供热管网节能技术

集中供热存在的主要问题 我国的集中供热，对城市建设和改善人民生活带来不可估量的收益，但是，由于长期受计划经济的制约， 存在着供热体制、供热成本和供热技术方面的问题，本文主要研究技术方面的问题，对于技术方面存在的问题 如下： （1 ）管网敷设方式落后。供热管网的敷设方式普遍采用管沟方式，这种敷设方式占地比较多，在城市规划管 线综合安排上有一定的困难，施工周期长，对城市交通影响大。尤其在城市中心会遇到大量的拆迁问题，增加 了大量的投资，在供热管网建设施工中，经常会与城市的整体建设规划产生冲突，与相关部门的协调配合存在 较大问题，增加了施工难度，阻碍了施工进度，甚至无法实施，减缓了城市集中供热的发展速度，导致供热管 道及热源的建设赶不上城市发展的需要。 （2 ）运行的室外管网多为支状管网，供热管网末端缺乏必要的调节手段，水力失调严重，同时大部分用户未 采热计量的手段，能源浪费现象严重。如何有效的保证供热管网的水力平衡是亟待解决的问题，另外管网水力 调节需要大量的资金、设备和人力投入，在实际操作中仍存在困难。 （3 ）供热系统的控制水平和调节水平落后。供热管网经过多年的发展已经形成规模，但是由于大多数系统没 有热网监控系统，热源、热力站自动化程度低，大大降低了系统的经济性和可靠性。 （4 ）供热系统不能适时的有效调节供热流量和供水温度。现有的供热系统只是针对设备的粗放型管理，很少 考虑对整个系统主要运行参数进行监控，更没有实现对用户室温的远程检测，无法准确掌握系统供热水平和质 量，操作人员只能凭借经验调节供热量。另外，由于没有采用气候补偿技术，在实际运行过程中依然只能采用 “看天烧火”的传统方式，即通过人工手动方式来调节供热量，不能自动的适时的进行分时按需供热，造成采 暖初末期造成大量浪费热量。 影响管网的输送效率有以下三个方面： 水力失调损失、系统失水和保温损失，其中水力失调损失所占的比例最大，也是供热系统普遍存在的现象。 供热管网水力失调 2.1.1 水力失调的概念 供热系统中热水热网各热力站（或热用户）在运行中的实际流量与设计流量之间的不一致性，称为供热系统 的水力失调。换句话说，热网不能按热用户需要的流量(热量 )分配给各个热用户，导致不同位置的冷热不均的 现象。 2.1.2 水力失调的分类 水力失调一般可分为三种情况，即系统的一致失调、系统的不一致失调和系统的等比失调。 a系统的一致失调是指各个用户的水力失调度分别都大于或小于 l。即各个用户流量都大于或者都小于规定流 量的现象称为一致失调的情况；流量过大导致采暖房间过热，浪费能源，流量过小导致采暖房间温度达不到舒 适标准要求，影响用户的生活质量。 b系统的不一致失调是指各个用户的水力失调度有的大于 l，有的小于 1。即出现用户流量有的大于规定流量， 有的小于规定流量的现象称为不一致失调情况；流量过大导致采暖房间过热，流量过小导致房间过泠。 c系统的等比失调是指各个用户的水力失调度分别都相等。即各个用户的流量大于或小于规定流量，但其比值 是相同的现象称为等比失调情况；等比失调导致采暖房间过热或过泠程度是一样的。 2.1.3 水力失调形成的原因 水力失调的根本原因是管网阻力不平衡造成的，即系统在运行时管网特性不能在用户需要的流量下实现各 用户环路阻力相等。产生水力失调的客观原因有很多，主要有以下几方面： （1 ）循环水泵选择不当，流量或扬程选择过大、过小都会使水泵工作点偏离设计工况点从而导致水力失调。 （2 ）供热管网的用户增加或停运部分热用户，要求系统中的流量重新分配导致全网阻力特性改变进而导致水力 失调。 （3 ）系统中用户的用热量的增加或减少，会引起管网中的流量发生变化，从而要求系统中的流量重新分配进而 导致水力失调。 （4 ）流量调节阀的选择不当，导致水力失调。 （5 ）人为的随意调节入口处阀门或网路分支阀门，导致水力失调。 （6 ）管网管径设计不合理，或者管路中某管段堵塞使管网阻力增大，造成系统压力过大，超出了热源设备提供 的压力，导致水力失调。 （7 ）供热管网失水严重，超过了补水设备的补水量，系统因缺水而不能维持管网所需的压力，导致水力失调。 （8 ）热用户室内水力工况的改变导致水力失调。 2.1.5 解决供热管网水力失调的措施 由于水力失调造成供热质量下降，能耗增加，对于已经出现的水力失调情况，必须采取措施予以解决。笔 者总结出以下解决水力失调的措施： （1 ）换热站一次侧设置动态压差调节阀，满足一次网回水系统的动态调节。 （2 ）在用户入口或热力站设置自力式压差平衡阀、自力式流量调节阀，在管网分支处设置平衡阀。 （3 ）采用变频技术适时调节管网流量。变频水泵能适时根据用户热负荷的变化，自动调节网路中的流量，将管 网中的流量重新分配来满足用户所需要的流量，减少阀门损失，降低能耗。 （4 ）采用微机控制技术，使操作人员对热网进行适时的检测和调节，在换热站前端安装电动调节阀，对其压差 进行有效调整和控制。 2.2 热网失水 管网失水造成系统无谓的能量浪费，管理得当的系统能把失水率控制在 2%，较为先进的系统能控制在 0.5%， 而差的可能达 10%，这其中的差距巨大，有很大的节能潜力。 2.2.1 热网失水的原因及危害 2.2.2.1 热网失水的原因 （1 ） 施工单位的粗枝大叶，预留管段接头没有用盲板焊死，运行后泻水非常严重；管理单位管理力度不够， 由于管道的长年失修，管道的跑、冒、滴、漏现象十分严重；另一方面，采用材质未达标的低劣管材与其配件 的现象比较普遍，容易造成管道破损漏水。 （2 ）一些换热站在未经允许的情况下，私自向漏损系数较大的二次网补水，造成其跑、冒、滴、漏现象严重。 （3 ）热网采用无补偿直埋管道时，没有满足标准规定的最小敷设深度，导致管道受压破坏出现漏、泄水。 （4 ）由于缺乏先进的技术设备，热网失水未能及时响应，造成处理工作和维修工作不到位，致使陈旧失修的热 网跑、冒、滴、漏现象严重。 （5 ）热用户窃水现象比较严重，造成管网失水。 2.2.2.2 热网失水的危害 在系统的供热过程中，系统失水就必须补水，系统损失多少水就必须补进多少水，然而，损失的是热水， 补进的是冷水，冷热水温度的差异必然造成供热质量的下降，致使一部分用户的室内温度达不到设计要求，严 重的影响了室内的热舒适性，用户投诉供热单位，造成供需之间的矛盾。 有些供热单位为了补水不按照规章操作，直接补充自来水，导致锅炉腐蚀结垢，管道生锈，大大降低了供 热设备和管网的使用寿命。 2.3 管道保温 对于管沟敷设的情况而言，管道内有积水是时常出现的，这就严重的影响了保温管道的保温效果。因为， 保温管道在大面积受湿的情况下，保温材料的孔隙中会渗入水分(包括水蒸气和液态水) ，除空气分子的导热、 对流传热和孔隙壁面的辐射换热外，还存在由蒸汽扩散引起的附加热传导，以及通过孔隙中的水分子的导热。 由于水的导热系数是空气的 25 倍，所以保温材料吸水后其导热系数将大幅度增加，这就直接影响了管道的输 送效率，浪费了能源。因此，选用吸水率低的保温材料保温效果更好，如聚氨酯硬质泡沫塑料保温材料其吸水 率小于 10%，比其他保温材料低的多，保温效果能提高 48 倍。 供热管网中常用的节能设备：变频循环泵、变频补水泵、计算机监控系统、气候补偿器、换热站一次测电 动调节阀、换热站入口平衡装置、热用户入口平衡装置。 在热力入口处应安装平衡阀以消除管网的剩余压头，实现系统的阻力平衡，解决水力失调的现象。 平衡 阀的工作原理是通过改变阀芯与阀座的间隙(开度) ，来改变流体流经阀门的流通阻力，达到调节流量的目的。 3 工程中采用的闸阀、截止阀、球阀、锁闭阀，都属于快开特性，只能起关断作用。平衡阀的调节特性是最好的。 为了适应热源定流量运行热网测变流量运行的特点，采用双级泵系统，双级泵系统是利用一级泵保证热源 定流量系统，而二级泵采用变频水泵实现二次测变流量运行。此系统可以根据用户侧负荷的变化实现变流量运 行，减少了不必要的能源浪费，因此，该系统比热源定流量系统更节能。 变频调节补水泵有如下优点 ： （1 ）运行管理方便，达到设定压力自动停机，低于设计压力自动开启，不需专人管理； （2 ）与常用补水泵节能省电； （3 ）具有过流、过压、欠压、过载、短路、过热保护和故障音响及灯光报警信号； （4 ）具有手动和自动两种控制方式，自动控制时，有备用泵连锁和变频电源。自动控制系统故障时，可自动切 换成人工运行。 气候补偿器由以下部分组成：控制装置、控制电机，控制阀、室外温度传感器、供水温度传感器、回水温 度传感器、计时装置等。气候补偿器的应用实现了以下功能： （1 ）根据用户侧所需的热量改变供给热量，保证供需平衡，实现热量的精确控制，避免了用户温度过高或过低 的现象，达到按需供热，节约能源。 （2 ）可通过太阳辐射热、室外风力、风速等气息参数，对室外温度进行修正。 （3 ）根据室外温度变化，实现自动分段调节曲线。 3.1.5 直埋敷设应用技术 直埋保温管道采用聚氨酯硬脂泡沫保温材料，其导热系数比其他普通保温材料低的多，保温效果提高 4 8 倍，另外，聚氨酯硬脂泡沫保温材料吸水率低，小于 10%，其他保温材料远远达不到此效果。这样，低 的导热率和吸水率，再加上保温层外面防水性能好的高密度聚乙烯或玻璃钢保护壳，大大减少了供热管道的整 体热损失，大大的提高了供热管网的输送能效。 整体式预制保温管直埋敷设与地沟敷设相比有如下特点： （1 ）管道预制，现场安装工作量减少，施工进度快，不需要砌筑地沟，土方量及土建工程量减小，可节省供热 管网的投资费用。 （2 ）整体式预制保温管严密性好，水难以从保温材料与钢管之间渗入，管道不易腐蚀。 （3 ）预制保温管受到土壤摩擦力约束的特点，实现了无补偿直埋敷设方式，在管网直管段上可以不设置补偿器 和固定支座，简化了系统，节省了投资。 （4 ）预制保温管结构简单，采用工厂预制，易于保证工程质量。 （5 ）占地小，易与其它地下管道的设施相协调。 （6 ）聚氨酯保温材料导热系数小，供热管道的散热损失小于地沟敷设。 全智能供暖管网节能管理系统 具体做法: 在锅炉的出水管上安装了温度传感器、可调变量混水器,并在泵的出水口与混水器之间加设一条旁通管线, 将锅炉的循环流量降低。通过对温度传感器、可调变量混水器的调控,使泵的出水有了“分流”,一部分水通过锅 炉加热, 产生了高温热水 ,大部分水经过旁通管、温度传感器分流至可调变量混水器,两部分水按比例混合产生所 需要温度的热水。这部分水进入供水管,用来调节系统供水温度。根据室外温度调节供、回水温度,在锅炉内形成 小流量、大温差。保持较大的温差可使锅炉运行状态尽量接近设计参数值,对维持稳定的燃烧状态,提高锅炉热效 率,节省燃料, 十分有利。随着室外温度的降低,可逐渐加大进入锅炉的水流量, 但仍可保持大温差运行状态,也就是 说,锅炉始终维持在最佳状态运行。在外网形成大流量、小 温差。这一过程由全智能运行管理器进行测控。 全智能运行管理器在整个采暖季( 当年 11 月 15 日 次年 3 月 15 日) 每 30 s 自动巡检一次,根据室外温度变 化,动态调整锅炉出水(热水)与回水混合比例 ,保证混水后外 网室内温度恒定,外网 (大循环系统 ) 始终保持大流量、小温差,锅炉( 小循环系统) 始终保持高效率运行,实现小 流量、大温差。锅炉的燃烧时间降低,实现极佳的节能效果。 3 全智能供热管网调控技术的优点 1)显著提高锅炉的运行效率,使锅炉始终保持高效运行状态( 锅炉运行任务可简化为单一的生产高温水)。 2)可有效控制外网温度( 热值),真正实现按需供暖,保证外网低温长供(不间断供暖),缓和外网不平衡现象。 3)提高锅炉使用寿命( 锅炉高效率运行不会产生结露、锈蚀)。 4)在原供暖满负荷运行的基础上, 可增 35%50%的供暖面积。 5)数字化控制管理系统, 具有抗干扰性, 数据( 值) 准确。 6)提高锅炉的运行管理水平( 智能自动化控制) 。 7)系统管理智能灵活,可实现分时段控制; 可根据用户要求随时调整控制系统。例如: 医院婴儿室、手术室: 25 26; 病房:22 ; 门诊楼: 1618;办公楼 (学校):18 (白天 7:00 18: 00);812( 夜间 18: 007: 00);宿 舍区: 24 h 不间断供暖。 8)全面提高服务质量及水平 ( 根据用户要求,保证外网用户室内恒温), 有效缓解物业管理中的纠纷及投诉。 9)检测方便,不破坏原系统工作程序,可随时退出管理,原系统照常运行,相对比的节能效果立竿见影。 10)节能效果显著 : 普遍节能效果 30%以上。其中: 燃气、电锅炉每采暖季可节省 5 7 元 / 建筑平米; 燃油锅 炉每采暖季可节省 810 元 / 建筑平米;燃煤锅炉每采暖季可节省 4 5 . 5 元 / 建筑平米。 供热管网的节能改造 管网的技术状况是影响系统节能的理论效率的重点 2.1 管网技术状况对供热系统的影响 管网的技术状况影响系统效率的因素有保温结构的导热系数，热网管道内壁与保温层外壁温度差，热网各 管段长度和系数水漏失热损失。 2.1.1 保温结构的隔热性能，根据外网运行经验，当管网有良好的保温时，其热损失约占总输热量的 5-8%与之 对应的保温结构费用约占热网管道成本的 25-40%，可见，保温对保证供热质量，节约投资和燃料都有重要影响。 2.1.2 热网的总长度，在保证采暖指标的前提下，总管长因取最小值，这不仅可减少基建投资还可以缩小散热表 面，减少散热量，提高系统效率。 2.1.3 管道径向温差，在热媒温度选定的情况下，缩小管道径向温差，可与提高隔热材料导热保温性能取得大致 相同的节能效果。 2.1.4 热网水漏损失程度，对于 95-70供热系统，据计算热媒水 2%的漏失量，即相当于 5%的散热损失 5%的 漏失量，即可使系统效率降低 10%以上，因此提高供热系统的效率，应以热网作为重点环节，热网循环水泵的 耗电，电也是影响系统效率的因素，对于热网而言，影响热网循环水泵功率的因素是最不利环路的沿程阻力与 局部阻力之和，因此，采取适当可行的措施以减小最不利环路的沿程和局部阻力损失，是减少热网循环水泵功 率的主要方法。 2.2 节能改造的技术措施 2.2.1 环路的合理划分 在实际工作中常遇到的问题有 a 环路划分杂乱无章。b 供热能力与实际负荷不适应。c 环路组成与网路 结构不合理，环路网络的各种不合理状况，大多是由基建扩大，热负荷点任意补接热望管线自然延伸所造成的， 显然，热网环路的种种不合理状况，是造成采暖系统效率低，浪费能源的重要原因，热网节能改造的首要一点， 就是要改变环路划分的不合理状况使之趋于科学，合理，首先根据热媒流量平衡分配原则确定环路数，管线布 置应力求短直，供热热网的供热半径最大一般不超过 5000m，主干线应尽量通过主要的，负荷大的，用户集中 的区域便于实现阻力平衡同时还要兼顾基建现状与规划，保持网络的合理稳定。 2.2.2 减少网路热损失的技术措施 减少网路热损失是提高供热系统效率的主要途径 a，要减少管道的散热损失，就必须选用密封好，保温绝 缘性能高的保温材料，如聚氨酯发泡塑料管（黄夹克系列产品） ，用户放水等，从技术和管理方面考虑，复合硅 5 酸盐涂料等保温层厚度可按有关规定计算，b，控制热水泄漏量，造成热水泄露的原因有，管网腐蚀，管件损坏， 防用户防水等，从技术和管理方面考虑可采取的措施有设计，安装号管道伸缩器，防止管道热胀破裂，严格控 制水质防止管壁腐蚀，安装自动放气阀，杜绝任何放水设施等，采取严格的管理制度和必要的技术措施，以控 制热水泄漏量。 3.3 将热网的节能技术改造列为系统节能的重点，而热网改造设计的关键环节合理划分环路选用良好的保温材 料和优化的保温结构，采用先进的施工工艺等综合技术措施，才能取得减少热损失的最佳工程效果。 对供热管网进行节能改造的具体措施和方法 1 对供热管网运行方式的改造 4.1.1 将分时供热与连续供热结合起来 分时供热是指在供热期间，根据室内外的气温变化，将一天分成三到四个不同时段，进行阶段性的供热； 而连续供热则是在供暖期内一同样的温度进行持续的供热，直至供热期结束。 我国很多地区采取连续供热方式， 但是比起 24 小时连续供热，在供热效果相同，提供室温相同的情况下，分时供热的耗煤量要高出 20%左右。 从另一个方面看，连续供热的室温较为平稳，长时间连续燃烧也很适于炉膛内燃料的充分燃烧，可以有效避免 由于燃烧产生的烟尘污染。 但是若是房屋有明确的使用间隔时间，或是对温度的高低有不同的需求，则分时供 热较为适宜。因此，既保证供热效果，节能效果又较好的方案是平时采用较低温度的连续供热，而在对供热温 度要求较高的时候采用分时供热，以达到节能目的。 4.1.2 提升热网运行参数的精确性 热网运行参数的精确性不够是用户冷热不均和系统流量增大的主要原因，而冷热不均和系统流量增大则会 造成能源的消耗和器材的过度损耗。要解决这一问题，就必须先解决水力工况失调的问题，也就是在供热系统 中增加控制设备。同时，将供水温度与设计温度尽量接近，也能够对供热系统的输送效率有效提高。此外，还 可通过调节混水比，来增加循环水的流量，实现对楼内供水温度的控制，这样可以有效改善不同楼层间供热效 果不同的现象，在避免底层温度过低的同时，也不会使顶层过热。 4.1.3 将汽暖供热改为水暖供热 比