淺談混水直供供熱方式的運(yùn)行特征及經(jīng)濟(jì)性

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混水直供供熱方式在集中供熱中發(fā)展較慢，其原因主要是早期缺乏熱網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備的投入以及一次網(wǎng)高溫水對(duì)水質(zhì)的要求較高等兩大方面。隨著供熱技術(shù)的發(fā)展及先進(jìn)監(jiān)控設(shè)備在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，在一次網(wǎng)水溫不高的情況下（即管網(wǎng)直供與間供的過渡期），混水換熱直供方式也慢慢的找到自身的控制方式，同時(shí)體現(xiàn)了它獨(dú)特的二次網(wǎng)系統(tǒng)定壓方式——回水閥定壓，實(shí)現(xiàn)了它經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)越性。本文主要介紹本公司16座熱力站實(shí)現(xiàn)混水換熱直供方式過程中的運(yùn)行特征及相對(duì)間接供熱方式的經(jīng)濟(jì)性。1.系統(tǒng)概括本公司的供熱系統(tǒng)是在熱電廠設(shè)置換熱首站作為熱源，以電廠凝汽器及尖峰加熱器生產(chǎn)的熱水作為介質(zhì)向一次熱網(wǎng)輸送熱量，然后通過二次熱網(wǎng)將熱量輸送給熱用戶的系統(tǒng)。系統(tǒng)中二次網(wǎng)回水一部分通過混水循環(huán)泵作用混入一次網(wǎng)供水成為二次網(wǎng)供水，另一部分回水作為一次網(wǎng)回水返回一次總網(wǎng)，具體如圖1所示。受地勢(shì)的影響，此供熱系統(tǒng)采用了三種混水換熱方式：a.水泵旁通加壓，b.水泵回水加壓，c.水泵供水加壓；并在一次網(wǎng)供水中遠(yuǎn)處設(shè)中繼加壓站，在一次網(wǎng)回水上設(shè)減壓站。a、水泵旁通加壓：混水泵設(shè)置在混水旁通管路上，利用水泵將二次網(wǎng)的一部分回水加壓打入一次網(wǎng)供水中混合加熱，形成二次網(wǎng)供水，二次網(wǎng)的另一部分回水作為一次網(wǎng)回水返回一次網(wǎng)回水總管；一次網(wǎng)供回水上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，水泵采用變頻控制。此供熱方式適用于一次網(wǎng)供水的高中壓區(qū)。b、水泵回水加壓：混水泵設(shè)置在二次網(wǎng)回水總管上，利用水泵將二次網(wǎng)回水加壓，一部分回水受混水旁通管路上的調(diào)節(jié)閥或者一次網(wǎng)回水管路上調(diào)節(jié)閥（視水泵出口到一次網(wǎng)總回水與到二次網(wǎng)供水需增壓力相對(duì)大小定）支配流入一次網(wǎng)供水混合加熱，形成二次網(wǎng)供水，另一部分回水直接返回一次網(wǎng)回水總管；一次網(wǎng)供回水上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，水泵采用變頻控制。此供熱方式適用于一次網(wǎng)供水的高壓區(qū)且地勢(shì)低洼處。c、水泵供水加壓：混水泵設(shè)置在二次網(wǎng)供水總管上，一次網(wǎng)回水調(diào)節(jié)閥將二次網(wǎng)回水壓力調(diào)節(jié)至滿足二次網(wǎng)系統(tǒng)靜壓，當(dāng)一次網(wǎng)供水壓力高于二次網(wǎng)回水靜壓時(shí)，一次網(wǎng)供水側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)流量的同時(shí)一次網(wǎng)供水閥后壓力與二次網(wǎng)回水靜壓相持平衡，利用水泵將二次網(wǎng)一部分回水及一次網(wǎng)供水同時(shí)吸入混合加熱，形成二次網(wǎng)供水，另一部分二次網(wǎng)回水直接返回一次網(wǎng)回水總管；一次網(wǎng)供水（或混水旁通）與一次網(wǎng)回水上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，水泵采用變頻控制。此供熱方式適用于一次網(wǎng)供水的低壓區(qū)。（當(dāng)一次網(wǎng)供水壓力低于二次網(wǎng)回水靜壓時(shí)，一次網(wǎng)側(cè)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥移至混水旁通上，此電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)流量的同時(shí)混水旁通閥后壓力與一次網(wǎng)供水壓力相持平衡）2.運(yùn)行特征受一次網(wǎng)壓力區(qū)域及地勢(shì)不同的影響，不同特征的供熱區(qū)域采用的不同混水直供供熱方式，其運(yùn)行工況與水泵耗電量有所不同，但二次網(wǎng)的定壓方式、控制方式及系統(tǒng)穩(wěn)定性等都具有相同的特征。2.1 不同點(diǎn)：（1）二次網(wǎng)升壓點(diǎn)不同。混水直供的主要特征是節(jié)能，一次網(wǎng)與二次網(wǎng)直接連接混合，一次網(wǎng)的流動(dòng)動(dòng)能帶入二次網(wǎng)中，二次網(wǎng)可以利用一次網(wǎng)的動(dòng)能作為自身的動(dòng)能將熱水送往各熱用戶。以上三種供熱方式是根據(jù)一次網(wǎng)的壓力區(qū)域以及熱力站與主管道分支開口處的相對(duì)地勢(shì)高差而布置的。A）旁通加壓的混水方式，熱力站處在一次網(wǎng)高中壓區(qū)且熱力站房與主管道分支開口處的相對(duì)地勢(shì)高差較小的位置（圖2Ⅰ點(diǎn)），從壓力分析圖中可以看出此處一次網(wǎng)分支供回水壓差（30mH2O）足以滿足二次網(wǎng)的資用壓差，此處混水只需將二次網(wǎng)的部分回水強(qiáng)制混入一次網(wǎng)便可，所以在此供熱區(qū)域內(nèi)二次網(wǎng)升壓點(diǎn)在混水旁通上；B）回水加壓的混水方式，熱力站處在一次網(wǎng)高中壓區(qū)且站房與主管道分支開口處的相對(duì)地勢(shì)高差較大的位置（圖2Ⅱ點(diǎn)），從壓力分析圖中可以看出此處一次網(wǎng)分支供回水壓差（39mH2O）足以滿足二次網(wǎng)的資用壓差，但地勢(shì)相對(duì)分支開口處較低，要將分支回水送回主回水管，如果同時(shí)滿足相對(duì)地勢(shì)高差（9mH2O）、二次網(wǎng)自身防止高端倒空的回水靜壓、二次網(wǎng)資用壓差與此分支回水上的資用壓差，且當(dāng)一次網(wǎng)總回水在該處的就地壓力比二次網(wǎng)的靜壓高時(shí)，還需考慮這兩者的壓力差，經(jīng)計(jì)算用于同時(shí)滿足這些條件的就地壓力已超出二次網(wǎng)散熱器最大承受壓力，為保證用戶系統(tǒng)的安全性，必須將一次網(wǎng)的供水壓力降至能滿足二次網(wǎng)安全運(yùn)行的壓力，所以需在二次網(wǎng)總回水處設(shè)置加壓泵對(duì)二次網(wǎng)回水進(jìn)行加壓，彌補(bǔ)一次網(wǎng)分支回水返回主管所需壓力的不足，同時(shí)也將二次網(wǎng)的一部分回水強(qiáng)制混入減壓后的一次網(wǎng)供水形成二次網(wǎng)供水（若受地勢(shì)高差的原因，一次網(wǎng)回水返回需要的壓力大于二次網(wǎng)供水壓力時(shí)，一次網(wǎng)回水上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥移至混水旁通管道上控制混水量，此時(shí)混水旁通閥后壓力與二次網(wǎng)的供水壓力相持平衡，在二次網(wǎng)恒流量運(yùn)行的工況下，二次網(wǎng)資用壓差不變，自然二次網(wǎng)的靜壓也就因?yàn)榕酝ㄕ{(diào)節(jié)閥的調(diào)整而相持穩(wěn)定），所以在此供熱區(qū)域內(nèi)其二次網(wǎng)升壓點(diǎn)在二次網(wǎng)的回水總管上；C）供水加壓的混水方式，熱力站處在一次網(wǎng)低壓區(qū)且站房與主管道分支開口處的相對(duì)地勢(shì)高差較小的位置（圖2Ⅲ點(diǎn)），從壓力分析圖中可以看到在一次網(wǎng)供回水本身的資用壓差（4mH2O）已不能滿足二次網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)阻力，同時(shí)熱力站地勢(shì)與分支開口處基本相當(dāng)，或者熱力站地勢(shì)相對(duì)分支開口處過高，一次回水壓力不需克服太多的相對(duì)地勢(shì)高差，這樣只需用水泵對(duì)一次網(wǎng)供水加壓，拉大一次網(wǎng)供回水的資用壓差，使其滿足二次網(wǎng)的內(nèi)網(wǎng)阻力，同時(shí)也將一部分二次網(wǎng)回水吸入加壓達(dá)到二次網(wǎng)供水壓力，在此區(qū)域內(nèi)二次升壓點(diǎn)在二次網(wǎng)的供水總管上。受城市地勢(shì)的影響，還會(huì)有熱力站處在一次網(wǎng)低壓區(qū)且站房與主管道分支開口處的相對(duì)地勢(shì)高差較大的位置復(fù)雜地勢(shì)，可以采用稍復(fù)雜的混水方式，因本公司的混水供熱系統(tǒng)內(nèi)沒有相應(yīng)的地勢(shì)及混水方式，在此暫不闡述。（2）耗量不同。因二次網(wǎng)升壓點(diǎn)不同，相同的二次網(wǎng)流量，水泵的做功不同，所以各混水方式的運(yùn)行耗電量就不同。假設(shè)三個(gè)混水方式不同的熱力站，運(yùn)行工況下水泵綜合效率均為0.7，且運(yùn)行參數(shù)一樣：一次網(wǎng)來水流量為175t/h，經(jīng)混水加熱，混入175t/h的二次網(wǎng)回水，二次網(wǎng)流量為350t/h，二次網(wǎng)運(yùn)行需要資用壓力為0.11MPa。經(jīng)計(jì)算采用旁通加壓式的混水方式的熱力站小時(shí)電耗量為7.5KWh；采用二次供水加壓式及二次回水加壓式的混水方式的熱力站小時(shí)電耗量為15KWh；2.2 共同點(diǎn)：（1）二次網(wǎng)定壓方式均采用一次網(wǎng)分支回水閥門進(jìn)行定壓，也就是前文提到的回水閥定壓方式?；焖惫┕岱绞蕉尉W(wǎng)系統(tǒng)也需要定壓，因?yàn)楦鞴嵝^(qū)的地勢(shì)高差不均，要保證二次網(wǎng)系統(tǒng)最高處不倒空，不同的地勢(shì)高差需要不同的靜壓力。此三種混水方式均是在各熱力站一次網(wǎng)分支回水處設(shè)置調(diào)節(jié)閥通過節(jié)流分擔(dān)一部分一次網(wǎng)分支的資用壓差，使二次網(wǎng)資用壓力保持在一次網(wǎng)分支壓力的較高段，同時(shí)滿足二網(wǎng)系統(tǒng)的靜壓。通常一次網(wǎng)供水上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是根據(jù)閥門全開且閥門前后壓差為0.1MPa時(shí)通過的最大流量來選定的，受各熱力站地勢(shì)高差不等的影響，大部分一次網(wǎng)分支供回水的資用壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二次網(wǎng)的資用壓差加上0.1MPa，這樣必然造成閥門全開時(shí)通過流量過大，在調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供水溫度時(shí)，會(huì)因?yàn)殚y門關(guān)得過小，而造成二次網(wǎng)供水壓力不足。因?yàn)橐淮尉W(wǎng)分支供回水的資用壓差（△P1資）需要由分支內(nèi)部阻力來消耗，若分支內(nèi)部阻力只有一次網(wǎng)供水的減壓閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)的阻力（△P1供）和二次網(wǎng)供回水的資用壓差（△P2資），這樣就可以得出三者的關(guān)系， 即  △P1資=△P1供+△P2資（1）那么，此時(shí)二次網(wǎng)回水壓力等于一次網(wǎng)回水壓力（如圖3C），在二次網(wǎng)資用壓差恒定（0.10MPa）的工況下（二次網(wǎng)恒流量控制），當(dāng)一次網(wǎng)回水壓力（0.19MPa）偏低時(shí)，此分支供水上的減壓閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥需要承擔(dān)的阻力（△P1供）過大，從而造成二次供水壓力（0.29 MPa）不足，即二次網(wǎng)靜壓不足。為解決二次網(wǎng)靜壓不足這一問題，需在一次網(wǎng)回水上設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)閥來分擔(dān)一部分一次網(wǎng)供回水的資用壓差。因?yàn)橐淮尉W(wǎng)分支供回水的資用壓差（△P1資）需要由分支內(nèi)部阻力來消耗，分支內(nèi)部阻力多了一次回水上調(diào)節(jié)閥的阻力（△P1回），這樣就可以得出四者的關(guān)系，即△P1資=△P1供+△P2資+△P1回（2）為保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中△P1資與△P2資通常是恒定的。根據(jù)關(guān)系式（1-2）得知，可以通過調(diào)整△P1回的大小來改變△P1供的大小，從而達(dá)到調(diào)整二次網(wǎng)供回水壓力的目的，也就是二次網(wǎng)定壓，如圖3AB。從圖3AB可以看出，通過調(diào)整一次回水的調(diào)節(jié)閥可以給二次網(wǎng)系統(tǒng)持定不同的靜壓，而一次主網(wǎng)與二次網(wǎng)的運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定，這就上面所說的回水閥定壓方式。在實(shí)踐中也是這樣的，在正常冷熱水1：1混合的工況下，受各站地勢(shì)條件影響，16個(gè)混水站中有8個(gè)站需關(guān)小一次網(wǎng)回水閥門，將壓力“憋”到二次網(wǎng)所需要的供水壓力；當(dāng)冷熱水混合比大于1：1時(shí)，16個(gè)混水站均需要關(guān)小一次網(wǎng)回水閥門，將壓力“憋”到二次網(wǎng)所需要的供水壓力。（2）一次網(wǎng)與二次網(wǎng)供回水運(yùn)行工況可以相對(duì)隔開，可以針對(duì)二次管網(wǎng)運(yùn)行工況需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，而一次管網(wǎng)運(yùn)行工況不存在明顯波動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定。二次網(wǎng)運(yùn)行工況調(diào)整一般是對(duì)供水溫度與供水壓力的調(diào)整。a供水壓力的調(diào)整也就是靜壓點(diǎn)的調(diào)整，主要利用一次網(wǎng)回水處的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，二次網(wǎng)系統(tǒng)靜壓點(diǎn)的調(diào)整值在一次網(wǎng)分支的資用壓力范圍內(nèi)進(jìn)行（如圖3AB），不影響到一次網(wǎng)的其他分支；b供水溫度的調(diào)整主要是以一次網(wǎng)供水溫度質(zhì)調(diào)節(jié)為主，調(diào)整一二次網(wǎng)的流量比為補(bǔ)充的形式。根據(jù)整個(gè)大管網(wǎng)的系統(tǒng)特征，混水方式可以有不同的流量混合比，當(dāng)二次網(wǎng)與一次網(wǎng)的流量比值為2或者2以上時(shí)，以調(diào)整一二次網(wǎng)的流量比為補(bǔ)充的方式對(duì)二次網(wǎng)供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，一次網(wǎng)的流量變化很小，由此變化流量引起的一次主管網(wǎng)沿程壓損基本可以忽略，所以一次網(wǎng)很穩(wěn)定。（3）控制方式相同。a混水泵均參照二次網(wǎng)流量進(jìn)行變頻恒流量控制：根據(jù)二次網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)的供熱面積及流量調(diào)配程度，在保證各樓各單元用戶熱水循環(huán)流通的情況下，通過變頻調(diào)節(jié)水泵出口流量，從而控制二次網(wǎng)的循環(huán)流量；b一次網(wǎng)供水側(cè)調(diào)節(jié)閥參照二次網(wǎng)供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制：因二次網(wǎng)流量恒定，一次網(wǎng)的流量直接影響二次供水溫度，可執(zhí)行定溫控制或溫度經(jīng)驗(yàn)曲線控制等多種控制方式對(duì)二次網(wǎng)供水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；c一次網(wǎng)回水側(cè)調(diào)節(jié)閥參照二次網(wǎng)所需靜壓力進(jìn)行恒壓控制：受一次網(wǎng)供水側(cè)調(diào)節(jié)閥對(duì)二次供溫的控制調(diào)節(jié)，二次網(wǎng)的供水壓力會(huì)跟隨發(fā)生變化，為保證二次網(wǎng)系統(tǒng)不倒空不超壓，一次網(wǎng)回水側(cè)的調(diào)節(jié)閥需作相應(yīng)調(diào)節(jié)以保持二次網(wǎng)的回水壓力；d設(shè)置超壓泄水保護(hù)：因?yàn)楣嵯到y(tǒng)循環(huán)周期比較長，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)時(shí)間需要延長，當(dāng)一次網(wǎng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，設(shè)置電磁泄壓閥超壓泄水實(shí)時(shí)保護(hù)，以保證二次網(wǎng)系統(tǒng)安全性。3.經(jīng)濟(jì)分析3.1 初投資費(fèi)用低因熱力站工藝結(jié)構(gòu)上沒有換熱器，加上它自身獨(dú)特的定壓方式—回水閥門定壓，混水熱力站節(jié)省換熱器及變頻補(bǔ)水定壓方式所需的管件與設(shè)備的投資；另外由于設(shè)備占地面積少，加上采用無人值守，熱力站土建造價(jià)明顯下降，所以混水直供熱力站相對(duì)于間接供熱造價(jià)明顯低。假設(shè)一個(gè)8萬平米的混水直供熱力站，其初投資相對(duì)于間接供熱換熱站大體估價(jià)如下頁簡(jiǎn)表。就本系統(tǒng)05-06年供熱面積為105萬平米，一共組建16個(gè)混水熱力站，建站規(guī)模平均按8萬平米供熱能力計(jì)算，外網(wǎng)混水直供熱力站相對(duì)于間接供熱熱力站節(jié)省初投資192萬元。3.2 運(yùn)行成本低（1）一次網(wǎng)供熱系統(tǒng)流量分配圖：（2）混水直供與間接供熱一次網(wǎng)循環(huán)泵用電功率比較：（3）混水直供二次管網(wǎng)各熱力站水泵用電功率：（一次網(wǎng)水量：二次網(wǎng)水量=1：2）（4）運(yùn)行電費(fèi)比較：從以上計(jì)算表格看，本混水直供供熱系統(tǒng)運(yùn)行成本在冷熱水1：1混合的運(yùn)行模式下相對(duì)于間接供熱是經(jīng)濟(jì)的。3.3 熱損耗較小，維護(hù)費(fèi)用低從直觀上看混水直供供熱方式?jīng)]有換熱器，相對(duì)間接供熱方式可減少換熱器的散熱損失，所以混水直供相對(duì)于間接供熱熱利用率更高；混水直供熱力站沒有換熱器，在檢修期間相對(duì)間接供熱方式節(jié)省大量的維護(hù)費(fèi)用，間接供熱各小區(qū)熱力站的換熱器通常每隔一兩年都需要做定期的除垢清洗，特別是板式換熱器流道間隙窄，容易結(jié)垢，換熱板間嚴(yán)密性要求高，密封墊在拆裝過程中容易損壞，這樣造成熱力站維修成本的增加，經(jīng)測(cè)算平均每年單臺(tái)換熱器維護(hù)費(fèi)用為2500元，16個(gè)換熱站32臺(tái)換熱器平均年維修費(fèi)用為8萬元。4.結(jié) 論通過闡述本公司混水直供供熱系統(tǒng)的運(yùn)行特征及相對(duì)間接供熱方式的經(jīng)濟(jì)比較分析，可以看到通過利用熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施無人值守自動(dòng)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)與間接供熱方式相同的多種控制功能，供熱系統(tǒng)穩(wěn)定，供熱效果良好；另外混水直供供熱方式工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔及二次網(wǎng)靜壓定壓方式獨(dú)特—回水閥門定壓方式，使供熱方式在建設(shè)初投資、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)等均有優(yōu)于傳統(tǒng)的間接供熱方式。本供熱系統(tǒng)供熱面積為105萬平米，實(shí)施混水直供供熱方式平均散熱量0.55GJ/（年•m2），通過采用北京碩人時(shí)代熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，部分站點(diǎn)實(shí)施定溫控制平均散熱量0.4～0.5GJ/（年•m2），供暖期為140天，熱力公司單方面考慮，此外網(wǎng)系統(tǒng)相對(duì)間接供熱方式年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省35萬元，初投資節(jié)省192萬元，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用8萬元。