供热系统节能改造实例解析

伴随城市建设的快速发展，供热事业也必须随之发展，但供热事业的发展所带来的能源消耗以及环境污染等问题却日趋严重。国务院为此颁发了《关于加强节能工作的决定》和《关于印发节能减排综合性工作方案的通知》，要求落实节约资源和环境保护，各地掀起了对供热系统进行节能改造的高潮。

对于不同地区，供热系统的改造要求不尽相同。在拥有热电联供供热管网的地区，只需简单地将分散锅炉房改为换热站即可，无需单独考虑热源建设问题。但在距离城市热网较远的地区，必须将大型热源建设及合理划分供热区域纳入到供热系统的改造计划之中，这在无形中增加了供热系统改造的难度。

从调研结果来看，供热系统的改造通常分为区域热源整合、热源内部改造以及外网改造整合等几个工程环节。热源整合就是拆除区域内众多的小型锅炉房，由大、中型区域锅炉房替代，原锅炉房通常改为换热站。减少锅炉房的数量等于减少了污染物的排放，提高单体锅炉运行效率等于节约了燃料，热源整合的综合节能减排效果显著。燃媒锅炉房内部的改造主要包括炉体的改造和系统形式及运行的改造。通过对锅炉本体进行技术改造以及在运行环节中采用节能新技术，来达到节能减排的目的。例如锅炉采用分层燃烧技术和分段配风燃烧技术可以提高锅炉本体运行效率；通过增加气候补偿器以及控制和执行机构，进行混水或调节水量，合理控制出水温度，可以达到按需供热的目的；改变循环方式，变一级循环水泵为分布式变频循环水泵，减小热源近端用户多余的压头消耗，可以有效降低煤、电和水的消耗。有条件的地方还可以使用供热系统集中控制，最终达到节能减排、降低运行成本的目的^[1]。

外网的整合改造是结合原有供热系统外网的实际情况进行的，当原有外网可以满足供热需要时，通常只将原锅炉房改为换热站，不再进行外网改造；当外网不能满足供热要求或需要配合系统进行分区供热、分时供热改造时，或进行区域划分及整合时，就需要对外网同时进行改造。

分布式变频二级泵供热系统是指在换热站换热器一次侧回水管上设置加压水泵进行流量调节的供热系统2 J，通常是在锅炉房内设置一级主循环泵，该水泵扬程只负担锅炉房内部阻力或负担锅炉房内部阻力以及外网干线的部分循环阻力，设置在各单体换热站内的二级泵负担主干线的阻力、分支线到换热站的阻力，以及换热站内一次水的阻力，这样可以大大降低主循环泵（通常是大流量泵）的扬程，减少一级主循环泵的输送能耗，同时有效降低锅炉的运行压力。为保证供热系统各点压力且压差能维持系统正常运行，一、二级泵可分别采用气候补偿器提供数据信号并通过控制器进行变速控制，以满足在不同工况下的运行调节和节能运行的要求。分布式变频二级泵循环系统可有效降低供热系统的输送能耗以及锅炉的运行压力，以提高热水锅炉使用的安全性及实用性。

分布式变频二级泵循环系统的组成及控制原理图如图1所示，可以看出，热源部分单独设计了气候补偿器，通过变频控制器控制一级主循环泵的流量（进入锅炉的水量），也可通过执行机构控制电动阀或三通混水阀达到控制一次出水温度的目的。在各换热站内的气候补偿器可通过变频控制柜控制一次水的二级泵运转，也可通过气候补偿器控制二级泵的流量，二者共同实现对用户按需供热的目的。

图2为传统供热系统的示意图，图3和图4分别为传统供热系统不同减压方式的水压图。可以看出，一级水泵提供的扬程除满足最不利用户的需求外，其余大部分多余压头被支线上的阀门或减压装置节流掉了，造成了极大的能量浪费。

图5为采用在末端换热站设置二级泵的分布式变频二级泵循环系统（供水管加泵方式）的示意图，图6为一级水泵只担负热源内部阻力时的水压图。可以看出，热源内的一级主循环泵只需负担锅炉房内部阻力（供、回水管压力交差点靠近热源）或担负锅炉房内部阻力和外网干线的部分循环阻力（即供、回水管压力交差点距热源有一定的距离），利用放置在换热站内的二级泵负担由热源到换热站的全部阻力损失（或部分阻力损失）以及换热站内一次水侧的阻力损失，这样就大大减小了主循环泵的扬程，减小了水泵配用电机的功率，有效降低了输送能的分布式变频二级泵循环系统的水压图

通过对同一供热系统设计方案的对比，特别是一级泵系统和二级泵系统设备选型的功率对比，可以看出二级泵系统的水泵总功率要小于一级泵系统，即二级泵系统可以有效降低热媒的输送能耗。如果该系统与其它节能技术配合应用（气候补偿器），节能效果会更加显著。

根据气候补偿器中设有的供热运行曲线，气候补偿器及控制组件可以随着室内、外空气温度的变化白动控制调节锅炉房内一次水流量或一次水水温，达到根据建筑所需热量按需供热的目的。气候补偿器可以安装在锅炉出口水温传感器及主循环泵人口处和热水循环管路上，室内、外典型温度的采集场所设置有温度传感器并进行信号采集，通过气候补偿器自身的程序设置曲线并按照曲线运行，自动发送对变频控制器（控制水泵）或混水阀的控制信号，使执行机构自动运行调节。这些技术与分布式变频二级泵循环系统共同组成了分布式变频二级泵热水锅炉供热系统。

为了了解目前供热节能改造的真实情况，笔者对部分供热单位和供热系统进行了实地调研，其中以北京市昌平区供热系统较为典型。作为北京市各方面发展较快的近郊区，昌平区地域宽阔，距城区相对较远，市政供热管网难以兼顾，必须完全依靠自身力量解决城乡居民的供热问题。该区的老城区在供热系统改造前，小锅炉房多达108处，这些锅炉房多是热效率低、除尘效果差、无脱硫装置的简陋锅炉房，除浪费能源外，对环境的污染也非常严重。昌平区经过近5a时间的改造，已相继改造建成北环、南环和昌盛园3个大型环保锅炉房，新建了水库路等大型燃煤锅炉房，还准备相继建设其它几座大型锅炉房。锅炉房采用高温水系统，利用已建好的大型锅炉房替代了众多破旧的小型锅炉房，将原来小锅炉房改为换热站，有效提高了锅炉的热效率、降低了燃料消耗，极大程度减少了排放污染物对当地空气的污染。表1为昌平区供热系统的现状，表中所列4个大型锅炉房所组成的供热系统现均已改造为分布式变频二级泵循环系统，并采用了“分布式变频二级泵热水锅炉供热系统”的专利技术，系统包括气候补偿器、电动两通阀、温度传感器和水泵变频调速装置等装置。锅炉本身还进行了分层给煤燃烧、增加余热利用装置等改造，进一步提高了锅炉的热效率。表2给出了各供热厂的运行统计数据，可以看出，通过对原供热系统的节能改造，上述热源的节能指标已经基本达到了北京市节能目标的要求，部分内容已达到较为先进的节能水平。

表1 昌平区供热系统现状

通过对北京市某区域供热系统节能改造情况的调查和研究，可知当集中供热系统的供热半径较大时，采用分布式变频二级泵循环系统能有效降低输送电耗，供热半径越大，系统的能耗降低优势就越为突出，若与其它节能措施配合使用，区域锅炉房供热系统的节能效果将会更加显著。对于多数只能采用区域锅炉房供暖的地区，分布式变频二级泵循环系统无疑是一个不错的选择。

表2各供热厂运行统计数据 

	2005-2006年（改造前）			2007-2008年（改造后）
	供热面积 /万m2	消耗Ⅲ类烟煤量及 单位面积耗煤量	总电耗及单位 面积电耗	供热面积 /万	消耗Ⅲ类烟煤量 及单位面积耗煤量	总电耗单位 面积电耗
北 环 供热厂	200	46211.30t, 23.15kg/m2	6399683 kWh, 3.21kWh/m2	210	42373.29t, 20.18 kg/m2	2649197 kWh, 1.262kWh/m2
南 环 供热厂	－	－	－	249	47152.63t, 18.94 kg/m2	3882330kWh, 1.56kWh/m2
昌盛园 供热厂	－	－	－	185	26686.83t, 14.53 kg/m2	2659462kWh, 1.45kWh/m2

注：1）锅炉房使用Ⅲ类烟煤，低位热值大于19 680 kJ/kg（4 700 kcal/kg），标煤的发热量为29 306 kJ/kg(7 000 kcal/kg)，挥发物大于20%。2)节能目标为耗煤不大于18.7 kg标煤／m²，最终先进指标为不大于12.5 kg标煤/m²，节电指标为小于2.7 kWh/（m²．供暖季），节水指标为每10⁴ m²不大于0.4 t/h或10 t/d，优秀标准为不大于0.1 t/h或2.4 t/d。

[1] 北京市供热系统节能技术改造项目管理暂行办法[G]北京，2008．

[2] 秦冰，秦绪忠，谢励人．分布式变频泵供热系统的运行调节方式[J]．煤气与热力，2007，27(2)：73～75．