换热机组在节能环境下的问题与发展趋势

点击：1974 日期：[ 2014-04-26 21:39:43 ]

换热机组在节能环境下的问题与发展趋势全国压力容器标准化技术委员会换热分会周文学 APV（中国）有限公司吴军【摘要】通过阐述目前市场上换热机组存在的主要问题，对换热机组今后的发展提出相关建议。【关键词】量化节能指标技术规范压降温差监测手段随着换热机组在上世纪90年代进入中国以后，十年多的发展，已经使越来越多的国内供热用户接受了这种产品，但随着“十一五”国家在节能方面的要求和投入，换热机组面临了一个全新的机遇与挑战，节能成为每个从事换热机组行业的人士共同面临的新课题。自2004年建设部颁布了CJ/T-2004《板式换热机组》的部颁标准后，换热机组制造商和用户，从标准中了解到了什么是换热机组、如何配置、设计等，但换热机组如何节能，如果符合当前社会的发展，却是很多人不甚了解的情况了。 1.换热机组当前存在的问题 1.1温度设计参数与实际运行参数差异大在供热行业里的人都知道，没有一个行业，会象供热行业一样，运行参数和实际参数相差是那么的远。一次侧往往是实际温差达不到设计温差，偏小，流量也小于设计值。二次侧，由于系统水力不平衡，又造成二次侧流量大于设计值，扬程小于设计值。而水泵的选取，往往又没有和板式换热器有机地结合起来。所以最后大多数用户不得不使用不符合他们工况的板式换热器，那么结果可想而知了。从上面的表格中，我们可以看到，不管换热温度有多么的变化，板式换热器的对数平均温差是一定的。所以，如果我们把板式换热器的对数平均温差作为板式换热器选用的依据和使用效能的参考，就清楚得多了。 1.2换热机组二次侧流量设计参数与实际运行参数差异大在换热机组被大量使用以前，板式换热器和水泵是分别设计的。两个主参数之间的匹配，成为换热机组的主要技术难点。从实际情况来看，水泵的流量参数往往大于板式换热器实际流量要求，如下的参数情况，我们可以了解流量和阻力之间的关系：图中一在Gh=67.5 t/h时为标准流量，当流量减少至0.5Gh=33.75 t/h时，阻力减至标准阻力的0.31倍。当流量增加至2Gh=135 t/h时，阻力增加至标准阻力的3.24倍。图二中在Gh=190 t/h时为标准流量，当流量减少至0.5Gh=95 t/h时，阻力减至标准阻力的0.27倍。当流量增加至2Gh=135 t/h时，阻力增加至标准阻力的3.66倍。通过上面图表所显示，无论国产板式换热器和进口板式换热器在参数变化上有所区别，但趋势都是相近的。即通过增加流量，来增加换热效率并不明显，但增加的阻力却是非常的大，显示出了运行的极不经济性。在当前的供热情况下，往往水泵的实际运行流量值，是远远大于板式换热器实际需求值的。这期间造成的电费浪费和系统水力不平衡，是供热水平低下的主要原因之一。 1.3二次侧循环水泵选取参数不合理循环水泵选型扬程偏高，与实际需要相差甚大。循环水泵扬程过高既造成了电能浪费，有时还使泵在超流量工况下运行，使电机过载，不得不在关小水泵出口阀门的状况下工作，进一步造成电能巨大的浪费。由此可以看出，选择不同的扬程，其电机的功率相差非常悬殊。我们应该在系统运行后，尽量检测出水泵的实际工作点，来调整水泵的扬程。 1.4当前的换热机组配置不近合理由于标准和规范不能及时更新，所以目前还一直使用许多过时和不合理的规范。这从客观上大大限制了换热机组接受新技术新思路的渠道。目前换热机组的配置，不合理的地方如下： 1.4.1二次侧循环水泵选择多台水泵并联运行的方式目前许多设计者都习惯性选择二开一备、三开一备，甚至多开一备的多泵并联的方式，实际运行后有时不但达不到所需要的流量要求，而且使每台泵都不在高效点工作，造成了电能的巨大浪费。而且，很多用户都有定时切换水泵，把备用泵定期投入运行的习惯。这个运行方式对水泵的损坏是非常大的。实际上，泵并联后的总流量是泵并联的特性曲线与管路特性曲线的交点所对应的流量值，该值一定小于各台并联水泵铭牌流量之和的。合理的设计应该是在各种工况下都尽量选择单台水泵运行，或是根据具体运行的工况，尽量选择单台变频循环水泵。因为在变频器的保护下，水泵运行的安全性大大提高了。 1.4.2循环水泵出口装设止回阀供热系统是一个闭式系统，循环水泵的作用是克服热网的循环阻力，使水在网路中循环流动。当循环水泵停止工作时，水泵两侧的压力相等，水不会作反向流动。设计安装止回阀只会增加管路的阻力，无谓地消耗电能，因此，在设计中建议取消在循环水泵出口处设置止回阀。对于多台水泵并联安装的情况，按离心水泵操作规程，不工作的水泵应关闭水泵进出口阀门，也就不需要由止回阀起隔离作用。而在北欧的供热系统在设计中，循环水泵出口也不设止回阀。 1.4.3变频器选用目的不明确很多设计人员和用户都认为给循环水泵加变频器，就能起到节能作用。这个思路是有偏差的。水泵的节能有多种手段，加变频器是其中一种，但我们认为换热机组配变频器，首先是为了满足调节手段，其次才是节能。水泵节能，其实就是要让水泵在最有利的工作点下运行，而方法通常有如下几种： a）节流：对于循环流量失调很小，即实际流量比设计循环流量大的不多，用增加节流孔板或关小阀门的开度，就能使循环水泵在高效点长期工作，可采用节流调节方法。 b）切削水泵叶轮：当系统的总体流量失调严重，即实际流量比设计循环流量大很多时，可用切削水泵叶轮的方法。切削水泵叶轮就是用车床将叶轮直径车小到一定程度。采用这个方法后本质上是改变了整个水泵的性能。 c）更换水泵：对于循环流量失调严重，即实际流量比设计循环流量大很多倍时，采用截流调节、切削水泵叶轮调节（更换叶轮）、变频调速调节各方案达不到要求或不经济时可采用换泵调节的措施。 1.4.4板式换热器备用现在的换热机组设计中，大多采用板式换热器备用的思路。其实这样的配置，除了造成初投资大大增加以外，并没有带来设备备用在运行中的应有效果。 a）板式换热器采用一用一备这种配置情况下，用户往往会在运行过程中，定期切换板式换热器，即轮流使用。表面上这种方式可以保持每台板式换热器的工作状态。但实际上，板式换热器中的易损件垫片，是最怕温度变化的。一冷一热的交替，就象给垫片做疲劳实验，能迅速降低垫片的使用寿命。而在板式换热器的生命周期中，更换垫片是用户最大的经济投入。 b）板式换热器采用70％负荷备用这种配置，表面上既满足了备用的要求，70％负荷的一台板式换热器能短时间单独使用，又降低了初投费用。但实际情况是，用户往往是在使用时，同时开启两台板式换热器。这样，板式换热器总体的阻力值和流量值都发生了变化，势必造成换热机组运行工况的偏差。 1.4.5采用宽流道板式换热器我国目前的供热系统，工况环境是比较恶劣的，往往系统中的杂质和污垢比较多，再加上系统失水量比较大，经常补生水，结垢也比较严重。为此，很多用户和生产厂家，为了方便运行，就推出了宽流道的板式板式换热器。但宽流道的板式板式换热器的换热效率就大大降低了，违背了选用板式换热器高效节能的初衷。 1.4.6换热机组的总阻力值不明确在CJ/T191-2004《板式换热机组》标准中，对换热机组的阻力做了要求，一次侧≤1000kPa，二次侧≤1200kPa。但当时在讨论这个数值时，没有相关的数据做支持，没有一个换热机组厂家能给出具体的经过测量的数据。同时在每个换热机组厂家的设计中，也没有对阻力与结构的关系进行要求。众多换热机组厂家的结构设计也是五花八门的，大家设计所遵循的要求和目标也是不一样的，有的目的是节能，有的目的是节约成本，而有的目的是外观好看而已。最终，换热机组在运行中的实际阻力损失，就无法检测和验证了。但不明确换热机组阻力，就形成了节能的“黑洞”。而我们也必须在未来的换热机组设计中，找到设计和检测换热机组阻力的方法。 1.5当前的换热机组缺乏检测手段虽然换热机组作为一种节能产品来推广，但包括换热机组厂家在内的行业人士，对如何检测换热机组出厂是否合格，在现场运行是否满足设计要求，等等，缺乏有效和明确的手段。在换热机组的实际运行中，我们需要对很多数据进行检测： *板式换热器的对数平均温差 *水泵的运行工作点 *换热机组一次侧及二次侧的阻力值 *换热机组一次侧及二次侧的流量 1.6换热机组没有自有的设计思路和理论基础对于换热机组而言，板式换热器、水泵和控制系统，是三个核心构成，而板式换热器和水泵，又是换热机组的设计核心。目前的换热机组的设计，只是把这些设备在原有的设计思路下的堆砌，并没有将换热机组做为一个整体的系统来设计。只有尽快地形成换热机组自有的设计理论基础，才能使换热机组得到进一步的发展。 2.换热机组未来的发展趋势在国家节能减排的大趋势下，换热机组将如何发展，是换热机组行业人士所关心与关注的。换热机组未来的几个发展方向需要引起我们的关注。 2.1换热机组规范标准化换热机组的规范要标准，不是要限定很多东西，如热负荷、温度等等。我们要在满足用户使用功能和节能手段上入手。 2.1.1板式换热器的设计参数下面是板式换热器的最基本的公式： Q=K·F·Δtm Q=热负荷kW K＝换热系数W/m2℃ Δtm=对数平均温差℃ 根据1.1中的论述，核定板式换热器换热能力的主要指标是对数平均温差，在换热系数K一定的情况下，对数平均温差决定了板式换热器的面积和形式。如果我们在换热机组的板式换热器的选型中，坚持采用对数平均温差小的板式换热器，虽然会造成设备初投资大一些，但由于对数平均温差小的板式换热器，既能使利用热能的效率提高，又能适应供热工况的多变，是我们未来换热机组节能发展的方向。对数平均温差在10-20℃的板式换热器，将是未来换热机组的首选。同时，我们还可以大量采用混水方案，将对数平均温差大的工况调节成对数平均温差小的工况，以便换热机组采用的板式换热器形式更集中。例如：以上介绍的混水工况，有些可能不尽合理，或需要进一步的推敲，但我希望大家能从中看到未来换热机组中板式换热器的选择方式，即通过换热机组具备一次侧和二次侧的混水功能，来有效地调节板式换热器的换热工况（对数平均温差）。 2.1.2循环水泵的设计参数为换热机组中最主要的能耗设备，我们在未来换热机组的设计中，对它的关注度是必不可少的。怎么选择合适的循环水泵，将是未来的换热机组规范的核心之一。实际换热机组循环水泵功率的求解： Ns＝Q·H·1.1/367·η Ns＝水泵实际功率（kW）; Q＝实际工况点的流量（m3／h） H＝实际工况点的扬程（m） η＝使用工况点的泵效率（%）在这个公式中，我们选择的水泵η是一定的，实际工况点的流量来自板式换热器的流量参数，所以，我们只要核定实际工况点的扬程H就可以了。而实际工况点的扬程H如何核定，也是我们当前遇到的一个技术难点。为此，我认为我们需要在未来的换热机组上具备检测实际水泵扬程的功能。 2.1.3控制系统的检测功能我们知道换热机组的控制系统，能具备检测和调节换热机组的功能。但目前的换热机组的控制系统，主要还是为用户提供运行参数、记录运行数据，并没有大量参与到换热机组的运行指导中。有哪些数据我们能通过控制系统检测到，并能有效地应用到换热机组的运行指导中去呢？如下的参数情况，我们可以做到： 2.1.3.1换热机组的二次侧流量我们可以知道，在换热机组中，有3个关系式和二次侧流量有关： *板式换热器中流量与阻力的关系（阻力可以通过P3-P2得出） *水泵中流量与扬程的关系（扬程可以通过P3-P9得出） *水泵中流量与电功率的关系（电功率可以通过W1得出）而我们知道，目前多数国外品牌和部分国产优质品牌的板式换热器和水泵厂家，都能提供上述3种关系曲线，我们可以将这3种曲线的数据装入换热机组的控制系统，然后通过实际检测到的相关数据，计算出换热机组的二次侧流量，并根据三者的准确性，进行加权平均，必能推算出比较准确的换热机组二次侧流量值。 2.1.3.2换热机组的一次侧流量当然，同理，我们也可以计算出一次侧的流量值。同时，我们还能通过二次侧的流量与温差（T2-T3）和一次侧的温差（T1-T4），也能推算出一次侧的流量。也是一样的道理，我们通过两者的准确性，进行加权平均，也能推算出比较准确的换热机组一次侧流量值。 2.1.3.3板式换热器的对数平均温差我们通过板式换热器的4个温度，能计算出换热机组的实际对数平均温差。 2.1.3.4换热机组的热负荷我们知道了一次侧的流量和温差，就能算出换热机组输入热负荷。同时，根据二次侧的流量和温差，也就算出了换热机组的输出热负荷。 2.1.3.5换热机组的耗电量通过对所有水泵的运行电流的检测，我们能计算出换热机组的总耗电量。 2.1.3.6换热机组的总阻力值通过控制系统检测到的换热机组4个总出入口的压力，我们可以得到换热机组的实际阻力值。这样，我们可以了解到换热机组设计值与实际值是否存在偏差，从而指导运行。 2.2换热机组生产模块化在前文中，我已经表述过，换热机组的所谓标准化，不是去限制各生产厂家的创新，而只是在功能上把换热机组去界定。不同的换热机组厂家，生产的产品是五花八门的，产品配置，设计结构上，都有很大的不同。立足于换热机组的模块化生产，可以有效解决生产厂家多样化的不足，提高换热机组产品化、通用化，为今后换热机组大规模生产，提供技术要求。 2.2.1标准化的板式换热器在2.1.1中描述了在增加了一次侧和二次侧混水装置后，我们可以把板式换热器的对数平均温差尽量修正到一定的范围之内，使板式换热器相对标准化。除了因为流量大小，而有不同角孔直径以外，每个流量范围，基本可以采用一种板型就可以覆盖。 2.2.2模块化的循环水泵在前文中，我们已经表述了循环水泵的很多检测的方法以及节能措施。那么，在生产环节，怎么能将循环水泵有机地结合进换热机组，是我们需要考虑的问题。从循环水泵的节能方式中，我们能看到，实际上可以把水泵分成3部分，即泵体、叶轮和电机。从水泵的结构和功能上我们能了解到，相同的泵体，能配不同切削直径的叶轮和不同功率及级数的电机。我们以丹麦格兰富的NBG 4极水泵为例：从上面的这台泵型的水泵参数中，我们可以看到，其所对应的流量和扬程范围是比较大的。我们可以在保持泵型不变的情况下，通过对叶轮和电机的调整，就能找到实际工况下的最佳工作点。那么，我们在生产换热机组时，就可以把一些厂家的常用泵型（不是水泵整体）固定下来，也就是模块化，保持了稳定的换热机组的结构设计。通过上面对换热机组两大部件的标准化和模块化，换热机组就能相对简单地做到标准化的生产。 2.3换热机组控制网络化随着科技的发展和应用，换热机组的控制方式也将会有突破。网络化的迅速发展，和3G技术的应用，将会使换热机组“上网”迅速实现，并能有效解决换热机组现场服务量大的瓶颈。 2.3.1远程监控系统功能分析远程监控系统有两种类型：一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据采集后直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没有多大的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相同；另一种是现场监控与远程监控并存。一般是采用现场总线技术将分布于各个设备的传感器、监控设备等连接起来，从分立单元阶段进入了集成单元阶段。 2.3.2用户需求分析 2.3.2.1现状分析目前的国内各换热机组厂家的换热机组，在每个换热站点都有自己的现场控制器。各个换热站的运行状况由各自的现场控制器控制。目前各换热机组厂家所提供的远距离技术支持多数依赖技术人员和用户之间的电话交流来进行，这种交流既耗时又容易出错。许多用户对换热机组的控制系统了解甚少，然而当遇到问题时，他们必须向无法看到电脑屏幕的技术人员描述问题的症状，这就给技术人员判断故障制造了非常大的障碍。如果用户不能正确地遵照指示去做，问题可能会进一步恶化，很可能会因为错误的操作导致系统的崩溃。 2.3.2.2需求分析将多处分散的换热站的监控数据通过无线远程传输方式传送到中央控制室。由中央控制室进行监视并能集中控制每个换热站的主控程序，通过远程方式控制各个分换热站的运行情况。有了远程控制技术，技术人员就可以远程控制用户的电脑，就像直接操作本地电脑一样，只需要用户的简单帮助就可以很快判断出问题出在哪里并加以解决。同时对于售后服务人员来说，通过远程控制来为客户提供软件维护、升级、故障排除等服务，无疑可节省大笔的服务经费，大幅度提高公司售后服务质量。 2.3.3解决方案 GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以"分组"的形式传送资料到用户手上。它有助于实现行业管理现代化、数据采集自动化等目标，能够应用在电力、自来水、天然气等领域的自动抄表系统，还可以实现自动测量读取、自动计量发送、远程信息处理、远程设备监控。它具有使用成本低、准确性高、对环境适应好、易于安装、易于维护等特点，远程无线数据通信业务，主要用于远程监控、数据采集以及无人值守等行业应用。 2.3.3.1采用GPRS+固定IP方式（1）．采用GPRS数传构筑数据采集系统，系统分为中心设备和现场设备。现场设备（如换热机组）通过RS232/RS485接口与GPRS数传模块相连，GPRS数传模块中插入GPRS上网卡。（2）．中心端的接入三种方式: ①采用计算机加互连网固定IP地址（如宽带接入）的方式。 ②采用计算机加互连网固定域名解析（如宽带接入）的方式。中心端的这两种方式均属于有线网络的接入，需向当地运营商申请具有公网固定IP地址或域名的宽带网络，并将现场的GPRS数传模块指向中心端的固定IP地址或域名。现场设备（如换热机组）通过RS232/RS485接口将数据传送至GPRS数传模块中，再由GPRS数传模块根据指向的中心端固定IP地址或域名通过GPRS网络传送至中心端数据服务器。 2.3.3.2采用计算机加GPRS数传模块的方式（SIM卡绑定IP）中心端和现场均属于无线网络方式的接入，中心端服务器与GPRS Modem相连，需向当地运营商购买GPRS无线上网卡，且中心端SIM卡绑定公网IP地址，现场的GPRS数传模块指向中心端无线上网卡的公网IP地址。现场设备（如换热机组）通过RS232/RS485接口将数据传送至GPRS数传模块中，再由GPRS数传模块根据指向的中心端无线网卡公网IP地址通过GPRS网络传送至中心端数据服务器。而这种数传模块，可以做成即插即用的外挂，由换热机组厂家的售后服务人员随身携带，到现场后，插上即可和后方的厂家中心端数据服务器联络，获取后方的有效支持。这样，也就大大降低了换热机组现场调试对现场人员的高水平要求了。 2.4换热机组使用节能化就是量化节能指标。今后的用户，在使用换热机组产品时，是希望能看到换热机组的节能效果的。如果我们未来的换热机组，能达到这个要求，能为用户随时提供能耗水平，使用户对节能随时掌控。我们就可以说换热机组将是完全节能的产品了。那么，我们已经在2.1部分介绍了很多的换热机组的检测手段。现在，就要利用这些手段去量化换热机组的节能指标了。我们能通过检测手段得出如下的节能指标： *每供热平米的热负荷 *每供热平米的耗电量 *每供热平米的耗水量 *换热机组的交换效率在以上的指标项下，我们将设定瞬时的指标值，当换热机组运行低于这个值时，换热机组将自动报警，提醒用户随时改善换热机组的运行条件。同时，换热机组的控制器，还可以随时将这些节能指标传送到厂家的中心端数据服务器，由专业的换热机组厂家人员进行运行托管。让专业的事，由专业的人去做。通过以上的描述，我们可以展望未来的换热机组的发展，将成为节能减排的排头兵。

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