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节能技术与应用57NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION节能技术在长输供热工程中的应用刘建国1 闫耀峰1 杨统元2 何亚军2 周小三1 靳江浩1（1.中冶西北工程技术有限公司，内蒙古 包头 014010；2.上海宝冶集团郑州分公司，河南 郑州 450000）摘要：以某长距离大温差供热工程为例，着重对大温差热泵供热技术、涂层减阻降耗技术、智慧热网调节技术、隔热托座节能技术、架空管道新型保温材料应用、井室防水技术等进行研究。通过理论计算并结合实际工程案例分析，对采用以上节能技术的长输供热工程案例与未采用节能技术的供热工程进行对比分析。结果显示：采用节能新技术新材料，管径为DN1 400的热水管网运行两年后，在供回水温度为130/30，额定流量为15 300 t/h的条件下，沿程温度降低至0.067/km，为城镇供热系统节能技术规范（CJJ/T 1852012）规定的沿程温降(0.1/km)的67%；管道当量粗糙度约为0.2 mm，为城镇供热管网设计标准（CJJ/T 342022）规定的管道当量粗糙度(0.5 mm)的40%。供热系统沿程阻力降低20%25%，热损失总体降低20%40%，节能效果显著，提升了项目的综合经济效益。关键词：热泵机组；大温差；智慧热网；节能减排；涂层减阻；隔热托中图分类号：TU833 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）12-0057-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.016Application of energy-saving technology in long-distance heat supply projectLIU Jian-guo YAN Yao-feng YANG Tong-yuan HE Ya-jun ZHOU Xiao-san JIN Jiang-haoAbstract：Taking a long-distance and large temperature difference heat supply project as an example,this paper focuses on the research of new technology applications such as large temperature difference heat pump heating technology,coating drag reduction and consumption reduction technology,smart heat network technology,insulation bracket energy-saving technology,application of new thermal insulation materials for overhead pipelines,and well-waterproofing technology.Through theoretical calculation and actual project case analysis,the long distance heat supply project case which has adopted the above energy-saving technology is compared with the project which has not adopted the energy-saving technology in the previous project.The results show that after using the new energy-saving technologies and materials mentioned above,the temperature drop of the heat pipe network with DN1 400 diameter has been reduced to 0.067/km at a temperature of 130 C/30 C and a rated flow rate of 15 300 t/h,which is 67%of the temperature drop of 0.1/km specified in CJJ/T 1852012 Technical Code for Energy Efficiency of City Heating System.The equivalent roughness of the pipeline is about 0.2 mm,which is 40%of the equivalent roughness of 0.5 mm specified in CJJ/T 342022 Design Standard for Urban Heating Network.The resistance of the heating system along the way is reduced by 20%25%,and the total heat loss is reduced by 20%40%.The energy-saving effect is remarkable,significantly improving the comprehensive economic benefit of the project.Key words:heat pump unit;large temperature difference;smart heating network;energy-saving and emission reduction;coating drag reduction;insulation bracket引言随着我国现代化建设的逐步推进及生活水平的逐步提升，城市集中供暖逐渐取代传统的小锅炉采暖。热力管网的建设呈现规模化、长距离、大管径的发展趋势，但是工程建设投资大、输送成本高成为制约其发展的重要因素。供热领域内节能技术的应用提高了城市集中供暖的综合经济效益。以某市长输供热实际工程为例，对节能技术在长输供热工程中的应用进行了分析研究。1项目概况在“双碳”目标和国家新能源产业政策的背景下，为了积极响应国家环境政策，某市利用现有热电厂机组乏汽余热实现长距离大温差供热。该项目采用单回路+热泵的供热方式，供热规模4 000104 m2，供热介质为高温热水，供回水温度为130/30，设计压力2.5 MPa，作者简介：刘建国（1984），男，本科，高级工程师，研究方向为热能与动力工程设计。收稿日期：2023-03-05引用本文：刘建国，闫耀峰，杨统元，等.节能技术在长输供热工程中的应用 J.节能，2023，42（12）：57-60.节能技术与应用58节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023供热半径62 km。新建供热管线240 km（单程长度）、中继泵站3座（其中加压站2座，隔压站1座）、改造热力站56座、智慧化供热集控中心1座。项目投产后，替代并拆除原有燃煤锅炉房70座，减少燃煤消耗106万t/a，减少二氧化硫排放0.86万t/a，减少氮氧化物排放0.29万t/a，减少烟尘排放1.14万t/a，减少粉煤灰排放1.61万t/a，减少炉渣排放14.69万t/a，环境效益显著，可有效改善当地环境质量。2大温差热泵技术应用该项目的最大供热负荷为1 794.56 MW，如果按照常规温差 50 供热，DN1 400 管道可携带的最大热量为897.3 MW，无法满足设计工况下的供热要求。为此，设计采用吸收式热泵机组将一次网供回水温差增大为100，在管径不变、流量不变的情况下，使管网的输送能力增大将近1倍1，实现大温差供热。为了实现大温差供热，设计方案采用吸收式热泵结合板式换热器的模式设计热力站。在此模式下，一级网温度热水作为热泵的驱动热源，产生热泵效应，进而能够吸收低温热源的热量，用户侧冷水分为两部分，分别进入板式换热器和热泵，完成换热升温过程。以7.5 MW热泵换热机组的设计为例，对热泵换热机组的系统流程进行说明。其中，一级网供回水温度为130/30，二级网（用户侧）供回水温度为 60/40。7.5 MW热力站系统原理如图1所示。将高温网输送来的温度为130 的一级网热水作为热泵驱动热源，加热热泵发生器中的溴化锂稀溶液。经过发生器放热降温后的热水(99.5)进入板式换热器与用户侧的部分冷水(40)进行热交换。一级网回水(52.5)从板式换热器引出，再次进入热泵机组，经过蒸发器进一步放热。用户侧的另一部分冷水(40)先后经过热泵的吸收器和冷凝器完成升温。经过全部换热过程后，板式换热器和热泵出来的两路被加热冷水混合，出水温度达到60 后送往用户。一级网热水温度则降至30 并返回热源。其中，用户侧的冷水总流量为322.5 t/h，进入板式换热器的流量为 67.72 t/h，占总二次网总流量的21%；进入热泵机组的流量为254.78 t/h，占总二次网总流量的79%。实践证明，采用热泵+板换结合的设计模式后，可实现大温差供热，用户末端调节运行灵活，并起到了良好的节能环保效果，其主要优点如下：（1）可将热电厂的系统热效率提高到80%以上；（2）最大可增加城市供热一次网输送能力100%；（3）节能环保效益好，节约了大量煤、水等资源，减少了大量的污染物排放。3内壁减阻涂层应用长输供热项目中，热网主干线比摩阻的选取是关键问题2。流体阻力直接影响水泵是否在高效节能区间运行，是后期影响经济性的重要因素。据统计，已建成的工程项目中，长输循环水泵电耗占运行能源费用（包括首站和中继泵站的循环水泵电费、补水水费和其他能源费用）的 703。因此，长输管线减阻节能技术至关重要。目前，管道涂层减阻技术处于摸索尝试阶段。供热管道在高温度（最高130）、高压力（最高2.5 MPa）工况下运行，涂层材料满足附着性好、涂层柔韧性好、涂层耐磨性强、涂层耐蚀性强、涂层高温高压稳定性好、易于涂装、成本可控等要求。经过比选，该项目选用无溶剂管道内减阻涂料，主要组分为环氧树脂(50%)、云母粉、石英粉等构成的混合物。该涂料的特点是可快速固化、附着力和耐磨性好，具有优异的耐水、耐油、耐化学介质性能，涂层厚度薄，但对基层要求高。经过两个采暖季的运行观察实践，管道内壁采用涂层后，流阻损失明显降低，管道输送阻力明显下降，有效提高了管网输送能力。图17.5 MW热力站系统原理节能技术与应用59NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION计算直管段摩擦阻力损失4。h=6.2510-2G2d5i(1)=0.11(Kdi)0.25(2)式中：h直管段平均比摩阻，Pa/m；G循环水流量，t/h；管道摩擦阻力系数；K表面粗糙度，m；di管道内径，m；介质密度，kg/m3。采用无涂层计算值与涂层后实际运行值进行对比分析，涂层前后对比分析结果如表1所示。在相同运行工况下，通过管道粗糙度的计算得出，供水管道内喷涂减阻材料后水泵运行能耗可以降低12.0%，回水管道内喷涂减阻材料后水泵运行能耗可以降低 33.1%，节能效果显著。4智慧热网技术应用长输供热项目包括长输管网、中继泵站、热力站、热用户。智慧热网对整个系统的运行、维护、管理等工作进行信息化集中监控与管理，对供热系统的生产、运营与服务的各个部分进行信息化整合，包括生产运行监控（各站与管网）、供热调度与运行管理、设备与管网维护、客户服务、能耗与成本管理等，形成统一的、数据充分共享的、多业务协同的综合管理平台。该项目智慧热网技术的应用实现了“源、网、荷”联动调节，其优点如下：第一，合理优化调度，实现按需供热。依托供热计量管理平台，建设覆盖热源、换热站、终端用户的自动化调控网络，构建适应按需供热的“智慧热网”。根据各个区域的供热情况（如学校、办公楼和居民用热时间段不同），企业可以及时有效地进行调节，做到“低保高控”，避免热能的浪费。用户也可以根据自身用热习惯，在一定温度范围内自主调节室内温度，达到节能降耗的目的。第二，实现网源联动，提高居民舒适度。网源联动的智能化管理也是当下各供热企业关注的焦点。由于热传递具有较大的滞后性，需要通过天气预报对未来天气进行预测，在寒流或暖流到来之前，通过一站一参数对中心供热站/热力站进行调节。依据中心供热站/热力站供热面积、热负荷特性、室外温度变化进行热量计划制定及调整，减少热能的浪费，使居民家中始终保持舒适温度。智慧热网技术的应用有效提高了机组和热网的智能化运行水平，充分挖掘了供热节能潜力。5隔热技术应用对于长输供热项目架空管段，支架处管道直接与钢筋混凝土接触，热量通过钢筋混凝土散失到土壤和支架周围的大气中，存在明显的热桥效应。针对这个问题，该项目采用新型绝热支架。这种绝热支架通过设置外环和内环，并在两者之间填充聚氨酯绝热材料，将支架与工作管隔离，阻断了热量通过支架向外传递。同时，该绝热固定支架采用抛丸+熔结环氧粉末工艺进行外表面防腐工艺，保证设备在服役期内具有稳定的防腐性能。据相关文献统计，普通的钢支架托座散热量占散热总量的5%10%，采用隔热托座后可将热桥散热量占散热总量的比例控制在3%5%5。隔热托座结构如图2所示。6新型保温材料应用为了减少管网输送过程中的散热损失，本设计拟在满足 设备及管道绝热设计导则（GB/T 81752008）及城镇供热管网设计标准（CJJ/T 342022）中相关要求的基础上，采用改性聚氨酯硬质泡沫塑料6，该保温材料最高工作温度可达143，可以满足本项目介质工作温度130 的要求；同时增加了管道的保温厚度，将保温后外表面的温度控制在30 及以下，使DN1 400管道的散热损失仅为157.95 W/m2，DN1 300管道的散热损失仅为151.96 W/m2，DN1 200管道的散热损失仅为145.98 W/m2。DN1 400管道的理论散热损失温降约为0.045/km，低于城镇供热系统节能技术规范（CJJ/T 1852012）要求表1涂层前后对比分析结果管道类型供水管道回水管道内壁涂层无涂层计算值涂层后计算值无涂层计算值涂层后计算值比摩阻/(Pa/m)54.5648.0252.0434.80能耗降低比例/%12.033.1图2隔热托座结构节能技术与应用60节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023的0.1/km。根据管道热损失计算关系式7，供水管和回水管的单位长度热损失为：qs=(Rg+Rt)(ts-tg)-Rh(tr-tg)(Rg+Rt)2-R2h(3)qr=(Rg+Rt)(tr-tg)-Rh(ts-tg)(Rg+Rt)2-R2h(4)式中：qs、qr分别为供水管和回水管的单位长度热损失，W/m；Rt保温材料热阻，(m K)/W；Rg土壤热阻，(m K)/W；Rh附加热阻，(m K)/W；ts供水管供水温度，取130；tr回水管供水温度，取50；tg管道中心线的自然地温，。按照流量15 300 t/h，主干线长度42 km计算，可减少热损失37.53 MW，折合供热面积78.8104 m2。7阀门井防水新技术应用因供热管道存在热胀冷缩现象，会使管道与井壁产生相对位移8。在实际生产管理中，地下阀门井的积水问题比较常见，阀门井进水不仅会威胁安全生产，损害井室中的阀门，也会带来很大的经济损失。为了解决地下阀门井管道过孔处的渗水问题，本项目设计采用过孔防水密封节装置。该装置既解决了管道过孔处轴、环向位移工况下的密封防水问题，防止热位移对井体造成破坏，又可以实现抗腐蚀，从而保证过渡连接处的密封质量。过孔防水密封节装置可以有效保护井中的阀门，为井内的设备仪器提供优良的工作环境。过孔防水密封节装置原理如下，过孔防水密封节是采用刚性固定安装和柔性补偿连接相结合的复合结构形式，防水密封补偿单元材质为耐高温高分子复合材料，过孔防水密封节具有一定轴向补偿量(100 mm)和少量环向补偿量(5 mm)，安装固定单元材质为复合材料。直埋保温管受热位移时，过孔防水密封节的固定单元与井壁的连接处仍能够保证结构的稳定性，紧密连接无泄漏；过孔防水密封节补偿单元与管道的连接位置也要保证结构的稳定性，在随热位移从动的同时保持紧密连接无泄漏。8结语采用相关节能技术后，通过两个采暖季的运行证明改造具有显著的节能效果，项目综合经济效益得到明显提升。后续将对项目持续跟踪，以对节能新技术的应用进行更深入的分析探讨。通过初步理论分析计算并结合实际运行数据验证表明：在管径不变，流量不变的条件下，采用热泵+板式换热器的设计模式可将热电厂的系统热效率提高到80%以上，同时最大可增加管网输送能力100%。对于管径DN1 400、长度42 km的管网，采用新型保温材料后，理论计算沿程温降为0.045/km。投入两个采暖季后，受施工误差及土壤环境温度等因素的影响，实际沿程温降为0.067/km，为城镇供热系统节能技术规范（CJJ/T 1852012）规定的沿程温降0.1/km的67%，可减少热损失37.53 MW，折合供热面积78.8104 m2。管道采用涂层后，当量粗糙度约为0.2 mm，为城镇供热管网设计标准（CJJ/T 342022）规定的管道当量粗糙度 0.5 mm 的 40%，供热系统沿程阻力降低20%25%。采用智慧热网管理运行后，热损失总体降低约20%40%。参考文献1 裴占东，褚志刚，张挺，等.大温差吸收式热泵机组应用 J.区域供热，2017（5）：15-16.2 乔春珍，葛艾，赵玉清.经济比摩阻与经济半径的影响因素分析 J.节能，2016，38（8）：20-21.3 张昌豪，周东，方豪，等.长输热力管线减阻涂层应用分析 J.区域供热，2020（2）：73-74.4 CJJ/T 812013，城镇供热直埋热水管道技术规程 S.5 罗哲林，陈海.浅析新技术和新材料在热网节能中的应用 J.内蒙古煤炭经济，2019（6）：5-6.6 程兰，武琳，程学文.PU/EG复合保温塑料的制备和性能研究 J.塑料科技，2023，51（5）：66-71.7 李善化，康慧.实用集中供热手册 M.北京：中国电力出版社，2005.8 顾伟良.一种新型热力专用防水复合套管的研究分析 J.区域供热，2021（2）：59-60.