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激波加热器应用实例

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：李强

[导读] 摘要：天津经济技术开发区美克公寓热力站规划供热面积13万m2，其中一期供热面积为6.5万m2，二期预留发展负荷6.5万m2。

        （中煤水文局技术研究院天津 300120）
        摘要：天津经济技术开发区美克公寓热力站规划供热面积13万m2，其中一期供热面积为6.5万m2，二期预留发展负荷6.5万m2。热源为天津经济技术开发区5#热源厂所供的蒸汽。按照业主要求，新建热力站要建设成为节能型项目，切实提供节能率及能耗利用水平。为满足业主要求，该项目设计采用了全新的理念，应用节能新型换热设备，即激波加热器，并创新地应用了自动化关联技术，有效地保证了项目的实施开展。
        关键词：节能；工艺流程；激波加热器；实例
        1．激波加热器基本原理
        激波加热器是利用蒸汽和水直接混合进行供热或生活热水供应的节能技术产品。激波加热器由三段组成一蒸汽喷射段、汽水混合段、射流扩压段。它的工作原理：运行时汽、水瞬间混合，形成流态复杂的、具有超可压缩性（即压缩系数骤增）的汽水两相流体，混合后流体流速迅速由亚音速转变为超音速却无需消耗机械能。在经过瞬间的热量与动量传递后，蒸汽完全凝结入水中共同形成高温高压的热水从该设备中输出，直接进行供热循环或热水供应。也就是说在一定条件下（如能提供一定要求的蒸汽压力）激波加热器运行时可以取代泵或减少泵的功率推动系统的循环。

        图示：激波加热器三段构造及压力分布图
        2．项目概况
        天津经济技术开发区位于天津市东40公里，紧邻塘沽区。总规划面积33平方公里。天津经济技术开发区具有得天独厚的区位优势，依托京、津，辐射三北，其所在的环渤海区域是一个人口密集、城市集中、交通便利、工商业发达、市场容量大、购买力高的黄金地带，具备发展工商业的良好条件。以“21世纪现代化国际工业新城区”为目标，天津经济技术开发区致力于塑造与国际惯例和国际市场接轨的投资环境。
        目前，天津经济技术开发区已有3300多家外商投资企业落户，投资总额超过150亿美元。园区内存在大量工业企业，其对蒸汽供热需求量较大，主要应用方面分为工业应用与冬季采暖应用两个方面。传统建设蒸汽管网，新建蒸汽汽水换热站，管网及站点的能耗水平较高，应用热效率较低，并且存在一定安全隐患，为了更好地发挥蒸汽高品味能源的优势，结合区域开发的特点，适度考虑在蒸汽用户侧应用新的供热技术，满足用户更高用热标准与需求。
        按照上述思路，选择新建美克公寓换热站作为新技术应用试点。天津经济技术开发区美克公寓热力站规划供热面积13万m2，其中一期供热面积为6.5万m2，二期预留发展负荷6.5万m2。热源为天津经济技术开发区5#热源厂所供的蒸汽。
        根据业主委托的要求，热力站要建成节能型项目─运行费用降低、凝结水充分利用。按照这一要求，研究院和业主共同确定了以激波加热器作为主要设备的设计原则。
        3．项目设计
        3.1设计参数
        设计供热负荷：      6MW
        蒸汽温度：          250℃
        蒸汽压力：          1.1MPa
        蒸汽耗量：          8.5t/h
        采暖供回水温度：    85℃/60℃
        采暖系统供水压力： 450kPa
        采暖系统定压压力： 250kPa
        3.2工艺流程
        热力站内经过处理后的软化水进入激波加热器，通过蒸汽的混入而加热并增压，达到设计温度后向采暖系统供水；热力站供水向各采暖系统供热降温后返回热力站，进入激波加热器，继续混入蒸汽加热并增压，如此往复循环。
        考虑到运行初期供回水温差较低等因素，为保证系统运行的稳定，我院在设计中与激波加热器并联设置了循环水泵。循环泵采用变频调速、自动控制：当激波加热器出口压力满足设计要求时，循环泵停运或维持较低的转速；当系统供回水温差较低、造成激波加热器出口压力较低时，循环泵启动或提高转速，以保证系统的循环压力。
        由于整个供热系统为闭式系统，蒸汽不断地进入激波加热器，与系统循环水混合，没有凝结水排放，正常情况下势必造成系统循环水膨胀超压。为了保证系统的运行安全，站内回水母管上设置泄流管，并在泄流管上设置电动开关阀，使系统压力保持恒定。
        3.3站内的主要工艺设备
        Dg100-B-2激波加热器两台，单台加热量3MW；
        NBG 125-80-160/147-127循环泵两台，单台流量120 t/h，扬程200KPa，单台电机功率11KW；
        CR5-9补水泵一台，单台流量4 t/h，扬程400KPa，单台电机功率1.5 KW；
        容积为10m3补水箱一台，材质为玻璃钢；
        全自动软化水处理器一套，水处理量为8t/h。
        PN16，DN250，KC型快速除污器一台。
        3.4仪表自控设计
        仪表自控系统采用就地控制器方式控制热力站的所有自控系统及联锁保护系统，从而达到热力站无人值守，有人巡视的全自动控制的目的。
        3.4.1自控系统
        ⑴.每台激波加热器入口蒸汽量的控制：
        通过在每台激波加热器蒸汽入口管上安装电动调节阀控制入口的蒸汽量，本控制系统可以自动控制也可以手动控制，自动控制是指当室外温度变化时，依据室外温度与电动调节阀开度的对应关系自动调节电动调节阀的开度以控制进入每台激波加热器的蒸汽量，手动控制是通过控制器上的操作按钮手动控制电动调节阀的开度达到控制入口蒸汽量的目的。
        ⑵.热力站系统供水温度的控制：
        当热力系统运行时，系统可以手动/自动依据室外温度及预先设定的供温曲线来控制循环水泵的变频运行，以达到控制供水温度的目的。
        ⑶.补水定压控制：
        依据热力系统回水母管的压力自动控制启停补水泵的启停来达到自动补水定压的目的。
        ⑷.热力系统回水压力的控制：
        依据热力系统回水母管的压力的高低控制系统电动开关阀的打开和关闭，当热力系统回水压力超高时，电动开关阀打开，系统回水自动泄放至水箱，达到泄压得目的，当系统回水压力正常时电动开关阀关闭，系统正常运行。
        ⑸.水箱自动补水控制：
        水箱的补水来源有两路，一路是系统回水自动泄压向水箱排放的水，一路是自来水。设计中补水来源优先使用系统回水自动泄压水源，只有当该水源不能满足要求，补水水箱液位达到低限时，安装在自来水入水管上的电磁阀才打开，向水箱补自动充自来水（经过水处理器后），当水箱液位到达设定值时，电磁阀关闭。
        3.4.2联锁保护控制
        ⑴.循环水泵的联锁保护：
        当热力系统回水母管压力超低时，循环水泵自动停止运行的联锁保护措施。
        ⑵.二次侧供水超温保护：
        当热力系统二次侧供水超温时，此时自动关小激波加热器入口电动调节阀，直到温度合格为止，此时的关小电动调节阀的优先级高于电动调节阀根据室外温度调节开度的优先级。
        ⑶.补水泵联锁保护：
        当水箱液位超低时，自动停止补水泵的运行，以达到保护补水泵的联锁保护措施。
        3.4.3采集系统及报警系统
        ⑴.采集的热力站各系统参数：
        蒸汽流量、压力、温度；各电动调节阀的开度；各电动调节阀后的压力；回水母管除污器前压力、温度，除污器后压力；水箱水位；系统供水温度；各激波加热器供水压力、温度；补水泵状态；各循环水泵状态、变频器反馈等测点。
        ⑵.系统的报警：
        系统供水超温、超压报警；回水母管压力低报警；水箱水位高低、报警；补水泵故障报警；各循环水泵故障报警等。
        3.4.4远程监控
        该控制系统可以根据业主要求具备进行与上位系统的通讯接口。从而达到具备远程监控的目的。完成就地闭环控制，远程监控的功能，优先接受上位的指令完成相应的操作，正常情况下由就地控制系统完成就地闭环控制，报警及各参数实时上传。
        4.热力站运行
        该热力站已于2007年11月初投入运行。根据现场实际运行情况，我院总结分析如下。
        ⑴.该热力站单台激波加热器供热能力为3MW，在设备厂家提供的样本中，激波加热器经济运行的进口蒸汽压力为0.8MPa，我院在设计中选用的蒸汽入口电动调节阀的参数为：
        调节阀前蒸汽压力1.1 MPa；
        调节阀后蒸汽压力0.8MPa（阀体压损0.3 MPa）。
        实际运行中，由于目前用户端（二次系统）尚未完全投入使用，热力站实际供热负荷不足1万平米，并且室外温度较高，因此站内用汽量仅为0.5t/h，使得激波加热器仅起到加热循环水的作用，不能带动系统水循环，系统的水循环还要借助循环泵。同时，汽量过小使得蒸汽入口的电动调节阀前后几乎无压损，起不到减压的作用。
        根据实际负荷情况，经与业主及设备供应商协商，将其中一台激波加热器更换为Dg50-B-2激波加热器，单台加热量1MW。更换后系统可以完全取消循环泵运行，也不用再向系统内补水了，二次侧运行参数正常。
        ⑵.设置在凝结水管道上、用于保证系统压力稳定的电动开关阀，由于其开关行程时间较长，使系统的定压措施（排放或补水）滞后，设计建议将电动开关阀的行程定值调到30%后，定压作用得到保证。若采用电磁阀代替电动开关阀则效果更好。
        5.总结与体会
        通过该项目的设计，我院总结出如下体会。
        5.1激波加热器供热系统的优点
        与常规的汽水换热器相比，激波加热器具有如下优点：
        ⑴.换热效率高。由于汽水直接混合，蒸汽100％地进入系统循环，换热效率接近100％。另外相对于以前的汽水换热器，节省蒸汽15%-30%。本项目每年至少可节省蒸汽1280t/h。
        ⑵.节电。激波加热器的工作原理使其在系统运行中可以降低循环泵的运行功率，在一定条件下取代循环泵。同时，由于激波加热器是汽水直接混合式换热器，其运行时系统补水量大大减小，从而也节约了补水泵的电耗。
        本项目实践证明，当实际供热负荷达到基本负荷时，完全可以取消循环泵，据此测算，运行电耗至少可节约70%，以本项目为例，每个采暖季可减少运行电耗40000KWh。
        ⑶.节水。由于激波加热器是汽水直接混合式换热器，正常运行时（不失水）系统不需要补水。对于较大型的系统，用汽量大，系统的膨胀排放水还可进一步利用。
        ⑷.易维护。激波加热器器件完全采用不锈钢材料，耐腐蚀，可适用各种水质，使用寿命达10年以上，运行时汽水流速很快，内部不容易结垢，维修方便，每年可节省大量的维修费用。由于激波加热器运行时汽水流速很快，难以形成结垢底层，因此不易结垢。另外激波加热器体积小，没有运转部件，拆卸、检修非常方便。
        5.2激波加热器供热系统设计的关键
        ⑴.加热器的优化配置
        激波加热器的构造和工作原理使其在用蒸汽加热水的同时，还能以蒸汽做动力带动水循环，但这种动力的实现是有条件的。通过该项目的设计，我院总结得出激波加热器选型的关键是一定要有基本负荷的保证。所谓基本负荷主要是考虑供热初期及末期（室外温度较高时）的实际供热量，对于该项目这样的新建小区，还应考虑项目的分期建设进度。有了基本负荷，激波加热器才能达到最佳的运行状况─最大程度地降低循环泵的运行功率直至取消系统循环泵。
        ⑵.循环泵的合理选型
        在该项目的设计中，循环泵的设置是基于初运行时负荷较低、激波加热器不能提供足够的循环动力来考虑的，选择的循环泵的流量为系统的计算水量，扬程考虑了热力站、二次管网及户内系统的总的阻力损失。考虑到激波加热器正常运行时可以降低循环泵的运行功率甚至取消系统循环泵的因素，循环泵采用了变频调速、自动控制。实际运行结果表明，本系统循环泵的设置达到了预期的效果。
        ⑶.完善的系统设计
        在工程设计中，应全面综合地考虑问题，进行工艺、自控等专业的整体系统设计。该项目的设计中，我院的设计思路以合理的设备选型为基础，以激波加热器的正常运行工况为主导，考虑了运行各阶段会遇到的问题，结合系统自动调节控制的总体设想，对系统的工艺设计作了较深入的细节处理。
        5.3智慧能源管理平台的引入
        智慧能源管理平台是一套实现企业集中管理分布在不用区域供热站的运营管理软件。该系统通过设备接口实现站内主要设备数据输入，实现对各站现场设备的运行监控、安全机制保障、运行策略调控、分析预测及远程控制调度；并通过数据分析实现节能优化知道，降低人力成本。智慧能源管理平台引入的意义：
        ⑴.减投资：通过负荷预测技术、精准匹配用能负荷，合理降低装机规模，减少建设投资；
        ⑵.增能效：通过管理及控制手段，实现系统整体能效的优化可提高系统综合能效；
        ⑶．降排放：提升设备效率，实现减排目标。
        智慧能源管理平台引入的作用：
        ⑴．闭环控制，决策参考。
        通过热源、管网、用户三者封闭运行，达到监测、控制与系统管理的有机结合，保证供热节能，管网运行安全及用户舒适满意。
        ⑵.集中监测、统一运营
        监控中心实现对所辖供热站进行集中监测；供热站能够对就地设备实现控制机管理。
        ⑶.报警管理
        报警流程：警情触发、警情确认、警情加锁、报警解锁、警情解除、警情查询
        报警分级：根据警情严重程度，支持多级报警
        报警阈值：支持报警阈值调整
        ⑷.负荷预测
        通过室外气象信息，综合考虑系统供热量及系统配置情况，准确预测用户的实际用热需求，在节约能耗的情况下，最大化程度保证供热负荷。
        ⑸.能源管理
        通过信息系统分析，实现能耗环比、耗能同比、能耗排行及能耗配额的有效控制，从而达到高效的能源管理理念。
        ⑹.多重安全机制
        ①供热站自动控制系统提供业务运行安全保障
        ②监控平台实现对所有设备实时监控和预警、报警管理
        ③依托供热企业内网实现信息安全
        ④站控端人机交互和中心端集中运营保障业务的正常运行和数据的安全冗余
        ⑺.节能策略
        太阳辐射和室内设备散热等因素直接影响着室内温度。人的作息需要不同的室内温度；要充分利用人的作息时间和太阳辐射等影响因素，及时调整供水温度，减小供热量，从而降低能耗分时段修正：根据人的作息时间和太阳辐射等影响修正供水温度基于室内外温度自动调节供回水温度。
        未来在本项目引入智慧能源运营平台，可以实现以用户需求主导，多能互补的理念，以信息流、大数据为引导，实现信息流、能量流、价值流的“三流融合”，促进系统效率提升和用户主权释放，最终实现节能应用、优能优用的先进理念，改变传统能源利用方式。
        6.结束语
        据我院掌握的情况，全自动控制激波加热器汽水热力站项目，目前在国内仅有部分应用的经验，我院对该项目的设计也是做一次尝试，得到了一些经验教训，这也为下一步的研究工作提供了宝贵的数据与依据。