1、基于实际工程的案例的某集中供热系统一级管网能耗分析及节能改造的研究基于实际工程案例的某集中供热系统一级管网能耗分析及节能改造的研究 基于实际工程案例的某集中供热系统一级管网能耗分析及节能改造研究重庆大学硕士学位论文学术学位学生姓名:*指导教师:何雪冰教授专 业:供热、供燃气、通风及空调工程学科门类:工学重庆大学城市建设与环境工程学院二一二年四月四四删?籼&. .:,、,中文摘要摘要目前我国正在积极加强节能减排工作的力度,对既有集中供热系统的节能改造是节能减排工作的重点。集中供热系统是一个复杂的综合系统工程,它由热源、各级输配管网、热用户组成一个严密的整体。对集中供热系统的节能改造,往往是围绕着
2、热源,一级管网系统、二级管网系统、末端热用户这四大部分进行。由于一级管网处于整个供热系统的第一级能量输送环节,其水力工况和输送效率不光影响着系统的能耗,同时也直接影响着末端热用户的供热质量,所以无论从社会、环境、经济方面来看,一级管网在集中供热系统节能改造中占有重要地位。本文作者对乌鲁木齐市高新热力公司集中供热系统一级管网进行实地调研,现场检测,收集了大量的该集中供热系统.年采暖季一级管网运行数据。采用采暖居住建筑节能检验标准.中的相关原理对数据进行整理分析,首先计算出该集中供热系统一级管网的水力平衡度,输送效率以及补水率,并与采暖居住建筑节能检验标准.中的评价标准进行对比。结果显示,该集中供
3、热系统一级管网水力失调严重,%的换热站一次侧水力平衡度不达标;输送效率不高,在.之间;系统补水率超标,超过上述标准规定的.%。其次,笔者分别针对水力平衡度、输送效率、系统补水率以及管网运行调节方面进行了能耗分析,并对改善一级管网水力平衡、提高输送效率、降低系统补水率、运行调节方面进行了节能改造的理论研究以及计算分析。从分析结果来看,该集中供热系统若采用二阶段或三阶段变流量质调节运行,在各换热站一次侧热力入处安装平衡阀,并改善一级管网的保温性能,.年采暖季可以节约.吨燃煤、吨软化水、三阶段变流量或二阶段变流量电,具有巨大的节能潜力。最后,本文对节能改造后的社会、环境、经济效益方面进行了预测计算和
4、分析。从改造后各项效益的预测可以看出,该集中供热系统一级管网若进行节能改造,?年采暖季内预计可以改善.%的热用户的采暖质量;预计可以实现减排万吨以上,吨以上;预计可以带来万元以上的经济收益。表明该集中供热系统一级管网具有较大的节能改造必要性。关键词:集中供热系统一级管网,水力工况,能耗分析,节能改造重庆大学硕士学位论文. ?, ., . ., , ,. ?“,. , ,. % ,. ,;.: ,.%.,.,. ,.。 ,.,.% . ,重庆大学硕士学位论文, . .:, 中文摘要英文摘要?.绪论?.课题研究背景?.国内能耗现状?.乌鲁木齐市能源、环境发展现状.国内外集中供热技术的发展与现状?.
5、国内集中供热技术的发展与现状一.国外集中供热技术的发展与现状.国内集中供热系统尚存的问题?.国内外集中供热系统管网节能改造及研究现状.】国内外集中供热系统改造现状?.国内外集中供热系统管网研究现状?.课题研究的主要内容?】.本课题的意义.本章小结高新热力公司集中供热系统调查与实测.高新热力公司集中供热系统概况 .乌鲁木齐市地理气候特点.项目概况.热源概况?.一级管网、换热站及热用户概况.一级管网调查与实测的目的、原理、仪器与方法.调查与实测的目的.集中供热系统管网评价依据及检测原理.管网检测的仪器与使用方法.管网检测流程.一级管网调查与实测结果.本章小结?高新热力公司供热系统一级管网水力工况实
6、测分析与评价.一级管网水力平衡度分析与评价.一级管网输送效率分析与评价?重庆大学硕士学位论文.一级管网补水率分析与评价.本章小结?高新热力公司集中供热系统一级管网能耗分析及改造研究?.一级管网水力平衡度能耗分析及改造研究.一级管网水力平衡度能耗分析?.一级管网水力平衡度改造研究?.一级管网输送效率能耗分析及改造研究.一级管网输送效率能耗分析.一级管网输送效率改造研究.一级管网补水率能耗分析.一级管网补水率节能潜力分析?.一级管网运行调节方式能耗分析及改造研究?.分阶段变流量质调能耗分析.分阶段变流量质调节水温设定?.分阶段变流量质调节的实现方式.本章小结?高新热力公司集中供热系统一级管网节能改
7、造效益预测.社会效益预测分析.环境效益预测分析 .经济效益预测分析.本章小结?结论与期望?.研究结论?.后续研究的建议与期望?致谢?参考文献附录:攻读硕士学位期间发表的论文:高新热力公司集中供热系统基础数据表 :高新热力公司各区域一级管网调查与测试结果表:测试期间室外温度表:测试期间补水量表绪论绪论.课题研究背景.国内能耗现状目前,我国处于经济飞速发展的时期,能源的消耗随着人口与经济的迅速增长而急剧增加,但由于可利用的能源十分有限,所以供需矛盾日益的增加极大地限制了社会经济的可持续发展。据统计,目前我国可开发的标准煤约为亿吨,剩余可采总储量约为亿吨,约占世界总量的。%;能源剩余可开采储存量保证
8、程度为原煤.年世界范围内可开采年限为年,原油年世界范围内可开采年限为.年,天然气年世界范围内可开采年限为年【,。从表.可见。年来,我国的能源消费与生产都呈现出快速增长的趋势,尤其是进入新世纪后增长速度明显在加快,需求量大于供给量。自年以来,我国经济增长速度都以每年大于%的速度增长,同时也推动了我国能源需求量的增加,如年国内能源消耗总量增长率己达.%,已成为仅次于美国的第二能源消费国。若我国经济发展按照增长:能源消耗增长:测算,那么到年我国一次能耗总量将达到亿吨标准煤,对国际市场依存度将上升到%以上。重庆大学硕士学位论文表. 年年我国能源生产、消费与增长情况一览表. , 资料来源国家统计局.乌鲁
9、木齐市能源、环境发展现状乌鲁木齐市属于以煤炭、石油、天然气、电力为主要能源结构的能源消费型城市,主要用于工业生产和冬季供暖。年,全市能源消费总量为.万吨标准煤扣除损失和加工转换,全市万元能耗为.吨标准煤,单位电耗为.千瓦时/万元,单位工业增加值能耗为.吨标准煤/万元。其中,煤炭、油品、天然气、新能源和可再生能源消费结构比例为.%、.%、.%和.%【】。根据经济社会发展规划,按照到年全市常驻人口规模达到万人、年达到万人,“十一五”后两年年均增长%、“十二五”期间年均增长%、“十三五”期间年均增长%,万元能耗年均降低%,能源消费弹性系数下降到.左右的总体要求,采用能源弹性系数法、人均能耗分析法、部
10、门分析法等进行综绪论合分析预测,到 年全市能源消费总量预计为万吨标准煤,年预计为万吨标准煤。表.乌鲁木齐市未来能源消费预测【 . 单位:万吨标准煤注:能源消费弹性系数能源消费量年平均增长速度/国民经济年平均增长速度该市能源消费结构不合理,对煤炭依存度过大。能源消费结构中煤炭消费比重高达%以上,煤炭消费比重过高导致和烟尘等污染物排放量大大超过环境容量,城市冬季煤烟型大气污染十分严重。据环境部门测算,该市最大环境容量为.万吨,烟尘.万吨。年全市排放量为.万吨,烟尘排放量为.万吨,均超过环境最大容量,而排放总量中%以上由煤炭燃烧产生。目前,全市排放量主要集中在以下行业:电力行业占.%,集中供热和分散
11、采暖占.%,其它工业占%。年、年城市二级以下污染天数分别为:天、天、天、天、天。虽然年冬季空气质量略好于年,但冬季采暖期仍有天达到重度污染。因此,随着工业经济快速发展,在能源消费总量不断增长的形势下,大幅度减少二氧化硫等污染物排放量任务十分艰巨。根据中华人民共和国环境保护部数据中心网上发布的乌鲁木齐市年全年逐日空气污染指数、污染级别指数以及主要污染物数据分析,其污染天均集中在供热采暖期内,主要污染物为可吸入颗粒和二氧化硫。由于采暖期以煤炭为主要能源,煤炭总耗量大,加剧了的排放,和可吸入颗粒物严重超标【。.国内外集中供热技术的发展与现状集中供热是指以人工技术在热源处集中产生热能,由热水或蒸汽作为
12、热媒,通过管网供给给热用户,以保证生产、采暖和生活所需的热量的供热方式。集中供热系统包括热源、热网和热用户三部分。目前主要以区域锅炉房和热电厂两种应用方式,在热源内,使燃料燃烧产生热能,将热水或蒸汽加热,此外也可以利用太阳能、地热、核能、电能以及工业余热等作为集中热力系统的热源。热网是由热源向热用户输送和分配供热介质的管道系统,通常有一级热网,二级热网,甚至三级热网。热用户是集重庆大学硕士学位论文中供热系统中使用利用热能的用户,可以是居民,也可以是工业厂房等【】。.国内集中供热技术的发展与现状我国采暖通风有着悠久的历史,早在新石器时代仰韶时期便有了火炕采暖,夏、商、周时代就有了火炉采暖,据考证
13、,汉代已有利用烟气作为介质的采暖应用技术,而北京故宫中还完整地保留着火地采暖系统,即所谓的“辐射采暖”。我国现代集中供热技术起步于上世纪年代,新中国成立后,当时的部分新建住宅中采用了经改进的火炉、火墙等烟气采暖系统,后来建设了热电厂,才有了城市集中供热系统。但由于各方面原因,城市集中供热系统发展缓慢,直到上世纪八十至九十年代,才进入快速发展时期。年,全国北方多个城市建设了集中供热设施,供热面积达万。到年,三北地区供热面积达到万,普及率为.%【。进入上世纪年代,我国各地方的集中供热规模越来越大,覆盖面积越来越广。从年至年,每年热化率平均增加.%,年全国热化率达到%。截至年全国城镇集中供热面积达到
14、亿左右。到年,我国有个城市建设了集中供热系统。年底,全国有个建设了集中供热系统,此时全国热水供热管网铺设.万以上,蒸汽管网铺设.万以上。集中供热面积已从年的.亿增长到了.亿?。虽然我国集中供热事业发展迅速,取得较大成就,但也存在很多问题。在发展集中供热的同时,我国积极推动北方采暖地区的既有建筑及供热系统节能改造,同时中央、地方政府也出台了一系列的政策来强制约束节能改造的进度?】。面对从年至年,每年新建住宅面积约为.亿,至年采暖区建筑面积为亿的巨大建筑市场,集中供热的节能改造和建设任务任重道远,也给本专业的发展带来了挑战和机遇。.国外集中供热技术的发展与现状虽然人类古老的文明就创造了采暖通风的应
15、用技术,但真正意义上的现代供热技术起源于西方。年英国工程师发明了使用热水加热房间,年法国人开始在房间内应用热水采暖,年在英国的工厂和公共建筑中应用蒸汽采暖。随着世纪蒸汽机的发明后,取暖方式有了一个很大的提高,人们开始采用锅炉提供蒸汽或热水向大面积建筑供热,从此集中供热开始出现。年美国纽约建成了第一个区域锅炉房,集中供热从此登上了历史的舞台。由于集中供热特别是热电联产具有明显的节约能源、降低环境污染、提高居民生活品质以及保证生产用热要求的有点,进而受到了人们的鼓励,世界各国都积极地发展集中供热系统,也使得城镇集中供热事业得到了飞速的发展【圳。由于世界各国地域、经济、气候等条件的不同,集中供热系统
16、在各国的发展也具绪论有各自的特点:原苏联是世界上集中供热技术比较发达的国家之一,该国集中供热事业始于年月列宁格勒第三热电厂的投入运行,其集中供热规模居世界首位。该国工业与民用用热中有%是由集中供热方式提供。而莫斯科的集中供热系统是全世晁城市中最大的。截至年,该市有个热电厂和个供热厂,最大负荷/,热网干线长公里,最大管径为引。德国的集中供热事业从年开始发展至今,已有来年的历史。该国的集中供热技术较为先进,例如大部分管道采用直埋敷设、应用装配式热力站、优化热网运行管理和高度发达的热网自控设施等。目前德国部分地区还建立了连接几个城市的城际供热系统。此外,德国大部分地区采用热电联产技术,在德国东部地区
17、,热点联产。占%左右芬兰的大城市中集中供热系统占主导地位,约为%左右,全国有万人享有集中采暖系统,%的公寓和绝大多数的公共建筑使用集中供热系统。芬兰的集中供热系统二级管网比较小,通常为楼宇换热站,且为全自动控制、无人值守的小型组合式换热站,并安装热计量装置引。丹麦目前约%的建筑面积采取集中供热方式,几十年来一直致力于发展热电联产,每座大城市中都建有热电厂和垃圾焚烧炉用于集中供热的热源。波兰在大城市集中供热的热源为热电联产,集中供热占居民总需求的一半,城市达%。瑞典的集中供热占全国总需求热量的%,集中供热网总长达,年供热总量达到了,且现阶段己大力开展政策以及标准的制定对提高集中供热系统能效潜力方
18、面的研究】。英国、瑞士、挪威等国也主要采用集中供热,现阶段已经开始侧重于集中供热系统对气候环境以及人体健康方面的理论研究,以及需找提升系统能效的方法】。而上述北欧诸国于上世纪年代末期开始,其热用户已实行热计量收费,到目前为止,集中供热方面的技术与水平已经相当先进。东亚地区中,日本关东地区以东京为中心的集中供热面积己占全国的%,该国集中供热发展速度已步入快速建设时期。韩国在全面引入芬兰的集中供热技术后,于上世纪年代使集中供热事业进入了快速发展时期,其集中供热系统以施工、运行、管理方便、安全为目的进行建设。.国内集中供热系统尚存的问题新中国成立后,我国集中供热事业得到了快速的发展,取得了较大的成就
19、。从分散供热到集中供热再到热电联产,我国供热能力在逐步提高,规模不断扩大。但就其技术、设备、管理和服务质量水平而言,与国外差距甚大,存在诸多问题,主要表现在下述两大方面:重庆大学硕士学位论文第一,热网系统能效较低。我国城市集中热力系统的热源主要是区域燃煤锅炉房与燃煤热电厂两种形式,燃料现在主要以煤炭为主。据测算,燃煤供热锅炉每年燃用煤炭约亿吨标准煤【,但锅炉的评价热效率仅为%左右,与设计效率相差约%,与先进国家同类锅炉相差约%。而对于热网和热用户而言,热能利用率平均只达到/%,其中热网的输送热损失通常为%;一级热网与二级热网水力工况失调造成损失通常为%;保温脱落以及地沟时,其输送热损失将增大到
20、%。具体表现为:热源设备能量损耗高以致能源利用率较低;热力系统水力工况失调以致供热质量较低;管网老化失修,跑冒漏滴严重以致输送效率较低:热力系统运行管理和自控调节水平低以致前述三个问题加剧。第二,由供热引起的环境污染严重。由于我国煤炭资源的特点为高灰、高硫比重大,大部分原煤的含硫量高于%,灰分含量约%左右质量分数。由于燃煤烟气中的有害物质主要来源于燃煤锅炉的排放,所以以煤炭为主要能源结构的集中供热系统造成了对环境和公众健康极大的危害。据资料分析,全国燃煤产生的二氧化硫从年的万吨增加到年的万吨,烟尘从年的万吨增加到年的万吨。自年国家施行节能减排规划后,全国二氧化硫和烟尘排放量才得到一定遏制。随着
21、经济的增长,我国到年每年的能源需求量将在亿吨标准煤,届时和等污染物的排放将远超环境所能承受的范围,我国环境将面临巨大的压力引。.国内外集中供热系统管网节能改造及研究现状相对于传统的分散供热方式而言,集中供热方式虽然在能源的利用效率以及对环境的污染控制方面有着明显的优势,但不可避免地带来了一系列新的问题。其中最大的一个问题在于为了控制水力平衡,使得各个用户得到需求的热量,而不均匀的供热削弱了集中供热在能源利用效率以及减弱环境污染方面的优势。加之我国受经济条件与市场各方面因素的影响,现有的供热系统运行调节局限于理论计算指导,在实践中基本上采取被热力公司所接受的经验管理的模式,即“看天烧火”,而对于
22、大部分热力公司而言,不被用户投诉或者少投诉则被看做是供热效果好坏的最大“指标”,致使热力公司在提高供热质量与降低供热能耗的矛盾中选择了前者。面对当前日益严峻的能源危机、环境恶化,供热成本普遍增高,各级政府和热力企业将目光聚焦到了集中供热改造上。虽然面对国外先进的技术和管理经验,但高昂的改造和建设投资却让不少热力企业望而却步,而国内学者对于诸多改造技术的研究又持有不同的意见,可谓百花齐放,百家争鸣,这又使得热力企业晕头转向,进而造成我国在的热改造进程不能进入快速的发展轨道。由于我国幅员辽阔,各个地方有着不同的气候、经济等特点,那么如何绪论从实际出发,制定切实符合我国各地方实情的集中供热改造体系是
23、值得探讨的。.国内外集中供热系统改造现状针对目前集中供热系统尚存的诸多问题,我国提出一系列的改造措施。年住建部在关于贯彻国务院办公厅关于开展资源节约活动的通知的意见中明确指定了因地制宜推进既有建筑和集中供热设施节能改造工作,供热计量高在与围护结构改造等需同步。在住建部颁布的北方采暖地区既有建筑供热计量及节能改造技术指导中明确提出了供热系统的改造规定,例如:选择高效节能锅炉更换旧锅炉,锅炉房与换热站应增设水泵变频装置,安装气候补偿器等。对室外管网的水力平衡度达不到要求时,应在建筑物热力入口处设置静态水力平衡阀。散热器上需安装恒温阀,室内采暖系统应改造为既要满足室温可调和分户计量的要求,又要满足运
24、行和管理控制的要求。目前我国北方采暖地区正积极开展集中供热系统的节能改造工作。年北京对个区县的个老旧供热管网系统实施了节能改造工作,解决了管网存在的跑冒漏滴现象,提高了管网的输送效率。年夏,北京市热力公司对个区域集中供热系统进行改造,对管网进行补修、更换循环水泵、安装水力平衡装置,并在部分热力站安装室外温度传感器和流量调节阀,实现温度自动控制,进而实现热计量收费。乌鲁木齐市在年投入万元专项资金对.万平方米的既有建筑进行节能改造工作,年该市对余家热力单位的余台锅炉进行改造,并对部分一次网和二次网进行联合改造工作。截止年,北方 省市己完成万平。方米供热面积的节能改造工作在国外,自从上世纪年代开始,
25、世界能源危机使得各国政府将目光聚焦到节能上。丹麦政府通过立法制定强制性的节能政策,同时大力支持与节能环保技术发展相关的企业和科研单位。而从年代到年开始,该国就完成了从面积到流量再到热量的集中供热收费模式,进一步强化了民众的节能意识。波兰虽在建筑节能工作方面落后于西方,但自上世纪年代转入市场经济后,采取了一系列改造措施来缩小与发达国家在节能改造工作上的差距。年该国政府颁布了新能源法,规定热效率不达标的锅炉可以关闭,停止使用。同时,该国政府明确提出建筑热工与供热现代化等一系列方案,对热源、热网、热用户、围护结构等进行全面统一改造升级。如今,波兰城市建筑中已有%安装了热表,%的热用户安装了恒温阀,%
26、的建筑安装了热量分配设备,%的既有建筑进行了节能改造【引。德国、法国、瑞典、芬兰、意大利等发达国家在热用户温度控制、管网运行调控方面已经代表了当今世界的先进水平。而从计划经济转入市场经济的俄罗斯、东欧等国家和地区,近年来也陆续加大了对集中供热系统的改造工作,逐步建立起了计量供热的收费体带。重庆大学硕士学位论文.国内外集中供热系统管网研究现状集中供热系统的节能改造对象主要为热源、一网热网、二级热网、换热站、热用户五大方面。对于一级热网而言,主要目的在于控制各热力入口水力平衡,提高输送效率,以及降低管网运行能耗这三个方面。管网调控设备方面对于控制各热力入口的水力平衡度来说,首先应该在设计上进行合理
27、的规划,但由于供热管网的规模会随着用户的增多而不断扩容,所以在现有的管网基础上进行扩大后会进一步恶化管网的水力平衡度。当前在水力平衡度的控制上基本采用安装平衡调节装置的方式。目前应用平衡调节实现水力平衡的研究主要有四种:静态平衡阀:动态压差平衡阀;动态流量平衡阀;动态平衡电动调节阀。目前国外全面应用上述四种类型的流量平衡装置来实现对管网的流量调节应,现均己实现动态的流量调节,其调节与控制技术先进,控制手段完善,设备质量高。但近年各研究学者对于上述四种类型的调节装置的研究均有着不同的观点,例如对于静态平衡阀应用与变流量水系统中,文献 指出,在变流量水系统中管路流量的变化将导致末端装置进出口压力大
28、幅度变动,通过每个末端装置的流量也会大幅度波动,存在水力失调;文献.指出,在水系统中分级设置静态平衡阀虽然可以实现系统满负荷时的水力平衡,但在非满负荷工况下,由于静态平衡阀上的压降随流量减小而降低,所以不能平衡系统阻力。然而文献【】分析在变流量水系统中采用静态平衡阀,可以实现每个末端装置流量达到合理分配。这些研究表明静态平衡阀能实现系统设计工况下的水力平衡,但在部分负荷工况下,压差与流量发生动态变化,这时静态平衡阀是否能实现水力的平衡,目前文献的观点有所不同,有待于进一步探讨。而针对动态压差平衡阀和动态流量平衡阀,文献蛳】指出,变流量水系统中不能应用这两种类型的阀门,否则有些阀门不能正常工作,
29、使系统流量分配混乱,不能实现变流量调节。但如何利用它们各自的特性,并合理配合来实现系统的动态水力平衡,需要。进行详细的分析探讨【管网敷设及保温技术方面提高热网输送效率,主要是提高管网的敷设及保温技术。管网的敷设主要分为直埋与地沟敷设。与直埋敷设相比,地沟敷设的工程造价高、工程量大、对城市交通影响严重;而与地沟敷设相比,直埋敷设虽然造价低,施工方便,对城市交通影响较小,但却对保温材料提出了较高的要求。我国从上世纪年代开始就进行了热网管道直埋技术的研究,但直到年代供热管道直埋技术才取得了较大的进展。重庆大学何雪冰教授在热力管道直埋敷设以及保温材料方面进行了比较深入的理论研究,并在新疆乌鲁木齐市建立
30、了保温管厂进行批量成产,转化为巨大的物质力量。哈尔滨工业大学、中国矿业大学北京研究生部、绪论沈阳市热力设计研究院等单位对直埋管道的力学性能、设计原理、施工技术措施等进行了系统的理论研究和施工实践。中华人民共和国建设部发布了高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管/ ?与高密度聚乙烯外护管聚氨酯硬质泡沫塑料预制直埋保温管件/ 的行业标准。年哈尔滨建筑大学和沈阳市热力工程设计院共同完成了八五期间“热力管道直埋技术的完善和配套”的科研课题,该课题对国内生产的三个典型的预制直埋保温管厂的产品进行了摩擦系数等的测试。年颁布执行的华人民共和国行业标准城镇直埋供热管道工程技术规程/ ?适用于管径小于的直埋供热管道工程;年太原理工大学和太原市热力公司共同进行的“大口径预制直埋供热摩擦系数的。实验研究”为大径预制保温管道进行直埋敷设提供了实验数据【国外一些技术发达的国家,如瑞典、芬兰、丹麦、德国等国家为解决供热管道地沟敷设的种种弊端,于世纪年代就开展了供热系统中应用直埋敷设代替地沟敷设研究,这些发达国
