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换热站安装是否需要设计?

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发表于 2018-11-20 16:36:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

换热站是指连接于一次网与二次网并装有与用户连接的相关设备,仪表和控制设备的机房。换热站和热水管网是连接热源和热用户的重要环节,在整个供暖系统中具有举足轻重的作用。

换热站的工作原理:

热源(热电厂)将供热区域内换热站的一次网回水(一次网回水40℃左右)进行简单的加热后,将一次网回水的温度提升10℃左右,然后通过一次网总供水管道输送到热力公司的各个首站,在首站内的管式换热器进行进一步的热交换后(将一次网回水再提升30℃左右,此时温度约为80℃),再输送到所属区域的换热站,通过在换热站内再次进行换热后,将一次热源交换到二次供热管道内,二次供热管道引出至热用户。二次回水经过过滤除污后,与一次供水混合或经由换热器进行热交换后再进行供热,一次侧蒸汽或高温水进行换热后,变成凝结水或低温回水,返回热源,进行一二次热交换循环。补水泵将软水打入系统中以保持系统压力恒定。

民用换热站设计要点:

民用换热站工艺是暖通、热力专业很基础的一项设计。现在换热站一般由热力公司指定热力设计院来做,民用建筑设计院对于换热站设计越来越少,对于一些年轻工程师平时接触换热站设计机会更少;此外,换热站虽小,但是配备很全面,换热站工艺涉及到:系统划分;负荷计算;换热器选型;循环水泵(如有混水泵)设置及选型;水处理,定压补水形式的确定及设备选型;设备布置及管路设计等。所以,对换热站工艺做一些基础剖析有助于其他冷热源系统的设计,其中包含的基础理论都是相通的。

换热站本身不产生热,它只是热量的“搬运工”,热力公司一般是“望天烧煤”,根据室外的温度来计算当天的燃煤量,从严格意义上讲,换热站设备容量选择过大只会增加投资与运行成本,甚至加剧失调程度,对合理的热量输配意义不大。所以换热站设计一定要注意负荷计算的准确,按照《城镇供热管网设计规范》要求:热力设计时宜采用经核实的建筑物设计热负荷;当无建筑物热负荷资料时,按面积热指标计算负荷。以下表格是供暖面积热指标推荐值:

对于热指标计算负荷一定要注意分区对热指标的影响,取表中住宅热指标为例:住宅采取节能措施热指标为40-45W/㎡,中低层高住宅选择这个热指标没有问题,但是针对超高层的住宅,由于风压与热压的共同作用加大,低区冷风渗透热指标在40-50W/㎡左右,高区没有冷风渗透,造成低区与高区的热指标会差异很大,低区热指标70W/㎡左右,高区热指标仅仅为20W/㎡左右,所以所有分区都“一视同仁”选择40-45W/㎡去计算负荷就会出问题,容易造成低区设备容量偏小而不热;高区设备容量偏大,造成不必要的浪费。

再看一下关于换热器台数设置要求,根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》8.11.3换热器的配置应符合下列规定:

1、换热器总台数不应多于四台。全年使用的换热系统中,换热器的台数不应少于两台;非全年使用的换热系统中,换热器台数不宜少于两台;

2、换热器的总换热量应在换热系统的设计热负荷的基础上乘以附加系数(供热及空调供热附加系数为1.1-1.15),供暖系统的换热器还应同时满足本条第3款的要求;

3、供暖系统的换热器,一台停止工作时,剩余换热器的设计换热量应保证供热量的需求,寒冷地区不 应低于设计供热量65%,严寒地区不应低于设计供热量的70%。

首先验算一下为什么严寒地区了保证一台停止工作剩余换热器的设计换热量不应低于设计供热量的70%,以哈尔滨地区为例,(24.2+18)×0.7-24.2=5.34℃,这时室内温度为5.34℃。保证室内最低温度5℃以上。

再以哈尔滨为例分析换热器设置台数,根据以上三条内容可以总结出,换热器可以设置2台、3台或者4台,但是为了保证一台停止工作剩余换热器的设计换热量不应低于设计供热量的70%,2台换热器时,单台换热量为设计供热量的70%,换热器总容量为140%设计供热量;3台换热器时候,单台热量为设计供热量的40%,换热器总容量为120%设计供热量;4台换热器时候,单台热量为设计供热量的30%,换热器总容量为120%设计供热量。这样可以同时满足规范三条标准。同时,可以看到选择2台换热器时总供热量比3台或者4台多出20%供热量,意味着相同规模下设备造价也高出将近20%,所以在单台板换片数控制在60-120片的基础之上,规模较小的供热区域设置2台,140%设计供热量;规模中大型区域设置3台或者4台换热器,120%设计供热量,对换热器的选型计算时都已经有了较大的余量系数,所以热负荷不用再额外乘余量系数了。

循环水泵-供热系统的“心脏”:

科学的选择循环水泵是保证供热系统节能、合理运行的保障,所以应注意以下几个方面:

1、流量与扬程的余量系数要匹配

对于固定的供热管网,其压力损失与流量的平方成正比。因此,水泵扬程的余量系数应是流量余量系数的平方,二者才能匹配。例如,流量的余量系数为1.05,则扬程的余量系数为1.052=1.10。如果二者采用相同的余量系数,会造成变频运行时扬程不够用情况。

2、杜绝“大马拉小车”

循环水泵的功率与流量和扬程的乘积成正比。也就意味着,流量的余量系数为a,则功率的余量系数为a3,在设计过程中有根据板换容量来计算循环水泵参数的,以设置两台板换为例,两台换热器的总容量为供热量的1.4倍,也就意味着循环流量余量系数为1.4,泵的功率的余量系数为1.43=2.744倍,导致“大马拉小车”造成极大的浪费,即使运行时变频调节,也会因为余量系数过大,水泵工作点偏离合理工况区域,效率下降导致节能不明显。所以余量系数应略有富余,杜绝“大马拉小车”。

3、循环水泵并联尽量1+1接近于2

众所周知,相同的两台或者多于两台水泵并联运行时,流量是1+1大于1小于2的关系,1+1越接近于2,并联总流量比单台流量增加越多,越有现实意义,将并联流量增量定义为⊿G,通过管路特性曲线与水泵性能曲线来定性分析⊿G的影响因素,简单的将泵的特性曲线分为平台型和陡降型,将管路曲线分为缓升型和陡升型,则它们可以有四种组合,如图所示:

泵特性曲线陡降型与管路特性曲线泵曲线的陡降型与管路曲线的缓升型结合⊿G最大,泵曲线的平坦型与管路的陡升型结合⊿G最小,其他两种组合⊿G居中。当然,所谓的平坦,陡与缓都是相对而言,并没有量的界定,但可以帮助我们朝什么方向努力去增大泵的并联增量,使得1+1更接近于2。

混水节能有潜力

如图所示,设定指定的条件:二次供回水总流量相同都是G,供回水温度、温差相同都是60/50℃供回水,主要是针对地热用户。图a为非混水型式,平时的常规做法;图b为混水型式。为方便对照分析,简化忽略泵的效率等因素。非混水型式:两台循环泵流量G/2,扬程H,功率ρgGH/2;混水型式:循环泵流量G/2,扬程H,功率ρgGH/2,混水泵流量G/2,扬程(H-h),其中h是换热器阻力,功率ρgG(H-h)/2。

混水型式节能功率=ρgGH/2+ρgGH/2-ρgGH/2-ρgG(H-h)/2=ρgGh/2,所以可以直观的看到相对于非混水型式,混水型式一半的总流量可以不经过换热器直接与20℃温差的水1:1混合供给用户,相应的节省了一半总流量在换热器的总阻力损失,对比于非混水型式,具有可观的节能效果。

利用水压图分析讨论循环水泵、补水泵的布置方案:

设定条件,补水泵扬程=最高用户高度H+5m,换热器压力损失为h1,供水压头损失为h2,用户压力损失为h3,回水压头损失为h4,则循环水泵扬程为h1+h2+h3+h4。

1、常规做法将循环水泵与补水泵的设置在换热器之前,如图所示,由于补水泵设置在循环水泵吸入口出处,运行时,动压线都在静压线之上,可以看到,换热器处在压力最高一段动压线,此设置方案适宜中、低采暖区域,经过换热器的压力损失,可以降低用户的工作压力。但是当对于高层或者超高区域采暖系统,由于静压很大,运行时换热器经受更大的工作压力,影响换热器的使用寿命,降低运行可靠性。

2、对以上设置进行演变,循环水泵、补水泵设置在换热器后,如图所示,由于补水泵设置在循环水泵吸入口之前,所以动压线都在静压线之上,循环水最后经过换热器,所以可以有效降低换热器工作压力,与之前布置方案比较,供回水管路、用户都在更高的压力区间,采暖系统底层的采暖设备承压较大,所以此布置方案可以进一步优化。

3、进一步优化方案,循环水泵换热器之前、补水泵换热器之后,如图所示,换式换热器工作压力区间在静水压线以上,从而整体降低动水压线高度,适宜高区采暖系统。同时,从水压图上可以看到,回水动压线整体在静水压线之上,对于静水压线很高的采暖系统,可以再进一步优化。

4、再再演变 ,循环水泵换热器之前、补水泵换热器之后,旁通定压,如图所示,靠调节阀旁通管上的两个阀门M和N的开启度,可以控制网路动水压线升高或降低,如将旁通管上阀门M关小,作用在E点的压力升高,当阀门M完全关闭,则J点压力与E点压力相等,动压线B-C-D-E在静压线之上,与之前设置方式相同。反之,如将旁通管上的阀门N关小,网路的动水压线可降低。对高层或者超高层采暖系统,就可以按以上类似的调节方式,进一步将回水干线动水压线降低到静水压线之下,从而达到以上几种方式里面换热站设备及管路相对最低的工作压力,所以旁通定压具有良好的调节动压曲线功能,可以有效降低高层或超高层采暖系统的承压,延长设备管路使用寿命,提高工作可靠性。

通过以上几种水泵布置方案及定压点的比较分析,可以得出这样的结论,对于中低区采暖系统,一般按常规布置方案,循环水泵布置在换热器之前,补水定压点设置在循环水泵吸入口之前。对于高层或者超高层区域的采暖系统循环水泵换热器之前、补水泵换热器之后,旁通定压具有较大的优势。

热力设计院几种常用的定压方式及适用范围:

1、气压罐定压:适用于水质净化要求、含氧量要求较高的采暖循环水系统,易于实现自动补水、自动排气和自动过压保护等,一般用于中小型规模采暖系统,当在较大规模采暖系统中,对应所选择的膨胀罐尺寸较大,占用更多换热站面积、空间,所以平时不用于较大规模采暖系统。

2、变频补水泵定压:适用于供热规模较大的采暖系统,补水量与系统的水容量正比关系,即系统的水容量越大,缺水机会越大,相应的补水量也越大。《采暖空调循环水系统定压》图集中规定变频补水定压方式不适用于2500KW以下的采暖、空调系统,相当于住宅用户5.5万平米-6.5万平米左右的规模。因为当采暖规模较小时,补水量较小,会导致某一时段变频补水泵补水量过小,压头不足的情况,从而导致系统出现倒空,容易空气漏入。

3、一级网定压补水二级网:

适用于改造项目,或者换热站面积紧张,没有条件设置水处理及补水设备的情况,当一级网给水压力满足二级网低区或者多层用户补水定压要求时,设置减压阀或者压力调节阀直接一级网给二级网补水定压,然后再从低区系统取水利用补水泵给高区用户定压补水,这种补水定压方式可以节省换热站建设、运行成本,但是一级网与二级网压力相互影响,而且增大热源的补水量,是一种非常规补水定压方案。

吸收式换热器——小设备,大能量:

传统的换热器一级网回水温度不可能低于二级网的回水温度,这个条件也就约束了一级网的供回水温差,现在常用的供热方式的设计供回水温度一般为130/70℃、110/70℃、120/60℃等,一级网的回水温度一定是高于二级网的回水温度的,供回水温差为40-60℃,随着每年入网的用户越来越多,一些大网输热能力满足不了新增的负荷,如果全面热网改造投资巨大,若能将热网供回水温差提高至100℃以上,则热网的供热输送能力可提高约1倍,相同的热网可以满足不断增加的新入网负荷,吸收式换热机组就可以实现一级网回水温度低于二级网回水温度,以增大一级网的供回水温差。

吸收式换热机组由热水型吸收热泵与水-水换热器以及连接管路组成,在实际运行中,一次侧130℃的热水首先作为驱动能进入热水型吸收式热泵机组,在其发生器中加热浓缩溴化锂溶液,降温至90℃左右后,从吸收式热泵中流出;90℃的热水进入水-水换热器,作为热源加热二次侧热水回水,降温至55℃时从水-水换热器流出,再返回吸收式热泵作为低位热源,在蒸发器中降温至25℃左右后再放回集中热源,如此循环。

二次侧50℃的热水回水分为两路进入机组,一路进入吸收式热泵,在其吸收器和冷凝器中吸收热量,被加热到70℃流出;另一路进入水-水换热器,被加热到70℃流出;两路70℃的热水汇合后被送往用户。可以看出,吸收式换热机组能够有效的进行温热水梯级利用,使一次网的供水温差从60℃扩大到105℃,大幅度提高了热网的供热能力,降低了管网投资;同时,一次网回水温度降低至25℃左右,使得回收电厂汽轮机凝汽器低温余热成为可能,为大幅度提高电厂综合能源利用效率创造了条件。



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