淺談?chuàng)Q熱站的節(jié)能設計以及安全運行問題

姚 峰

（中國昆侖工程有限公司，北京 100037）

0 引言

隨著時代變遷、經(jīng)濟發(fā)展、科學技術(shù)進步，能源問題已越來越為人們所重視，是當今為數(shù)不多的幾個重要科學課題之一，能源轉(zhuǎn)化與開發(fā)利用工程已成為各國政府的重點關(guān)注項目。我國地大物博、幅員遼闊，冬天需要提供暖氣的地區(qū)高達75%，能源需求非常巨大。與此同時，我國相對而言屬于能源匱乏國家，政府長期執(zhí)行節(jié)能減排、減耗的政策。換熱站在供暖換熱的過程中對能源的浪費非常大，許多能源因為沒有進行節(jié)能處理而在空氣中散失。因此，對換熱站開展節(jié)能設計與安全運行有利于供暖換熱工作的穩(wěn)定運作、經(jīng)濟環(huán)保，并且會對社會產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

1 換熱站的節(jié)能設計問題

1.1 換熱器的型號選擇

換熱站的節(jié)能設計與選擇換熱器有關(guān)，換熱器的形態(tài)選擇需綜合考慮轉(zhuǎn)換效率、導熱系統(tǒng)、摩擦力因素和設備大小等因素，換熱器結(jié)構(gòu)大致分為板式分管換熱器、內(nèi)殼換熱器、外殼螺旋板式換熱器、內(nèi)容積式換熱器、外容積式換熱器等。化工生產(chǎn)項目一般利用蒸汽熱能轉(zhuǎn)化方式，借助高效水汽增熱轉(zhuǎn)換器，形態(tài)上可選擇外殼螺旋板式換熱器，這是現(xiàn)階段各換熱站采用率較高的轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器極大地提升蒸汽熱能轉(zhuǎn)化效率，具有高效轉(zhuǎn)化功能，重點增強了節(jié)能功能，與傳統(tǒng)換熱器相比節(jié)約能源約30%，該轉(zhuǎn)換器主要借助外殼螺旋板與水液波動型換熱板的能源轉(zhuǎn)化組合，產(chǎn)生低能耗率的轉(zhuǎn)化效果。

該設備與傳統(tǒng)換熱器的具體區(qū)別有如下5 點：

（1）工作過程中不易產(chǎn)生高溫熔化的金屬渣塊狀物。傳統(tǒng)換熱器往往由于金屬雜質(zhì)干擾正常換熱過程，帶走過多熱能損耗。而外殼螺旋板式換熱器的熱型管流速能持續(xù)保持1.8～2.7 m/s 的速度，且具備整體自我沖刷功能。其內(nèi)部螺旋水液紋路層流線型設計，當高溫產(chǎn)生金屬渣塊等雜質(zhì)時，金屬自身雖具備一定粘性，但螺旋式設計可以防止附著，使雜質(zhì)順暢掉落至管腔內(nèi)，再結(jié)合自動螺旋外拋功能將雜質(zhì)粉碎、排出。

（2）因其特殊設計的雙層螺旋水液式紋路，水熱傳熱系數(shù)可以達到傳統(tǒng)換熱器的1.5～2 倍，大幅提升換熱功率。

（3）漏熱程度低。新型的換熱器在結(jié)構(gòu)上采用低級熱反應力材質(zhì)，在溫度差距反應力隨溫度升高而擴大時，能通過自身的材質(zhì)特性縮小熱差反應。外殼式螺旋換熱板內(nèi)壁上具有許多小型凹槽，能夠縮小不同溫度條件下的熱差反應值，保證換熱工作的正常運作。

（4）新型換熱器所消耗的材料少，占地面積少。外殼螺旋板式換熱器平均單位換熱面積是傳統(tǒng)換熱器的1.8 倍、內(nèi)容積式的1.4 倍、內(nèi)殼換熱器的3.2 倍，與新型的板式換熱器效果差別不大，整體的換熱效率高。其結(jié)構(gòu)安置模式有平鋪式、支體倒立式和臂式支立式3 種，滿足不同條件下的安置需要，在占地面積上均小于內(nèi)容積式換熱器、內(nèi)殼式換熱器以及新型板式換熱器。

（5）外殼螺旋板式換熱器的摩擦系數(shù)小，對長時段持續(xù)運行的能源要求低，雙層強化的換熱螺旋水液板極大增加入水口與出水口間的有效循環(huán)距離，使多次水循環(huán)的換能水最大限度地進行能量傳遞，通過高轉(zhuǎn)速提高換熱循環(huán)過程的頻次，與此同時還能沖刷水液紋路層，保持通道潔凈，利于熱能轉(zhuǎn)換。

1.2 凝結(jié)水回收過程采用閉式凝結(jié)水回收裝置

傳統(tǒng)換熱站多采用高速蒸汽凝結(jié)罐搭配凝結(jié)型水泵的基本方案，這種設計下，回收凝結(jié)水的過程會順帶排出具備大量熱量的蒸汽，是一種巨大的環(huán)保、節(jié)能浪費?，F(xiàn)階段大部分換熱站采用了閉式凝結(jié)水回收裝置以達到節(jié)能目的，閉式凝結(jié)水回收裝置具有傳統(tǒng)高速蒸汽凝結(jié)罐搭配凝結(jié)型水泵所無可比擬的優(yōu)點：①能夠充分回收包含大量熱量的蒸汽，保證能源低損耗，大幅減少使用軟化水源，將熱量傳遞效率提升了數(shù)倍，有利于換熱站降低能源成本，大幅提升經(jīng)濟效益；②全過程不產(chǎn)生二次、三次甚至多次污染物的排放，在一次污染物的排放上也遠遠低于傳統(tǒng)蒸汽凝結(jié)罐型水泵，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，成功做到安全穩(wěn)定的綠色可持續(xù)生產(chǎn)理念；③高溫蒸汽對凝結(jié)水回收裝置外排放管的損害非常大，通過完全回收蒸汽，降低外排放管道的使用率，使閉式凝結(jié)水回收裝置的設備使用壽命更長。

1.3 采用高節(jié)能率、環(huán)保的水泵

能源工作需要盡可能采用高效節(jié)能的產(chǎn)品，在選擇水泵時，一般選取性能穩(wěn)定安全、耐腐蝕性強、材質(zhì)可塑性高的產(chǎn)品。同時嚴格要求泵水曲率，使水泵的運行條件足夠?qū)挿海苓m應各種高溫、高熱條件，符合國家綠色環(huán)保產(chǎn)品標準。

1.4 采用具備加壓報警功能的去污器

傳統(tǒng)去污器價格相對較低，許多換熱站采用較為廉價、低濾過率的去污器，不僅容易產(chǎn)生因濾過障礙而導致?lián)Q熱器內(nèi)部堵塞甚至故障的問題，而且容易漏出高熱換軸水而燙傷工作人員。采用新型加壓報警去污器，通過自帶的壓力計測量設備兩端的電壓差，在發(fā)現(xiàn)電壓差值異常時自動報警，提醒工作人員檢查、維修或者更換去污器。

1.5 取消循環(huán)水泵出口的止回閥裝置

傳統(tǒng)循環(huán)水泵的出口處往往安裝止回閥裝置，但是有會議報告顯示，在不安裝止回閥裝置的情況下，循環(huán)水泵靜止時兩端的壓差不存在大幅度的差別，而取消止回閥裝置后的循環(huán)水泵能夠降低水源損失，在維持水泵兩側(cè)壓差的過程中能降低通電網(wǎng)絡的循環(huán)阻力，更利于循環(huán)水流通。在供熱源與換熱源的兩個出口均可以不安裝止回閥裝置，以降低換熱站的工作成本，減少消耗維修人力。

2 換熱站的安全運行問題

2.1 PLC 可編程控制器的運用

隨著時代變遷，科學技術(shù)發(fā)展日新月異，智能自動化技術(shù)日漸成熟，許多化工換熱站開始采用自控技術(shù)幫助管理，保證換熱站安全運行，現(xiàn)階段采用較多的是PLC 可編程控制器系統(tǒng)。借助PLC 系統(tǒng)，換熱站能夠完美實現(xiàn)無人自控管理模式，在沒有工作人員的情況下也能安全穩(wěn)定地正常運作。這項技術(shù)的關(guān)鍵在于其自身具備的熱態(tài)數(shù)值管控程序，該程序內(nèi)部儲存有換熱站安全情況異常的全面物理數(shù)值參數(shù)，在監(jiān)管過程中如果換熱站的某一物理數(shù)值超過了可控范圍，可自我調(diào)試換熱站的相關(guān)供熱設備，以達到恢復正常運作的目的。PLC 可編程控制器能不斷更新內(nèi)部數(shù)據(jù)庫信息，從容應對多發(fā)安全異常情況。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的運作

國內(nèi)換熱站的監(jiān)控系統(tǒng)只有兩級，國外已經(jīng)有部分換熱站開發(fā)出了第三級監(jiān)控系統(tǒng)，即遠程可控監(jiān)管系統(tǒng)。兩級監(jiān)控系統(tǒng)主要是主控室監(jiān)控系統(tǒng)和局部就地監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC 可編程控制器配套光纜數(shù)據(jù)線對接下位數(shù)據(jù)點，結(jié)合移動端定點監(jiān)測器，實時監(jiān)測熱量網(wǎng)絡的參數(shù)。兩級監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€換熱站的技術(shù)數(shù)據(jù)進行實時收集、提取、整合以及監(jiān)控，通過整合的物理參數(shù)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中還原成最形象的系統(tǒng)工程運行圖。提取的數(shù)據(jù)一般是水溫、熱值、濕度、水泵運行時長、水熱轉(zhuǎn)化率等，有利于管理人員充分了解整體工作情況。

該系統(tǒng)還能及時處理水流量失衡、熱力散失、溫度不均等問題。在監(jiān)管過程中，如果發(fā)現(xiàn)一系列問題，兩級監(jiān)控系統(tǒng)則立即調(diào)整熱網(wǎng)工作效率，及時調(diào)控水流量，保證熱網(wǎng)的正常運作。

2.3 靜態(tài)補償裝置與同步調(diào)相機的配套使用

靜態(tài)補償裝置通過并聯(lián)電阻與電容器組聯(lián)合使用來調(diào)節(jié)總功率與電壓，能夠在短時間內(nèi)迅速恢復大功率負沖擊電荷產(chǎn)生的電壓過高等問題。而同步調(diào)相機可以調(diào)整熱網(wǎng)的運行狀態(tài)，在熱量過高或者電耗過大的情況下進行無功率補償，過激運行狀態(tài)下能夠吸收多余的熱能功率，在消極運作狀態(tài)下能補償自身存儲的無功功率輸出，配套靜態(tài)補償裝置能夠分別在熱網(wǎng)的靜止狀態(tài)與工作狀態(tài)中進行合理調(diào)控，在系統(tǒng)故障時及時補充正向熱轉(zhuǎn)化功率，提供一定的電壓支持，甚至能夠在負性電磁故障反應中起到強行激磁作用，保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性與安全性。

2.4 同步移相電動機的使用

同步移相電動機能明顯提升動力系統(tǒng)裝置的總功率，適用于轉(zhuǎn)速相對較慢的大型高容量發(fā)電機組。該設備引入資金低、耗能小、搭配方案多樣、維修更新方式簡便，但只能提供功率較低的分級位動力補償，對環(huán)境溫度與電壓要求高。

3 換熱站的整體安全設計

3.1 電源切斷保護設計

當系統(tǒng)由于電力供應不足而停電時，PLC 可編程控制器在自身攜帶備用電源的幫助下仍能進行工作，此時控制器將在保證換熱器設備均處于完全待機狀態(tài)下切斷所有熱網(wǎng)調(diào)節(jié)閥，避免高溫蒸汽凝結(jié)水對失去控溫能力的換熱器產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損害，該項工作總動力由軟化水源的重力勢能提供。

3.2 水源補充系統(tǒng)設計

當補充水源的水泵液面過低時，通過監(jiān)測其物理數(shù)值，控制器自動將水泵停止；當水泵液面過高時，停止補充水泵的水源，以保證對水泵合理的壓強控制，防止因進水過多或過少導致?lián)Q熱功率下降。通過自主軟化水源隔斷濾過網(wǎng)防止二次軟化水回流，避免污染換熱站周圍水源地，符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念。

3.3 減壓旁通管設計

在熱力供應過程中，循環(huán)水泵出口與入口之間的壓差非常大，若不安裝止回閥，水泵出口的水壓遠遠高于入口水壓，水泵停止工作的瞬間，吸水方向的壓力大幅提升，容易導致水泵停瀉或者完全停滯，甚至還會損壞水泵管道。通過減壓旁通管的分流作用，能夠降低水泵吸水側(cè)壓力，保證水泵順暢運行。

4 結(jié)束語

換熱站的設備運行與工程設計是非常復雜的系統(tǒng)工程，相關(guān)工作人員要深刻了解其中知識，對整個換熱站的工作流程、設備結(jié)構(gòu)、程序方程要有充分認知。通過分析、研究換熱站的節(jié)能設計與安全運行問題，找到安全、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的綠色設計方案，在降低能源經(jīng)濟成本的同時，提高經(jīng)濟效益與社會效益。