高温热水供热系统的运行调节和技术改造①
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摘 要：通过虹桥国际机场扩建工程西区能源中心对热水供热系统的案例，从系统的设计、工作原理和运行情况介绍该供热方式的实际应用。针对应用该系统所发现的一些问题，提出技术改进方案，完善运行调节，希望以此推动热水供热系统在上海地区更好、更广泛地应用。
关键词：热水供热系统 能源中心 虹桥机场 运行调节 技术改造
中图分类号：TU83 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0047-02
1 前言
1.1 背景
虹桥国际机场作为上海机场集团的两大机场之一，在上海机场系统中起辅助作用，并与浦东国际机场互为备降。同时也是虹桥交通枢纽的重要组成部分，构建了“空铁联运”的模式，起着面向全国、服务长三角的作用。
由于虹桥国际机场的年航空旅客吞吐量在2004年已经达到1489万人次，远远超过最初的设计吞吐量（960万人次），多年处于超负荷状态。为了满足航空业务增长的需求，缓解运行压力，特别是保障上海世博会的需要，机场方面借助上海航空枢纽港和虹桥综合交通枢纽建设，自2008年开始实施西区扩建工程，全面助力推进上海“两个中心”建设。
2012年虹桥机场东区改造的规划逐步开展，并将在2013年下半年正式实施启动，虹桥国际机场在上海“两个中心”建设的作用将更加突出地日益彰显，并将对虹桥商务区的发展提供强有力的支持。
1.2 供热需求
虹桥国际机场扩建工程西区能源中心位于上海虹桥机场T2航站楼北侧，于2008年6月开工，2010年1月竣工验收，并与候机楼同步在2010年3月16日投入正式运行。其作用在于为虹桥机场T2航站楼、预留指廊和南、北两个酒店（建筑面积共47.3万m2）进行供冷供热。目前服务范围是T2航站楼和南侧酒店（建筑面积为38.8万m2），规划热负荷情况如表1。
由上表1确定能源中心需要配备总容量32.3 MW以上的锅炉作为热源，且预留扩建场地考虑后期侧预留指廊和酒店（合计建筑面积8.5万m2）的热负荷。
2 供热系统的设计和工作原理
在明确热负荷后，设计对供热系统采用蒸汽还是热水作为输送介质进行比较，从节能角度、投资效益、水资源利用等角度出发，选择在上海地区应用大体量高温热水供热系统。能源中心设计安装3台11.2 MW的热水锅炉（两用一备），并预留一台锅炉的位置，以满足后期扩建项目需要。
2.2 热水系统的工作原理
高温热水系统工作原理是利用热水循环水泵将传热的媒介（热水）在能源中心和候机楼之间打循环，在能源中心使用热水锅炉加热获取热量，在候机楼使用板式热交换器释放热量，通过供、回水压差调节流量确定所需热量的输送（详见图1）。
在候机楼的8组板式热交换器设置电动调节阀，根据需求的变化调节阀门开度，从而影响供、回水的压差。该压差进而调节变频循环水泵的运行频率，从而改变循环水量使之与供热的需求相匹配。
3 供热系统的运行
3.1 初步的调试和运行
2009年12月能源中心和候机楼的基本建成，根据需要进入试运行阶段，开始供热。但当时由于热力监控系统尚未完成安装，原本自动运行的设备（包括锅炉、循环水泵、板式热交换器的控制阀）由于缺少控制源信号，供热系统的调试工作只能依靠人工设置，手动进行调节和干涉。彼时的运行都依靠运行人员的责任心、技术能力和历史经验。
虽然最终手动调试成功，确保了候机楼的运行，但这花费了大量的人力和物力，且仅仅能够实现系统的基本运转，与设计理念相比较有一定差距。
3.2 全自动调试和运行
2010年10月底热力监控系统安装完毕，并逐一成功进行了控制测试，于是整个热水供热系统具备了全自动调试和运行的条件。经过精心准备和协调，业主方、设计方、设备方和运行管理方共同努力，供热系统于12月中旬进入系统联动，完成全自动调试和运行，最终实现了整个热水供热系统的联动控制和自动运行。
在整个调试过程中，通过在技术上的创新和改造，对设备性能参数和控制模式的调整，先后克服回水温度过低、循环流量不足、管网压力波动致使锅炉跳机的问题，还克服板式热交换器的控制阀调节过于灵敏致使管网控制震荡等多个问题。在技术上和运行管理上改善了原有系统，使得实际运行控制既与设计原理相符，又紧密结合经济运行和安全保障的需要，确保了高温热水供热系统在机场的成功应用。
3.3 实际运行中存在的问题和改进措施
通过对供热系统的运行热效率分析，整个系统的节能效果较好，能源利用率较高。但在实际运行中也存在着调节控制的稳定性、连续性和及时性不够理想的问题。
3.3.1 热水供热系统运行调节的稳定性
由于系统采用大温差、变流量的控制原理，根据用户的用热需求（温差），板式热交换器的调节阀实时调节流量，变化较快。调节阀引起的管网压差变化也相应较快，热水循环变频泵的运行频率也随时变化。因此，整个热水供热系统是一个不断变化的。但作为热源的热水锅炉需要具备稳定的运行条件和技术参数才能安全、可靠地运行。将两者直接连成一个整体，必然产生一定的矛盾，从而影响系统的稳定性，对运行调节产生一定的影响。
3.3.2 运行中存在的问题和改进
从运行效率看系统总体的节能效果还是较好的，但热水供热系统在运行调节的稳定性、连续性和及时性上存在一定的问题。
（1）热水供热系统运行调节的稳定性。
由于设计采用大温差变流量的技术，板式热交换器的调节阀是根据用热需求（温差）实时调节流量的，变化较快。热水循环变频泵是根据板式热交换器的调节阀引起的管网压差调节的，也是随时变化的。而整个热水供热系统将需要具备一定运行条件和稳定参数运行的热水锅炉与变化的管网和热交换器连成一个整体，由此产生一定的矛盾，影响了系统的稳定性，对运行调节产生一定的影响。
（2）热水供热系统运行调节的连续性。
由于热水锅炉选型、控制模式和设置的原因，只能按出水温度110 ℃和95 ℃供热运行。因此，整个供热系统的量调节（水泵流量）是连续的，但质调节（供水温度）只有两档。这样运行调节的连续性不足，而设计系统时也未作针对性的修补，造成供热系统对于低负荷的适应能力较低。而上海地区的气候在过渡季节对此的要求特别高，这使得系统的运行调节产生一定的困难。
（3）热水供热系统运行调节的的及时性。
由于热水供热系统采用高温水作为传热介质，以循环水泵作为输送动力，在锅炉内受热，在板式换热器中放热，两者之间的输送距离较大，热量传递的时效性必然受到一定影响。以目前供热系统为例，锅炉与板式换热器之间的水量约为200 t，理论上1台循环水泵需要满负荷运行1个多小时才能将锅炉加热后的热水输送到用户的板式热交换器，而实际上由于受用户调节阀开度和负荷需求的影响，可能需要更长的时间。
4 供热系统的技术改造
4.1 改善目标
能源中心热水供热系统实际运行中最大的问题在于不能满足低负荷下的运行。由于设计理论符合偏大，建筑节能和管理节能的措施到位以及暖冬效应影响，经常发生因气温偏高、日照条件较好情况下候机楼的热负荷急剧降低，甚至低于1台热水锅炉的最低工作负荷，最终致使锅炉无法正常运行。
同时由于设计负荷与实际运行负荷不一致，造成末端用户的回水温度较低（50 ℃左右），与锅炉运行要求（70 ℃左右）偏差较大且供水温度（100 ℃左右）低于锅炉额定温度（110 ℃左右），对锅炉稳定、安全运行带来较严重的隐患，其额定供热能力也受到限制。
4.2 技术改造
对于上述问题，我们提出了技术改造方案，其原则是在保持原有系统的基础上用最简单、最经济的、对运行模式影响最小的方式进行。我们在原设计系统中增加了2根连通管，将锅炉高温出水引至供热系统回水；将锅炉进水引至供热系统的供水。此外，在管路上安装了电动调节阀，用于控制启闭、调节流通水量（详见图2）。
将部分锅炉高温出水引至供热系统回水，能够加热温度较低的回水，确保其由50 ℃左右提高到70 ℃左右满足锅炉正常运行的需要。同时这一技改措施也缓解了需要稳定运行条件和技术参数的热水锅炉与变流量循环系统之间运行调节的矛盾。该项改造于2011年运行采暖季前完成，起到了预计效果，确保了锅炉的稳定、正常运行和供热系统调节稳定性，解决了运行调节的实际问题。
将部分锅炉进水引至供热系统的供水，能够降低温度较高的供水，提高供热管网的安全性。同时保证低负荷时循环系统有足够保证运行的水流量，确保整个供热循环得以进行，不至于因低负荷发生停止供热的事件。此外，真正实现了系统运行调节的连续性和供热的质调节，丰富了供热系统的调节手段。而且通过技改还保证了锅炉的额定工况，即能够以110 ℃的出水温度运行，改变了以往受系统牵制只能部分负荷运行的情况。该项改造于2012年运行采暖季前完成，起到了一举多得的效果，解决了供热系统调节连续性和锅炉额定工况工作的问题。
5 经验和总结提高
5.1 经验和体会
通过上文的分析，我们既看到热水供热系统在实际应用中的优势，也看到了存在的问题。在此基础上，技术人员综合比较了多个设想，并参考相关资料提出了解决问题的技术方案。通过技改，我们最终从最便捷、最经济的角度实现了系统的优化，提高了热水供热系统的适应性和稳定性，满足系统安全、稳定、经济的运行。
虹桥机场采用高温热水供热系统这一供热方式，且其应用达到如此规模体量，是上海地区等江南地区的首次，必然存在一些考虑欠周的地方。这是任何一项技术推广应用中必然的，出现的各类问题可以通过相关各方的努力，依靠技术和管理手段进行完善的，相关经验的积累也有助于该技术的进一步推广和应用。
5.2 完善和提高
就虹桥机场能源中心的高温热水供热系统，通过技术改造增设加热管、降温管及控制调节阀，初步完善了系统，消减了不断变化的管网系统和需要稳定的锅炉系统之间的矛盾，确保了系统的正常运行，实现了整个热水供热系统所有设备的自动控制运行，并在热水供热系统的量调节基础上实现了质调节。
此外，从运行的经济性和节能角度考虑，进一步计划在能源中心锅炉房预留位置上安装1台额定功率较小的锅炉（5 MW左右），满足系统低负荷下的运行，进一步提高系统对实际运行需求的适应能力，消除部分安全隐患。
当然我们的技术改造不能就此止步，还需要进一步分析、研究实际运行，增加量调节和质调节对负荷变化的覆盖范围以及调节的便利性，使得高温热水供热系统能够适应上海地区负荷变化较大，且部分时段负荷较小的运行条件，使其在充分发挥节能优势的基础上满足运行调节的要求。
参考文献
[1]虹桥国际机场总体规划[J]，2010：2-6，160-165.
[2]虹桥综合交通枢纽策划、规划、设计、研究[J]，2008：1-16，31-42.
[3]大体量高温热水供热系统在虹桥国际机场的应用[J].上海空港，2012（15）：42-47.