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供热系统节能技术措施
【摘 要】 从当前国家建筑节能形势出发,简单阐述了北方供暖地区既有居住建筑节能改造的必要性。分析比较了近年来国内外既有居住建筑改造实例,探讨了我国北方既有居住建筑节能改造的若干技术问题。分析了节能改造各环节技术路线的基本要求,介绍了节能改造的评估与诊断方法,具体分析了节能改造的技术方案。
【关键词】 供暖地区 节能改造 技术路线 技术方案
1. 安装热工仪表，掌握系统的实际运行情况
供热系统安装所需的热工仪表是掌握系统运行工况、准确了解和分析系统存在的问题、采取正确方法与措施以达到节能挖潜目的重要手段。目前热工仪表安装不全、不准的情况比较普遍，因此，必须要按照规定补齐所有热工仪表，并保证仪表的完好和准确。
2. 加强锅炉房的运行管理，是投资少、效果显著的节能措施
1.司炉人员及水处理人员必须经国家劳动部门或技术监督部门培训并考试合格；
2.建立正确、完善、切实可行的运行操作规程；
3.锅炉房水处理(包括软化水或脱盐、除氧)设备处理后的水质，必须达到而易见国家规程规定的水质标准，严禁锅炉直接补自来水或河水；
4.严格执行定期维修，停炉保养制度，保证设备完好，杜绝跑、冒、滴、漏。
3. 采用分层燃烧技术，改善锅炉燃烧状况
目前城市集中供热锅炉房多采用链条炉排，燃煤多为煤炭公司供应的混煤，着火条件差，炉膛温度低，燃烧不完全，炉渣含碳量高，锅炉热效率普遍偏低。采用分层燃烧技术对减少炉渣含碳量、提高锅炉热效率，有明显的效果。
鞍山锅炉厂生产的一台10.5MW的热水炉，采用分层燃烧后，热效率由70.2%提高到75.1%，炉渣含碳量由13%下降为10%。唐山热力公司采用该技术，使锅炉热效率提高10～15%，炉渣含碳量降低至10%以下，而且锅炉燃烧系统的设备故障大大减少，提高了锅炉运行的可靠性和安全性。
对于粉末含量高的燃煤，可以采用分层燃烧及型煤技术。该技术是将原煤在入料口先通过分层装置进行筛分，使大颗粒煤直接落至炉排上，小颗粒及粉末送入炉前型煤装置压制成核桃大小形状的煤块，然后送入炉排，以提高煤层的透气性，从而强化燃烧，提高锅炉热效率和减少环境污染。中原油田锅炉燃用鹤壁煤，粉末含量高，Φ＜3mm的煤粒约占60～70%，采用此技术后，炉渣含碳量降低到15%以下，锅炉效率提高了8%，烟尘排放达到环保标准，年节煤8～10%。
没有空气予热器的锅炉，因为向炉排上送的是冷风，容易造成大块煤不易烧透，使炉渣含碳量反而略有增加，不宜采用。
4．中小型锅炉采用煤渣混烧、减少炉渣含碳量
中小型锅炉、采用煤与炉渣混烧法是一种投入较很小，效果很好的节煤措施。煤与炉渣的比例约为4:1，充分混合后入炉燃烧，煤中掺了颗粒较大的渣，减少了通风阻力，送风更加均匀，增加了煤层的透气性，提高了燃烧的稳定性，使炉渣含碳量显著下降。
5. 改善锅炉系统的严密性，降低过剩空气系数
锅炉的过剩空气系数是评价锅炉燃烧状况的一个重要参数，只有过剩空气系数达到设计值时，锅炉才能在最经济的状态下燃烧，因此要采取防止锅炉本体及烟风道渗漏风的措施，改善锅炉及烟风道的严密性，降低过剩空气系数以提高锅炉的效率和出力沈阳惠天公司对锅炉除渣系统进行水封，同时对鼓、引风系统、炉墙、烟道等漏风点封堵后，锅炉热效率由68%提高到76%，过剩空气系数从2.9下降为2.1，锅炉不仅升温快，而且炉渣含碳量也能降到12%以下。
6. 保证锅炉受热面的清洁，防止锅炉结垢
锅炉的水冷壁、对流管束、省煤器、空气予热器等受热面积灰和锅炉结垢是影响锅炉传热的一个主要因素，据有关试验测定，水垢的热阻是钢板的40倍，灰垢的热阻是钢板的400倍，因此要建立及建全锅炉水质管理和定期的除灰制度，保证锅炉用水的水质和锅炉受热面的清洁，以提高锅炉效率和设备使用寿命。
7. 大、中型锅炉采用计算机控制燃烧过程，提高锅炉效率
对大中型锅炉房应逐步建立微机系统实现锅炉燃烧过程自动控制。由于锅炉燃烧过程是一个不稳定的复杂变化过程，各种各样的因素都会引起工况的变化，只有实现锅炉燃烧的自动控制才能达到锅炉的最佳燃烧工况，热效率达到最高。
鞍山锅炉厂经过多年努力，采用两台PLC工控机对9台35t/h的蒸汽锅炉进行集中管理，实现锅炉燃烧自动控制。根据负荷状况，对蒸汽压力、流量、煤量、炉膛温度、排烟温度、烟气含氧量进行综合分析和寻优调整，以达到人工操作难以达到的效果，同时还可以根据煤质的好坏，加湿程度等因素适当调整参数，以达到最佳燃烧工况。几年来运行工况一直平稳，吨汽标煤耗平均下降9.8kg/t，炉渣含碳量降低1.37%，效果显著。
8. 改变大流量、小温差的运行运行方式，提高供水温度和输送效率
目前国内供热系统，包括一次水系统和二次水系统都普遍采用大流量小温差的运行方式，实际运行的供水温度比设计供水温度低10～20℃，循环水量增加20～50%。此种运行状态使循环水泵电耗急剧增加(50%以上)、管网输送能力严重下降、热力站内热交换设备数量增加。其原因除受热源的限制不能提高供水温度外，主要是因为管网缺乏必要的控制设备，系统存在水力工况失调的问题，为保证不利用户供热而采取的措施。因此，应该在供热系统增加控制手段，解决了水力工况失调后，将供水温度提高到设计温度或接近设计温度，以提高供热系统的输送效率、节约能源，并为用户扩展打下良好基础。鞍山市热力公司在太原第一热电厂供热系统上采用了分阶段改变流量的质调节运行方式，提高了初寒期的热网供水温度，循环水量减少约25%，一个采暖季循环水泵节电近200万度，减少运行费用近83万元。
9.风机、水泵采用调速技术，更换压送能力过大的水泵，节约电能
风机、水泵的选择和配置其能力都有一定的富裕度，这是因为：
1.风机、水泵选型时要求扬程有一定裕度，而且风机、水泵规格不可能与需要完全一致，一般选型结果都稍大；
2.在运行过程中荷载(扬程、流量)常有波动变化，小荷载时风机、水泵的能力会进一步富裕；
3.热网建设有一发展过程，循环水量逐年增加，系统满负荷前水泵能力富裕很大。
风机、水泵采用调速技术，可以及时地把流量、扬程调整到需要的数值上，消除多余的电能消耗。一般都能达到30%以上的节电效果。鞍山市热力(集团)有限责任公司，在1997和1998两年内，将58台水泵改造为变频调速泵后，节电率达40～60%，投资回收期为1.2个采暖期；鞍山热力公司于1999年在43台水泵上加装变频调速装置后，节电率为40～50%，采用调速技术所增加的投资，一般在一个采暖季内通过减少电费支出就能得到回收。
但对压送能力过大的水泵，采用调速技术来降低水泵扬程，将导致水泵在低效区工作，达不到预期的节能效果，因此，应根据实际运行资料的分析更换水泵。鞍山市热力(集团)有限责任公司96年更换了5台循环水泵，节电率达40～70%；97、98年进一步更换155台水泵后电耗比改造前下降46.1%，年节电800万度，两年共创经济效益945万元，投资回收期约为0.6个采暖期。郑州市热力公司96年投资40万元，更换了26台水泵，年节电90万度，节省电费45万元。
目前常用的水泵变速装置有变频器和液力耦合器两种。采用变频器效率高、调速范围大，但投资费用高且管理比较复杂；采用液力耦合器效率低、调速范围小，但投资费用少且维护简单。采用何种调速设备、设备功率如何选定、是否需要同时更换风机或水泵，应根据实际情况经技术、经济比较后确定。
10. 推广热水管道直埋技术，降低基础投资和运行费用
热水管道直埋技术在国内使用已有经验。《城镇直埋供热管道工程技术规程》(CJJ/T81－98)也已于1999年6月1日起颁布实施。直埋敷设与地沟敷设比较，不仅具有节省用地、方便施工、减少工程投资(DN≤500，管径越小越明显)和维护工作量小的优点外，由于用导热系数极小的聚氨酯硬质泡沫塑料保温，热损失小于地沟敷设。尤其是长期运行后，地沟管道的保温层会产生开裂、损坏以及地沟泡水而大幅度增加热损失，而直埋管道不存在上述问题。由于大口径(DN≥600mm)管道直埋的技术数据和使用经验不够，实施时可能会发生问题，使用时要填重。
11. 推广管道充水保护技术，防止管道腐蚀
国内部分非常年运行的供热系统，采取夏季放水检修，冬季投产前充水的作法。由于系统放水后不及时充水，空气进入管道而造成管内壁腐蚀。所以非常年运行的供热系统应积极推广夏季管道充水保护技术，在夏季检修后及时充满符合水质要求的水，既可省去管道投运时的充水准备时间，又可防止管内壁腐蚀。
12. 热力站入口装设流量控制设备，解决一次水系统水力失调现象
目前，供热系统的一次系统，因通过每个热力站的水量得不到有效地控制而造成的水力失调和能源浪费的现象很严重。因此应在热力站入口装设流量控制设备以解决一次水系统水力失调问题。对于当前国内供热系统绝大多数采用的定流量质调节运行方式应装设自力式流量限制器，对于近期即将采用或正在采用的变流量调节的系统应装压差控制器。八十年代末北京市热力公司在热力站入口加装了流量限制器，在热源能力不增加的条件下供热面积由1304万平方米增加到1610万平方米，节约热能约20%。天津市热电公司于1994～1996年在第一热电厂热水管网上安装了148台自力式流量限制器，耗热指标由72W/m2降到44.4 W/m2，扩大供热面积160万平方米。中原油田供热管理处98年在基地北区160万平方米供热系统的16座热力站一次网回水管上，投资26万元加装国产自力式流量控制器后，停用了5台燃油锅炉，年节省燃油费用84万元，循环水量由2300t/h下降到2100t/h。
13. 热力站(或混水站)安装监控系统、实时调节供给用户的热量
为了实现实时控制和调节供给用户的热量，热力站应安装监控系统。
热力站(或混水站)内设有采暖系统、生活热水系统和空调系统，那个系统需要控制，实施什么样的控制水平应根据实际情况确定。当一、二次系统都为质调节、流量基本不变时，根据二次系统的供回水温度控制一次系统的供水阀门，可以使用手动调节阀，自力式调节阀，对于控制要求高、控制过程复杂的，则应考虑配有电动执行机构的计算机控制装置。
先进国家的集中供热间接连接热力站，一般都采用组合式供热机组。该机组包括板式换热器，循环水泵，补水装置，监控仪表和设备，可根据室外温度调节二次水供水温度和供给热量。近年来，我国哈尔滨、天津等地的热力公司安装这种供热机组，运行结果表明，有显著的节能效果。同时还有占地小，安装简单等优点。
国内已经实施监控的热力站，都取得良好的节能效益沈阳惠天热电有限公司沈海热网于1993年在33个间接连接热力站安装了监控系统，并于当年冬季对所辖间接连接热力站进行热耗统计，有监控的热力站，其采暖平均热指标为41.2W/m2而无监控热力站的采暖平均热指标达48.8W/m2，节能率为15%。
14. 改善二次水系统和户内系统，解决小区内建筑物之间和建筑物内部房屋冷热不均，能源浪费的问题
在用户楼栋入口(当几栋楼到干管的系统管道阻力相近时，也可在总分支管上)装设流量控制设备，对各楼之间流量分配进行调节，在管路(一般为立管)上装设平衡阀平衡各立管之间的流量，在每组散热器前装设温控阀控制室内温度，可以有效地解决小区内建筑物之间和建筑物内部房屋冷热不均的问题，不仅节约能源，还为计量收费，用户自由调节室温打下了基础。
北京市热力公司在供热节能示范小区采用上述措施后，有效地解决了竖向失调问题，节约能源20%；山东荣城供热公司在小区供热面积为10万平方米的85%用户入口安装了流量调节装置，基本实现了网络水力平衡，节约热能8%，减少水泵功率25%，做到了当年投资当年回收；吉林热力公司在户内系统压力损失比较大的环路立管上，安装小扬程、小流量和噪音小的三级调速管道泵以提高该环路的压差，改善了供热状况，也取得了较好的效果。
15. 加强管理，控制系统失水是节能和保证安全运行的重要措施
目前国内部分直接连接的供热系统失水情况严重，补水率高的可达循环水量的10%以上。失水主要是用户放水和二次系统以及用户内部系统管网陈旧漏水所致。系统大量失水和热量丢失、影响供热能力，而且一些供热单位还因水处理能力不足，不得不用生水作为热网补水，而造成管网阻塞和腐蚀。因此，必须加强宣传教育、加强管理，采取防漏、查漏、堵漏等有效措施，将失水率降到正常的水平。唐山市热力总公司大部分为直接连接的系统，多年来补水率一直保持在1%以下，取得了很大成绩。对于大、中型供热系统应考虑将直接连接改为间接连接。间接连接一方面可将一次系统和二次系统的水力工况分开彼此不受影响，便于提高一次系统的压力和温度，增加输送能力，保证系统的正常安全运行；另一方面也便于发现失水的部位。
16. 对冬季供暖锅炉，提倡连续运行，分时供暖，节约能源
供暖期热负荷的变化，应采用调整锅炉运行台数的办法解决，即在初、末寒期减少锅炉运行台数，严寒期增多锅炉运行台数，以避免锅炉低负荷运行，提高锅炉运行效率。
利用居民夜间睡眠休息、办公室无人办公采暖房间需要的温度可以适当降低的条件，对住宅和公建采用分时供暖，降低供热参数以减少供热量可以达到节能的目的。包头市热力公司采用分阶段改变一次网供水温度和对用户实施分时供暖的办法；天津市热电公司在热力站中通过控制加热器二次出口温度对用户分时供暖，都取得了很好的节能效果。
17. 建立并完善与供热系统相适应的控制系统
供热系统是由热源、管网、用户组成的一个复杂系统，为使热生产、输送、分配、使用都处在有序的状态下，提高供热系统的能源利用，需要建立和供热系统相适应的控制系统。控制系统的建立可为供热管理人员提供供热系统的运行状况，帮助工作人员选择最佳的运行方式，维持供热系统瞬间变化的水力工况平衡，保证供热，节约能源。控制系统的投资一般在系统初投资的5%以下，但其经济和社会效果是很好的。
建立并完善控制系统时要防止一刀切，一个模式的倾向。应根据系统的大小、复杂程度，实事求是地选择适用的控制系统，合理配置硬件、使用软件和仪表。
18. 条件合适的供热系统采用多热源联网技术
国内供热系统的规模正在逐渐扩大，部分供热系统具有二个或二个以上的热源。由于各热源的生产设备参数和燃料等不同，因而热生产的单位费用不同(如北京热电联产每吉焦的费用最低为12.85元，而燃气区域锅炉房最高达74元)和效率差异引起的能耗不同(如热电联产供热煤耗一般在44kg/GJ，而集中(或区域)锅炉可达55～62 kg/GJ)。因此，在供热系统运行时采用多热源联网运行技术，尽量使热生产费用低、能耗小的热源作为主热源在整个采暖季中满负荷运行，而热生产费用高、能耗大的热源作为调峰热源提供不足部分的热量，这样就能最大限度地提高系统的经济性和取得良好的节能结果。
多热源联网运行时的循环水量是连续变化的，应采用可调速的循环水泵，而且全网要有统一的补水定压系统和一套完整的监控系统进行实时的调节和控制。由于此项技术的资金和技术投入较大，实施可分阶段进行。
结合我国国情，只要热力站变流量自动控制的手段具备，其他条件可采用辅以手动控制的方式来实现多热源联网运行。抚顺市热力公司采用分阶段改变阀门切断位置，解裂运行的方式以调整主热源和调峰热源供热范围；牡丹江热电总公司采取主热源循环泵采用调速泵，调峰热源配置三种不同能力的定速泵(与不同时期锅炉运行台数和循环水量配套)，运行时辅以手工调节阀门的方式实现双热源的联网运行都取得了良好的节能效果，因此各城市应根据自身的条件，经技术、经济等各方面综合比较后，采用最适宜的方式实现联网运行。