供热系统消耗能量的环节和评估

一 供热系统消耗能量的环节和评估一 供热系统消耗能量的环节和评估 1 1 供热系统消耗能量的环节供热系统消耗能量的环节 供热系统由热源把热能送达热用户 一般都要经过热制备 转换 输送和 用热这几个环节 我国城市集中供热热制造主要来自燃烧化石燃料 煤 油 气 的区域锅炉 房和城市热电厂 区域锅炉房的主要耗能设备是锅炉 燃料输送及灰渣清除机 械 鼓风机和引风机 水制备和输配系统的水泵 循环水泵 补水泵和加压泵 它们耗用的能源是燃料 电力 水和热 通常可以用单位供热量的消耗量来评 定耗能水平 热电厂是由抽凝式 或背压式 包括恶化真空 供热机组排 抽 汽通过热能转换装置 通常称为首站热交换器 传递给热网系统 首站是供热系 统的热源 主要耗能设备是热交换器 输配系统的水泵 它们耗用的能源是蒸 汽 电力 水和热 通常可以用单位供热量的消耗量来评定耗能水平 热能输送由热网承担 供热管道由钢管 保温层和保护层组成 其结构和 材料选择依敷设而异 管道敷设有架空 管沟和直埋三种方式 它们的能量消 耗是沿途散热的热损失和泄漏的水 热损失 一般可用热网热效率来表示其保 温效果和保热程度 热网补水率来表示热网不泄漏的程度 在热网管线上有时 还设置中间加压泵 以降低和改善系统水力工况 设置在非空载干线上 还能节 省输送电耗 它的能量消耗设备是水泵 可用单位供热量的耗电来评定耗能水 平 能量转换是通过热力站热交换器把一级网的热能传递给二级网 并由它输 送到热用户 热力站是二级网的热源 主要耗能设备是热交换器 二级网系统 循环水泵和补水泵 它们耗用的能源是一级网高温水 蒸汽 电力 水和热 通 常可以用单位供热量的消耗量来评定耗能水平 用热即终端系统用热设备 城市集中供热主要是建筑物内的采暖 为简化分 析只谈最大热用户 一般都是通过采暖散热器把热传给房间以保持舒适的室内 温度 它的耗能设备是采暖散热器 其能量取决于建筑维护结构保温性能 保 持的室内温度和外界环境的温度 其耗热量可通过计量进入的循环水量和供 回水温差积分获得 通常以单位供暖面积的耗热量来评定耗能水平 2 2 系统热耗的估计系统热耗的估计 供热系统从热制备 转换 输送 用热环节的能量进入和输出必须相等 即 输入能量 可用能量 能量损失 能源利用率 可用能量 输入能量 可以这们认为 供热系统是由多个子系统组成 热用户是终端 采暖散热 器是终端用热设备 热力站 二级网和终端组成二级网子系统 热力站热交换 器成为该子系统的能量转换点 一级网水则为它的热源 锅炉房 或热电厂首站 一级网和热力站组成一级网子系统 势力站是该子系统的热用户 锅炉受热面 或首站热交换器 成为能量转换设备 锅炉 或热电厂经汽机的蒸汽 是热源 锅炉本体 或热电厂 自成一个子系统 称为热源子系统 若设采暖散热器耗热 量为 N0 二级网管路热损失为 E1 泄漏热损失 E2 热力站内热损失 E3 二级 网管路热损失为 E4 泄漏热损失 E5 锅炉房 首站 内热损失 E6 输入能量是 燃料热 N3 能量损失包括化不完全燃烧损失 E7 固体不完全燃烧损失 E7 飞 灰热损失 E8 灰渣热损失 E9 排烟热损失 E10 热电厂还应增加一项 供热 分担的厂内热损失 E11 输出则是二级网子系统的输入能量 N2 则 一级网子系统的输入热量 N1 N0 E1 E2 E3 一级网子系统热能利用率 B1 100 N0 N1 二级网子系统的输入热量 N2 N1 E4 E5 E6 二级网子系统的热能利用率 B2 100 N1 N2 热源子系统的输入热量 N3 N2 E7 E8 E9 E10 6E11 热源子系统热能利用率 B3 100 N2 N3 即锅炉热效率 热电厂热效率 供热系统热能利用率 B B1 B2 B3 3 3 系统电耗的估计系统电耗的估计 系统电耗评估与热能评估一样可以子系统计算后叠加 系统主要耗电设备 有循环水泵 补水泵 鼓风机和引风机等 它们单位供热量的电耗由下式计算 1 水泵耗电量 s h 0 G H 267 3 N0 式中 G 水泵运行流量 3 h H 水泵运行扬程 m 水泵运行 效率 N0 系统供热量 h 有效小时数 2 风机耗电量可用同一个计算公式 此时 式中 G 风机运行风量 H 风机运行风压 风机运行效率 对皮带 传动应包括机械传动效率 N0 系统供热量 4 4 系统泄漏损失的估计系统泄漏损失的估计 系统泄漏损失导致水资源和热能两方面损失 1 水资源损失量可认为等于系统补水量 BS 若系统运行循环水量为 G 则 系统补水率 P 100 BS G 2 系统泄漏热损失由下式计算 单位供热量的泄漏热损失 BR P G C t1 t0 N0 式中 水的密度 C 水的比热 t1 供水温度 t0 水源温度 二 从供热系统供热现状看节能潜力二 从供热系统供热现状看节能潜力 下面列举一些实例 一是说明供热系统供热现状能耗存在着很大的差别 节能潜力巨大 二是说明经应用科学技术来改进和完善的系统 节能效果显著 1 1993 年北京对住宅供暖煤耗进行抽查 结果是煤耗差别很大 数据如表 2 1 表 2 11993 年北京住宅供暖煤耗情况统计 BG BHDFG2 WK14ZQ1 K4 3 K4W 单位供暖面积煤耗 kg m2 22 25 31 39 BHDG2 占全市最单位的百分数 5 20 45 30 BH 与全市煤耗平均值比较 30 71 21 26 2 36 19 08 BG F 说明 煤发热量为 23 03MJ Kg 全市煤耗平均值为 32 75Kg m2 2 浓阳惠天热电有限公司浓海热网 原沈阳第二热力公司 应用微机监控 节能可观 该公司于 1993 年 12 月 7 日对 33 个微机监控的热力站统计 采暖平 均热指标为 35 5Kcal h m2 而无微机监控的热力站统计 采暖平均热指标为 42Kcal h m2 这说明采用微机监控 实施科学运行 消除系统失调 可节能 15 左 右 3 山东省荣成市供热公司安装自力式平衡阀 既节能又增收 该公司文化 站 热力站 是以热电厂蒸汽为热源的一个热力站 供热面积 12 万平方米 分东 南 西北三条支线 连接 91 个热用户 1997 年在供水或回水管上共安装 73 台 自力式流量控制器 除末端和压差较小的引入口不设置外 占全部热用户的 80 使热网系统水力工况大为改善 原来三条支线的供回水温差分别为东区 5 5 南区 9 1 西北区 15 2 现在的供回水一样 都是 13 实现了水力平衡 经调整后的单位供热面积循环水量在 2 3 公斤 小时 大多数在 2 5 公斤 小时 达到设计要求 在与去年蒸汽用量持平的情况下 增加供热面积 1 万平方米 增收用户热费达 18 8 万元 只运行一台 45KW 的水泵 原来是二台 30KW 的水泵 节约循环水泵电费约 70 万元 说明二级热网改善 解决了水平失调 就可节约 热能 8 循环水泵电功率减少 25 表 2 2 三种敷设方式管道保温状况实测数据 BG BHDFG2 WK13ZQ1 K6 2 K6W 敷设方式 架空 地沟 直埋 BHDG2 管道外径 mm 820 820 529 BH 测点间距 m 355 2133 5 2647 BH 保温材料 厚度 mm 海泡石 20 岩棉 68 聚氨脂 50 BH 实测流量 M 3 h 2228 1264 2073 353 5 447 3 BH 管壁温度 69 8 69 5 69 5 67 9 69 3 68 4 BH 单位面积热损失 W 2 850 572 92 BH 沿途温度降 km 0 85 0 75 0 34 BG F 说明 实测时间 1999 2 1 实测时室外温度 3 4 5 山东省烟台市民生小区计量收费改造试验有效果 1997 年在建设部城建 司的指导下 美国霍尼韦尔公司与烟台市合作在烟台市民生小区建立示范点进 行计量收费的实验研究 试验有单管式和双管式系统 并有相应的对比楼 试验楼内采暖系统入口都安装热量计 散热器前都设温控阀 入口的自力 压差控制阀 立管的平衡阀 散热器回水支管的流量表 散热器上的热分配器 按不同方案设置 对比楼内只在采暖系统入口安装热量计 根据一个冬季运行的数据分析表明 没有过热和过冷现象 用户满意 能 耗都低于对比楼 节能率 4 13 10 76 三 供热系统能耗悬殊的原因分析三 供热系统能耗悬殊的原因分析 1 1 设备效率的不同 设备效率的不同 锅炉热效率是衡量热源子系统热能利用率的指标 体现燃料热被有效利用 的程度 目前 燃煤供热锅炉的设计热效率 7MW 一般在 75 85 燃油 汽 供热锅炉热效率在 90 左右 但在使用时 由于锅炉结构 燃料供应 技术水 平 管理水平 人员素质等方面不同的原因 使锅炉的运行效率差别很大 好 的 能达到设计热效率 保证锅炉出力 差的 燃烧不完全 排烟温度高 各 项热损失大 热效率不及 50 锅炉出力大幅度降低 导致能源浪费 大气环 境 污染增加 风机 水泵效率是由电能转化为有用功的份额 体现电能被有 效利用的程度 目前 风机 水泵效率一般在 55 75 它们的流 风 量和扬 程 压头 的选择与配置是十分重要的 选择与配置得当 装机电功率合适 运 行工作点处于设备高效率区域 电耗少 选择与位置得不当 一般是偏大 装 机电功率偏大 运行工作点偏离设备高效率区域 则电耗多 两者的相关可达 10 30 不仅如此 锅炉的鼓 引风机配置不当 还会导致锅炉热效率下降 循环水泵配置当当 还会影响系统水力工况 风机是热源子系统的主要附属设备 水泵是热网 一级和二级 网子系统的 主要设备 其电耗大小 不但对电资源有影响 也对运行成本有显著影响 由 于城市集中供热热负荷有随气候及用热规律变化的特点 设置变速风机和水泵 已在发展并被实践证明可以进一步节能 2 2 输送条件的不同 输送条件的不同 热网热效率是输送过程保热程度的指标 体现管道保温结构的效果 一般 热网热效率应大于 90 95 从上面实测情况看 直埋敷设管道能达到这一要 求 而架空和管沟都达不要要求 其热损失远大于 10 如果地沟积水 管道 泡水 保温性能遭破坏 其热损失甚至大于裸管 这一问题广泛存在于早期建 设的热网 热网补水率可近似认为 忽略水热涨冷缩的补充 是输送过程失水的指标 目前 热网 特别是二级网 运行补水率差别很大 在 0 5 10 范围变化 正常 情况下 应在 2 左右 好的 补水率可在 1 以下 差的 管道泄漏和用户放 偷 水严重 补水率可达 10 左右 系统泄漏丢失的是热水 补充的是比回水 低得多的冷水 一般是 10 15 要把它加热到供水温度至少是循环水的三倍 二级网运行供水温度一般为 55 85 回水温度 40 60 这就是说 系统 补水不仅是水耗问题 热耗是更大的问题 例如 补水率 1 即相当于减少至 少 3 的供热量 补水率 10 则相当于减少至少 30 的供热量 其差别多大呀 3 3 运行技术水平的不同 运行技术水平的不同 热网水力失调度是流量分配不均程度的指标 按用户热负荷分配流量 使 每个用户室温达到一致且满足要求 则失调度为 1 即热网无水力失调 若分 配不当 出现冷 热不均现象 说明有水力失调 其失调度是大于或小于 1 大于 1 会使用户室温过高 导致热量浪费 小于 1 会使用户室温达不到要求 供热不合格是不允许的 为解决失调问题 正确的做法应该是改进和完善热网 如在终端设置自力式流量平衡阀或其它有效措施 但至今仍然有大大量的系统 不同程度地采用 大流量小温差 来缓和这一问题 其实 大流量小温差 运行并不减少供热的热损失 而且带来循环水泵电耗的大幅度增加和热源供热 量的增大 电耗与流量 扬程成正比 在管网不变条件下 电功率随流量的三次 方变化 实例说明 科学解决水力失调 系统在设计流量下运行 能挖出 8 15 的供热量 科学运行调度实施按需供热 实现设备长期在高效率区间运行 做到这一 点的 供热能耗就会降低 违背这一点的 供热能耗就会升高 下面仅举几例 说明 根据实际情况 制订调节方式 目前 一般采用质调节 有些系统采用 质 量并调 在初 末寒期适当减少循环水泵运行台数 就明显降低电耗 国 外普遍采用量调节 其原因是 量调节的循环水泵电耗最少 从理论上说 在管道尺寸已确定的情况下 减少流量和降低电耗是三次方关系 如流量减少 30 电功率节省 65 75 对于 多数地区一长段时间用 70 的流量运行 年减少电耗 40 左右是不成问题的 这 是一个十分可观的节能数字 量调节对用户热量变化的响应比质调节快得多 质调节的温度变化从热源到用户热量变化的响应比质调节快得多 质调节的温 度变化从热源到用户的传递是以流速进行 管道中水流速为 1 至 2 米 秒 传送 到 1 公里远的用户需要的时间是 8 分 20 秒 16 分 40 秒 如果传送到 10 公里 远的用户就需要 1 5 3 小时 如果水流速低 传递时间将增加 而量调节是以 声速传递 其响应几乎是同步的 因此 一级网采用量调节是发展趋势 量调 节应采用变速循环水泵 采用阀门节流的量调节运行 省电很少 按照室外温度绘制运行负荷图 温度图 流量图甚至时间图 并以它们指 导运行 这样可以避免初 末寒期供大于需 浪费能量 热源的容量和台数是由设计人员根据设计负荷 最大负荷 最小负荷和 平均负荷的大小页确定的 运行时应根据热负荷的大小选择投入台数 这是因 为锅炉热效率是随运行负荷变化的 一般地说 每台都维持在 80 以上负荷能 获得高效率运行 低负荷运行效率降低 这里有 10 以上的节能潜力 设置热源和热网的微机监控系统 可实行最优化的运行调节和控制 实 践已说明是目前实现运行节能的有效技术措施 4 4 管理体制和水平的不同 管理体制和水平的不同 供热单位正处于体制转轨过渡时期 自我经营 自我改造和自我发展的思 想和能力有差别 在供热从福利变为商品 经营单位从事业机构转变到企业的 期间 有的已经成为自负盈亏的企业 包括承包的 为质量保证和效益驱动 在上级主管部门支持下积极以科学技术改进和完善系统 以高质量商品供给用 户 以减少能耗来降低成本和提高经济效益 有耕耘就会有收获 因而能源利 用率逐年提高 有的还停留原来的位置 热费收不上效益谈不上 改造无资金 老系统 老设备 老方法 于是 能耗就居高不下 能源利用率也就高不了 供热单位管理水平的不同显著影响能耗 人员和技术管理 系统和设备的 检查 保养 维修和改造更新 等差别对能耗影响是不言而谕的 例如 链条炉采用分层燃烧技术 就能改善燃烧提高热效率 保护和保持管道无泄漏 和保温结构完好 就能减少大量能源浪费 严格