（工程热物理专业论文）集中供热系统的研究与优化.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 论文介绍了集中供热系统的组成及其主要设备的特性；对集中供热系统进行了 热力学分析，通过分析集中供热系统的火用效率与热效率，得出集中供热系统中较为 节能的供热方式为热电联产；分析了供热参数变化对热网的影响，对具体的工程实 例进行了水力计算，并进行了供热参数变化时的热水管网经济性计算，得出了管网 经济性随热媒温度及供回水温差变化的趋势，对热媒参数的选取给出了建议。最后， 采用模糊数学分析法，综合考虑经济、环保和节能等指标，建立了集中供热系统分 析评价的数学模型，对所选定小区的供热方案进行了方案对比与优化，确定了最优 方案。 关键词：集中供热系统，热力学分析，供热调节，优化 a b s t r a c t t h em a i np a r t sa n de q u i p m e n t sc h a r a c t e r i s t i c so fc e n t r a lh e a t i n g s y s t e ma r e s u m m a r i z e da n di n t r o d u c e d t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i si sd o n et ov a r i o u sh e a t i n g s y s t e m sa b o u tc e n t r a lh e a t i n gs y s t e m ，b ya n a l y z i n gt h et h e r m a le f f i c i e n c ya n dt h ee x e r g y e f f i c i e n c yo fc e n t r a lh e a t i n gs y s t e m ，w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h em o r ee n e r g y s a v i n g h e a t i n g s c h e m ei sc h ea n a l y s e dt h e i m p a c t o nh e a t i n gn e to ft h e h e a t i n g p a r a r m e t e r t a k ea c a s ea sa ne x a m p l e ，d ot h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o na n de c o n o m ya n a l y s i s o ft h ep i p en e t w o r k so nd i f f e r e n th e a t i n gm e d i u m ，t h e ng e tt h em o r ea c c u r a t ed a t aa b o u t t h et r e n do nh e a t i n gp i p en e t w o r k sa n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，t h e ng i v es o m e s u g g e s t i o no nh e a t i n gm e d i u m f i n a l l y , c o n s i d e r i n ge c o n o m y , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ， e n e r g ys a v i n ga n do t h e ri n d e x e s ，m a t h sm o d e li se s t a b l i s h e dt oa n a l y z ea n dv a l u et h e c e n t r a lh e a t i n gs c h e m e sb yu s i n gt h e o r yo fg r e yr e l a t i o na n dc o m p r e h e n s i v ef u z z y e v a l u a t i o n t h eo p t i m a ls c h e m ei ss e l e c t e df r o ms e v e r a ls c h e m e so fc e n t r a lh e a t i n g s y s t e m l il i ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w e ib i n g k e yw o r d s ：c e n t r a lh e a t i n gs y s t e m ，e x e r g y a n a l y s i s ，h e a t i n ga d j u s t m e n t ， o p t i m i z a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 论文介绍了集中供热系统的组成及其主要设备的特性；对集中供热系统进行了 热力学分析，通过分析集中供热系统的火用效率与热效率，得出集中供热系统中较为 节能的供热方式为热电联产；分析了供热参数变化对热网的影响，对具体的工程实 例进行了水力计算，并进行了供热参数变化时的热水管网经济性计算，得出了管网 经济性随热媒温度及供回水温差变化的趋势，对热媒参数的选取给出了建议。最后， 采用模糊数学分析法，综合考虑经济、环保和节能等指标，建立了集中供热系统分 析评价的数学模型，对所选定小区的供热方案进行了方案对比与优化，确定了最优 方案。 关键词：集中供热系统，热力学分析，供热调节，优化 a b s t r a c t t h em a i np a r t sa n de q u i p m e n t sc h a r a c t e r i s t i c so fc e n t r a lh e a t i n gs y s t e ma r e s u m m a r i z e da n di n t r o d u c e d t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i si sd o n et ov a r i o u sh e a t i n g s y s t e m sa b o u tc e n t r a lh e a t i n gs y s t e m ，b ya n a l y z i n gt h et h e r m a le f f i c i e n c ya n dt h ee x e r g y e f f i c i e n c yo fc e n t r a lh e a t i n gs y s t e m ，w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h em o r ee n e r g y s a v i n g h e a t i n g s c h e m ei sc h ea n a l y s e dt h e i m p a c to nh e a t i n g n e to ft h e h e a t i n g p a r a r m e t e r t a k eac a s ea sa ne x a m p l e ，d ot h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o na n de c o n o m ya n a l y s i s o ft h ep i p en e t w o r k so nd i f f e r e n th e a t i n gm e d i u m ，t h e ng e tt h em o r ea c c u r a t ed a t aa b o u t t h et r e n do nh e a t i n gp i p en e t w o r k sa n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，t h e ng i v es o m e s u g g e s t i o no nh e a t i n gm e d i u m f i n a l l y , c o n s i d e r i n ge c o n o m y , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ， e n e r g ys a v i n ga n do t h e ri n d e x e s ，m a t h sm o d e li se s t a b l i s h e dt oa n a l y z ea n dv a l u et h e c e n t r a lh e a t i n gs c h e m e sb yu s i n gt h e o r yo fg r e yr e l a t i o na n dc o m p r e h e n s i v ef u z z y e v a l u a t i o n t h eo p t i m a ls c h e m ei ss e l e c t e df r o ms e v e r a ls c h e m e so fc e n t r a lh e a t i n g s y s t e m l il i ( e n g i n e e r i n gt h e r m a lp h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w e ib i n g k e yw o r d s ：c e n t r a lh e a t i n gs y s t e m ，e x e r g y a n a l y s i s ，h e a t i n ga d j u s t m e n t ， o p t i m i z a t i o n 声明尸f 凋 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文集中供热系统的研究与优化， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：缉 导师签名： 日 期： 扛 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 供热管网的研究随着供热系统的不断发展而发展，至今已有一百多年的历史 了，得到了很大的完善和提高。早在6 0 年代，前苏联就开始用计算机对供热管网 进行分析，并编制了软件对多环管网进行水力计算。之后，一些国家开始系统地研 究供热优化规划和设计的问题，包括系统的可靠性、热源的优化组合和运行、机组 的优化配置、热网的干线最佳期走向和供热参数的优选等，并根据本国的资源情况 和供热发展状况，配置了完备的系统，进行优化设计、系统分析和投资预算等。 随着能源紧张和城市大气污染问题的日益严重，集中供热在越来越多的国家受 到了广泛重视，并迅速发展。丹麦的区域供热和热电联产分别占全部供热量的6 0 和3 0 ；芬兰的城镇总需热量的4 5 以上由集中供热承担，首都赫尔辛基市集中供 热率已达9 0 以上。俄罗斯集中供热占全国总热量的7 0 ，近9 5 的城镇供热集中 化，莫斯科的集中供热率几近1 0 0 。集中供热，对于节约一次能源，改善环境污 染，提高人民的生活水平有着重要的意义，也充分显示了现代化城市的便利性、舒 适性、美观性及安全可靠性，因而在欧、美、日等国获得了普遍应用。随着经济发 展和人民生活水平的提高，从节能、提高人民生活质量、改善城市基础设施状况、 保护环境、建设现代化城市等方面来看，城市集中供热的发展前景将十分广n t 卜j 。 对于供热管网来讲，整个供热系统是否经济合理，与供热参数是密切相关的。 根据国家有关规范，对低温热媒的民用建筑热源，供水温度主要从人体对环境温度 的舒适感考虑，宜采用等于或小于9 5 ，回水温度为满足一般清水泵的要求( 工作 温度最高为8 0 ) 而确定为7 0 。据国内经验，低温热水供热系统的供回水温度， 一般设计采用9 5 7 0 ，但从当前看来，低温热水供热系统的供回水温度大都在7 0 8 5 5 0 6 5 之间，甚至更低。但系统按照热媒温度9 5 7 0 设计的系统，真正需 要供水温度达到9 5 的时间，从理论上讲是十分短暂的，在实际运行过程中，则出 现时间很短。但若是供回水温度达到9 5 7 0 ，末端热用户调节不及时，室内温度 会较高，室内的热湿环境及各项指标均会使人感到不舒适。因此，为使热用户对采 暖期室内温度及热湿环境满意，需要有一个合理的供回水温度参数。理论与实践得 知，热水供热管网系统最佳供回水温度的确定，应根据供热规模、供热范围、热源 形式、热网走向、敷设方式、小区热力站规模以及户内系统、热网调节控制系统、 供热设备性能等因素，进行综合技术经济比较后确定。供热能数的选择直接影响到 工程的投资及经济性。因此，对于工程的可行性研究、初步设计以及最终方案确定 华北电力大学硕士学位论文 阶段，对热网最佳供回水温度，必需做全面的技术经济比较，以取得最佳的经济效 益。如何实现国民经济的可持续发展，做到经济发展与节能、环保的“双赢 ，是 关系国计民生的大事。因而，通过各种优化方法对整个集中供热系统的参数进行优 化设计，使稀缺的资源得到最大化收益，降低供热成本，正是本课题提出的现实意 义。 1 2 国内外应用和研究现状 1 2 1 国内应用和研究现状 对我国而言，有着具体的国情，主要表现在： ( 1 ) 南方和北方地区气候差异大，仅北方地区采用全面的冬季采暖。冬季气 候地区差异很大，夏热冬暖地区的冬季平均气温高于1 0 ，而严寒地区冬季室内外 温差可高达5 0 ，全年5 个月需要采暖；目前我国北方地区的城镇约7 0 的建筑 面积冬季采用了集中供热方式，而南方大部分地区冬季无采暖措施，或只是使用了 空调器、小型锅炉等分散在楼内的采暖方式。 ( 2 ) 城乡住宅能耗用量差异大。一方面，我国城乡住宅使用的能源种类不同， 城市以煤、电、燃气为主，而农村除部分煤、电等商品能源外，在许多地区秸秆、 薪柴等生物质能仍为农民的主要能源。 ( 3 ) 目前我国无论按照人均建筑能耗还是按照单位建筑面积能耗，都远低于 发达国家水平。数据还表明，即使对我国同一地区、同一功能的建筑，其能源消耗 量有时也存在巨大差别。本节深入剖析造成这一差异的原因，从而得到实现中国建 筑节能的途径。由于我国城镇和农村经济发展状况不同，建筑节能工作面临的主要 问题也不同，以下着重对城镇和农村的问题分别进行讨论。 表1 - 1 中国城镇和美国各类建筑能耗的比较表 单位面积能耗( k g m l a ) 占城镇建筑能耗的比例 北方 南方城镇大型公一般公北方南方城镇 大型公 一般公 城镇 采暖住宅用建筑用建筑采暖采暖住宅用建筑用建筑 采暖 中国城镇 1 9 81 78 13 8 91 9 63 9 2 2 3 2 4 5 4 2 9 1 美国 9 72 1 3 87 82 1 3 3 5 4 4 3 。2 注：表中的能耗均为一次能耗 2 华北电力大学硕士学位论文 从表1 1 中可以看出，尽管中美两国地理状况和气候大致相同，我国北方建筑 采暖占我国城镇建筑能耗近4 0 ，使建筑能耗最主要部分；而美国采暖仅为2 1 3 ，低于不包括采暖的住宅能耗，也低于不包括采暖的公建能耗。我国北方城镇单 位面积采暖能耗与美国建筑采暖能耗相差并不悬殊，但其它各项，既长江流域采暖， 除采暖外的住宅能耗，公建能耗都远低于美国。因此，我国城镇建筑能耗远低于发 达国家的主要原因是由于：长江流域采暖能耗的差别，住宅除采暖的能耗的差别， 以及办公建筑能耗的差别三大原因所构成。 我国供热系统在冬季要消耗大量的能源。据统计，三北地区采暖能耗约占全年 总能耗的1 3 ，其中，北京市冬季采暖年用煤量6 0 0 万吨 - 7 0 0 万吨，约占全年总 能耗3 0 0 0 万吨的2 0 - - 2 3 。城镇集中供热全年收费收益可达1 2 1 5 亿元。 我国的集中供热是在解放后才开始的，但自改革开放以来，随着国家经济的迅 速发展，人民的生活水平大幅度提高，集中供热做为一项节能及改善城市环境的市 政工程，得到了迅猛的发展。 在区域供热输配系统方面，我国的研究借鉴了一些前苏联的研究成果，但由于 我国国情和供热的具体方式等方面与其他国家不同，必须研究适合我国供热实际情 况。经过十几年的努力，我国的学者在供热管网方面的优化规划、系统设计参数优 选和供热系统的可靠性等方面做了深入的研究，成果已在诸多工程中得到了应用， 如天津的龙潭路工程是根据热量表计数，按热量收费的形式设计的，比传统的建筑 节能5 0 ；天津凯丽花园的整个社区由区域供热系统的一个热力站进行供暖，并采 用定流量的模式运行，系统热负荷控制由调节热力站的水温( 质调节) 来实现；山 东的名胜社区虽不是按热计量和基于热耗收费进行设计的，但它引进了芬兰式的计 量方式( 楼栋级热计量，分摊到每户的热费根据建筑面积计算) 等。这些改进取得 了一定的经济效益和社会效益，为推动我国集中供热事业的行业进步打下了坚实的 基础。 虽然我国集中供热方面的研究取得了重大成果，并且在应用过程中取得了良好 的经济效益，但由于我国的关于供热的研究起步较晚，仍存在许多问题。经分析， 主要包括： ( 1 ) 锅炉负荷率低 由于设计选用的热指标较高、设备容量偏大，造成设备运行的低负荷率。根据 锅炉的产热量，每o 7 m w 可供1 0 0 0 0 平方米的供暖建筑面积，但现在供热锅炉只 供6 0 0 0 平方米左右，普遍存在“大马拉小车低负荷运行的现象。 ( 2 ) 锅炉的间歇运行 锅炉的间歇运行在升温过程中存在效率损失。在进户供热系统中由冷态到设计 3 华北电力大学硕士学位论文 状态，循环水的绝对膨胀量为3 以上，也就是说系统每起停一次就有3 以上经过 深度处理的热水损失。在间歇运行的供热系统中如果每天起停两次，每运行1 6 天 就相当于系统重新注水一次。由此可见间歇运行造成了大量的水资源、能源和环境 资源的浪费，其结果就是供热成本高经济效益差。间歇供暖时，房间内的散热器放 出的热量不仅要补充房间的耗热量，而且还要加热房间内所有已经冷却了的围护结 构。因此，锅炉的频繁启停，无法保证锅炉在高效率下运行 2 1 ( 3 ) 锅炉供热系统的输送效率低 国家节能标准要求管网输送效率达到9 0 ，但据清华大学近年来的实测数据： 一次管网损失2 w m 2 ，二次管网损失5 w m 2 ，失调损失7 w m 2 。由此推算，管网输 送效率只有6 6 - - 6 8 。其主要原因是国外的管网热损失基本上是沿途热损失，在 我国此项热损失除外，还有泄漏和失调的因素，特别是失调造成的热损失很大，又 非常普遍。锅炉供热系统及用汽设备的跑、冒、滴、漏也时有发生，从表面看其损 失是微不足道的，但其对系统的影响是不可忽视的。据统计，由于供热设备陈旧而 导致的热量损失达到3 0 左右。 ( 4 ) 供热运行参数低，形成“大流量，低温差 的运行方式 对低温热媒水的民用建筑热源，供水温度主要从人体对环境温度的舒适感考 虑。根据国家有关规范，宜采用等于或小于9 5 c ，回水温度为满足一般清水泵的要 求( 工作温度最高为8 0 c ) 而确定为7 0 c 。据国内经验，低温热水供热系统的供 回水温度，一般采用9 5 7 0 ( 2 ，但从当前看来，低温热水供热系统的供回水温度约 在7 0 8 5 5 0 6 5 之间，甚至更低。这主要是由于运行管理者为了节约燃料、降 低成本而造成的，也有部分设计者自身存在的一种潜意识，即供水温度选择低一些， 可以选择面积大一点的散热器。这就导致了运行供回水的温度偏低。从目前来看， 供热采用低参数运行己成为普遍的现象。 ( 5 ) 建筑保温不良，热量散失大 我国北方地区建筑外墙传热系数在l w ( m 2 k ) 左右，外窗传热系数4 w ( m 2 - k ) 左右，与北欧国家的外墙0 4 w ( m 2 k ) 、外窗2 w ( m 2 k ) 相比，相差1 2 倍。 这直接导致供暖负荷高出l 2 倍。降低供暖能耗必须大幅度改善建筑保温【3 j ，降 低建筑物本身的耗热量。 ( 6 ) 供热参数调整不及时 集中供热系统总的供热参数不能随气候变化及时调整，造成供热初期和末期气 候转暖时过度供热，造成热损失。这部分损失根据运行调节水平和系统规模不同， 一般占到总供热量的3 5 ，甚至更多。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 国外应用和研究现状 在世界上，北欧四国，如芬兰、瑞典、挪威和丹麦，因为地理环境的影响，发 展集中供热系统较早，目前已发展的比较完善。其供热的规模及供热质量都比较好 8 1 0 】。此外，受地理环境影响，俄罗斯是世界上集中供热最发达的国家之一。 在俄罗斯集中供热已经发展了8 0 多年，占全国总需热量的7 0 ，其中一半来 自热电联产，供热机组的单台容量随着区域供热事业的发展而不断发展扩大，它拥 有世界最大的热网，最大直径的热力管道，最大功率的热电厂，在热水供热采暖中， 俄罗斯的供回水温度参数为供暖系统进水口温度为9 0 ，出水口温度为7 0 ，并 且全年热水免费使用。 集中供热是丹麦能源政策的基石，现担负着全国几乎6 0 建筑面积的供暖任 务。他们按大、小城市不同规模因地制宜，大城市建设了世界上大型高效热电联产、 集中供热系统：在小城市迅速发展小型热电联产、区域供热系统。丹麦的供水温度 选取为8 5 ，回水温度为6 0 ，这是由于丹麦的国情与我国不同。丹麦的建筑密 度和负荷密度都小，相对而言，管网的输送距离比较长，他们经过深入研究，降低 供回水设计温度，可以减少管道散热损失，是较为经济的 在亚洲，韩国集中供热的规模、设计、施工、运行、管理全面引进芬兰供热先 进技术，从实际出发扬长避短，使供热系统更先进、完善。在城市管网中输送的热 媒，全部采用了单一的高温水，没有一处是输送蒸汽或空调用冷水的，高温水的供 水温度为1 2 0 、回水温度为6 5 。这种做法，无论是热电厂还是管网都很简单， 节省投资，热损失少，而且便于长距离输送，较为安全可靠。 在韩国，大约有6 0 万用户全年由区域供热系统供热和供应生活热水。区域供 热公司负责热交换站和热表的安装，并负责每月将采暖和生活热水费用发给房屋公 司。房屋公司负责热交换站的运行、维护和每月向用户收取热费。每个熟费账单包 括固定部分和变动部分。如果采用分户，变动部分等于热供应商的热价乘以热表读 数再加上1 0 ，这1 0 是考虑热交换站与各消费点之间的管网损失。可见由于采用 了较为科学的供热管网体系，及适合国情的供热参数，使得韩国的集中供热管网经 济性良好，发展迅速。 在热网运行监控方面，瑞典的f r e d r i kw e r n s t e d t 等人得出用代理人技术来实时 了解各热站运行状态，及时调整供热参数，以提高供热质量。在热网维护方面， m b o j i e 等人将各二次网水力阻搞、散热器的传热系数、建筑物的散热系数的实际 值与标准值比较，通过在相应支路加入水泵、改进换热器等方法来提高供热质量。 可以看出，国外发达国家从节约能源和减少污染的目标出发，采用集中供热系 统。其设计合理，采用多热源联网系统，根据用户的要求和室外气候条件的变化， 自动启停，无人值守。热网采用间接连接，循环水泵变频调速运行，节约能源；换 5 华北电力大学硕士学位论文 热器采用板式换热器，生活热水采用容积式换热器；输水管路采用隔热和防泄漏效 果好的新型泡沫聚合材料【8 1 。从高效、可靠和降低运行成本的目标出发，国外发达 国家采用中央监测和控制，在采暖用户入口安装温控阀，自主调节室内温度；采用 中央控制室监测热网和热力站的运行参数，通过不利点用户压差控制和调节变速 泵，实施变流量运行【9 1 0 1 ，从而使热网的供热参数调节更为及时与合理，整个热网 运行更为经济。 1 3 本课题的提出 由于在集中供热系统中，供热设计运行参数与实际运行参数不符，使得采暖 期室内温度通常达不到设计要求，或者远高于设计参数，使室内的热舒适性较差， 供暖效率低，可能会影响室内人们的正常工作，同时使热网设计初期的预算开支 与实际运行过程的开支不符，从而影响了整个供热管网的经济性。因此，为了选 取适宜的供热参数，更好的实现热网的经济性，节省能源，提高能源利用率，使 得节能、经济和环保之间得到较好的协调，本课题对集中供热系统进行研究与优 化是一个涉及多方面因素的课题。 1 4 本文主要研究工作 本文以集中供热系统为研究对象，对其进行研究与优化，主要内容如下： ( 1 ) 分析供热管网的系统组成及性能，并对常用的集中供热系统，即：热电联 产供热与区域集中供热方式的组成与性能进行分析。 ( 2 ) 对集中供热系统进行热力学分析，分析计算各种供热系统的火用效率，从用 能角度得出供热系统的最佳方案。 ( 3 ) 对供热系统的设计参数进行优化选择，对热网进行参数选择计算与经济性 分析，并给出供热系统设计参数的推荐值。 ( 4 ) 以较高的经济效益为目标，综合考虑经济、环保、节能等指标，通过采 用模糊综合分析法进行系统方案优化选择，得到最优的集中供热系统方案。 1 5 本章小节 ( 1 ) 阐述了本文的研究背景，得出了供热方案优化是节能环保、合理经济、优 化能源结构和实现可持续发展的重要途径之一 ( 2 ) 介绍了集中供热系统在国内外的发展和研究现状及其我国供热技术方面所 具有的发展潜力。 ( 3 ) 明确了本文的研究目的和工作。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章集中供热系统的组成及性能分析 2 1 集中供热系统的组成 集中供热系统是将大量的热用户通过热力网连接起来，由统一的热源提供所需 热量的一种供热系统。该系统一般由三部分组成，即热源、热网和热用户。其中热 网作为供热系统的一个重要组成部分，承担着将热源的热量及时地输送、分配给各 个热用户的任务，起到连接二者的桥梁作用【l l 】。 2 2 常用的集中供热方式 供热方式这里主要指热源的形式，它可分为城市集中供热和区域集中供热两个 部分。发展城市集中供热，应该根据节能、保护环境和经济合理的要求，并根据当 地的具体条件慎重选择集中供热的方式。集中供热方式按热源来说，一般可分为区 域集中供热系统和热电联产集中供热系统，也可以是由各种热源共同组成的混合系 统。 2 2 1 热电联产 热电联产是一项综合利用能源的技术，即在发电的同时，有效利用汽化潜热进 行供热，总热效率可达以上，环境污染少就经济效益和社会效益而言，热电联产 是非常好的集中供热方式。目前我国热电联产集中供热技术成熟，发展迅速，应用 广泛。热电联产是集中供热的主要方式之一【1 2 1 们。热电联产示意图如下： 0 76s 1 锅炉，2 汽轮机；3 发电机；4 热用户；5 凝结水泵 图2 - i 流程示意图2 - 2m 流程图 热电厂汽轮机的热电联产过程是在热化循环的基础上进行的，其工作原理如图 7 华北电力大学硕士学位论文 2 1 ，在锅炉内生产的高温高压蒸汽在汽轮机内膨胀做功，转化为汽轮机基轴上的 机械能，而后由发电机转化为电能。汽轮机乏汽送往用户，然后在用户处凝结，放 出汽化潜热，用凝结水泵打回锅炉。 在t - s 图中，水在炉内加热、汽化、过热等过程用曲线1 2 3 4 表示，曲线 1 2 3 4 5 6 7 4 下的面积表示锅炉内吸收的总热量，蒸汽在汽轮机内膨胀过程用直 线5 1 表示；转变为电能的热量用面积1 2 3 4 5 1 表示，传递给热用户的热量用面 积1 5 67l 表示。由此可见，热电厂热化循环中，由于没有低温热损失，汽轮机 乏汽的余热被热用户所利用，所以大大提高了热效率。这样，热电联产时，热效率 为7 0 - 9 0 ，而热电分产时，凝汽式电厂热效率为3 5 - - - 4 0 。 2 2 1 1 热电联产的分类 对于有大面积供热需求，对环保要求较高，而且附近有大型热电厂的小区，热 电联产是一种非常好的选择。热电厂集中供热按照供热机组的型式不同，一般可分 为四种类型 ( 1 ) 装有背压式汽轮机的供热系统。这种系统主要用于工业企业的自备热电 站。 ( 2 ) 装有低压或高压单抽汽汽轮机的供热系统低压单抽汽系统常用于城市民 用供热，高压单抽汽系统通常是供工业企业用汽。 ( 3 ) 装有高、低压双抽汽汽轮机的供热系统。这种系统可同时满足工业用汽 和民用供热的需要。 ( 4 ) 把凝汽机组改造后用于供热的系统采用这种供热系统是对老电厂实行 节能改造的一项重要措施。 2 2 1 2 热电联产的优势 热电联产应是大城市集中供热的主要方式，这是因为跟建大型锅炉房比，热电 联产具有以下优势： ( 1 ) 热电联产供热规模大( 可供采暖2 0 0 0 万平方米以上) ，供热距离远，热 水管网可达3 0 公里。正是由于如此，一个城市可在市区周围建设几个热电厂来解 决市区的采暖供热问题。这就从根本上解决了由于供热引起的大城市环境污染问 题。 ( 2 ) 从污染治理的角度来看，热电联产也具有明显的优势。热电厂采用先进 的除尘设备，其除尘效率可达9 9 8 ，排放烟尘浓度可达5 0 r n g n m 3 ，再a n 上高烟 囱排放，对市区几乎没有影响。脱硫设备效率可达8 5 - 9 5 ，国外设备可达9 9 r 华北电力大学硕士学位论文 以上，完全可以做到煤炭清洁燃烧，建成真正的环保型工厂。 ( 3 ) 热电机组和热网寿命可达2 0 年以上，几乎可以说是一劳永逸地解决城市 供热问题。由于热电厂是常年运行，随时维护，其设备不易锈蚀、损坏。 ( 4 ) 热电联产可以增加电力供应，其假定前提是电是多余的。从建设现代化 国家的标准来看，我国的用电水平跟发达国家比，还非常少，“西电东送 可以解 决东部地区部分用电增长问题，但不能解决全部问题。“西电东送 和在东部负荷 中心建必要的支撑电源点并举的原则已经过论证，形成共识。 ( 5 ) 热电联产的一个好处是可以在经济上“以电补热 。按照热的商品属性计 算合理价格应在3 0 元g j 以上，到用户每平方米建面积每个冬季应收费3 0 元左右， 这在北方很多城市是承受不了的。因此，在城市居民收入水平尚未达到一定程度时， 通过“以电补热 ，可以解决这个矛盾。 ( 6 ) 跟锅炉房相比，热电联产更节能，有更高的能源利用效率和劳动生产率。 由于热电厂供热范围大，不同用户之间的用热高峰存在一个同时率问题，通过合理 调节，可以做到能源的合理利用。热电联产自动化程度高，用人少，可以创造更高 的劳动生产率，同时避开了供热锅炉单季运行所带来的一系列相关问题。 2 2 2 区域集中供热 区域集中供热按照燃料的不同又可分为燃煤的锅炉房供热、燃天然气的锅炉房 供热和燃油锅炉房供热和耗电的热泵供热四种方式。 其中，锅炉房集中供热系统根据安装的锅炉型式不同，可以分为两种类型： ( 1 ) 蒸汽锅炉房的集中供热系统，多用于工业生产的供热。其热源供热如图 2 3 所示： 卜锅炉；2 一给水泵：3 一除氧器；4 一疏水器：5 一疏水箱：6 一软化水设备：7 一分汽联箱 图2 - 3 蒸汽锅炉房流程图 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 热水锅炉房的集中供热系统，常用于城市的民用供热。其热源供热系统如 图所示： 卜热水锅炉；2 一热网水泵：3 一除污器；4 一集水器：5 一分水器；6 一软化水箱；7 一软化水泵； 8 一除氧器；9 一除氧水泵；1 0 一补给水泵：1 卜定压设备；1 2 - 卒b 给水箱；1 3 - 软水器 图2 4 热水锅炉房流程图 我国传统的集中供热方式是燃煤锅炉区域集中供热，主要为居民区住宅供暖， 热效率可达8 0 ，是比较成熟的供热技术。区域锅炉消耗大量的常规能源，污染严 重。但由于其投资少、见效快、技术稳定，因此受我国国情的影响，在一定阶段， 它仍然是集中供热的重要形式之一。 2 2 2 1 燃煤锅炉房供热 采暖供热方式的能源主要是煤，而煤在燃烧过程中会放出大量的污染物，s 表示 煤的含硫量，统计情况见表2 - 1 。 表2 - 1 燃烧煤排放的污染物量( k g t ) 炉型 污染物 电站锅炉工业锅炉采暖及家用炉 一氧化碳 0 2 31 3 62 2 7 碳氢化合物( 以c 。h m 计) 0 0 9 l0 4 54 5 氮氧化物( 以n 0 2 计) 9 0 89 0 83 6 2 二氧化硫( s o z ) 1 6 0 ( s ) 1 0 华北电力大学硕士学位论文 今后很长一段时间内，化石燃料仍是人类社会性的主要能源。根据国际系统应 用分析研究所预测，到2 0 3 0 年，世界一次能源的构成是煤碳的2 9 - 3 4 ，石油1 9 - 2 2 ，天然气1 5 ，- - - 1 7 ，核能2 3 ，水力和地热4 7 ，太阳能和其他可再生能源 4 。因此，煤碳仍将成为城市供热的主要能源。 在发达国家，燃煤的区域锅炉房由于能耗大、污染严重，已经逐渐被淘汰。我 国由于国力有限，且大型区域锅炉房投资少，见效快，技术稳定，在一定阶段还将 广泛采用。燃煤锅炉房的应用主要集中在经济不发达而又需要大面积供热的小区。 2 2 2 2 燃气锅炉房供热 目前，天然气作为一种清洁能源，已经开始逐步替代煤炭作为锅炉的燃料进行 供热了。燃天然气的锅炉房与燃煤的锅炉房相似，只是所用的燃料不同，因此，所 用的锅炉也略有不同。有很多地方的小区都采用了燃天然气的锅炉替换了原有的燃 煤锅炉，并且取得了很好的节能环保效果。其供气系统如图所示： 燃气锅炉供暖的优越性： ( 1 ) 对环境的污染小； ( 2 ) 建设投资和占地面积小； ( 3 ) 锅炉体积只有同容量燃煤锅炉体积的一半，金属耐火材料的耗量低； ( 4 ) 运行中的能量消耗小： ( 5 ) 热效率和综合利用率高。 目前，气体燃料的价格比煤和石油燃料稍贵一些，但它上述优点足以弥补燃料 费用高出的部分，从总的经济效果来看，优于煤和石油燃料。 但我国天然气产量与需要量存在矛盾，到2 0 1 0 年，我国则需从国外引进天然 气以满足供求需要。表5 表示了我国天然气产量和需求预测量，从表2 2 可知，2 0 0 0 年前需求基本平衡，在2 0 1 0 年约有5 0 0 亿m 3 年的缺口。 表2 - 2 我国天然气供求表 时间天然气需求量( 亿m 3 年) 国内天然气产量( 亿m 3 年) 2 0 0 0 3 5 0 约为总能耗的2 5 3 5 0 2 0 1 0 1 2 0 0 1 约为总能耗的6 - 7 7 0 0 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 3 燃油锅炉房供热 燃油炉燃料的发热量很高，一般在3 9 3 0 0 - 4 4 0 0 0 k j k g ，易着火，燃烧迅速而 稳定。运行调节比较灵活，容易实现自动化，并且锅炉体积小，钢材耗量少，燃油 锅炉一般无需设置除尘设备，减少了锅炉房的基建投资和运行费用。 燃油炉的主要特点如下： ( 1 ) 有利于实现微正压燃烧，减少了漏风，提高了锅炉热效率； ( 2 ) 灰粉很少，锅炉房不需要采取出灰渣系统，使锅炉房投资和运行成本降 低； ( 3 ) 便于实现自动控制，调节方便； ( 4 ) 燃油输送系统较复杂，管理水平要求较高； ( 5 ) 炉体要求严密，否则正压燃烧时易向外喷火，不安全。 目前由于我国的燃油价格飞速提升，使得采用燃油锅炉采暖的初投资及运行费 用也相应加大，因此，燃油锅炉采暖目前已在小范围的区域内，因地制宜的加以使 用。 2 2 2 4 热泵系统供热 热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把 它传递给被加热的对象( 温度较高的物体) ，其工作原理与制冷机相同，都是按照 逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。热泵在工作时，它本身消 耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温 度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因此，采用热 泵技术可以节约大量高品位能源。 根据热力学第一定律，有：鳊= q 贸+ ( 热泵) ，q 肼= q c + ( 制冷机) 根据热力学第二定律，压缩机所消耗的电功w c 起补偿作用，使得制冷剂能够 不断地从低温环境吸热( q z c ) ，并向高温环境放热( q h ) ，周而复如的进行循环。 因此压缩机的能耗电量是一个重要的技术经济指标，一般用性能系数( c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ，简称c o p ) 来衡量装置的能量效率，其定义为： c o p n = 瓦q h = 警_ 1 + 甓( ，c o p c = 老唰棚，其工作原理 如图2 4 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 4 逆卡诺循环图 显然，热泵c o p h 永远大于1 。因此热泵是一种高效节能装置。在运行中，蒸 发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力 上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了储水箱中的水。 冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。 从热泵的系统形式看，根据低位热源不同，常见的有空气源热泵和地源热泵， 地源热泵又进一步分为以地下水、地表水为水源的水源热泵和土壤源热泵。其工作 原理如图2 5 所示： 图2 - 5 热泵工作原理图 在我国一些大城市和特殊地区，环保部门限制使用燃煤和燃油锅炉，以保护大 气环境。热泵在暖通空调中的应用将会带来环境效益，对温室效应也有积极作用。 据有关资料介绍，与燃煤锅炉相比，使用热泵平均可减少3 0 的c 0 2 排放量，与燃 油锅炉相比，c 0 2 排放量可减少6 6 ，排热量也有所减少。因此，热泵在暖通空调 1 3 华北电力大学硕士学位论文 工程领域应用是一种节能、环保、高效的能源利用技术。 2 3 本章小节 本章较为详细地介绍了集中供热系统的主要分类及适用的范围，为以后章节对 集中供热系统的研究与优化提供了基础。 ( 1 ) 热电联产是一种既产电又产热的能源利用形式，它不仅提高了能源的效率 而且为城市集中供热提供了又一经济、洁净的热源种类。燃煤锅炉房对空气污染严 重，但价格便宜，短期内仍将广泛使用；燃油锅炉房操作方便，但运行费用偏高； 燃气锅炉房供热对空气污染小，占地面积也较小，但也存在燃气需进口的问题，因 此节能问题还需要进一步解决；热泵系统由于其c o p 值大于1 ，是一种非常节能的供 热方式，且对环境影响较小，但其初投资较高。 ( 2 ) 集中供热系统以高效、大容量的集中锅炉房取代低效、小容量的分散锅炉 房，并以高效先进的环保设施，取得更好的环境污染治理效果，同时被取代的小型 锅炉房、煤场、灰场等可改作他用。实现供热社会化，其社会效益和经济效益都是 显著的。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章集中供热系统的热力学分析 对于各种供热方式，当以评价能效为目的时，以往常采用热效率，即焓效率。 在热平衡中，热效率为被有效利用的能量与消耗的能量在数量上的比值。例如，利 用电炉取暖，单从能量的数量上看，它的转换效率可达到，从能量的质量上看，电 能是高级能，而供暖只需要低质热能，所以用能是不合理的。它没有顾及能量在质 量上的差别，往往不能反映装置的完善程度。在热能的用户中，不同采暖形式对热 能的质量有不同的要求，要使热能得到合理利用，就必须根据用户的需要，按质提 供热能，不仅在数量上满足，而且在质量上要相匹配，从而达到热尽其用。如果把 高质量的热能用于只需低质量热能的场合，必然是“大材小用”，造成了不必要的 浪费。由此，我们引入火用效率，以便从质和量的方面全面的反映能量的利用情况。 与热平衡不同的是，火用平衡是建立在物料平衡和能平衡的基础之上的，它在考虑能 量数量平衡的同时，还考虑能量的质量。实际过程均为不可逆过程，将产生一部分 烟损失，即不能利用的部分称为无效能，火用效率远低于热效率就是因为内部火用损 失造成的。按热平衡的结果计算对应项的火用值，收支将不全平衡，只有加上各项内 部不可逆火用损失才能保持平衡。由火用平衡得出的火用效率才能从本质上全面地反映 能量转换和利用的实际效果。因此，从综合热能的数量和质量的火用的概念出发，用 “火用效率 来表示系统中进行的能量转换过程的热力学完善程度。 由此，我们引入火用效率【2 5 l ，以便从质和量的方面全面的反映能量的利用情况。 火用效率是指能量转换系统或设备，在进行转换过程中，被利用或收益的火用e 。与 支付或耗费的火用之比，用仉表示。即巩= k 。火用效率越接近l ，表示设备 或系统的热力学完善程度越好。 其中： e = ( 日一风) 一瓦( s s o ) ( 3 - 1 ) 式中、s 一定状态下流动体系工质的焓值和熵值，k j k g 和k j ( k g k ) ； 风、& 环境状态下流动体系工质的焓值和熵值，k j k g 和k j c k g k ) 。 对于煤、石油和化学组成未知的其他燃料，很难由公式求得燃料的化学火用。国 标g b t 1 4 9 0 9 建议采用朗特(