大型污水海水源熱泵供熱系統(tǒng)的應(yīng)用

0影響大型供熱工程實施的原因通過處理后，不僅排水量大，而且水溫高（例如，青島一些污水處理廠的冬季排水流量最低為14c）。許多沿海城市位于岸邊附近，海水中含有豐富的低溫氣源（例如，青島沿海水域的年平均溫度為7.4c）。由于污水和海水取用難度大、成本過高、設(shè)備局限、工藝復(fù)雜等技術(shù)因素,加之我們的能源政策不合理,配套制度滯后,常常是項目落實時技術(shù)上可行、經(jīng)濟分析不可行,因此很少有成功的大型供熱工程,即便有個別(如大連星海灣)項目建成運行,也只是說社會效益的多、談經(jīng)濟效益的少,其中的原因是多方面的。本文結(jié)合青島市一個政府示范工程的設(shè)計方案,研究大型污水/海水源熱泵供熱工程的工藝、設(shè)計難點及其解決辦法,以供同行參考。1燃煤鍋爐房供熱該熱泵站擬建于青島市西南側(cè)的膠州灣邊,南臨一個大型污水處理廠,北臨青黃輪渡碼頭,東臨舊居民區(qū),電力、交通和通訊都很便捷。由于城市規(guī)劃要求沿海舊城拆遷與改造時不得新建燃煤鍋爐房,原有的幾個小型供熱站都要拆除,因而新建區(qū)域(大約200多萬m2)的供熱就沒有了保障。市政府決定依托污水處理廠和膠州灣優(yōu)越的自然條件,建設(shè)一個污水/海水源熱泵站,在解決集中供熱的同時,還可以集中供冷和供應(yīng)生活熱水。1.1分冷負荷的計算供熱站的供熱規(guī)模計劃分三期,一期為35萬m2(供熱半徑約300m),二期為80萬m2(半徑約800m),三期達到200萬m2(半徑約1800m)。新建筑的負荷熱指標取45W/m2,既有建筑取53.5W/m2,冷指標取70W/m2,供冷面積按照60%計。本文以二期作為研究對象,即總計算熱負荷為40.54MW,總冷負荷為33.6MW。除已建小區(qū)既有的散熱器供暖系統(tǒng)外,新建筑和老建筑改造的小區(qū)末端考慮采用風機盤管、地板輻射系統(tǒng),還有部分小區(qū)采用水冷多聯(lián)機系統(tǒng),散熱器系統(tǒng)熱媒水溫度為65℃/55℃,風機盤管系統(tǒng)熱媒水溫度為45℃/35℃,多聯(lián)機系統(tǒng)熱媒水溫度為30℃/20℃,生活熱水供應(yīng)溫度為60℃。1.2設(shè)計進出水環(huán)境污水源:相鄰的污水處理廠現(xiàn)已建成的運行規(guī)模為日均6萬t,2010年計劃達到日均10萬t,其典型日不同時段的流量曲線和典型月的日均溫度曲線見圖1和圖2。由圖1可知,典型日大部分時段的流量均在平均流量線(2500t/h)以上,而00:00至次日08:00為欠水時段,峰值出現(xiàn)在12:00和21:00(約4000t/h)。供冷期典型月(8月)的平均水溫為25℃,供熱期典型月(2月)的平均水溫為15℃。污水處理廠的排放標準達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)的二級標準;其實測電導(dǎo)率為4.5mS/cm。本工程地處膠州灣出?？?其西側(cè)100m左右即為青黃輪渡主航道,水深約12m,護岸外側(cè)水深約3m。該海區(qū)為正規(guī)半日潮,往復(fù)流型,平均潮流速度為1.5～1.6m/s,表底流速差為0.15m/s;往復(fù)余流流速為0.2～0.3m/s,方向為東北西南向。其水工設(shè)計要素值如下:設(shè)計高水位4.34m,校核高水位5.43m,設(shè)計低水位0.37m,校核低水位-0.85m,平均高潮位3.80m,平均海平面2.42m,平均低潮位(理論深度基準面)1.02m,平均潮差2.72m,平均漲潮歷時5h39min,最大潮差4.75m,平均落潮歷時6h46min,H1%波高2.8m,年淤積速率平均約0.37cm。夏季8月份的10m水深處最高水溫為24.5℃,冬季2月份的10m水深處最低水溫為3.4℃。由于膠州灣內(nèi)的水質(zhì)存在一定程度的污染,達不到一類,但不低于《海水水質(zhì)標準》(GB3097—82)規(guī)定的二類標準。1.3供熱負荷分析青島地區(qū)規(guī)定的年供熱時間為140d,設(shè)計供暖室外計算溫度為-6℃,供暖期的室外平均氣溫為0.9℃;年供冷時間為90d,設(shè)計空調(diào)室外計算溫度為29℃,空調(diào)期的室外平均氣溫為27.9℃。據(jù)此繪成的負荷曲線見圖3和圖4。由圖3可知,供熱系統(tǒng)一年中處于滿負荷運行(熱負荷40～45MW)的時間大約只有4%,2/3以上負荷(熱負荷30～40MW)的運行時間大約占到50%,1/2負荷(熱負荷25MW左右)的運行時間大約占到40%,而僅10%左右的負荷(約5MW)運行時間約占2%。根據(jù)圖4,夏季的冷負荷運行比例也大致相同。因而在機組選配時應(yīng)充分考慮這個特點。本方案的計算負荷值為:冬季供熱69.54GWh,夏季供冷36.87GWh。冬季供熱的同時使用系數(shù)取1.0,夏季供冷的同時使用系數(shù)取0.7。2設(shè)計方案2.1流程見圖52.2供熱系統(tǒng)多聯(lián)機系統(tǒng)本設(shè)計采用集中式一次熱泵加分散式二次熱泵的系統(tǒng)形式,污水和海水源采用間接式。夏季供冷:通過取水系統(tǒng)引進25℃的海水(用污水調(diào)峰),再通過板式換熱器將32℃的一次冷媒水冷卻至26℃,然后由冷媒水循環(huán)泵通過輸配管網(wǎng)供至各分熱泵站和水環(huán)多聯(lián)機系統(tǒng),各分熱泵站再向用戶供應(yīng)6℃/16℃的冷水,多聯(lián)機系統(tǒng)則由用戶自己確定制冷參數(shù)。冬季供熱:通過取水系統(tǒng)引入14℃的污水(用海水補充調(diào)峰),再通過板式換熱器將3℃的一次熱媒水加熱至13℃,然后由一次熱媒水循環(huán)泵送到總站的一次熱泵機組,將二次熱媒水從20℃提升至30℃,再由二次熱媒水循環(huán)泵供至各分熱泵站和水環(huán)多聯(lián)機系統(tǒng);再由Ⅰ型分站的二次熱泵(單級離心機組)供45℃(回35℃)的熱水接入用戶的風機盤管系統(tǒng)和地板輻射系統(tǒng);由Ⅱ型分站的二次熱泵機組(雙級壓縮離心機組)供65℃(回55℃)的熱水接入用戶的供暖系統(tǒng);多聯(lián)機系統(tǒng)仍由用戶自定運行參數(shù)。為了應(yīng)對可能出現(xiàn)的尖峰負荷,在Ⅱ型分站內(nèi)設(shè)一套輔助加熱裝置(蒸汽、高溫水或電熱器)。2.3該項目的指導(dǎo)思想和困難對策2.3.1直接式熱泵系統(tǒng)污水/海水源熱泵形式即采用直接式還是間接式的問題。對于一般小型機組(制冷量<528kW)的系統(tǒng),多半是用四通閥轉(zhuǎn)換工質(zhì)流向來實現(xiàn)季節(jié)運行工況,采用直接式有實際意義。而對于大型機組,基本上都是采用水-水轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)換季運行,這意味著機組的蒸發(fā)器和冷凝器都必須是由耐海水/污水腐蝕的材料制造。目前國內(nèi)還沒有廠家能夠生產(chǎn)此類大型離心式熱泵機組,國外也不多見,因此個別外企借此要價太高,使得投資者望而卻步。直接式熱泵系統(tǒng)的高效、節(jié)能是不言而喻的,以本工程為例,采用板式換熱器的間接式系統(tǒng)每造成1℃溫差,就會損失約3MW的低位熱量,要多耗約500kW的電能。較小的溫差將會導(dǎo)致龐大的板式換熱器面積,不太現(xiàn)實。采用直接式機組就沒有這樣的后顧之憂,但其巨大的投資卻遠遠抵消了這部分電耗的收益。選擇間接式是迫不得已,不僅降低了造價約60%,運行維護也簡便經(jīng)濟。2.3.2低溫熱媒技術(shù)大型熱泵系統(tǒng)形式即采用集中式還是分散式的問題。如果負荷需求單一,末端系統(tǒng)做法與要求相同,集中式節(jié)能、方便、經(jīng)濟;但是本工程的負荷需求不一樣,末端種類較多,如果采用集中式就必須要按照最高的熱媒溫度參數(shù)來選機組,在各個小區(qū)設(shè)換熱站來滿足不同的低溫熱媒要求。我們知道,熱泵機組的單級壓縮比是一定的,要制備較高溫度的熱水就必須提高壓縮比,可能機組的冷凝壓力達到工質(zhì)的飽和臨界,或者需要兩級壓縮,甚至三級壓縮才能實現(xiàn),而壓縮比越高或級數(shù)越多則功耗越大,效率越低。2.3.3夏季供冷負荷較低首先,大型熱泵工程如只是單純供熱而沒有集中供冷則肯定無效益可言;其次,青島地區(qū)夏季供冷需求時間短、負荷低,居住小區(qū)尤其如此;還有冷計量與收費標準的配套措施,尚待解決。本設(shè)計提供了一個水系統(tǒng)平臺,既可以分站分區(qū)域供冷,又可以用水環(huán)系統(tǒng)帶多聯(lián)機(并可以免費供應(yīng)生活熱水),還可以帶水冷戶式機(柜機、掛機、一拖多等)。2.3.4海水與防腐蝕的配套措施對污水取用,本設(shè)計根據(jù)廠家一、二期的日均流量曲線,建一個4000m3的污水蓄水池,一可以用來調(diào)節(jié)一日內(nèi)的峰谷,以維持一個基準流量;二可以兼作污水沉淀池。因為二級標準的污水其懸浮物為30mg/L,對于板式換熱器的循環(huán)水標準(10mg/L)來說偏高,這個懸浮物質(zhì)不同于一般的淤泥等,一旦堵塞或沉積就很難處理。水池的做法還要考慮沉積污泥的清除措施和板式換熱器停泵時的系統(tǒng)壓氣排空措施等。對于電導(dǎo)率為4mS/cm的污水系統(tǒng)的防腐,板式換熱器、泵葉、閥芯閥座、襯塑管件等采用316L不銹鋼是保險的。對海水的取用,本方案采用鋼筋混凝土沉箱式取水頭,13m水深處安裝塊石基床,水頭進水口標高為-10m,虹吸管道連接到-6m標高的海水泵房。取用-10m的海水,主要考慮的是水質(zhì),2008年青島近海發(fā)生的大規(guī)模綠藻給了我們一個警訊;其次做到-13m的基床主要考慮的是取水口距海底的距離不能過小,底棲動植物是要設(shè)防的;當然水溫也是越深越穩(wěn)定,青島近海較少出現(xiàn)海面溫躍層。泵房吸水口的高程要在確保虹吸的同時,與板式換熱器的高差越小越好。海水系統(tǒng)的“三防”(防腐蝕、防海藻、防生物附著)設(shè)計是成功與否的關(guān)鍵。海水對板式換熱器的腐蝕除了化學腐蝕,很重要的是沖刷腐蝕和電化學腐蝕,還要注意停機狀態(tài)下的浸泡腐蝕,這種腐蝕甚至比前述兩種更嚴重。一般認為海水系統(tǒng)材料采用鈦合金或純鈦產(chǎn)品是首選,但昂貴的造價和很長的供貨期也很困擾。國內(nèi)有一種HDR雙相不銹鋼,在海水中的抗腐蝕能力較優(yōu)。在青島沿海,采用316L不銹鋼板式換熱器,采取一些有效的配套措施,根據(jù)合理的壽命期預(yù)留出一定的腐蝕厚度,同樣可以花小錢辦大事。此外,泵閥與管材的處理相對較為簡單。深海的管道無需考慮防止海生物的附著,但海水泵房進水口處等潮間帶正是海生物的繁殖區(qū),采用施加電解海水的次氯酸鈉即可去除?？诓吭O(shè)隔柵和自動纏繞過濾器、采取停機壓氣排空等可以解決堵塞與浸泡腐蝕。2.3.5系統(tǒng)水源的設(shè)置統(tǒng)計資料顯示,青島沿海的冬季最低溫度一般出現(xiàn)在每年2月10日左右,與最低空氣溫度相比,有約3～7d的滯后期。在此期間,只要污水處理廠的設(shè)備檢修時間錯開,系統(tǒng)水源仍能保證以污水為主以海水為輔。3℃的海水通過板式換熱器加熱熱媒后-1℃排出,以避免海水溫度降至冰點;熱媒-2℃進板式換熱器2℃出,則需要配制20%的乙烯乙二醇溶液;機組選用低溫型(蓄冰型)機組。2.4型站熱泵及污水源熱泵機組本方案按照10萬m2的分站規(guī)模,設(shè)1個Ⅱ型熱泵分站,5個Ⅰ型熱泵分站;Ⅱ型分站熱泵為雙級壓縮離心機組,Ⅰ型分站的熱泵為單級離心機組;總站污水源熱泵機組為單級離心機組,海水源為單級離心低溫式機組。海水板式換熱器為500t/h2臺,污水板式換熱器為400t/h5臺等,造價詳見表1。3變能源控制方式,減少運行管理1)分散的各分站必須保證有站房位置及其配套電、水、通訊等條件;在方案階段就必須加以妥善安排,當然這個方案也避免了用電負荷過于集中的城市電網(wǎng)調(diào)配問題。2)分散的熱泵站可能比集中熱泵站需要的運行管理人員多,間接成本要高。這反映在運行成本要略高于集中式系統(tǒng)。但可以通過改進控制的自動化程度以盡可能地減少運行管理人員。3)分站的機組如果距離居民區(qū)太近時,噪聲和振動必須妥善處理。最主要的是最大限度地減輕振動和噪聲的外泄。4最大利用率高,最大權(quán)益保護了環(huán)境污水/海水源熱泵作為一種特殊條件下的供熱技術(shù),它既可實現(xiàn)三聯(lián)供,還能夠大大節(jié)省一次能