供熱系統(tǒng)消耗能量的環(huán)節(jié)和評(píng)估

1、一、供熱系統(tǒng)消耗能量的環(huán)節(jié)和評(píng)估1.供熱系統(tǒng)消耗能量的環(huán)節(jié) 供熱系統(tǒng)由熱源把熱能送達(dá)熱用戶，一般都要經(jīng)過熱制備、轉(zhuǎn)換、輸送和用熱這幾個(gè)環(huán)節(jié)。 我國城市集中供熱熱制造主要來自燃燒化石燃料(煤、油、氣)的區(qū)域鍋爐房和城市熱電廠。區(qū)域鍋爐房的主要耗能設(shè)備是鍋爐、燃料輸送及灰渣清除機(jī)械、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)、水制備和輸配系統(tǒng)的水泵(循環(huán)水泵，補(bǔ)水泵和加壓泵)；它們耗用的能源是燃料、電力、水和熱；通常可以用單位供熱量的消耗量來評(píng)定耗能水平。熱電廠是由抽凝式、或背壓式(包括惡化真空)供熱機(jī)組排、(抽)汽通過熱能轉(zhuǎn)換裝置(通常稱為首站熱交換器)傳遞給熱網(wǎng)系統(tǒng)；首站是供熱系統(tǒng)的熱源，主要耗能設(shè)備是熱交換器、輸配系統(tǒng)

2、的水泵，它們耗用的能源是蒸汽、電力、水和熱；通?？梢杂脝挝还崃康南牧縼碓u(píng)定耗能水平。 熱能輸送由熱網(wǎng)承擔(dān)，供熱管道由鋼管、保溫層和保護(hù)層組成，其結(jié)構(gòu)和材料選擇依敷設(shè)而異。管道敷設(shè)有架空、管溝和直埋三種方式，它們的能量消耗是沿途散熱的熱損失和泄漏的水、熱損失。一般可用熱網(wǎng)熱效率來表示其保溫效果和保熱程度；熱網(wǎng)補(bǔ)水率來表示熱網(wǎng)不泄漏的程度。在熱網(wǎng)管線上有時(shí)還設(shè)置中間加壓泵，以降低和改善系統(tǒng)水力工況(設(shè)置在非空載干線上，還能節(jié)省輸送電耗)，它的能量消耗設(shè)備是水泵，可用單位供熱量的耗電來評(píng)定耗能水平。 能量轉(zhuǎn)換是通過熱力站熱交換器把一級(jí)網(wǎng)的熱能傳遞給二級(jí)網(wǎng)，并由它輸送到熱用戶。熱力站是二級(jí)網(wǎng)的熱源

3、，主要耗能設(shè)備是熱交換器、二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)循環(huán)水泵和補(bǔ)水泵。它們耗用的能源是一級(jí)網(wǎng)高溫水/蒸汽、電力、水和熱；通?？梢杂脝挝还崃康南牧縼碓u(píng)定耗能水平。 用熱即終端系統(tǒng)用熱設(shè)備。城市集中供熱主要是建筑物內(nèi)的采暖(為簡(jiǎn)化分析只談最大熱用戶)。一般都是通過采暖散熱器把熱傳給房間以保持舒適的室內(nèi)溫度。它的耗能設(shè)備是采暖散熱器。其能量取決于建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能、保持的室內(nèi)溫度和外界環(huán)境的溫度；其耗熱量可通過計(jì)量進(jìn)入的循環(huán)水量和供、回水溫差積分獲得。通常以單位供暖面積的耗熱量來評(píng)定耗能水平。2.系統(tǒng)熱耗的估計(jì) 供熱系統(tǒng)從熱制備轉(zhuǎn)換輸送用熱環(huán)節(jié)的能量進(jìn)入和輸出必須相等，即： 輸入能量=可用能量+能量損失 能源

4、利用率=可用能量/輸入能量 可以這們認(rèn)為：供熱系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成。熱用戶是終端，采暖散熱器是終端用熱設(shè)備。熱力站、二級(jí)網(wǎng)和終端組成二級(jí)網(wǎng)子系統(tǒng)，熱力站熱交換器成為該子系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換點(diǎn)，一級(jí)網(wǎng)水則為它的熱源。鍋爐房(或熱電廠首站)、一級(jí)網(wǎng)和熱力站組成一級(jí)網(wǎng)子系統(tǒng)，勢(shì)力站是該子系統(tǒng)的熱用戶，鍋爐受熱面(或首站熱交換器)成為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，鍋爐(或熱電廠經(jīng)汽機(jī)的蒸汽)是熱源。鍋爐本體(或熱電廠)自成一個(gè)子系統(tǒng)，稱為熱源子系統(tǒng)。若設(shè)采暖散熱器耗熱量為N0，二級(jí)網(wǎng)管路熱損失為E1，泄漏熱損失E2。熱力站內(nèi)熱損失E3，二級(jí)網(wǎng)管路熱損失為E4，泄漏熱損失E5，鍋爐房(首站)內(nèi)熱損失E6。輸入能量是燃料熱N

5、3，能量損失包括化不完全燃燒損失E7、固體不完全燃燒損失E7、飛灰熱損失E8、灰渣熱損失E9，排煙熱損失E10、(熱電廠還應(yīng)增加一項(xiàng)：供熱分擔(dān)的廠內(nèi)熱損失E11)，輸出則是二級(jí)網(wǎng)子系統(tǒng)的輸入能量N2。 則：一級(jí)網(wǎng)子系統(tǒng)的輸入熱量N1=N0+E1+E2+E3 一級(jí)網(wǎng)子系統(tǒng)熱能利用率B1=100×N0/N1(%) 二級(jí)網(wǎng)子系統(tǒng)的輸入熱量N2=N1+E4+E5+E6 二級(jí)網(wǎng)子系統(tǒng)的熱能利用率B2=100×N1/N2(%) 熱源子系統(tǒng)的輸入熱量N3=N2+E7+E8+E9+E10(6E11) 熱源子系統(tǒng)熱能利用率B3=100×N2/N3即鍋爐熱效率(熱電廠熱效率)(%)

6、供熱系統(tǒng)熱能利用率B=B1×B2×B3(%) 3.系統(tǒng)電耗的估計(jì) 系統(tǒng)電耗評(píng)估與熱能評(píng)估一樣可以子系統(tǒng)計(jì)算后疊加。系統(tǒng)主要耗電設(shè)備有循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)等。它們單位供熱量的電耗由下式計(jì)算： (1)水泵耗電量 s=(h0(G×H)/(267.3×)/N0 式中，G水泵運(yùn)行流量，！3/h；H水泵運(yùn)行揚(yáng)程m；水泵運(yùn)行效率；N0系統(tǒng)供熱量；h有效小時(shí)數(shù)。 (2)風(fēng)機(jī)耗電量可用同一個(gè)計(jì)算公式。此時(shí) 式中，G風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)量；H風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)壓；風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率(對(duì)皮帶傳動(dòng)應(yīng)包括機(jī)械傳動(dòng)效率)；N0系統(tǒng)供熱量。 4.系統(tǒng)泄漏損失的估計(jì) 系統(tǒng)泄漏損失導(dǎo)致水資源和熱能兩

7、方面損失。 (1)水資源損失量可認(rèn)為等于系統(tǒng)補(bǔ)水量BS。若系統(tǒng)運(yùn)行循環(huán)水量為G，則 系統(tǒng)補(bǔ)水率P=100×BS/G(%) (2)系統(tǒng)泄漏熱損失由下式計(jì)算： 單位供熱量的泄漏熱損失BR=P×G××C(t1-t0)/N0 式中水的密度，C水的比熱，t1供水溫度，t0水源溫度。 二、從供熱系統(tǒng)供熱現(xiàn)狀看節(jié)能潛力下面列舉一些實(shí)例，一是說明供熱系統(tǒng)供熱現(xiàn)狀能耗存在著很大的差別，節(jié)能潛力巨大。二是說明經(jīng)應(yīng)用科學(xué)技術(shù)來改進(jìn)和完善的系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。 1.1993年北京對(duì)住宅供暖煤耗進(jìn)行抽查，結(jié)果是煤耗差別很大：數(shù)據(jù)如表21。 表2-11993年北京住宅供暖煤耗情況統(tǒng)

8、計(jì) BG(BHDFG2，WK14ZQ1，K4。3，K4W單位供暖面積煤耗(kg/m2)22253139 BHDG2占全市最單位的百分?jǐn)?shù)(%)5204530 BH與全市煤耗平均值比較(%)-30.71-21.26+2.3619.08BG)F 說明：煤發(fā)熱量為23.03MJ/Kg。 全市煤耗平均值為32.75Kg/m2。 2.濃陽惠天熱電有限公司濃海熱網(wǎng)(原沈陽第二熱力公司)應(yīng)用微機(jī)監(jiān)控，節(jié)能可觀：該公司于1993年12月7日對(duì)33個(gè)微機(jī)監(jiān)控的熱力站統(tǒng)計(jì)，采暖平均熱指標(biāo)為35.5Kcal/h.m2，而無微機(jī)監(jiān)控的熱力站統(tǒng)計(jì)，采暖平均熱指標(biāo)為42Kcal/h.m2。這說明采用微機(jī)監(jiān)控，實(shí)施科學(xué)運(yùn)行，

9、消除系統(tǒng)失調(diào)，可節(jié)能15%左右。 3.山東省榮成市供熱公司安裝自力式平衡閥，既節(jié)能又增收：該公司文化站(熱力站)是以熱電廠蒸汽為熱源的一個(gè)熱力站。供熱面積12萬平方米，分東、南、西北三條支線，連接91個(gè)熱用戶。1997年在供水或回水管上共安裝73臺(tái)自力式流量控制器(除末端和壓差較小的引入口不設(shè)置外，占全部熱用戶的80%)，使熱網(wǎng)系統(tǒng)水力工況大為改善：原來三條支線的供回水溫差分別為東區(qū)5.5、南區(qū)9.1、西北區(qū)15.2，現(xiàn)在的供回水一樣，都是13，實(shí)現(xiàn)了水力平衡；經(jīng)調(diào)整后的單位供熱面積循環(huán)水量在23公斤/小時(shí)，大多數(shù)在2.5公斤/小時(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；在與去年蒸汽用量持平的情況下：增加供熱面積1萬

10、平方米，增收用戶熱費(fèi)達(dá)18.8萬元。只運(yùn)行一臺(tái)45KW的水泵(原來是二臺(tái)30KW的水泵)，節(jié)約循環(huán)水泵電費(fèi)約70萬元。說明二級(jí)熱網(wǎng)改善，解決了水平失調(diào)，就可節(jié)約熱能8%，循環(huán)水泵電功率減少25%。 表2-2三種敷設(shè)方式管道保溫狀況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) BG(!BHDFG2，WK13ZQ1，K6。2，K6W敷設(shè)方式架空地溝直埋 BHDG2管道外徑(mm)820820529 BH測(cè)點(diǎn)間距(m)3552133.52647 BH保溫材料/厚度(mm)海泡石/20巖棉/68聚氨脂/50 BH實(shí)測(cè)流量(M3/h)222812642073353.5447.3 BH管壁溫度()69.869.569.567.969.368

11、.4 BH單位面積熱損失(W/2)85057292 BH沿途溫度降(/km)0.850.750.34BG)F 說明：實(shí)測(cè)時(shí)間：1999.2.1實(shí)測(cè)時(shí)室外溫度：34 5.山東省煙臺(tái)市民生小區(qū)計(jì)量收費(fèi)改造試驗(yàn)有效果：1997年在建設(shè)部城建司的指導(dǎo)下，美國霍尼韋爾公司與煙臺(tái)市合作在煙臺(tái)市民生小區(qū)建立示范點(diǎn)進(jìn)行計(jì)量收費(fèi)的實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)有單管式和雙管式系統(tǒng)，并有相應(yīng)的對(duì)比樓。 試驗(yàn)樓內(nèi)采暖系統(tǒng)入口都安裝熱量計(jì)、散熱器前都設(shè)溫控閥；入口的自力壓差控制閥、立管的平衡閥、散熱器回水支管的流量表、散熱器上的熱分配器按不同方案設(shè)置。對(duì)比樓內(nèi)只在采暖系統(tǒng)入口安裝熱量計(jì)。 根據(jù)一個(gè)冬季運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析表明：沒有過熱和過

12、冷現(xiàn)象，用戶滿意，能耗都低于對(duì)比樓，節(jié)能率4.1310.76%。 三、供熱系統(tǒng)能耗懸殊的原因分析1.設(shè)備效率的不同： 鍋爐熱效率是衡量熱源子系統(tǒng)熱能利用率的指標(biāo)。體現(xiàn)燃料熱被有效利用的程度。目前，燃煤供熱鍋爐的設(shè)計(jì)熱效率(7MW)一般在7585%(燃油、汽供熱鍋爐熱效率在90%左右)。但在使用時(shí)，由于鍋爐結(jié)構(gòu)、燃料供應(yīng)、技術(shù)水平、管理水平、人員素質(zhì)等方面不同的原因，使鍋爐的運(yùn)行效率差別很大。好的，能達(dá)到設(shè)計(jì)熱效率，保證鍋爐出力，差的，燃燒不完全、排煙溫度高，各項(xiàng)熱損失大，熱效率不及50%，鍋爐出力大幅度降低，導(dǎo)致能源浪費(fèi)，大氣環(huán)境，污染增加。風(fēng)機(jī)、水泵效率是由電能轉(zhuǎn)化為有用功的份額，體現(xiàn)電能被

13、有效利用的程度：目前，風(fēng)機(jī)、水泵效率一般在5575%。它們的流(風(fēng))量和揚(yáng)程(壓頭)的選擇與配置是十分重要的。選擇與配置得當(dāng)，裝機(jī)電功率合適，運(yùn)行工作點(diǎn)處于設(shè)備高效率區(qū)域，電耗少。選擇與位置得不當(dāng)(一般是偏大)，裝機(jī)電功率偏大，運(yùn)行工作點(diǎn)偏離設(shè)備高效率區(qū)域，則電耗多。兩者的相關(guān)可達(dá)1030%。不僅如此，鍋爐的鼓、引風(fēng)機(jī)配置不當(dāng)，還會(huì)導(dǎo)致鍋爐熱效率下降，循環(huán)水泵配置當(dāng)當(dāng)，還會(huì)影響系統(tǒng)水力工況。 風(fēng)機(jī)是熱源子系統(tǒng)的主要附屬設(shè)備，水泵是熱網(wǎng)(一級(jí)和二級(jí))網(wǎng)子系統(tǒng)的主要設(shè)備。其電耗大小，不但對(duì)電資源有影響，也對(duì)運(yùn)行成本有顯著影響。由于城市集中供熱熱負(fù)荷有隨氣候及用熱規(guī)律變化的特點(diǎn)，設(shè)置變速風(fēng)機(jī)和水泵已

14、在發(fā)展并被實(shí)踐證明可以進(jìn)一步節(jié)能。 2.輸送條件的不同： 熱網(wǎng)熱效率是輸送過程保熱程度的指標(biāo)，體現(xiàn)管道保溫結(jié)構(gòu)的效果。一般熱網(wǎng)熱效率應(yīng)大于9095%。從上面實(shí)測(cè)情況看，直埋敷設(shè)管道能達(dá)到這一要求；而架空和管溝都達(dá)不要要求，其熱損失遠(yuǎn)大于10%。如果地溝積水，管道泡水，保溫性能遭破壞，其熱損失甚至大于裸管。這一問題廣泛存在于早期建設(shè)的熱網(wǎng)。 熱網(wǎng)補(bǔ)水率可近似認(rèn)為(忽略水熱漲冷縮的補(bǔ)充)是輸送過程失水的指標(biāo)。目前，熱網(wǎng)(特別是二級(jí)網(wǎng))運(yùn)行補(bǔ)水率差別很大，在0.510%范圍變化。正常情況下，應(yīng)在2%左右；好的，補(bǔ)水率可在1%以下；差的，管道泄漏和用戶放(偷)水嚴(yán)重，補(bǔ)水率可達(dá)10%左右。系統(tǒng)泄漏丟失

15、的是熱水，補(bǔ)充的是比回水低得多的冷水(一般是1015)，要把它加熱到供水溫度至少是循環(huán)水的三倍(二級(jí)網(wǎng)運(yùn)行供水溫度一般為5585，回水溫度4060)。這就是說，系統(tǒng)補(bǔ)水不僅是水耗問題，熱耗是更大的問題。例如：補(bǔ)水率1%，即相當(dāng)于減少至少3%的供熱量；補(bǔ)水率10%，則相當(dāng)于減少至少30%的供熱量，其差別多大呀! 3.運(yùn)行技術(shù)水平的不同： 熱網(wǎng)水力失調(diào)度是流量分配不均程度的指標(biāo)：按用戶熱負(fù)荷分配流量，使每個(gè)用戶室溫達(dá)到一致且滿足要求，則失調(diào)度為1，即熱網(wǎng)無水力失調(diào)。若分配不當(dāng)，出現(xiàn)冷、熱不均現(xiàn)象，說明有水力失調(diào)，其失調(diào)度是大于或小于1。大于1，會(huì)使用戶室溫過高，導(dǎo)致熱量浪費(fèi)，小于1，會(huì)使用戶室溫達(dá)

16、不到要求，供熱不合格是不允許的。為解決失調(diào)問題，正確的做法應(yīng)該是改進(jìn)和完善熱網(wǎng)，如在終端設(shè)置自力式流量平衡閥或其它有效措施；但至今仍然有大大量的系統(tǒng)不同程度地采用大流量小溫差來緩和這一問題。其實(shí)，大流量小溫差運(yùn)行并不減少供熱的熱損失，而且?guī)硌h(huán)水泵電耗的大幅度增加和熱源供熱量的增大(電耗與流量、揚(yáng)程成正比；在管網(wǎng)不變條件下，電功率隨流量的三次方變化)。實(shí)例說明，科學(xué)解決水力失調(diào)，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行，能挖出815%的供熱量。 科學(xué)運(yùn)行調(diào)度實(shí)施按需供熱，實(shí)現(xiàn)設(shè)備長(zhǎng)期在高效率區(qū)間運(yùn)行：做到這一點(diǎn)的，供熱能耗就會(huì)降低，違背這一點(diǎn)的，供熱能耗就會(huì)升高。下面僅舉幾例說明： 根據(jù)實(shí)際情況，制訂調(diào)節(jié)方式：

17、目前，一般采用質(zhì)調(diào)節(jié)。有些系統(tǒng)采用質(zhì)、量并調(diào)，在初、末寒期適當(dāng)減少循環(huán)水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，就明顯降低電耗。國外普遍采用量調(diào)節(jié)，其原因是： 量調(diào)節(jié)的循環(huán)水泵電耗最少。從理論上說，在管道尺寸已確定的情況下，減少流量和降低電耗是三次方關(guān)系。如流量減少30%，電功率節(jié)省65.75，對(duì)于多數(shù)地區(qū)一長(zhǎng)段時(shí)間用70%的流量運(yùn)行、年減少電耗40%左右是不成問題的。這是一個(gè)十分可觀的節(jié)能數(shù)字。量調(diào)節(jié)對(duì)用戶熱量變化的響應(yīng)比質(zhì)調(diào)節(jié)快得多。質(zhì)調(diào)節(jié)的溫度變化從熱源到用戶熱量變化的響應(yīng)比質(zhì)調(diào)節(jié)快得多。質(zhì)調(diào)節(jié)的溫度變化從熱源到用戶的傳遞是以流速進(jìn)行，管道中水流速為1至2米/秒，傳送到1公里遠(yuǎn)的用戶需要的時(shí)間是8分20秒16分40

18、秒，如果傳送到10公里遠(yuǎn)的用戶就需要1.53小時(shí)；如果水流速低，傳遞時(shí)間將增加，而量調(diào)節(jié)是以聲速傳遞，其響應(yīng)幾乎是同步的。因此，一級(jí)網(wǎng)采用量調(diào)節(jié)是發(fā)展趨勢(shì)。量調(diào)節(jié)應(yīng)采用變速循環(huán)水泵，采用閥門節(jié)流的量調(diào)節(jié)運(yùn)行，省電很少。 按照室外溫度繪制運(yùn)行負(fù)荷圖、溫度圖、流量圖甚至?xí)r間圖，并以它們指導(dǎo)運(yùn)行。這樣可以避免初、末寒期供大于需，浪費(fèi)能量。 熱源的容量和臺(tái)數(shù)是由設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)負(fù)荷、最大負(fù)荷、最小負(fù)荷和平均負(fù)荷的大小頁確定的。運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)熱負(fù)荷的大小選擇投入臺(tái)數(shù)。這是因?yàn)殄仩t熱效率是隨運(yùn)行負(fù)荷變化的。一般地說，每臺(tái)都維持在80%以上負(fù)荷能獲得高效率運(yùn)行。低負(fù)荷運(yùn)行效率降低，這里有10%以上的節(jié)能潛力。

19、 設(shè)置熱源和熱網(wǎng)的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)行最優(yōu)化的運(yùn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)踐已說明是目前實(shí)現(xiàn)運(yùn)行節(jié)能的有效技術(shù)措施。 4.管理體制和水平的不同： 供熱單位正處于體制轉(zhuǎn)軌過渡時(shí)期，自我經(jīng)營、自我改造和自我發(fā)展的思想和能力有差別：在供熱從福利變?yōu)樯唐?、?jīng)營單位從事業(yè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變到企業(yè)的期間、有的已經(jīng)成為自負(fù)盈虧的企業(yè)(包括承包的)，為質(zhì)量保證和效益驅(qū)動(dòng)，在上級(jí)主管部門支持下積極以科學(xué)技術(shù)改進(jìn)和完善系統(tǒng)，以高質(zhì)量商品供給用戶、以減少能耗來降低成本和提高經(jīng)濟(jì)效益。有耕耘就會(huì)有收獲，因而能源利用率逐年提高。有的還停留原來的位置，熱費(fèi)收不上效益談不上、改造無資金；老系統(tǒng)、老設(shè)備、老方法，于是，能耗就居高不下，能源利用率也就高不了。 供熱單位管理水平的不同顯著影響能耗：人員和技術(shù)管理、系統(tǒng)和設(shè)備的檢查、保養(yǎng)、維修和改造更新，等差別對(duì)能耗影響是不言而諭的。例如，鏈條爐采用分層燃燒技術(shù)，就能改善燃燒提高熱效率；保護(hù)和保持管道無泄漏和保溫結(jié)構(gòu)完好，就能減少大量能源浪費(fèi)；嚴(yán)格水處