大溫差吸收式換熱機(jī)組與熱網(wǎng)自控在集中供熱系統(tǒng)的應(yīng)用

任曉東

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

引言

集中供熱滿足了大部分北方城鎮(zhèn)的冬季室內(nèi)熱舒適性，熱量由熱源集中生產(chǎn)，通過一次管網(wǎng)和二次管網(wǎng)輸送至用戶末端散熱設(shè)備，在室外溫度較低的情況下，維持室內(nèi)溫度恒定。對(duì)于熱網(wǎng)來說，供回水溫差和循環(huán)流量決定了熱量輸送的多少。以熱電廠為熱源的供水溫度設(shè)計(jì)為150～110℃，以區(qū)域鍋爐房為熱源，供熱規(guī)模較小時(shí)，供水溫度采用95℃，而一次網(wǎng)回水溫度一般設(shè)計(jì)在70～55℃[1]?？紤]安全運(yùn)行問題，一次網(wǎng)供水溫度不宜過高，考慮傳統(tǒng)換熱器換熱效果，一次網(wǎng)回水溫度也不宜過低，否則會(huì)導(dǎo)致無法正常散熱，用戶室溫很難維持正常供熱水平。隨著供熱面積的擴(kuò)增，需擴(kuò)大熱網(wǎng)循環(huán)水的熱量攜帶能力，但熱網(wǎng)循環(huán)流量受限于既有管網(wǎng)管徑無法持續(xù)增加，故為增加熱網(wǎng)輸送能力，采用大溫差吸收式換熱機(jī)組深度提取熱源熱量，提高管網(wǎng)供熱能力，同時(shí)為熱源進(jìn)行余熱回收提供便利條件[2]。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目屬于太原市集中供熱工程，2012年有熱力站190余座，供熱面積1 660萬m2，近年供熱面積逐年擴(kuò)充，為應(yīng)對(duì)管網(wǎng)熱量輸送不足的問題，自2013年開始，每年新設(shè)大溫差吸收式換熱機(jī)組，截止到2016—2017年采暖季，總供熱面積2 700萬m2，其中采用141臺(tái)大溫差換熱機(jī)組進(jìn)行供熱，大溫差熱力站占總供熱面積的50.84%，大溫差換熱機(jī)組的投運(yùn)解決了管網(wǎng)供熱能力不足的問題。同時(shí)，配置了太原鋼鐵生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的余熱輔助熱源。通過降低一次網(wǎng)回水溫度，極大限度地提取余熱水熱量，促進(jìn)熱源供熱系統(tǒng)的節(jié)能降耗與增收減排。

2 大溫差換熱機(jī)組介紹

大溫差換熱機(jī)組采用的是溴化鋰吸收式熱泵制熱循環(huán)的原理，利用一次網(wǎng)供水作為驅(qū)動(dòng)，深度提取一次網(wǎng)的熱量，拉大一次側(cè)供回水溫差，提高熱網(wǎng)供熱能力。大溫差換熱機(jī)組可在不改變二次網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的前提下，降低一次網(wǎng)回水溫度，利用熱泵原理實(shí)現(xiàn)“逆溫差”換熱。

大溫差換熱機(jī)組可以在20%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)無極調(diào)節(jié)，且部分負(fù)荷范圍的性能指數(shù)要高于滿負(fù)荷指數(shù)，二次側(cè)熱水出口溫度高，變工況、變負(fù)荷性能優(yōu)良，其主要由兩部分組成，即熱水型吸收式熱泵和并聯(lián)的板式換熱器。熱水型吸收式熱泵由發(fā)生器、冷凝器、吸收器、蒸發(fā)器構(gòu)成。

并聯(lián)的板式換熱器則作為發(fā)生器一次網(wǎng)出水與蒸發(fā)器一次網(wǎng)進(jìn)水的銜接，板式換熱器將發(fā)生器出水進(jìn)一步降溫，并加熱二次網(wǎng)熱網(wǎng)循環(huán)水后，作為余熱進(jìn)入蒸發(fā)器，利用內(nèi)部溴化鋰吸收式循環(huán)，深度提取一次網(wǎng)熱量，將一次網(wǎng)回水溫度降至二次網(wǎng)溫度以下，輸送回?zé)嵩炊诉M(jìn)行下一個(gè)熱力循環(huán)。

當(dāng)原有熱力站進(jìn)行大溫差吸收式換熱機(jī)組改造時(shí)，保留原有板換系統(tǒng)，可與吸收式換熱機(jī)組并聯(lián)使用，提高熱力站換熱設(shè)備備用率。一次側(cè)由吸收式換熱機(jī)組和板式換熱器并聯(lián)，當(dāng)一次網(wǎng)供水溫度較低或二次網(wǎng)供水溫度較高，換熱機(jī)組無法正常啟用時(shí)，關(guān)閉吸收式換熱機(jī)組入口閥門，全部二次網(wǎng)回水由原板式換熱器加熱；當(dāng)一次網(wǎng)供水溫度較高時(shí)，滿足機(jī)組啟運(yùn)條件，關(guān)閉板式換熱器進(jìn)水閥門，全部二次網(wǎng)回水由吸收式換熱機(jī)組加熱。吸收式換熱機(jī)組與原板式換熱器并聯(lián)使用，提高了全采暖季熱力站負(fù)荷調(diào)整的靈活性，并提高了熱力站供熱能力和供熱可靠性。

3 集中供熱系統(tǒng)控制

本項(xiàng)目在2013年進(jìn)行大溫差換熱機(jī)組改造的同時(shí)，增設(shè)了全網(wǎng)平衡軟件控制系統(tǒng)，協(xié)助熱網(wǎng)進(jìn)行一次網(wǎng)水力工況與熱網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)控制，通過減少熱力站冷熱不均現(xiàn)象，與大溫差吸收式換熱機(jī)組一同為一次網(wǎng)回水溫度降溫，運(yùn)行效果顯著。

3.1 一次側(cè)控制

一次側(cè)采用均勻性調(diào)節(jié)的控制方式，控制功能通過全網(wǎng)平衡軟件實(shí)現(xiàn)。

熱網(wǎng)的均勻性調(diào)節(jié)是以各個(gè)熱力站供熱效果相同為目標(biāo)進(jìn)行的調(diào)節(jié)，由穩(wěn)態(tài)下的熱平衡方程得到的，基本上反映了該熱力站所承擔(dān)的建筑平均室溫，如果將各個(gè)熱力站的二次側(cè)供回水平均溫度調(diào)整到趨于設(shè)定值，則可以近似認(rèn)為采暖房間的室溫是彼此均勻的。

各熱力站的二次網(wǎng)供回水平均溫度趨于設(shè)定值為熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)目標(biāo)，對(duì)各熱力站一次網(wǎng)供水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證各熱力站間的均勻供熱，避免由于冷熱不均、為了保證偏冷用戶達(dá)到供熱要求而造成過熱用戶的浪費(fèi)。因此，這種調(diào)節(jié)方式是保證供熱要求的節(jié)能降耗手段。

3.2 二次側(cè)控制

根據(jù)該供熱管網(wǎng)的歷史供熱數(shù)據(jù)和供熱效果，確定能基本保證二次網(wǎng)運(yùn)行且不發(fā)生大面積水平失調(diào)和垂直失調(diào)的平米流量指標(biāo)，根據(jù)該供熱管網(wǎng)的歷史供熱數(shù)據(jù)，確定能保證二次網(wǎng)基本運(yùn)行的熱負(fù)荷，依據(jù)各熱力站建筑形式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、建設(shè)年代及管網(wǎng)新舊程度等，設(shè)定回水溫度最低值，使全網(wǎng)平衡軟件自動(dòng)控制一次網(wǎng)流量，調(diào)整二次網(wǎng)供回水溫度以滿足供熱需求。

4 運(yùn)行效果分析

4.1 大溫差換熱機(jī)組運(yùn)行效果

自2013年進(jìn)行大溫差換熱機(jī)組改造與熱網(wǎng)全網(wǎng)平衡自控改造，熱網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提高，供熱一次網(wǎng)平米流量大大降低，且一次網(wǎng)回水溫度較低，有利于熱源進(jìn)行余熱回收[3]。

經(jīng)過2013年—2016年四個(gè)暖期的運(yùn)行，在一次側(cè)供水溫度較高的情況下，大溫差換熱機(jī)組可將一次網(wǎng)回水溫度降低至25℃左右。且由于本項(xiàng)目大范圍使用大溫差吸收式換熱機(jī)組，可在原有管網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)不變的情況下，提高既有管網(wǎng)輸送能力30%以上。圖1為2017年2月11日某吸收式換熱機(jī)組熱力站瞬時(shí)數(shù)據(jù)圖表。

圖1 各熱泵機(jī)組熱力站數(shù)據(jù)圖表

對(duì)近幾年的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)熱源溫度低于85℃時(shí)，機(jī)組的一次網(wǎng)回水溫度會(huì)明顯提高，因此，為確保大溫差機(jī)組的高效運(yùn)行，需要保證一次網(wǎng)供水溫度在85℃以上，當(dāng)熱源溫度不能滿足此要求時(shí)，將切換至原有換熱器加熱系統(tǒng)工作，以確保系統(tǒng)高效運(yùn)行。

4.2 大溫差換熱機(jī)組與熱源余熱回收協(xié)同效果

熱網(wǎng)采用大溫差換熱機(jī)組與全網(wǎng)平衡軟件進(jìn)行一次網(wǎng)水力工況調(diào)整后，一次網(wǎng)回水溫度大大降低。一次網(wǎng)回水送回電廠前，經(jīng)由太原鋼鐵余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行加熱，最高可將一次網(wǎng)回水溫度加熱至62℃左右，其最大余熱回收量約100 MW。經(jīng)太鋼余熱回收系統(tǒng)加熱后，一次網(wǎng)回水溫度提高到進(jìn)行大溫差供熱改造前的回水溫度水平，之后再由電廠加熱后供出。由于增設(shè)了大溫差吸收式換熱機(jī)組，使本項(xiàng)目在2016—2017采暖季中，增加供熱量75萬GJ左右。

4.3 全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)效果

由于本項(xiàng)目采用全網(wǎng)平衡技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整一次網(wǎng)水力工況，消除遠(yuǎn)、近端熱力站冷熱不均現(xiàn)象，降低熱網(wǎng)運(yùn)行能耗。2016—2017采暖季，供熱面積2 689萬m2，總耗熱量1 058萬GJ，熱單耗0.396 GJ/m2；在項(xiàng)目改造前，2012—2013采暖季，供熱面積1 657萬m2，總耗熱量700萬GJ，熱單耗0.422 GJ/m2。上采暖季熱單耗比改造前降低6.2%，節(jié)能效果顯著。

下頁圖2為2016—2017采暖季二次網(wǎng)平均溫度、供回水溫差及外溫曲線，由運(yùn)行曲線圖可以看出，二次網(wǎng)供回水平均溫度始終保持平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，供回水溫差也基本保持設(shè)定值，基本消除了2013年以前，熱力站之間的冷熱不均現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定。

圖2 2016—2017年采暖季二次網(wǎng)平均溫度、供回水溫差及外溫

5 結(jié)論

1）大溫差換熱機(jī)組可以大幅度降低一次網(wǎng)回水溫度，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一次網(wǎng)供水溫度不宜過低，低于80℃時(shí)，降溫效果不好。在一次網(wǎng)供水溫度較高時(shí)，一次網(wǎng)回水最低可降至25℃左右。

2）熱網(wǎng)大部分熱力站進(jìn)行大溫差改造后，一次網(wǎng)大溫差運(yùn)行效果明顯，可在既有管網(wǎng)不變的前提下，提高管網(wǎng)輸送能力30%以上。

3）采用全網(wǎng)平衡軟件對(duì)一次網(wǎng)進(jìn)行水力工況控制，可消除因遠(yuǎn)、近端熱力站冷熱不均造成的一次網(wǎng)回水溫度較高的現(xiàn)象。通過對(duì)比項(xiàng)目改造前后供熱能耗，因消除近端熱力站過熱現(xiàn)象，優(yōu)化一次網(wǎng)水力工況，可節(jié)能6.2%。

4）熱力站采用大溫差吸收式換熱技術(shù)，熱網(wǎng)采用全網(wǎng)平衡優(yōu)化一次網(wǎng)水力工況，降低一次網(wǎng)回水溫度，有利于熱源處進(jìn)行余熱回收，提高余熱回收效益。

通過2013—2017年四個(gè)采暖季的實(shí)際運(yùn)行，大溫差換熱機(jī)組及全網(wǎng)平衡調(diào)控運(yùn)行穩(wěn)定，從根本上解決了熱網(wǎng)輸送與平衡問題，提高了熱網(wǎng)擴(kuò)容能力與自動(dòng)化水平，且節(jié)能效果顯著，同時(shí)也符合中央提出的北方地區(qū)冬季清潔取暖、節(jié)能減排的精神。

[1]賀平，孫剛.供熱工程：第4版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：11；45.

[2]張世鋼，付林，李永紅，等.吸收式換熱過程及設(shè)備[J].暖通空調(diào)，2015，45（9）：85-90.

[3]李永紅，張世鋼，付林.不同熱網(wǎng)回水溫度對(duì)電廠余熱回收供熱的經(jīng)濟(jì)性影響[J].區(qū)域供熱，2015（4）：5-9；22.