热补偿的情况下，宜尽量减少交叉和拐弯。管道应合理选用管径，采用经济比摩阻，一般为30 ～70Pa/m。设备进出口应设异径管，以减小阻力损失。管道的高点应设放气阀，低点应设放水阀，以保证管道运行正常。

一级管网的供回水总管和二级管网各分支管路的供回水管道均应设阀门。阀门应符合实际温度和压力的要求，连接方式宜为法兰连接。阀门应尽可能选用低阻力的阀门。

阀门和管道附件均应采用密封性好，寿命长的高质量产品，避免在实际运行中产生跑冒滴漏现象。

1.7 保温

供热管道、设备、阀门和附件应保温，保温层外表面的温度不宜大于50℃，管道沿程的温降应小于0.2℃/km，导热系数不应大于0.08W/m·K，以便尽量减少热损失。保温材料宜选用不燃和难燃的无机材料；
保温层厚度宜采用经济厚度。

热力站必须设置供热参数监测系统和自动控制系统，并应符合《城镇供热监测与调控系统技术规程》。监测系统包含监测并记录一级管网和二级管网的供回水压力、供回水温度和供回水流量等参数，还有二级管网的补水量。监测系统应能及时采集、显示存储和运算各个热力参数，实现监测和报警功能，使整个供热系统安全可靠的运行。

自动控制系统包含对一级管网供水流量的调节和热量瞬时积分运算功能、连锁控制二级网供水温度、循环泵和补水泵的变频转速。为了满足系统的热量供需平衡，热力站应安装气候补偿仪。气候补偿仪主要包含室外气温传感器、气候补偿节能控制器、温度传感器和执行元件等。供热时间段内，气候补偿器可根据室外温度参数和已设定的温度设计值进行比较，调节一级网侧的供水流量，二级网的供回水温度则作相应改变，从而实现了一级网的量调节和二级网的质调节，避免不同区域用户的室温产生较大偏差，达到节能目的，详见图1。相比手动调节，气候补偿仪的自动调节可以减小人为手动调节的滞后性，进而节约热耗。

图1 气候补偿仪供热控制系统简图

运行调节热平衡关系式：

式中为实际室外温度下雨室外供暖计算温度下的相对负荷比；
tn为室内空气计算温度；
tw’、tw分别为室外供暖计算温度、实际室外温度；
分别为室外供暖计算温度下的供水温度、实际供水温度；
th分别为室外供暖计算温度下的回水温度、实际回水温度；
b 为散热器指数值；
为为实际室外温度下室外供暖计算温度下的相对流量比。

当室外温度变化时，为了保证室内舒适的温度，通过气候补偿仪控制和调节一级网的阀门开度和二级网的循环水流量，使二级网的供热温度和流量在合理经济的范围内，以达到节能目的。间接连接的供热系统宜采用质调节，最佳调节工况则为质和量的双重调节。随室外温度的变化，不仅要调整二级网供水温度，还需要调整二级网的循环水流量。

大量资料表明，由于设计疏漏、维护不当以及新增供热用户的影响形成了系统的水力失调，水力失调又是造成系统大流量和小温差运行的根本原因。具体应通过记录同一系统中热力参数的变化和最不利用户的供热效果，对各支路和用户进行流量调节和压力平衡调节，进而保证一级网和二级网侧的实际流量和设计流量偏差在合理范围内。

实际运行中，应根据当地供热时间、天气冷暖情况和建筑物实际散热量，汇总各阶段的不同供热系统热力参数，合理的设定气象补偿仪和变频调节的指标。

热力站的节能降耗，直接关系到供热效果以及运行经济指标。以上所述热力站的设计节能措施，都是可靠可行的，只要在首次设计或二次改造中积极实行和落实，就可以为供热企业创造较好的经济效益，还可以提高供热用户的舒适度。

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