浅谈换热站的节能设计以及安全运行问题

知识点：蒸汽转换器

0 引言

随着时代变迁、经济发展、科学技术进步，能源问题已越来越为人们所重视，是当今为数不多的几个重要科学课题之一，能源转化与开发利用工程已成为各国政府的重点关注项目。我国地大物博、幅员辽阔，冬天需要提供暖气的地区高达75%，能源需求非常巨大。与此同时，我国相对而言属于能源匮乏国家，政府长期执行节能减排、减耗的政策。换热站在供暖换热的过程中对能源的浪费非常大，许多能源因为没有进行节能处理而在空气中散失。因此，对换热站开展节能设计与安全运行有利于供暖换热工作的稳定运作、经济环保，并且会对社会产生一定的经济效益。

1 换热站的节能设计问题

1.1 换热器的型号选择

换热站的节能设计与选择换热器有关，换热器的形态选择需综合考虑转换效率、导热系统、摩擦力因素和设备大小等因素，换热器结构大致分为板式分管换热器、内壳换热器、外壳螺旋板式换热器、内容积式换热器、外容积式换热器等。化工生产项目一般利用蒸汽热能转化方式，借助高效水汽增热转换器，形态上可选择外壳螺旋板式换热器，这是现阶段各换热站采用率较高的转换器。这种转换器极大地提升蒸汽热能转化效率，具有高效转化功能，重点增强了节能功能，与传统换热器相比节约能源约30%，该转换器主要借助外壳螺旋板与水液波动型换热板的能源转化组合，产生低能耗率的转化效果。

该设备与传统换热器的具体区别有如下5 点：

（1）工作过程中不易产生高温熔化的金属渣块状物。传统换热器往往由于金属杂质干扰正常换热过程，带走过多热能损耗。而外壳螺旋板式换热器的热型管流速能持续保持1.8～2.7 m/s 的速度，且具备整体自我冲刷功能。其内部螺旋水液纹路层流线型设计，当高温产生金属渣块等杂质时，金属自身虽具备一定粘性，但螺旋式设计可以防止附着，使杂质顺畅掉落至管腔内，再结合自动螺旋外抛功能将杂质粉碎、排出。

（2）因其特殊设计的双层螺旋水液式纹路，水热传热系数可以达到传统换热器的1.5～2 倍，大幅提升换热功率。

（3）漏热程度低。新型的换热器在结构上采用低级热反应力材质，在温度差距反应力随温度升高而扩大时，能通过自身的材质特性缩小热差反应。外壳式螺旋换热板内壁上具有许多小型凹槽，能够缩小不同温度条件下的热差反应值，保证换热工作的正常运作。

（4）新型换热器所消耗的材料少，占地面积少。外壳螺旋板式换热器平均单位换热面积是传统换热器的1.8 倍、内容积式的1.4 倍、内壳换热器的3.2 倍，与新型的板式换热器效果差别不大，整体的换热效率高。其结构安置模式有平铺式、支体倒立式和臂式支立式3 种，满足不同条件下的安置需要，在占地面积上均小于内容积式换热器、内壳式换热器以及新型板式换热器。

（5）外壳螺旋板式换热器的摩擦系数小，对长时段持续运行的能源要求低，双层强化的换热螺旋水液板极大增加入水口与出水口间的有效循环距离，使多次水循环的换能水最大限度地进行能量传递，通过高转速提高换热循环过程的频次，与此同时还能冲刷水液纹路层，保持通道洁净，利于热能转换。

1.2 凝结水回收过程采用闭式凝结水回收装置

传统换热站多采用高速蒸汽凝结罐搭配凝结型水泵的基本方案，这种设计下，回收凝结水的过程会顺带排出具备大量热量的蒸汽，是一种巨大的环保、节能浪费。现阶段大部分换热站采用了闭式凝结水回收装置以达到节能目的，闭式凝结水回收装置具有传统高速蒸汽凝结罐搭配凝结型水泵所无可比拟的优点：①能够充分回收包含大量热量的蒸汽，保证能源低损耗，大幅减少使用软化水源，将热量传递效率提升了数倍，有利于换热站降低能源成本，大幅提升经济效益；②全过程不产生二次、三次甚至多次污染物的排放，在一次污染物的排放上也远远低于传统蒸汽凝结罐型水泵，符合国家可持续发展战略，成功做到安全稳定的绿色可持续生产理念；③高温蒸汽对凝结水回收装置外排放管的损害非常大，通过完全回收蒸汽，降低外排放管道的使用率，使闭式凝结水回收装置的设备使用寿命更长。

1.3 采用高节能率、环保的水泵

能源工作需要尽可能采用高效节能的产品，在选择水泵时，一般选取性能稳定安全、耐腐蚀性强、材质可塑性高的产品。同时严格要求泵水曲率，使水泵的运行条件足够宽泛，能适应各种高温、高热条件，符合国家绿色环保产品标准。

1.4 采用具备加压报警功能的去污器

传统去污器价格相对较低，许多换热站采用较为廉价、低滤过率的去污器，不仅容易产生因滤过障碍而导致换热器内部堵塞甚至故障的问题，而且容易漏出高热换轴水而烫伤工作人员。采用新型加压报警去污器，通过自带的压力计测量设备两端的电压差，在发现电压差值异常时自动报警，提醒工作人员检查、维修或者更换去污器。

1.5 取消循环水泵出口的止回阀装置

传统循环水泵的出口处往往安装止回阀装置，但是有会议报告显示，在不安装止回阀装置的情况下，循环水泵静止时两端的压差不存在大幅度的差别，而取消止回阀装置后的循环水泵能够降低水源损失，在维持水泵两侧压差的过程中能降低通电网络的循环阻力，更利于循环水流通。在供热源与换热源的两个出口均可以不安装止回阀装置，以降低换热站的工作成本，减少消耗维修人力。

2 换热站的安全运行问题

2.1 PLC 可编程控制器的运用

随着时代变迁，科学技术发展日新月异，智能自动化技术日渐成熟，许多化工换热站开始采用自控技术帮助管理，保证换热站安全运行，现阶段采用较多的是PLC 可编程控制器系统。借助PLC 系统，换热站能够完美实现无人自控管理模式，在没有工作人员的情况下也能安全稳定地正常运作。这项技术的关键在于其自身具备的热态数值管控程序，该程序内部储存有换热站安全情况异常的全面物理数值参数，在监管过程中如果换热站的某一物理数值超过了可控范围，可自我调试换热站的相关供热设备，以达到恢复正常运作的目的。PLC 可编程控制器能不断更新内部数据库信息，从容应对多发安全异常情况。

2.2 监控系统的运作

国内换热站的监控系统只有两级，国外已经有部分换热站开发出了第三级监控系统，即远程可控监管系统。两级监控系统主要是主控室监控系统和局部就地监控系统，采用PLC 可编程控制器配套光缆数据线对接下位数据点，结合移动端定点监测器，实时监测热量网络的参数。两级监控系统能够对整个换热站的技术数据进行实时收集、提取、整合以及监控，通过整合的物理参数数据在数据库中还原成最形象的系统工程运行图。提取的数据一般是水温、热值、湿度、水泵运行时长、水热转化率等，有利于管理人员充分了解整体工作情况。

该系统还能及时处理水流量失衡、热力散失、温度不均等问题。在监管过程中，如果发现一系列问题，两级监控系统则立即调整热网工作效率，及时调控水流量，保证热网的正常运作。

2.3 静态补偿装置与同步调相机的配套使用

静态补偿装置通过并联电阻与电容器组联合使用来调节总功率与电压，能够在短时间内迅速恢复大功率负冲击电荷产生的电压过高等问题。而同步调相机可以调整热网的运行状态，在热量过高或者电耗过大的情况下进行无功率补偿，过激运行状态下能够吸收多余的热能功率，在消极运作状态下能补偿自身存储的无功功率输出，配套静态补偿装置能够分别在热网的静止状态与工作状态中进行合理调控，在系统故障时及时补充正向热转化功率，提供一定的电压支持，甚至能够在负性电磁故障反应中起到强行激磁作用，保证系统电压的稳定性与安全性。

2.4 同步移相电动机的使用

同步移相电动机能明显提升动力系统装置的总功率，适用于转速相对较慢的大型高容量发电机组。该设备引入资金低、耗能小、搭配方案多样、维修更新方式简便，但只能提供功率较低的分级位动力补偿，对环境温度与电压要求高。

3 换热站的整体安全设计

3.1 电源切断保护设计

当系统由于电力供应不足而停电时，PLC 可编程控制器在自身携带备用电源的帮助下仍能进行工作，此时控制器将在保证换热器设备均处于完全待机状态下切断所有热网调节阀，避免高温蒸汽凝结水对失去控温能力的换热器产生不可逆转的损害，该项工作总动力由软化水源的重力势能提供。

3.2 水源补充系统设计

当补充水源的水泵液面过低时，通过监测其物理数值，控制器自动将水泵停止；当水泵液面过高时，停止补充水泵的水源，以保证对水泵合理的压强控制，防止因进水过多或过少导致换热功率下降。通过自主软化水源隔断滤过网防止二次软化水回流，避免污染换热站周围水源地，符合绿色可持续发展理念。

3.3 减压旁通管设计

在热力供应过程中，循环水泵出口与入口之间的压差非常大，若不安装止回阀，水泵出口的水压远远高于入口水压，水泵停止工作的瞬间，吸水方向的压力大幅提升，容易导致水泵停泻或者完全停滞，甚至还会损坏水泵管道。通过减压旁通管的分流作用，能够降低水泵吸水侧压力，保证水泵顺畅运行。

4 结束语

换热站的设备运行与工程设计是非常复杂的系统工程，相关工作人员要深刻了解其中知识，对整个换热站的工作流程、设备结构、程序方程要有充分认知。通过分析、研究换热站的节能设计与安全运行问题，找到安全、稳定、可持续发展的绿色设计方案，在降低能源经济成本的同时，提高经济效益与社会效益。

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1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范