大型污水海水源熱泵供熱系統(tǒng)的應(yīng)用

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(shí)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(xiàng)目落實(shí)時(shí)技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)分析不可行,因此很少有成功的大型供熱工程,即便有個(gè)別(如大連星海灣)項(xiàng)目建成運(yùn)行,也只是說社會(huì)效益的多、談經(jīng)濟(jì)效益的少,其中的原因是多方面的。本文結(jié)合青島市一個(gè)政府示范工程的設(shè)計(jì)方案,研究大型污水/海水源熱泵供熱工程的工藝、設(shè)計(jì)難點(diǎn)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(gè)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(shí)不得新建燃煤鍋爐房,原有的幾個(gè)小型供熱站都要拆除,因而新建區(qū)域(大約200多萬(wàn)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(gè)污水/海水源熱泵站,在解決集中供熱的同時(shí),還可以集中供冷和供應(yīng)生活熱水。1.1分冷負(fù)荷的計(jì)算供熱站的供熱規(guī)模計(jì)劃分三期,一期為35萬(wàn)m2(供熱半徑約300m),二期為80萬(wàn)m2(半徑約800m),三期達(dá)到200萬(wàn)m2(半徑約1800m)。新建筑的負(fù)荷熱指標(biāo)取45W/m2,既有建筑取53.5W/m2,冷指標(biāo)取70W/m2,供冷面積按照60%計(jì)。本文以二期作為研究對(duì)象,即總計(jì)算熱負(fù)荷為40.54MW,總冷負(fù)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(fēng)機(jī)盤管、地板輻射系統(tǒng),還有部分小區(qū)采用水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng),散熱器系統(tǒng)熱媒水溫度為65℃/55℃,風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)熱媒水溫度為45℃/35℃,多聯(lián)機(jī)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(jì)進(jìn)出水環(huán)境污水源:相鄰的污水處理廠現(xiàn)已建成的運(yùn)行規(guī)模為日均6萬(wàn)t,2010年計(jì)劃達(dá)到日均10萬(wàn)t,其典型日不同時(shí)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(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);其實(shí)測(cè)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(hù)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?yàn)闁|北西南向。其水工設(shè)計(jì)要素值如下:設(shè)計(jì)高水位4.34m,校核高水位5.43m,設(shè)計(jì)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(zhǔn)面)1.02m,平均潮差2.72m,平均漲潮歷時(shí)5h39min,最大潮差4.75m,平均落潮歷時(shí)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(dá)不到一類,但不低于《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097—82)規(guī)定的二類標(biāo)準(zhǔn)。1.3供熱負(fù)荷分析青島地區(qū)規(guī)定的年供熱時(shí)間為140d,設(shè)計(jì)供暖室外計(jì)算溫度為-6℃,供暖期的室外平均氣溫為0.9℃;年供冷時(shí)間為90d,設(shè)計(jì)空調(diào)室外計(jì)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(fù)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(fù)荷運(yùn)行(熱負(fù)荷40～45MW)的時(shí)間大約只有4%,2/3以上負(fù)荷(熱負(fù)荷30～40MW)的運(yùn)行時(shí)間大約占到50%,1/2負(fù)荷(熱負(fù)荷25MW左右)的運(yùn)行時(shí)間大約占到40%,而僅10%左右的負(fù)荷(約5MW)運(yùn)行時(shí)間約占2%。根據(jù)圖4,夏季的冷負(fù)荷運(yùn)行比例也大致相同。因而在機(jī)組選配時(shí)應(yīng)充分考慮這個(gè)特點(diǎn)。本方案的計(jì)算負(fù)荷值為:冬季供熱69.54GWh,夏季供冷36.87GWh。冬季供熱的同時(shí)使用系數(shù)取1.0,夏季供冷的同時(shí)使用系數(shù)取0.7。2設(shè)計(jì)方案2.1流程見圖52.2供熱系統(tǒng)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)系統(tǒng),各分熱泵站再向用戶供應(yīng)6℃/16℃的冷水,多聯(lián)機(jī)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(bǔ)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(jī)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(jī)系統(tǒng);再由Ⅰ型分站的二次熱泵(單級(jí)離心機(jī)組)供45℃(回35℃)的熱水接入用戶的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和地板輻射系統(tǒng);由Ⅱ型分站的二次熱泵機(jī)組(雙級(jí)壓縮離心機(jī)組)供65℃(回55℃)的熱水接入用戶的供暖系統(tǒng);多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)仍由用戶自定運(yùn)行參數(shù)。為了應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的尖峰負(fù)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(xiàng)目的指導(dǎo)思想和困難對(duì)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(duì)于一般小型機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)季節(jié)運(yùn)行工況,采用直接式有實(shí)際意義。而對(duì)于大型機(jī)組,基本上都是采用水-水轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)換季運(yùn)行,這意味著機(jī)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(guó)內(nèi)還沒有廠家能夠生產(chǎn)此類大型離心式熱泵機(jī)組,國(guó)外也不多見,因此個(gè)別外企借此要價(jià)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(huì)損失約3MW的低位熱量,要多耗約500kW的電能。較小的溫差將會(huì)導(dǎo)致龐大的板式換熱器面積,不太現(xiàn)實(shí)。采用直接式機(jī)組就沒有這樣的后顧之憂,但其巨大的投資卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jià)約60%,運(yùn)行維護(hù)也簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)。2.3.2低溫?zé)崦郊夹g(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(fù)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(jì);但是本工程的負(fù)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(lái)選機(jī)組,在各個(gè)小區(qū)設(shè)換熱站來(lái)滿足不同的低溫?zé)崦揭?。我們知?熱泵機(jī)組的單級(jí)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(jī)組的冷凝壓力達(dá)到工質(zhì)的飽和臨界,或者需要兩級(jí)壓縮,甚至三級(jí)壓縮才能實(shí)現(xiàn),而壓縮比越高或級(jí)數(shù)越多則功耗越大,效率越低。2.3.3夏季供冷負(fù)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(wú)效益可言;其次,青島地區(qū)夏季供冷需求時(shí)間短、負(fù)荷低,居住小區(qū)尤其如此;還有冷計(jì)量與收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的配套措施,尚待解決。本設(shè)計(jì)提供了一個(gè)水系統(tǒng)平臺(tái),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(jī)(并可以免費(fèi)供應(yīng)生活熱水),還可以帶水冷戶式機(jī)(柜機(jī)、掛機(jī)、一拖多等)。2.3.4海水與防腐蝕的配套措施對(duì)污水取用,本設(shè)計(jì)根據(jù)廠家一、二期的日均流量曲線,建一個(gè)4000m3的污水蓄水池,一可以用來(lái)調(diào)節(jié)一日內(nèi)的峰谷,以維持一個(gè)基準(zhǔn)流量;二可以兼作污水沉淀池。因?yàn)槎?jí)標(biāo)準(zhǔn)的污水其懸浮物為30mg/L,對(duì)于板式換熱器的循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)(10mg/L)來(lái)說偏高,這個(gè)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(shí)的系統(tǒng)壓氣排空措施等。對(duì)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(xiǎn)的。對(duì)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(jìn)水口標(biāo)高為-10m,虹吸管道連接到-6m標(biāo)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(gè)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(dòng)植物是要設(shè)防的;當(dāng)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(shí),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(jì)是成功與否的關(guān)鍵。海水對(duì)板式換熱器的腐蝕除了化學(xué)腐蝕,很重要的是沖刷腐蝕和電化學(xué)腐蝕,還要注意停機(jī)狀態(tài)下的浸泡腐蝕,這種腐蝕甚至比前述兩種更嚴(yán)重。一般認(rèn)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(jià)和很長(zhǎng)的供貨期也很困擾。國(guó)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(duì)較為簡(jiǎn)單。深海的管道無(wú)需考慮防止海生物的附著,但海水泵房進(jìn)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(dòng)纏繞過濾器、采取停機(jī)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(jì)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(shí)間錯(cuò)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(diǎn);熱媒-2℃進(jìn)板式換熱器2℃出,則需要配制20%的乙烯乙二醇溶液;機(jī)組選用低溫型(蓄冰型)機(jī)組。2.4型站熱泵及污水源熱泵機(jī)組本方案按照10萬(wàn)m2的分站規(guī)模,設(shè)1個(gè)Ⅱ型熱泵分站,5個(gè)Ⅰ型熱泵分站;Ⅱ型分站熱泵為雙級(jí)壓縮離心機(jī)組,Ⅰ型分站的熱泵為單級(jí)離心機(jī)組;總站污水源熱泵機(jī)組為單級(jí)離心機(jī)組,海水源為單級(jí)離心低溫式機(jī)組。海水板式換熱器為500t/h2臺(tái),污水板式換熱器為400t/h5臺(tái)等,造價(jià)詳見表1。3變能源控制方式,減少運(yùn)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(dāng)然這個(gè)方案也避免了用電負(fù)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(yùn)行管理人員多,間接成本要高。這反映在運(yùn)行成本要略高于集中式系統(tǒng)。但可以通過改進(jìn)控制的自動(dòng)化程度以盡可能地減少運(yùn)行管理人員。3)分站的機(jī)組如果距離居民區(qū)太近時(shí),噪聲和振動(dòng)必須妥善處理。最主要的是最大限度地減輕振動(dòng)和噪聲的外泄。4最大利用率高,最大權(quán)益保護(hù)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(shí)現(xiàn)三聯(lián)供,還能夠大大節(jié)省一次能