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学院供热系统节能改造工程

 

XX学院基础设施改造

供热系统节能改造工程

 

一、深化设计方案及说明

经我公司技术和运行人员对XX校进行详细调查以后,针对本项目供热系统的现状,分析整个系统的设备、运行及能耗等基本情况的基础上,提出以下具体的节能改造方案:

1.1系统供热概况

1.1.1供热系统现状

Ø综合信息:

XX学院供暖面积目前约10.7万m2,包括4.5万平米的住宅和约6.2万平米的教学区,住宅、公建共有约26栋建筑,最高层数为18层,供暖方式为直接供暖,没有生活热水。

Ø热源情况

锅炉房内的采暖系统有3台型号为WNS4.2-1.0/115/70-Y(Q)的燃气热水锅炉,生产日期为2001年9月,为泰安锅炉厂生产,燃烧机均为德国欧科(Elco),输出功率为684KW~5815KW,风机配电功率为12.6KW,调节方式为分段式。

Ø设备进出口阀门配置

现有系统为直供系统,锅炉的进出水管径为DN125,母管管径为DN350,进口支管阀门配置为流量计、旋启式止回阀和截止阀的组合,出口支管阀门配置为截止阀和涡轮式蝶阀的组合;系统循环泵的进出口管径为DN200(泵体的口径为DN150),进口阀门配置为缩径、对夹式蝶阀和橡胶软接头的组合,出口阀门配置为扩径、橡胶式软接头、旋启式止回阀和对夹式蝶阀的组合。

补水定压方式为补水泵加定压罐的形式,定压值为0.3~0.34MPa,外网为管沟敷设。

1.1.2锅炉房采暖系统流程和主要设备的技术参数

通过细致考察锅炉房内部的设备及管线流程,如下图所示,得到锅炉房内主要设备的技术参数,如下表所列:

表1采暖系统主要设备明细

序号

设备名称

设备型号、参数

数量

生产厂家

备注

1.

燃气热水锅炉

WNS4.2-1.0/115/70-Y(Q),功率为4.2MW,供回水温度为115/70℃

3台

泰安锅炉

生产日期为2001.9

2.

燃烧机

EK8.5-50G,输出功率为684KW~5815KW

3台

德国欧科

生产日期为2001年

3.

系统循环泵

TQ(IR)150-400A,H=44m,G=187m3/h,N=37KW,n=1450r/min额定电流70A

4台

上海天泉,离心泵

生产日期为2002.11

4.

系统补水泵

H=90m,G=12m3/h,N=5.5KW,n=2900r/min

2台

上海东方泵业

生产日期为06.10,

1用1备

5.

分水器

D450X2360

1台

上海金山

生产日期为1989.7

6.

集水器

D450X6180

1台

上海金山

生产日期为1989.7

在锅炉房内,系统的供水母管至分水器的上侧,管径为DN350,控制阀门为涡轮式蝶阀,另一侧分出去四支环路:

教学、住宅、锅炉房和行政等,管径分别为DN250、DN200、DN80和DN125,集水器上的“四进一出”管路均在同一侧,控制阀门也均为蝶阀。

锅炉房的总回水管上有一蝶阀、过滤器、蝶阀的组合。

锅炉房热力系统流程图如下所示(CAD图纸见附件1):

1.1.3系统运行工况

最冷时节运行2台锅炉,此时锅炉母管的供回水温度分别约为62~64℃和50~52℃,温差为10℃左右;平常工况下锅炉母管的供回水温度分别约为50℃和42~44℃,温差为7~8℃;

燃烧机在大小火和待机三个工作点上周期运行(以锅炉设定的最高供水温度和最低回水温度来控制燃烧机的出力大小,当然,两个温度均可以人工设定);

系统循环泵共有4台,均工频运行2台,每天的补水量也较少。

补水定压方式为补水泵加定压罐的形式,定压值为0.3~0.34MPa。

1.1.4供暖系统运行能耗

依据甲方提供的数据和估算的数据,计算出本小区以往供暖季的运行成本如下:

表2项目气耗统计(采暖季的平均能耗,供暖时间由天气决定)

采暖季

气耗

(万m3)

平均气耗

(m3/m2)

电耗(KWH)

平均电耗(KWH/m2)

06~07

134.52

12.6

-------

-------

07~08

151.02

14.1

-------

-------

08~09

128.09

12.0

-------

-------

06-09

413.63

12.9

246500

2.3

备注

燃气价格为1.95元/Nm3;电价为0.48元/KWH;水价为3.7元/t。

1.2节能技术改造方案

1.2.1供热系统存在问题

1.2.1.1系统循环泵

系统比较突出的问题就是在大流量小温差的工况下运行,整个系统的水流不能正常循环,从而导致一些远环路的用热末端供暖状况不达标,同时非合理的运行工况导致每台泵的工作点不在高效区,水泵的实际运行功率接近额定功率甚至引起超流的可能,造成了电能的极大浪费。

另外,根据较为详细的水力计算,目前系统所配置循环泵的流量和扬程均极度偏离理论设计值,尤其是原泵的高扬程。

1.2.1.2无锅炉集控装置和气候补偿系统

锅炉本身没有节能控制设备,也不能实现3台锅炉之间的联动运行,系统各个设备和管段的热力参数(压力、温度和流量等)不能实时的被运行人员所查知,也就不能及时发现运行中的异常问题,在切换各台锅炉的启停时,也是人为操作,如此处理除了达不到控制精度外,还不能对锅炉进行实时控制,无形之中增加了锅炉的耗气量;

另外,锅炉和系统本身不能根据末端达到“按需所供”的节能目的,也间接的增加了系统能源的消耗。

1.2.1.3外网水力失调

锅炉房到热用户的管网只有普通的启闭阀门(蝶阀和闸阀等),无调节性能好的流量控制阀,不能根据各个建筑的具体情况进行“按需所供”,更没有从整个系统出发进行协同调节,致使某些用户的室内温度不达标,为满足管网末端用户的室温达标,只能采取加大供热量的方法缓和水力失调的现状,无疑造成了能量的大量浪费。

1.2.1.4无分时分区分温控制

针对本校各校区建筑物的实际情况,用热末端在不同时期所需的热负荷有着较大的变化,尤其在寒假时期,除了一些需要值班或轮班的特殊岗位以外,其他人员(老师和学生)都离校了。

此时供暖系统如果没有较为完善的节能自控设备,例如外网管井内、建筑采暖立管的管井内以及对应的远传网络等,就会造成热量的“无功”浪费。

而且,这段时期的室外温度均普遍较低,属于供暖的最不利工况,如果能做好此阶段的节能工作,毋庸置疑会给锅炉房运营管理方带来较大的节能效益。

总之,根据教学区和行政区等各种功能建筑(如教学楼、新建综合楼和图书馆等)的不同用热时间,对系统进行分时分区分温控制,实现按需供热。

1.2.1.5无室温测控系统

所有热用户均没有安装室内温度监测设备,运行管理人员无法方便知晓用户室内温度,只能入户进行实际测量,信息滞后,造成用户室内温度不符合供暖要求,造成了能源的浪费,有的根本达不到供暖温度,影响到相关供暖用户的采暖质量。

1.2.1.6锅炉排烟损失大

由于本项目的锅炉为泰安锅炉,按照实际情况本燃气热水锅炉的排烟温度一般在150℃以上,最大出力时的排烟温度甚至高达200℃以上,从而造成了大量的排烟显热和水蒸气的潜热损失,高于锅炉的设计排烟温度,热损失过大,浪费了天然气。

1.2.1.7无热计量装置

热计量装置的缺失,会导致用热单位的能源综合管理项目模糊、盲目,不能让供热单位明确知晓本身的用能问题,更不能对热量、燃料的利用和传输效率有个直观的参考并做出有力的节能对策。

1.2.2改造宗旨

Ø改造要求:

改造方案要切实符合本校供热系统的实际情况,所采取的各种节能措施中所使用的产品应最低为国内同类技术中的先进产品或国外品牌,质量可靠,具有完善的售后服务系统,而且保证改造工程的施工质量,施工周期不影响供热系统的维护保养和正常运行;

Ø节能改造后,保证系统原有设备的正常运行,保证用户的供热质量;

Ø节能效果明显。

1.2.3拟采取的节能改造措施

根据XX学院和相关项目的经验,考虑一个较为完善的节能控制系统起见,我公司拟从以下8个方面进行改造(以标书中明确提出的5项改造为主,其余3项的则为建议安装)

1.2.3.1水泵节电技术

经过对此供暖系统的热源、外网以及室内末端的详细水力计算,得出以下结论:

详细参数略

为保证改造后系统正常运行,所要更换的循环泵先安装1台,一个采暖季后如供暖正常再安装另外一台泵作为备用。

泵的改造示意图如下(详细图纸见附件2):

图略

1.2.3.2计算机集中控制系统

根据XX学院的具体情况(包括3台热水锅炉,泵房和分、集水器),在整个系统内采用计算机分布式控制系统(DCS),主要由工控机(集控中央计算机)、前端控制器(RTU)、电动执行机构、无线与局域网传输单元组成,是将锅炉和循环泵的运行压力、进出口压力、供回水温度和流量等数据采集、控制、通讯、系统管理和数据存储等,整合在一个操作平台上,系统可靠性高,鲁棒性好、实时控制性好和运行效率高。

以下为本热力系统的原理框图:

该系统设计考虑:

a)实时测控的要求

测控点(包括温度、压力和流量传感器等)散布在热力系统各个设备的进出口的符合要求的直管段上,前端控制器(RTU)就近安装,实时控制管理,并将实时采集的数据和运行工况及时上传中央计算机,迅速而有效,当然,此系统也可通过设置在室内的无线温度传感器(可以设置若干点)来实现对系统电动阀门的控制。

b)系统安全性

测控系统点越多,系统的安全运行尤显重要。

中央计算机通过采集并发出对应的控制动作信息,督促值班人员迅速采取措施,排除故障。

另外,还可实现在上位机(工控机)出现失控的情况下,现有前端控制器(RTU)本身作为一个完整的子系统,可继续自主运行,实现前端控制器(RTU)和中央计算机互为备份,提高系统的稳定性、可靠性。

c)无线传输系统:

对所有供热系统的各种参数,如室内外温度、锅炉、循环泵及系统的出回水温度、压力、流量、阀门的开度等,都可以通过校网络系统传输到上位机,实现远程监控。

在没有或不适宜采用校园网的地点,采用GPRS无线传输系统。

GPRS是通用无限分组业务,提供端到端的,广域的IP连接,是一项高速数据的技术,以分组的形式传送资料。

由于是分组传送,能够永远保持在线的状态,费用只按实际流量计算。

是一种物美价廉、安全可靠的无线传输方法。

此传输系统的框图如下:

1.2.3.3气候补偿调控技术

气候补偿装置由气候补偿器和电动三通阀组成,下面针对此项目进行详细的综合介绍:

电动三通阀的安装示意图如下(气候补偿器没绘出,详细安装示意图见附件3):

锅炉控制完全由原有的锅炉控制器来实现,在循环泵出口的旁通管段部分加装XX三代节能控制产品HTXY-02/03智能型节能控制系统及电动调节阀门,可实现系统出水温度随室外温度变化自动调节及气候补偿功能,使末端用热系统按需供热、按时间段供热,并与锅炉燃烧系统相匹配,实现最大限度的节能。

a)节能控制器的特点

XX第三代节能控制产品,吸取了国内外的供热节能的先进技术,总结了多年来我们在节能方面的丰富经验,自主研发的一套节能控制系统,控制系统由智能主机和下位机组成,采用嵌入式单片机技术,用模块化的软硬件结构实现,系统规模大小、功能灵活可变。

系统采用分布式计算机系统技术与多单片机协同工作,从而解决系统中各种软硬件功能的任意组合与集中管理间的矛盾。

本系统技术先进,可扩充性好,为产品的持续发展与创新打下良好的基础.

b)五种控制模式:

1、控制单台锅炉全自动运行。

2、控制多台锅炉联动运行。

3、控制供暖系统全自动运行。

4、控制锅炉与供暧系统联动运行。

5、实现计算机中央控制,远程控制,网络控制。

采用这套控制系统,可以实现采全自动化控制,完全根据热量的需求供热,最大限度的达到节能目的。

c)主机控制系统:

HTXY—02多功能智能型锅炉系统控制装置

●采用最先进的计算机芯片组成主控制板;

●显示器为8.4寸256色带触摸液晶屏,分辨率为640*480,色彩丰富,视觉效果好;

●用户可通过触摸方式或键盘输入方式进行各种设置,操作简便;

●控制器内核采用WinCE操作系统,

●主控程序采用EVC语言进行编程。

因此开发的用户界面具有Windows操作系统风格,全汉字显示,操作更加人性化;

●主控器通过RS485总线与各锅炉控制器进行通讯,最多可连接32台控制器,可实现采集数据以及发布命令等功能;

●对各区域进行温度补偿控制和手动控制,以及对同一区域的各锅炉进行联动控制等。

该主控器完成了对多台锅炉及换热器进行集中控制的功能;

●在温度补偿功能中,温度补偿曲线采用四次曲线,该曲线是通过用户设定的特定值拟合而成,取值更合理,控制更精确。

并且用户可通过人机界面看到自己设定的供暖曲线图,非常直观;

●用户还可为一周七天设置不同的供暖时间段,并为每一个供暖对象设置各自的温度补偿曲线,参数设置灵活。

●控制器对诸多因素加以全面考虑,对燃烧器的种类,燃料的性质,房屋的保温程度,供热用户的类型(家庭、学校、工厂、办公室等)进行不同的综合处理,提供一个最佳的供热模式。

●主控器配有USB接口及以太网接口,可以进一步扩展包括远程监控等功能。

●具备通用电脑的操作程,序画面清晰,操作简单快捷。

d)终端控制器:

HTXY—03智能型锅炉控制器

●模块组合,根据用户的需求,实现对多台锅炉或调节阀的控制。

●控制器直接和锅炉或调节阀门相连,适合就地控制。

每个控制通道的显示参数

或运行状态(如温度、运行、故障、超温、超压等),在此可以很直观的显示出来,同时在主控制器上也可以查阅得到。

●具有自动控制、强制手动和手动控制三种控制方式。

控制器通过485与主机进行通信,将控制对象的实时参数发送给主机,并通过执行主机的命令来实现对控制对象的控制。

如锅炉的运行状况、火力分配等。

各种保护及报警功能,确保锅炉系统安全、可靠运行。

e)节能控制系统主要功能

(1)、联动运行

在锅炉控制器上增加通讯接口,编制相应的节能供暖程序,根据系统总出/回水温度控制多台锅炉的联动运行;根据热负荷的需求,自动投入(或撤减)锅炉的出力,自动调整锅炉功率和运行锅炉的台数,不局限于简单的分级切换,而是视热负荷的变化无级的跟随,比例调节,所以这种联动控制可使能源利用非常合理,节能效果十分明显,既提高锅炉热效率,同时也均衡了设备的使用寿命。

(2)、气候补偿,按需供热

气候补偿器、室外温度传感器和出/回水传感器,当室外温度变化时,气候补偿器开始工作,它将根据室外温度的实测值与锅炉设计的温度点进行比较运算,实时修正回水温度,控制燃烧机的输出负荷,准确地实现能量的动态平衡,保证燃烧机的输出热量、锅炉供热量与需热量的一致,以获得最佳取暖舒适性和最小的能源消耗。

气候补偿器内可设置多条供暖曲线,系统运行过程中还可根据实际运行情况进行实时修改,以更好的满足节能需要。

第二代锅炉供热特性曲线图

第三代产品供暖曲线图

(3)、分时间段,分高低温供热

配置分时分温功能模块,可分多个时间段对气候补偿器的运行参数进行修正。

每个独立的供暖循环都可设定自己的供暖运行曲线,编制自己的供暖时间程序,如:

针对办公楼实现白天高温运行,夜间降热运行,降热的温度差值可以调整,实现按需供热。

(4)、电动三通阀调节

在出水管路和回水管路之间加装电动三通阀,各自跟随室外温度及热负荷的需求调节其开度,从而调节系统的总供水温度,使出水温度随室外温度及热负荷的变化自动调节,使供热合理,保证用户端的温度恒定与舒适,达到节能目的。

(5)、燃烧机火力调节

控制电路进行改动,对燃烧机和锅炉编制联动运行程序,合理的控制各燃烧机大火与小火之间自动调节运行,以避免锅炉频繁启停,出力合理,延长寿命,降低能耗。

1.2.3.4水力平衡调节

为解决系统的水力失调问题,根据详细水力计算的结果和招标书中的要求,在所有管井内安装电动调节阀(按照我公司100多个锅炉房的运行经验,抛开人力、物力等的因素,效果最好、最稳定的阀门是手动平衡阀,像自力式平衡阀和电动调节阀虽然自控程度较高,但传感器和执行机构易出故障)和对应的压力表、温度计,供暖试水前我方的专业人员会挟带专门的仪器对电动调节阀进行相应的调试,保证整个系统达到比较好的供暖效果,满足所有用户的用热需求。

具体的,我方按照《水力平衡调整的方法》和积累的调试经验先进行粗调,一、调整各支路的流量,二、调整各分支路的流量,三、调整各立管及各户的流量,使各部分的实际流量接近理想流量。

其次正常供暖后根据测温记录再对每户和户内每组的循环流量进行调节即微调。

通过上述两步的调节,实现每户的供暖温度达到温度要求,且楼与楼、户与户、室与室之间室温基本一致。

从而避免能源的浪费,也节约了燃气。

本供热系统的室外采暖管网布置图见附件4;

本供暖系统的室外管网电动调节阀的安装位置示意图(图中椭圆内处)如下所示(详细的见附件5):

1.2.3.5分时分区分温控制技术

分时分区控制系统要同计算机集中控制系统的工作成为一个有机整体,是很有效的节能措施,如下所述:

学生宿舍、行政楼和教学楼等建筑物的用热时间、用热温度均不相同,为实现“按需供热”并达到节能的目的,务必要进行分时分区供热。

根据招标方要求,分时分区供热的做法是在分集水器之间的管路上、所有建筑物的阀门井内或其它合适的地点安装电动三通阀(众多建筑物管井前电动两通阀的同时动作会导致系统水量、压力等的较大波动,影响整个系统尤其是锅炉本身的正常运行),在建筑物中安装智能能源管理系统,对建筑物进行变流量调节(经我公司众多运行项目的证实,此时锅炉侧的总流量基本保持不变,可以尽量长的保持锅炉运行的高效性),激活系统中的分时分区任务后,通过手工键盘或者中央监控计算机在线装定分时分区的温度和时间要求(运行中可根据实际情况更改),电动执行器在智能能源管理系统指令下,调节流量控制阀的开度,调整建筑物的供热量。

人员上班时段和地域正常供热,人员下班无人的时段和地域低负荷供热,做到保证人员的正常的工作,避免无谓的能源浪费,从而实现供热的精确管理,达到进一步节约能源的目的。

所有相关电动三通阀的安装示意图如下所示(详细图纸见附件6):

分时分区节能控制系统(建筑物入口)

1.2.3.6终端用户室温采集系统

通过在建筑物的典型位置安装室内温度传感器和管道温度传感器,为主控系统提供实时温度参数,适时变化供热水温,以GPRS方式传输的无线传感器,将系统反馈的室内温度实时传输到负责人办公室,便于监控和发现系统运行工况。

总体上,以HTXY02/03控制器为下位机,RS-485通讯为传输通道,上位机为工控PC,组成一个分布式(DCS)控制系统,对3台锅炉实行集中控制管理,再根据系统的实际需要以各种功能的组态软件做为人机交互界面,来测控温度、压力、流量和阀门开度等参数。

采集点的安装点及数量的依据为:

Ø外管网的近端和各个环路的最远端的建筑栋数(其中最不利环路要重点考虑,经水力计算,最不利环路为新建综合教学楼);

Ø所确定建筑的室内采暖形式;

Ø所确定建筑的室内立管分布状况。

根据以上原则,最终确定在相关建筑内部安装18个采集点,详细分布示意图见附件7。

1.2.3.7烟气余热回收装置

根据本项目的具体情况,锅炉为泰安锅炉,其排烟温度较高,虽然招标方没提及此项节能改造内容,但我公司仍然建议加装上冷凝式余热回收设备,详细介绍如下:

烟气冷凝回收系统图

a)技术说明

4.2MW燃气热水锅炉:

型号:

LN400-1.0;换热面积:

295.520m2(折合:

49.17m2/0.7MW);

材质:

不锈钢304(0Cr18Ni9),设备采用不锈钢304制作;

烟气降幅:

80-110℃

使用寿命:

15年。

本烟气余热冷凝回收装置是采用不锈钢、铝复合的强化翅片换热管结构。

分组组装,安装方便,便于维修。

采用不锈钢材质、强化传热技术,足够的受热面以达到余热回收最大化的目的,节气率处于全国同类产品领先地位。

从而能够把烟气中的显热和潜热最大程度回收的一种专用于燃气(油)锅炉(直燃机)的节能装置。

b)烟气余热冷凝回收装置的性能特点

加装烟气余热冷凝回收利用装置后,常规油(气)锅炉就改造为分体式冷凝型锅炉(另一种为热管式),热效率可达到98%以上。

在比较理想的工况下节气率可达到6%~15%。

能够大大地降低运行费用,为用户带来显著的经济效益。

高效烟气余热回收装置采用不锈钢、铝材质的强化翅片换热管结构。

分组组装,安装方便,便于维修。

翅片管外走烟气,管内走水,形成间壁式对流换热。

设备外部保温用硅酸铝耐热纤维毡保温,保温层外用彩色钢板包装。

足够的受热面以达到余热回收最大化的目的。

烟气余热回收装置的阻力不大于500pa,通过大量的实际使用完全不会影响锅炉的燃烧。

烟气余热冷凝回收装置设计压力为1.0MPa,水压试验压力为1.25MPa,完全可以满足采暖和锅炉补水压力的使用要求。

设计结构本身就考虑了水力的均匀分配。

所配管束均为一样。

实际的使用效果也很好!

采用的不锈钢、铝合金翅片管具有很强的抗酸性腐蚀的能力。

完全可以保证使用寿命。

使用寿命在15年以上。

设备本身带有冷凝水排放装置,“烟气余热冷凝回收装置”最下部设置了冷凝水收集箱及排放口,及时将产生的冷凝水排出,排入下水系统。

冷凝水为弱酸性,PH值在6左右,不会对环境造成污染。

冷凝水收集采用不锈钢制作,耐腐蚀性强,使用可靠。

设备外包装完全可以根据用户的要求配备不同的颜色,从而和锅炉协调一致。

c)余热冷凝回收装置的节能率计算

序号

名称

单位

数据

1

烟气余热装置进口烟温(平均)

180

2

烟气余热装置排烟温度(平均)

70

3

烟气余热装置进水温度(平均)

≤50

4

180℃的烟气焓值(α=1.2)

kJ/m3

3056.04

5

70℃的烟气焓值(α=1.2)

kJ/m3

1185.52

6

可回收的烟气显热

kJ/m3

1870.52

7

可回收的烟气潜热

kJ/m3

390.1

8

可回收的总热量

kJ/m3

2260.62

9

设备节能率

%

6.1

说明:

1、锅炉排烟温度:

150~200℃,计算温度取180℃。

2、烟气余热回收装置平均排烟温度70℃。

3、烟气余热回收装置加热系统二次部分回水,进水温度≤50℃。

4、天然气高位发热值:

39060kJ/m3

5、天然气低位发热量:

35159kJ/m3

6、燃烧天然气产生的潜热:

3901kJ/m3

7、烟气余热回收装置保温率:

95%

d)烟气余热回收装置阻力说明

对容量为4.2MW的燃气锅炉,加装烟气余热冷凝回收装置不影响锅炉运行,分析如下:

锅炉功率:

4200KW;

锅炉效率:

91%;

所需的加热功率(燃烧器出力)=4200KW/0.91=4615.4KW

燃料热值(北京天然气)Hi=8.83KWh/m3

标态下的燃气流量:

4615.4/8.83=522.7m3

由于燃气量会随着压力及温度的变化而变化,因此要根据设备实际运行环境下的状态换算后,燃气流量会低一些。

上图为锅炉所匹配的德国欧科燃烧器EK9.1000G-R的出力图,通过表一结合锅炉,烟气余热回收装置技术参数可以得出结论:

泰安4.2MW燃气热水锅炉背压:

≤12mbar;

锅炉满负荷出力的情况下需要燃烧器克服的背压:

≤12mbar;

燃烧器剩余的背压:

≥7mbar;

加装烟气余热回收装置后增加的阻力:

≤5mbar;

结论:

加装烟气余热回收装置后不会对锅炉的燃烧产生影响。

e)

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