CN106875065B - 一种降低一次网回水温度的换热站运行方法 - Google Patents

一种降低一次网回水温度的换热站运行方法 Download PDF

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Abstract

一种降低一次网回水温度的换热站运行方法，涉及集中供热系统换热站供热的优化调控技术领域。本发明旨在提升现有换热站供热能力以及实现供热节能。本发明方法在换热站运行数据遴选基础上，进行优化理论运算，根据优化指数选取优化方案。根据换热站内两个机组二次侧进出口水温，将二次网回水温度低的机组作为低温机组，另一个为高温机组；将换热站内的高温机组和低温机组在一次侧进行串联；在设定优化温度下确定各机组的换热面积变化，最后得出一次网流量变化。优化后机组面积变化为F'‑F，经优化可降低换热站一次网回水温度T1h，减少换热站一次网流量，提高现有管网供热能力。本发明用于换热站优化运行调整。

Description

一种降低一次网回水温度的换热站运行方法
技术领域
本发明涉及一种换热站优化运行方法，涉及集中供热系统换热站的调控运行技术领域。
背景技术
集中供热是指集中热源所生产的蒸汽、热水通过管网供给生产和生活所需热量。我国北方住宅冬季供暖系统多采用以热电联产或锅炉房为热源的集中供热系统。供热系统节能主要体现在热源、供热管网和热用户系统三部分。目前供热管网节能措施主要集中在管网水力平衡、管道保温、减少漏水、合理调节和控制循环水泵耗电输热比等方面。换热站作为供热管网的重要组成部分，节能作用日益突显。换热站采取相应措施优化配置和运行，可以减少热能消耗，提高热能使用率，有助于提高供热系统经济效益和节能效益。
目前，很多热力公司面临的主要问题是随着新建住宅的不断开发，用热需求持续增长，集中热源例如电厂因亦兼顾发电需求，不可能无限制地提供蒸汽或热水来满足用户需求。依托现有的一、二次供热管网配置,挖掘换热站供热潜能，提升现有各换热站供热能力是供热节能的有效途径,换热站优化运行势在必行。目前集中供热系统换热站内板式换热机组大都在一、二次侧管路均并联运行，一次网回水温度较高。因此如何有效降低换热站一次网回水温度，是实现供热系统管网节能、提升现有管网供热能力的关键。
工程中常采用增加单台板式换热机组换热面积的做法，可以一定程度降低换热站一次网回水温度，该方法相对简单，但是却以降低换热器总体传热系数为代价换取一次网回水温度的降低进而提高供热能力，从尽可能发挥换热器换热效能的角度出发该方法并不可取。本发明提出换热站内采用两台板式换热机组一次侧管路串联方式运行，来降低一次网回水温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低一次网回水温度的换热站运行方法，实现供热节能及提升现有换热站供热能力。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种降低一次网回水温度的换热站运行方法，所述方法的实现过程为：
步骤一、将高温机组a和低温机组b进行串联
根据换热站内两个机组二次侧进出口水温，将二次网回水温度低的机组作为低温机组b，另一个为高温机组a；将换热站内的高温机组a和低温机组b进行串联；
串联后，a、b两机组一次侧串联工作，二次侧仍并联T1g＝T1ag，
假定串联后一次网低温机组b回水温度T1h’，二次侧供热量Qa和Qb不变，优化以后，发生变化的参数都带上脚标“’”；
Qa＝G2aρCp(T2ag-T2ah)Qb＝G2bρCp(T2bg-T2bh)Q＝Qa+Qb
T’1ah＝T’1bg
一次网总流量为：
Figure BDA0001232671040000021
一次网高温回水温度为:
Figure BDA0001232671040000022
步骤二、确定高温机组a所需换热面积，计算过程为：
高温机组a串联后换热温差：
Figure BDA0001232671040000023
高温机组a串联后换热面积：
Figure BDA0001232671040000024
步骤三、确定低温机组b所需换热面积
低温机组b串联后换热温差：
Figure BDA0001232671040000025
低温机组b串联后换热面积：
Figure BDA0001232671040000026
步骤四、优化后两机组总换热面积F'＝F’a+F'b；
步骤五、确定流量变化，如下式：
一次网流量变化：
Figure BDA0001232671040000027
步骤六、实际串联过程中，高温机组a面积未变，实行高温机组a一次网回水和一次网供水混合，通过控制二次网供水温度满足用热需求。
上式中：
Q──换热器的换热量；一次网侧的放热量；二次网侧的吸热量即热用户用热量，W
K──换热器的传热系数，W/m2·℃；
F──换热器的传热面积，m2；
△Tm──换热器内热水平均温度，℃；
T1g──一次网侧供水温度，℃；
T2g──二次网侧供水温度，℃；
T1h──一次网侧回水温度，℃；
T2h──二次网侧回水温度，℃；
G1──换热器一次网侧流量，m3/h；
G2──换热器二次网侧流量，m3/h；
ρ──热水的密度，kg/m3；
Cp──热水的定压比热，J/kg·K。
一次侧参数用下标1表示，二次侧参数用下标2表示；供水温度用下标g表示，回水温度用下标h表示；△Tm代表对数平均温差；换热器总换热面积用F表示，换热器总质量流量用G表示；现有换热站或换热机组的各种变量均无上标，优化后的各种变量用上标’表示；优化后换热机组a一次侧供水温度用T'1ag表示。
利用所述方法进行换热站优化运行调整，其过程为：
计算换热站内待选高温机组a、低温机组b所需换热量Qa,Qb，设定串联机组一次网回水温度T’1h，计算串联优化后一次网总流量和高温机组一次网侧回水温度G1',T1ah'，分别得出高温机组a和低温机组b所需的优化后总换热面积F′＝F′a+F′b，根据串联优化指数
Figure BDA0001232671040000031
的大小，寻求优化指数最大的换热站内两个串联机组的最优组合；然后进行传热系数修正。
一种实现所述方法的换热机组，所述换热机组中的机组单元包含两个机组且采用串联方式，所述换热机组采用并联机组来改造，两个机组包括高温机组a和低温机组b；高温机组a换热面积未变，在高温机组a一次网回水处设置阀门，利用新增管道通入低温机组b一次网入口；为保证二次网负荷，在低温机组b一次网入口处，实行高温机组a一次网回水和一次网供水混合，通过控制二次网供水温度满足用热需求。
本发明的有益效果是：本发明方法的利用，可实现在集中供热系统换热站内，针对多台板式换热机组采取适宜的并联、串联组合运行优化方案，通过优化计算分析调整换热面积，改造现有管路系统，提升换热器总体传热效能，可有效降低换热站一次网回水温度。当采用本发明的一种降低一次网回水温度的换热站运行方法，可以显著提升换热站的供热能力。
本发明通过优化高、低温两换热机组的换热面积并在一次侧采用管路串联方式，同时高温机组一次网侧回水和换热站一次网供水混合作为低温机组一次网侧供水，通过控制二次网供水温度分别满足两个机组二次网侧供热需求，达到降低一次网总回水温度的目的。在供热期间可根据供热调节需要，随时实现一次侧管路串、并联的切换，方便调控，最终能实现换热站优化运行调整。
附图说明
图1是现有的供热系统换热站中两个板式换热器机组单元在一次侧采用并联方式的示意图(换热机组并联运行示意图)：优化前机组并联，即优化前一次侧两机组管路并联，图2是优化的供热系统换热站中两个机组单元在一次侧采用管路串联方式的示意图(换热机组串联运行示意图)：优化后机组串联，即优化后一次侧两机组管路串联，本发明方法是基于一次侧换热机组管路串联方式实现的。图3是板式换热机组串联优化框图，图4是换热机组实际优化示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1和图2所示，本实施方式针对一种降低一次网回水温度的换热站运行方法的实现，进行如下阐述：
该方法中换热器串联优化理论计算步骤与实际运行调整内容如下。
下文中用到的各种变量及其上标或下标命名规则如下：
1)不同换热机组用小写英文字母命名，如a，b，c，d等；
2)一次侧参数用下标1表示，二次侧参数用下标2表示；
3)供水温度用下标g表示，回水温度用下标h表示；
4)△Tm代表换热器对数平均温差；
5)换热器总换热面积用F表示，换热器总质量流量用G表示；
6)现有换热站或换热机组的各种变量均无上标，优化后的各种变量用上标’表示。
如现有换热机组a一次侧供水温度用T1ag表示，优化后换热机组a一次侧供水温度用T'1ag表示。
换热器基本计算原理
Q＝KF△Tm＝G1ρCp(T1g-T1h)＝G2ρCp(T2g-T2h)
Figure BDA0001232671040000051
△Tg＝T1g-T2g △Th＝T1h-T2h
式中：Q──换热器的换热量；理论上一次网侧的供热量等于二次网侧的供热量即热用户用热量，W
K──换热器的传热系数，W/m2·℃；
F──换热器的传热面积，m2；
△Tm──换热器内热水对数平均温差，℃；
T1g──一次网侧供水温度，℃；
T2g──二次网侧供水温度，℃；
T1h──一次网侧回水温度，℃；
T2h──二次网侧回水温度，℃；
G1──换热器一次网侧体积流量，m3/h；
G2──换热器二次网侧体积流量，m3/h；
ρ──热水的密度，kg/m3；
Cp──热水的定压比热，J/kg·K。
1.板式换热器串联优化理论
假定换热器串联优化过程中传热系数变化不大，比值为1；假定热水密度、定压比热
不变。
1)板式换热机组
根据现有换热站内两个机组二次侧进出口水温，将二次网回水温度低的机组作为低温机组b，另一机组为高温机组a。
优化前，a、b两机组一次侧并联工作，T1g＝T1ag＝T1bg
优化后，a、b两机组一次侧串联工作，二次侧仍并联，T1g＝T1ag
首先设定串联后一次网低温段回水温度T1h’，二次侧供热量Qa和Qb不变。优化以后，发生变化的参数都带上脚标“’”
Qa＝G2aρCp(T2ag-T2ah)，Qb＝G2bρCp(T2bg-T2bh)，Q＝Qa+Qb
T’1ah＝T’1bg
优化后一次网总流量：
Figure BDA0001232671040000061
优化后一次网高温机组回水温度:
Figure BDA0001232671040000062
2)高温机组a所需换热面积
高温机组a原换热温差：
Figure BDA0001232671040000063
串联后高温机组a换热温差：
Figure BDA0001232671040000064
高温机组a原换热面积：
Figure BDA0001232671040000065
串联后高温机组a换热面积：
Figure BDA0001232671040000066
通过对传热系数和对数平均温差的分析，串联优化后，高温机组a换热面积理论上是减少的。
3)低温机组b所需换热面积
低温机组b原换热温差：
Figure BDA0001232671040000071
串联后低温机组b换热温差：
Figure BDA0001232671040000072
低温机组b原换热面积：
Figure BDA0001232671040000073
串联后低温机组b换热面积：
Figure BDA0001232671040000074
通过对传热系数和对数平均温差的分析，串联优化后，低温段机组b换热面积理论上是增加的。
4)串联优化后两机组总换热面积F'＝F'a+F'b
优化前的换热面积：F＝Fa+Fb
5)优化前后的总流量变化
一次网流量变化：
Figure BDA0001232671040000075
从上面计算可知，两机组串联后增加换热面积为F'-F，经过一定机组换热面积优化，可以降低换热站一次网回水温度T1h，减少一次网流量。
6)串联优化框图
根据现有换热站换热机组运行数据，按照板式换热器串联优化框图(见附图3)编制换热机组串联运行理论计算所需的计算相关程序，根据优化指数得出优化方案，对两个机组串联优化前后传热系数比值的变化进行了合理的分析和设定，得出机组串联优化后的整体换热面积变化值及一次网流量减少值，在此理论计算基础上进行换热站机组的相关换热面积调整。
2、理论优化基础上的实际运行方案
为了保障二次网侧热用户供热质量(温度，流量)不变，换热站运行可控安全，换热站实际优化运行在上述理论计算的基础上可做相应调整。实际换热机组一次侧管路并联改串联过程中，高温机组a面积维持不变，为保证二次网负荷，在低温机组b一次网入口处，将高温机组a一次网回水和换热站一次网供水混合，通过控制二次网供水温度满足用热需求。供热期间可根据供热调节及维护需要，随时实现串、并联的切换，保证运行可靠。(见附图4)
设定串联后低温机组一次网实际回水温度T1h’
一次网总流量：
Figure BDA0001232671040000081
实际上为满足二次网用户供热温度控制需求，高温段机组a一次网流量并不是G1’而是G1a’，这样，进入低温段机组b的一次网混水流量为G1’-G1a’，低温机组b入口的一次侧总流量和温度(混合后)与原理论优化值是一样的。
高温机组a一次侧实际回水温度:低于理论串联后的回水温 度
Figure BDA0001232671040000083
而低温机组b一次侧进水温度是高温机组a的一次侧回水与一次网供水的混合，温度应为理论优化
Figure BDA0001232671040000084
低温机组b原换热面积
Figure BDA0001232671040000085
优化计算后实际换热面积
Figure BDA0001232671040000086
一次网流量变化：
Figure BDA0001232671040000087
从运行的实际数据，两机组串联后实际增加面积为F'-F，可以降低换热站一次网回水温度T1h，减少一次网流量。机组实际总换热面积大于理论优化总换热面积。
具体实施方式二：如图3所示，本实施方式为利用降低一次网回水温度的换热站运行方法，进行换热站优化运行调整，其过程为：
计算换热站内待选高温机组a、低温机组b所需换热量Qa,Qb，设定串联机组一次网回水温度T’1h，计算串联优化后一次网总流量和高温机组一次网侧回水温度G1',T1ah'，分别
得出高温机组a和低温机组b所需的优化后总换热面积F′＝F′a+F′b，根据串联优化指数
Figure BDA0001232671040000091
的大小，寻求优化指数最大的换热站内两个串联机组的最优组合；然后进行传热系数修正(图3)。
具体实施方式三：如图4所示，本实施方式是实现具体实施方式一所述方法的换热机组，其特征在于：所述换热机组中的机组单元包含两个机组且采用串联方式，所述换热机组采用并联机组来改造，两个机组包括高温机组a和低温机组b；高温机组a换热面积未变，在高温机组a一次网回水处设置阀门，利用新增管道通入低温机组b一次网入口；为保证二次网负荷，在低温机组b一次网入口处，实行高温机组a一次网回水和一次网供水混合，通过控制二次网供水温度满足用热需求(图4)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明提供的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同(近似)替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种降低一次网回水温度的换热站运行方法，其特征在于：所述方法针对多台板式换热机组采取适宜的并联、串联组合运行优化方案，通过优化计算分析调整换热面积，改造现有管路系统；所述方法的实现过程为：
步骤一、将高温机组a和低温机组b进行串联；
根据换热站内两个机组二次侧进出口水温，将二次网回水温度低的机组作为低温机组b，另一个为高温机组a；将换热站内的高温机组a和低温机组b进行串联；
串联后，a、b两机组一次侧串联工作，二次侧仍并联T1g＝T1ag，
假定串联后一次网低温机组b回水温度T1h’，二次侧供热量Qa和Qb不变，优化以后，发生变化的参数都带上脚标“’”；
Qa＝G2aρCp(T2ag-T2ah)Qb＝G2bρCp(T2bg-T2bh)Q＝Qa+Qb
T’1ah＝T’1bg
一次网总流量为：
Figure FDA0002781565070000011
一次网高温回水温度为:
Figure FDA0002781565070000012
步骤二、确定高温机组a所需换热面积，计算过程为：
高温机组a串联后换热温差：
Figure FDA0002781565070000013
高温机组a串联后换热面积：
Figure FDA0002781565070000014
步骤三、确定低温机组b所需换热面积；
低温机组b串联后换热温差：
Figure FDA0002781565070000015
低温机组b串联后换热面积：
Figure FDA0002781565070000016
步骤四、优化后两机组总换热面积F'＝F′a+F′b；
步骤五、确定流量变化，如下式：
一次网流量变化：
Figure FDA0002781565070000021
步骤六、实际串联过程中，高温机组a面积未变，实行高温机组a一次网回水和一次网供水混合，通过控制二次网供水温度满足用热需求；
上式中：
Q──换热器的换热量；一次网侧的放热量；二次网侧的吸热量即热用户用热量，W
K──换热器的传热系数，W/m2·℃；
F──换热器的传热面积，m2；
ΔTm──换热器内热水平均温度，℃；
T1g──一次网侧供水温度，℃；
T2g──二次网侧供水温度，℃；
T1h──一次网侧回水温度，℃；
T2h──二次网侧回水温度，℃；
G1──换热器一次网侧流量，m3/h；
G2──换热器二次网侧流量，m3/h；
ρ──热水的密度，kg/m3；
Cp──热水的定压比热，J/kg·K；
一次侧参数用下标1表示,二次侧参数用下标2表示；供水温度用下标g表示,回水温度用下标h表示；ΔTm代表对数平均温差；换热器总换热面积用F表示,换热器总质量流量用G表示；现有换热站或换热机组的各种变量均无上标,优化后的各种变量用上标’表示；优化后换热机组a一次侧供水温度用T′1ag表示；
利用所述方法进行换热站优化运行调整；
其过程为：
计算换热站内待选高温机组a、低温机组b所需换热量Qa,Qb,设定串联机组一次网回水温度T’1h，计算串联优化后一次网总流量和高温机组一次网侧回水温度G1',T1ah'，分别得出高温机组a和低温机组b所需的优化后总换热面积F'＝F′a+F′b，根据串联优化指数
Figure FDA0002781565070000031
的大小，寻求优化指数最大的换热站内两个串联机组的最优组合；然后进行传热系数修正。
2.一种实现权利要求1所述方法的换热机组,其特征在于：所述换热机组中的机组单元包含两个机组且采用串联方式，所述换热机组采用并联机组来改造，两个机组包括高温机组a和低温机组b；高温机组a换热面积未变，在高温机组a一次网回水处设置阀门，利用新增管道通入低温机组b一次网入口；为保证二次网负荷，在低温机组b一次网入口处，实行高温机组a一次网回水和一次网供水混合，通过控制二次网供水温度满足用热需求。
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