大型污水海水源热泵供热系统的应用

大型污水海水源热泵供热系统的应用

0影响大型供热工程实施的原因通过处理后，不仅排水量大，而且水温高（例如，青岛一些污水处理厂的冬季排水流量最低为14c）。许多沿海城市位于岸边附近，海水中含有丰富的低温气源（例如，青岛沿海水域的年平均温度为7.4c）。由于污水和海水取用难度大、成本过高、设备局限、工艺复杂等技术因素,加之我们的能源政策不合理,配套制度滞后,常常是项目落实时技术上可行、经济分析不可行,因此很少有成功的大型供热工程,即便有个别(如大连星海湾)项目建成运行,也只是说社会效益的多、谈经济效益的少,其中的原因是多方面的。本文结合青岛市一个政府示范工程的设计方案,研究大型污水/海水源热泵供热工程的工艺、设计难点及其解决办法,以供同行参考。1燃煤锅炉房供热该热泵站拟建于青岛市西南侧的胶州湾边,南临一个大型污水处理厂,北临青黄轮渡码头,东临旧居民区,电力、交通和通讯都很便捷。由于城市规划要求沿海旧城拆迁与改造时不得新建燃煤锅炉房,原有的几个小型供热站都要拆除,因而新建区域(大约200多万m2)的供热就没有了保障。市政府决定依托污水处理厂和胶州湾优越的自然条件,建设一个污水/海水源热泵站,在解决集中供热的同时,还可以集中供冷和供应生活热水。1.1分冷负荷的计算供热站的供热规模计划分三期,一期为35万m2(供热半径约300m),二期为80万m2(半径约800m),三期达到200万m2(半径约1800m)。新建筑的负荷热指标取45W/m2,既有建筑取53.5W/m2,冷指标取70W/m2,供冷面积按照60%计。本文以二期作为研究对象,即总计算热负荷为40.54MW,总冷负荷为33.6MW。除已建小区既有的散热器供暖系统外,新建筑和老建筑改造的小区末端考虑采用风机盘管、地板辐射系统,还有部分小区采用水冷多联机系统,散热器系统热媒水温度为65℃/55℃,风机盘管系统热媒水温度为45℃/35℃,多联机系统热媒水温度为30℃/20℃,生活热水供应温度为60℃。1.2设计进出水环境污水源:相邻的污水处理厂现已建成的运行规模为日均6万t,2010年计划达到日均10万t,其典型日不同时段的流量曲线和典型月的日均温度曲线见图1和图2。由图1可知,典型日大部分时段的流量均在平均流量线(2500t/h)以上,而00:00至次日08:00为欠水时段,峰值出现在12:00和21:00(约4000t/h)。供冷期典型月(8月)的平均水温为25℃,供热期典型月(2月)的平均水温为15℃。污水处理厂的排放标准达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的二级标准;其实测电导率为4.5mS/cm。本工程地处胶州湾出海口,其西侧100m左右即为青黄轮渡主航道,水深约12m,护岸外侧水深约3m。该海区为正规半日潮,往复流型,平均潮流速度为1.5～1.6m/s,表底流速差为0.15m/s;往复余流流速为0.2～0.3m/s,方向为东北西南向。其水工设计要素值如下:设计高水位4.34m,校核高水位5.43m,设计低水位0.37m,校核低水位-0.85m,平均高潮位3.80m,平均海平面2.42m,平均低潮位(理论深度基准面)1.02m,平均潮差2.72m,平均涨潮历时5h39min,最大潮差4.75m,平均落潮历时6h46min,H1%波高2.8m,年淤积速率平均约0.37cm。夏季8月份的10m水深处最高水温为24.5℃,冬季2月份的10m水深处最低水温为3.4℃。由于胶州湾内的水质存在一定程度的污染,达不到一类,但不低于《海水水质标准》(GB3097—82)规定的二类标准。1.3供热负荷分析青岛地区规定的年供热时间为140d,设计供暖室外计算温度为-6℃,供暖期的室外平均气温为0.9℃;年供冷时间为90d,设计空调室外计算温度为29℃,空调期的室外平均气温为27.9℃。据此绘成的负荷曲线见图3和图4。由图3可知,供热系统一年中处于满负荷运行(热负荷40～45MW)的时间大约只有4%,2/3以上负荷(热负荷30～40MW)的运行时间大约占到50%,1/2负荷(热负荷25MW左右)的运行时间大约占到40%,而仅10%左右的负荷(约5MW)运行时间约占2%。根据图4,夏季的冷负荷运行比例也大致相同。因而在机组选配时应充分考虑这个特点。本方案的计算负荷值为:冬季供热69.54GWh,夏季供冷36.87GWh。冬季供热的同时使用系数取1.0,夏季供冷的同时使用系数取0.7。2设计方案2.1流程见图52.2供热系统多联机系统本设计采用集中式一次热泵加分散式二次热泵的系统形式,污水和海水源采用间接式。夏季供冷:通过取水系统引进25℃的海水(用污水调峰),再通过板式换热器将32℃的一次冷媒水冷却至26℃,然后由冷媒水循环泵通过输配管网供至各分热泵站和水环多联机系统,各分热泵站再向用户供应6℃/16℃的冷水,多联机系统则由用户自己确定制冷参数。冬季供热:通过取水系统引入14℃的污水(用海水补充调峰),再通过板式换热器将3℃的一次热媒水加热至13℃,然后由一次热媒水循环泵送到总站的一次热泵机组,将二次热媒水从20℃提升至30℃,再由二次热媒水循环泵供至各分热泵站和水环多联机系统;再由Ⅰ型分站的二次热泵(单级离心机组)供45℃(回35℃)的热水接入用户的风机盘管系统和地板辐射系统;由Ⅱ型分站的二次热泵机组(双级压缩离心机组)供65℃(回55℃)的热水接入用户的供暖系统;多联机系统仍由用户自定运行参数。为了应对可能出现的尖峰负荷,在Ⅱ型分站内设一套辅助加热装置(蒸汽、高温水或电热器)。2.3该项目的指导思想和困难对策2.3.1直接式热泵系统污水/海水源热泵形式即采用直接式还是间接式的问题。对于一般小型机组(制冷量<528kW)的系统,多半是用四通阀转换工质流向来实现季节运行工况,采用直接式有实际意义。而对于大型机组,基本上都是采用水-水转换来实现换季运行,这意味着机组的蒸发器和冷凝器都必须是由耐海水/污水腐蚀的材料制造。目前国内还没有厂家能够生产此类大型离心式热泵机组,国外也不多见,因此个别外企借此要价太高,使得投资者望而却步。直接式热泵系统的高效、节能是不言而喻的,以本工程为例,采用板式换热器的间接式系统每造成1℃温差,就会损失约3MW的低位热量,要多耗约500kW的电能。较小的温差将会导致庞大的板式换热器面积,不太现实。采用直接式机组就没有这样的后顾之忧,但其巨大的投资却远远抵消了这部分电耗的收益。选择间接式是迫不得已,不仅降低了造价约60%,运行维护也简便经济。2.3.2低温热媒技术大型热泵系统形式即采用集中式还是分散式的问题。如果负荷需求单一,末端系统做法与要求相同,集中式节能、方便、经济;但是本工程的负荷需求不一样,末端种类较多,如果采用集中式就必须要按照最高的热媒温度参数来选机组,在各个小区设换热站来满足不同的低温热媒要求。我们知道,热泵机组的单级压缩比是一定的,要制备较高温度的热水就必须提高压缩比,可能机组的冷凝压力达到工质的饱和临界,或者需要两级压缩,甚至三级压缩才能实现,而压缩比越高或级数越多则功耗越大,效率越低。2.3.3夏季供冷负荷较低首先,大型热泵工程如只是单纯供热而没有集中供冷则肯定无效益可言;其次,青岛地区夏季供冷需求时间短、负荷低,居住小区尤其如此;还有冷计量与收费标准的配套措施,尚待解决。本设计提供了一个水系统平台,既可以分站分区域供冷,又可以用水环系统带多联机(并可以免费供应生活热水),还可以带水冷户式机(柜机、挂机、一拖多等)。2.3.4海水与防腐蚀的配套措施对污水取用,本设计根据厂家一、二期的日均流量曲线,建一个4000m3的污水蓄水池,一可以用来调节一日内的峰谷,以维持一个基准流量;二可以兼作污水沉淀池。因为二级标准的污水其悬浮物为30mg/L,对于板式换热器的循环水标准(10mg/L)来说偏高,这个悬浮物质不同于一般的淤泥等,一旦堵塞或沉积就很难处理。水池的做法还要考虑沉积污泥的清除措施和板式换热器停泵时的系统压气排空措施等。对于电导率为4mS/cm的污水系统的防腐,板式换热器、泵叶、阀芯阀座、衬塑管件等采用316L不锈钢是保险的。对海水的取用,本方案采用钢筋混凝土沉箱式取水头,13m水深处安装块石基床,水头进水口标高为-10m,虹吸管道连接到-6m标高的海水泵房。取用-10m的海水,主要考虑的是水质,2008年青岛近海发生的大规模绿藻给了我们一个警讯;其次做到-13m的基床主要考虑的是取水口距海底的距离不能过小,底栖动植物是要设防的;当然水温也是越深越稳定,青岛近海较少出现海面温跃层。泵房吸水口的高程要在确保虹吸的同时,与板式换热器的高差越小越好。海水系统的“三防”(防腐蚀、防海藻、防生物附着)设计是成功与否的关键。海水对板式换热器的腐蚀除了化学腐蚀,很重要的是冲刷腐蚀和电化学腐蚀,还要注意停机状态下的浸泡腐蚀,这种腐蚀甚至比前述两种更严重。一般认为海水系统材料采用钛合金或纯钛产品是首选,但昂贵的造价和很长的供货期也很困扰。国内有一种HDR双相不锈钢,在海水中的抗腐蚀能力较优。在青岛沿海,采用316L不锈钢板式换热器,采取一些有效的配套措施,根据合理的寿命期预留出一定的腐蚀厚度,同样可以花小钱办大事。此外,泵阀与管材的处理相对较为简单。深海的管道无需考虑防止海生物的附着,但海水泵房进水口处等潮间带正是海生物的繁殖区,采用施加电解海水的次氯酸钠即可去除。口部设隔栅和自动缠绕过滤器、采取停机压气排空等可以解决堵塞与浸泡腐蚀。2.3.5系统水源的设置统计资料显示,青岛沿海的冬季最低温度一般出现在每年2月10日左右,与最低空气温度相比,有约3～7d的滞后期。在此期间,只要污水处理厂的设备检修时间错开,系统水源仍能保证以污水为主以海水为辅。3℃的海水通过板式换热器加热热媒后-1℃排出,以避免海水温度降至冰点;热媒-2℃进板式换热器2℃出,则需要配制20%的乙烯乙二醇溶液;机组选用低温型(蓄冰型)机组。2.4型站热泵及污水源热泵机组本方案按照10万m2的分站规模,设1个Ⅱ型热泵分站,5个Ⅰ型热泵分站;Ⅱ型分站热泵为双级压缩离心机组,Ⅰ型分站的热泵为单级离心机组;总站污水源热泵机组为单级离心机组,海水源为单级离心低温式机组。海水板式换热器为500t/h2台,污水板式换热器为400t/h5台等,造价详见表1。3变能源控制方式,减少运行管理1)分散的各分站必须保证有站房位置及其配套电、水、通讯等条件;在方案阶段就必须加以妥善安排,当然这个方案也避免了用电负荷过于集中的城市电网调配问题。2)分散的热泵站可能比集中热泵站需要的运行管理人员多,间接成本要高。这反映在运行成本要略高于集中式系统。但可以通过改进控制的自动化程度以尽可能地减少运行管理人员。3)分站的机组如果距离居民区太近时,噪声和振动必须妥善处理。最主要的是最大限度地减轻振动和噪声的外泄。4最大利用率高,最大权益保护了环境污水/海水源热泵作为一种特殊条件下的供热技术,它既可实现三联供,还能够大大节省一次能