热水换热站设计优化实践

热水换热站设计优化实践

曹,普

中航西安飞机工业集团股份有限公司      710089

关键字：换热站  选型  优化 运行

提要：换热站是供热系统最常见设施，其设计和运行的优劣直接关系供热质量，关系人民对供暖的满意度，也关系企业成本。本文通过对换热站主要设备的选型分析，提出优化改进建议。

我国北方城市供热是以热水为主，实现集中供暖的规模效应。大型的集中供热企业供热面积可达成百万甚至上千万平方米，而我国是一个能源消耗大国，人口众多，能源相对缺乏，人均能源占有量仅为世界平均水平的40%，而建筑能耗已占到社会总能耗的40%左右。供热采暖能耗又是北方城市的重要部分，随着“3060”战略的推进，安全、舒适、绿色、低碳、智能等成为供热的发展方向，低碳，本质是提高供暖效率；绿色，是供暖行业转型发展方向；智能，是利用信息化提高供暖水平。供热节能减排，应作为我国推动建筑节能、绿色低碳建筑发展的工作重点之一。

换热站作为供热的一个重要环节，其数量众多，相对大的集中电厂或锅炉房运行，管理和技术能力的提升直接关乎采暖质量和末端用户的满意度，关系供热公司的经济效益，影响双碳目标的实现。本人从工作实践就换热站设计优化提出一些建议和想法予以探讨。

一、换热站主要设备

换热站的主要设备有换热器、循环泵、除污器，补水泵，软化水设备，控制系统和阀门等。

二、换热站设备选型优化

（一）换热器分类

换热器按介质分为汽水换热器和水水换热器，热电厂一般使用汽水换热器，城市集中供热一般热源为大型热水锅炉，广泛使用水水换热器。

换热器按结构型式一般分为管壳式换热器和板式换热器，板式换热器由于结构简单、传热系数高、非承压等优点，在城镇供热中和企事业供热中得到普遍使用。

（二）换热工作原理

通过换热器将热源输配的高温介质与二次网低温介质进行封闭式热交换获取热量提温后，将热量输送至用户使用。本文以板式水水换热器为讨论重点，其他类型换热器可参考。

水水换热器主要涉及运行状态的参数包括一次侧供水温度T1、回水温度T2、供水压力P1、回水压力P2、供水流量M1，二次侧供水温度T4、回水温度T3、供水压力P4、回水压力P3、供水流量M2。

这些参数是换热器运行优劣的直观反应，也是设计选择换热器的重要依据。

反映换热器本身性能特性参数有换热面积F，换热系数α，这两个参数是换热器效率和能力的根本体现。换热系数α主要由板式换热器的波形、流道设计等物理特性相关，其次与以上的运行状态参数有一定关系，厂家有对应的曲线可帮助选型。在一定的运行状态下变化较小。换热面积F是热介质进行交换的接触面，板式换热器是多片面积之和。是换热能力最直接的指标，简单说，换热面积越大换热能力越强。

（三）换热选型优化

根据换热器传热公式：

• 
• 其中：Q1、Q2为一二次侧的热量，为水的密度。
• 
• 为热损失，工程中一般忽略不计。即。
• 
• 为传热温差，根据T1、T2、T3、T4计算得出。

每个换热器都有选型计算，也有一些专用的计算软件辅助选型，在此不赘述。结合工作经验，对选好换热器有以下建议。

1. 一次侧供回水温度

大多数人习惯用供热单位提供的热源设计选型，如130℃/70℃，这是很多运行供热效果不好的根源。实际运行中供热企业很少能达到设计温度，在换热器选型中就会造成换热面积选小，影响使用。正确的做法是对供热企业的一次侧供回水温度调研，根据实际的供回水温度选型。

2.一次二次侧供回水压差

即供水压力减去回水压力，亦即换热器的阻力。很多人不关注此参数，一般由厂家去选择，供回水压差取得较大，板换流道内流速较高，可获得较高的换热系数。但换热器的阻力是需要水泵提供动力克服，阻力越大意味着消耗电能越多，越大的系统越要注意阻力的选择。根据经验一次二次侧供回水压差一般取30-50kPa为宜。

3.换热系数

换热系数选择计算时并非越大越好。此参数代表一定传热温差下单位面积的换热能力，体现设计制造能力。对使用来说，需要的是对热源尽可能多的利用、传热效果好。计算时在厂家推荐的范围适中选择。

4．换热器端差

即换热器一次侧出口水温度和二次侧入口水温度之差。反映换热器的热利用率。理论上可达到0，实际上受成本限制，可取3-5℃。此值代表换热效果，是重点指标。评价运行效果的指标还包括单位面积耗电量、补水量、站内阻力、换热器一次侧供回水温差、二次侧供回水温差等。

5.换热面积

换热面积是最能反映换热能力的指标，也是直接影响成本的指标。选型计算确定换热面积。换热面积越大换热能力越强，面积选择合适的换热器可以长期稳定使用。

以上是选型中要注意的几个方面，现在很多项目执行招标采购，在技术要求中必须明确采购需求，要提供选型计算书，进行性能比较。

（四）循环水泵

循环水泵选型设计主要注意三点：扬程、台数和安装位置。

1. 扬程

循环水泵扬程需根据水利计算确定，水泵的扬程流量和管网的特性曲线相匹配，否则扬程过高造成电力浪费，而且在扬程远高于管网阻力时循环流量增大，极易造成电机过载。

2. 台数

一般不少于两台，其中一台备用。较大的系统3-4台，匹配不同的工况。在较小的系统中，可以考虑实现水泵离线冷备用。水泵故障时，利用较短的时间更换离线泵，这样做节约成本和空间，减少设备、电气、控制、基础等方面的投资，但牺牲了用户的采暖利益。在水泵较大，更换时间长时慎用。

3. 安装位置

循环水泵的位置适宜安装在换热器前，定压点后，这样可避免介质温度过高。一般的水泵耐温为80℃，避免高温出现气蚀。

循环泵选型最容易出的问题是扬程计算不准，将系统高度计入阻力。循环水泵阻力是系统阻力，与高度无关，阻力是管道流体因摩擦、局部受阻造成的动能损失，在系统内有从低到高处动能转换为势能，也有从高到低处转换势能为动能，两者相等抵消。

并联泵的流量不是单台泵的2倍，要按泵的性能曲线做出两台的曲线确定，此处也是系统设计流量不足的原因之一。

（五）补水泵

补水定压已成为供热系统主流的定压方式。补水泵选择时扬程尽量地低以节能，高于定压点压力30-50kPa即可。考虑定压对供热系统稳定的致命影响，建议设置两台，一用一备。一方面是初期可运行两台，提高补水速度，另一方面事故时，可暂时维持系统稳定运行。补水泵流量建议按照事故补水量4%考虑。

（六）控制调节

循环泵尽可能采用变频器控制，根据情况调整系统流量，即使不调流量，也可提供更多的保护，便于采集电力消耗，提高运行可靠性。

补水泵采用变频恒压，维持定压点压力。实际遇到过系统泄漏量很小，变频器长期低频运行，造成水泵气蚀，可在变频控制上采取措施，设定补水泵的启停条件，使压力控制在较小的区间里。

总之换热站的设备设计优化关系到运行的稳定性、安全性、经济性，必须引起高度的重视，方能从源头入口杜绝隐患。以上只是个人经验，难免有不妥支出，欢迎指正。

参考资料

1. 集中供热系统优化设计与运行调节技术，《城镇供热》2019.9
2. 供热企业如何实现智慧供热，《城镇供热》2022.1