技术交流丨【哈投教科书】创新篇：综合降低换热站电耗的改造方法与效果分析
【摘要】针对换热站存在运行电耗高的问题，在对公司老旧换热站节电潜力的分析，结合生产运行管理经验后，希望通过对换热站内循环水泵、换热器、阀门阀件进行改造，找出降低换热站电耗的方法；针对公司老旧换热站运行中存在的运行阻力大、水力失调等问题，提出降低电耗的管道连接与运行方式的改造方案，改造后的换热站能实现多种运行方式便捷切换。通过多年改造投入与改造效果的分析证明：该改造方案能有效降低供热企业运行生产成本，并且改造投资小、节能效果明显。【关键词】节能改造；换热站优化；循环水泵；变频Transformation method and effect analysis of comprehensive reduction of power consumption of heat exchange stationHarbin Hatou Investment Co.,Ltd Heat Supply Company, Guo Xiaotao1 Xu Xin* Zhao Jingwei Feng YangyangAbstract：As for the problem of high power consumption in the operation of heat exchange station, the writer recommends to find out the method to reduce the power consumption of the heat exchange station by reforming the circulating pump, heat exchanger and valves in the heat exchange station,through analyzing the power saving potential of the old heat exchange station of the company and learning the lesson ｆｒｏｍ the production and operation management experience; in light of the problems such as high resistance and hydraulic disequilibrium in the operation of the old heat exchange station of the company, the paper puts forward the following suggestions that is to transform the pipeline connection and operation mode to reduce power consumption, which entitles the heat exchange station to easily switch into various operation modes. Through years of investment into the transformation scheme and analysis of its effect, it is proved that the transformation scheme can effectively reduce the operation and production cost of heating enterprises.Furthermore, the transformation investment costs a little while the energy saving effect it brought is quite obvious.Keywords：energy-saving；heat exchange station optimization；circulating pump；frequency regulate
1. 引言
目前城市集中供热已成为我国北方地区冬季供热的一种主要形式。与同纬度发达国家相比，我国城市建筑能耗单位面积的采暖能耗是发达国家的 2～3 倍，但剔除采暖能耗后的建筑能耗是发达国家的 1/5～1/4[1]。近年来，国内外诸多学者对集中供热系统开展了一系列的节能技术应用研究工作。嵇启春等人从供水温度控制、变频调节等角度改造换热站系统，取得了20%的节电量[2]。我公司成立较早，公司换热站建成年代相差较大，一些建成年代早的换热站设备、设计受限于当时的技术条件，在运行中存在生产成本高、能耗大的问题。
生产运行中电耗开销占比较大，公司希望对换热站进行优化与改造，使供热系统既能保证供热质量又能降低换热站运行成本，进而提升集中供热系统的运行管理水平、提高经济效益。
2.换热站节电潜力分析
循环水泵是换热站内的主要耗电设备，为实现换热站更加经济的运行，尽可能降低水泵能耗极为重要。影响循环水泵的耗电主要因素有水泵性能参数、变频调节、循环流量、换热站设备及管道阻力等。我公司老旧换热站数量较多，部分换热站设备老旧，并且站内管线设计不尽合理，造成换热站运行中电能严重浪费。
2.1.换热站电耗影响因素
2.1.1.循环水泵性能特征与变频调节
(1)循环水泵性能特征对换热站电耗影响循环水泵本身的参数与性能对换热站电耗影响，主要体现在水泵的效率高低与高效区间范围大小上。对于额定参数相近的水泵，效率越高，在水泵出力相近时其消耗的电能越少。由于供热系统的设计流量与实际运行流量存在一定的偏差，若水泵的高效区间范围较大，即使水泵设计参数与实际运行参数有一定偏差，也能保证水泵的高效运行。
供热设备选型过大，影响系统的正常运行[3]。我公司部分换热站甚至出现了超流过热的现象，不但造成水泵的能耗增加，而且还影响换热站的运行安全。根据相关研究，不合理的系统设计能耗浪费高达 40%[4]。
(2) 水泵变频调节对换热站电耗影响
循环水泵的变频调节具有效率高、精度高、机械特性强，能够实现无级调速的特点，是循环水泵变工况运行的理想调节方式。循环水泵在运行中其工况遵循相似定律，即水泵的功率与水泵转数的三次方成正比。在实际生产中可以使用变频设备调节电机频率从而改变水泵转速和流量，降低电能消耗。有研究表明，当采用转速调节使流量下降50%后，水泵功率将下降87.5%[5]。
2.1.2.换热站二次管网设备及管道阻力换热站运行中，换热站内的设备如板式换热器、管道及附件、除污器的局部阻力过大也会增加换热站电能的消耗。
（1）换热器的局部阻力
换热器阻力主要有3个影响因素：1、换热器二次侧的设计温差与实际运行温差相差较大，部分机组甚至相差一倍，导致实际循环流量远超过换热器设计流量，加大了换热器的阻力。2、换热器板片本身尺寸小、换热器整体换热面积不足。3、换热器运行中发生结垢堵塞现象，并且部分老旧换热站的换热器为不可拆卸板片的钎焊换热器，随着运行时间的增长换热器内部污垢逐步累积，造成阻力变大，传热系数降低现象。
（2）二次网管道阻力
二次网管道的阻力损失主要因素为站内管道管径设计时选择的管径较细，造成管道内水流速过高。
（3）除污器局部损失除污器阻力主要有2个影响因素：1、除污器本身设计缺陷造成其内部有效过滤面积过小。2、除污器内滤网结垢堵塞不及时清理。
2.2.降低换热站电耗改造实践
2.2.1.减小二次网循环流量，加大机组实际运行温差
循环水泵的流量由下式（1）确定：
其中：
G为水泵设计流量，t/h
Q为供暖设计热负荷，W
c为水的质量比热，(kJ/Kg·℃)
t1、t2为二次网供水温度、回水温度，℃
在改造中根据机组现有运行参数，可以通过变频调节或更换循环流量小的循环水泵来减小二次网循环流量，实现加大二次网实际运行温差的目的，从而降低二次网换热器、管道的阻力，减小换热站运行的电能消耗。实际改造中加大二次网实际运行温差的部分机组运行数据见表1。可以看出，加大机组实际运行温差后机组换热器阻力、二次网阻力都有下降。
表1 二次网温差改变前后部分换热站机组运行数据
2.2.2.板式换热器进行增加板片或并联换热器
对于板式换热器，其阻力可用下式(2)[6]式计算:
其中：
ΔP为板式换热器总阻力，Pa
ρ为流体密度，Kg/m3
v为流道中流速，m/s
n为流程数
f为板片通道摩擦阻力系数
(L/d)为板式换热器内部构造参数
从上式中可以看出影响换热器阻力的因素主要有流体的流速、 板式换热器内部构造、 板片通道摩擦阻力系数以及流程数。对于同一台换热器，影响阻力因素就只有流体的流速。随着流量的减小，流体的流速降低，换热器的阻力也随之降低。
通过将原有换热器拆解后加装新换热器板片或并联一台换热器，增加了板式换热器的流道数量，减小了流体在板间的流速，从而降低了换热器的流通阻力。
同时加装新的换热器板片与并联换热器，也增大换热器实际换热面积，降低了机组一次网回水温度。改造中对于新加装的板片需安装在板式换热器的固定压紧板一侧能更好地降低机组回水温度；在并联一台换热器时尽可能并联与原换热器同型号、同板片数的换热器，否则易出现进入两台换热器流量与换热器换热面积不匹配现象，造成机组整体一次回水温度升高。实际改造中也应注意到加片和并联换热器，会在一定程度上降低板式换热器的传热系数问题。
2.2.3.换热器安装旁通管
图1 换热器加装旁通管示意图
通过在换热器二次侧加装有调节阀门的旁通管，减少进入换热器的流量，使得换热器板间流速降低，从而减小板式换热器流动阻力。
该方法效果明显，相较于板式换热器加片等方式投入较少，但其调节比较繁琐，并且使用中会对机组一次网回水温度造成影响。
2.2.4.定期对站内换热器、除污器进行洗刷
板式换热器在运行中，换热器流道间由于水质和水中杂物的原因会产生结垢现象，增加换热器的流通阻力造成电能的严重浪费。
对于一些体积较大、质地疏松稀软的污垢如颗粒细小的泥砂、焊渣杂物，可以定期对换热器进行反冲洗，将这些污垢冲出换热器。而较难清除的污垢可以在非供热期对换热器进行拆解后通过清洗药剂来对板片进行清洗。
表2 换热器冲洗前后阻力变化表
通过对换热器的正反冲洗，从表2中可以看出板式换热器的阻力在换热器冲洗后有较大下降，特别是社会主义学院换热站，换热器正反冲洗后板式换热器阻力降低66.7%。在正反冲洗中板式换热器上影响传热的一些污垢也被冲出换热器，改善换热器的换热效果，降低了机组的一次回水温度。
除污器清洗方法与板式换热器类似，但除污器阻力在生产中易被忽视，除污器理想运行阻力在0.02MPa以下，但由于二次网管道的施工以及除污器清洗的不及时，在生产中个别机组除污器阻力达到0.06MPa，造成电能的严重浪费。
2. 某换热站二次侧运行改造实例
我公司个别建成早的换热站单台机组供热面积大并常常伴随供热半径长、站内阻力大、二次管网阻力损失大、水力失调严重等现象。在考虑改造时受限于换热站站内空间等因素，换热站内大规模改造的难度大、改造成本高。因此在不更换原有设备的情况下，考虑进行难度和成本相对较低的管线运行方式改造。
3.1.某换热站机组运行存在的问题与解决方案
我公司老旧机组多使用两套单独的循环水泵与换热器组成的两套独立的换热系统并联的运行方式，以我公司57#换热站为例其管道连接如图2中改造前所示。这种运行方式两套换热系统相对独立，但是在系统的阻力优化、安全性、可调性、可靠性上都有较大的提升空间。
57#站低区采暖机组供热建筑面积为11.8万㎡，站内分集水器共分为5个环路，其中环路1供热面积5.7万㎡，环路2供热面积3万㎡，环路3供热面积2.5万㎡，环路4供热面积0.4万㎡，环路5供热面积0.2万㎡。1#机组、2#机组原有循环水泵、板式换热器型号参数见表3。
表3 57#站低区机组改造前设备参数表
从下表4可以看出57#站低区1#机组、2#机组在严寒期换热器阻力、二次网阻力过大，为降低区机组电耗需结合换热站实际情况减小运行阻力。
表4 57#站低区机组改造前机组运行参数表
(1) 换热器阻力方面
为减小换热器阻力，现场对换热器二次侧进行了正反冲洗，冲洗后换热器阻力变化不明显。排除换热器阻力大是由于换热器内部结垢因素造成，于是考虑增加换热器换热片数量，来降低换热器的流通阻力。
通过分析计算出换热器运行工况在二次流量在150m³/h、二次阻力在0.05MPa时，板式换热器片数至少为163片，考虑换热器结垢等因素后，最终确定换热器需要板片数为174片，即低区1#机组、2#机组板式换热器分别新加装板片67片。并且新加装的板片需安装在靠近板式换热器固定压紧板一侧，同时板式换热器的原有板片也进行仔细洗刷。
(2) 站内局部阻力方面
从图2中改造前可以看到，低区机组总回水管上有一台旋流除污器，由于换热站内已有其他除污器，改造中取消该旋流除污器来减小站内局部阻力。
通过以上的改造，将机组循环水泵由原有2台30KW循环水泵更换为2台11KW循环水泵。改造后机组循环水泵和板式换热器参数见表5。
表5 57#站低区机组改造后设备参数表
3.2.换热站优化连接改造由于该换热站原各环路间供热面积大小、距换热站远近相差较大，因此水力失调现象严重。针对上诉问题结合换热站实际情况提出老旧机组的优化连接改造方案。
图2 57#站改造前后机组连接简图
如图所示，改造后新增阀门1、阀门2、阀门3、阀门4、阀门5、阀门6、阀门7共7个阀门，以及图中用3条虚线表示的新增旁通管线。
改造后机组可在三种运行方式即：1台循环水泵负责2台换热器二次网水的循环运行方式（1泵带2换热器）、2台独立的机组运行方式（2台机组解列运行）、机组并联运行方式中进行切换。三种运行方式切换中所需阀门开闭情况见表6。
表6 57#站低区机组三种运行方式与阀门切换对照表
3.3.三种运行方式适用条件与运行效果对比
3.3.1. 1台循环水泵负责二次网水的循环运行方式（1泵带2换热器）
改造后2#机组1台循环水泵负责2台换热器二次网水的循环运行（1泵带2换热器）时，机组运行数据见下表7。
1台循环水泵负责二次网水的循环运行方式更加适用在供热初期、末期等热负荷较小时的情况。比较表7中运行工况1与运行工况4可以看出即使在2台水泵中1台水泵出现故障或检修时，仅用1台水泵机组仍能保证88%的流量输送能力，提高了系统的运行可靠性与安全性。但该运行方式由于换热器阻力、二次网阻力较小需注意避免循环水泵超流现象的发生。
表7 并联运行（改造前）与1泵带2换热器运行工况对比表
3.3.2. 2台独立的机组运行方式（2台机组解列运行）
改造后2台独立的机组运行（2台机组解列运行）时，机组运行数据见下表8。2台独立的机组运行方式可以对两台解列运行机组制定不同的温度调节曲线，结合循环水泵变频调节，能大大减小因为水力失调造成额外的电能、热能的消耗。
结合57#站实际情况，解列运行时1#机组负责环路1供热负荷，2#机组负责环路2-5供热负荷。比较上表运行工况4与运行工况1，解列运行方式最大循环流量为原有循环流量的1.39倍，大大的提高了系统调节的灵活性与应对极端天气的能力，保证供热安全稳定。
表8 并联运行（改造前）与2台机组解列运行工况对比表
3.3.3. 改造后机组并联运行方式
改造中对换热器进行了加片，并对站内管线进行了改造，改造后换热站设备、管道的阻力发生了变化，此时供热系统所需水泵的扬程也发生了变化，改造前后在相同的并联运行方式时机组运行数据见下表9。
对比表9运行工况1与运行工况2，在机组运行整体流量相近时，改造后1#、2#机组换热器阻力分别从原有阻力0.16MPa与0.15MPa分别降至0.05MPa与0.04MPa，降幅近70%；并且二次网阻力分别从原有阻力0.11MPa与0.10MPa分别降低至0.06MPa与0.07MPa，降幅约30%。对比运行工况4与运行工况1，可以看出改造后机组的最大流量有较大提升。
表9 并联运行（改造前）与并联运行（改造后）运行工况对比表
通过优化连接改造，换热站换热器阻力、二次网阻力大大降低；设备的可靠性与供热安全性都有明显改善。
优化连接改造后57#换热站在保证供热质量的前提下，通过对三种运行方式的合理应用，57#站用电量大幅降低。57#站2019-2020供热期用电量较2018-2019供热期减少46.0%，其供热初期用电量相较于上一供热期同期降减小58.7%。
4.换热站综合节能运行改造效果分析
4.1.节能改造的投资与收益我公司上述综合节能改造全面实施后，通过流量测量、数据采集分析，通过对换热站整体的改造和循环水泵进行更加科学细致的选型，同时配合变频设备的调节，综合节电效果明显。2013年至2019年总计投资639.8万元对公司218台机组进行了节能改造，改造数量与节电效果具体见表10。
表10 历年改造投资与节约电费对照表
从上表可以看出，改造后当年即可回收改造成本的89.4%，考虑到改造的长期节电效益与改造后换热站设备可靠性与安全性的提升，改造收益更加丰厚。
经过多年的改造后公司高效率水泵大量增加，现4KW及以上功率的循环水泵实现了全变频覆盖，使得改造后换热站节电百分率明显升高。2017-2018供热期与2016-2017供热期相比，改造的31座换热站都有比较好的节能效果，大大的降低了各换热站运行电耗，改造后平均的节电百分率为20.2%，减小公司生产运行成本。
4.2.节能改造后公司整体电单耗变化情况
随着节能改造的逐年推进，在改造中不断对改造方法进行总结与分析，使得公司整体电量单耗逐年降低，达到行业领先水平，具体电量单耗变化见图3。从图3中可以看出我公司换热站平均电单耗从2013-2014供热期每平米（使用面积）1.84度，逐年降低至2018-2019供热期的每平米（使用面积）0.97度，降幅达47.3%。
图3 节电改造历年电单耗变化图
5. 结论
通过对换热站内各机组的循环流量、换热器、管线及附件进行合理改造后，能大幅减小机组运行阻力，相较于对换热站设备进行重新购买与布置，减少了改造的工程量，降低了改造的成本。通过使用高效率的循环水泵并配合变频设备的调节，能使系统所需循环水泵的实际运行功率明显减小，达到节电的目的。
对于老旧换热站机组通过“优化连接改造”，在供热期可根据机组实际情况与室外温度，在改造后的三种运行方式下进行切换，改造后机组的运行阻力明显减小，循环流量的可调节范围扩大，系统的安全性与可靠性也有所提高。在非严寒期时，可以实现只使用一台循环水泵运行，减少换热站电能的消耗。且在“2台机组解列运行”的运行方式下，可以对两台解列机组制定不同的温度调节曲线，能大大减小因为水力失调造成额外的电能、热能的消耗。
通过对换热站“节电潜力分析”及改造与“优化连接改造”，两种方式在我公司换热站改造中的组合运用能极大地降低换热站运行中的电耗，效果显著。上述换热站综合节电改造措施具有对原有供热系统改动小、施工相对简单、回收成本快的特点，减少企业运行成本，经济效益显著。
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