防凍液供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行

摘 要

摘要：對(duì)于防凍液作為供熱介質(zhì)的供熱系統(tǒng)，探討了防凍液的選擇、設(shè)備選型，與熱水供熱系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。分析了在投產(chǎn)試運(yùn)行中的注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：防凍液；供熱系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；運(yùn)行Desi
摘要：對(duì)于防凍液作為供熱介質(zhì)的供熱系統(tǒng)，探討了防凍液的選擇、設(shè)備選型，與熱水供熱系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。分析了在投產(chǎn)試運(yùn)行中的注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：防凍液；供熱系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；運(yùn)行
Design and Operation of Heating System Using Anti-freeze Fluid
FAN Mengfang，XIE Kaiming
Abstract：Aimed at the heating system using anti-freeze fluid as heating media，the selection of anti-freeze fluid and equipment lectotype are discussed.The economy of this heating system is compared with hot water heating system.The matters needing attention in the commissioning are analyzed.
Key words：anti-freeze fluid；heating system；design；operation
    在輸油氣管道的場(chǎng)站建筑中，作為供熱熱源的全自動(dòng)燃油鍋爐一般為無(wú)人值守，且不設(shè)計(jì)備用，當(dāng)鍋爐在運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)停爐時(shí)，由于供熱介質(zhì)為水，隨著溫度的下降會(huì)發(fā)生冰凍，特別是在高寒地區(qū)，易出現(xiàn)供熱管道和散熱器凍裂的現(xiàn)象。為使供熱介質(zhì)不凍結(jié)，一般選用防凍液作為供熱介質(zhì)。這樣供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步優(yōu)化，取消補(bǔ)充水軟化和除氧裝置。本文對(duì)供熱介質(zhì)采用防凍液的供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行進(jìn)行探討。
1 防凍液的選擇
    防凍液的種類有很多種，適合作為供熱介質(zhì)的防凍液有氯化鈉、氯化鈣等鹽水溶液以及乙二醇、丙醇等有機(jī)化合物的水溶液。氯化鈉、氯化鈣等鹽溶液具有安全、無(wú)毒、導(dǎo)熱性能好、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，的缺點(diǎn)是在有空氣存在的情況下，對(duì)大部分金屬有很強(qiáng)的腐蝕性。乙二醇水溶液相對(duì)安全，腐蝕較低，導(dǎo)熱性能好，價(jià)格適中，但它在低溫工況下度會(huì)增加，增加了流動(dòng)阻力。
   基于以上分析，類似工程在選擇防凍液時(shí)，考慮到儲(chǔ)存防凍液的箱體為常壓設(shè)備，有空氣進(jìn)入箱體，容易腐蝕箱體。并考慮到乙二醇水溶液只有在低溫下黏度才會(huì)增加，在供熱系統(tǒng)的供回溫度范圍內(nèi)的黏度變化可以接受。因此，選擇乙二醇水溶液作為防凍液，乙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%。乙二醇水溶液與水的升溫時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，在相同條件下，乙二醇水溶液由16℃升至26℃，所需時(shí)間為0.52min；水由16℃升至26℃，所需時(shí)間為1.07min。隨著溫度的升高，升溫時(shí)間的差距會(huì)越來(lái)越大。
表1 乙二醇水溶液與水升溫時(shí)間對(duì)比
升溫區(qū)間/℃
16—26
26—36
36—146
46—56
乙二醇水溶液升溫時(shí)間/min
0.52
1.50
3.02
4.01
水升溫時(shí)間/min
1.07
2.15
3.41
4.47
升溫區(qū)間/℃
56—66
66—76
76—86
86—96
乙二醇水溶液升溫時(shí)間/min
5.17
6.40
8.06
10.O5
水升溫時(shí)間/min
6.17
8.10
10.25
13.12
2 主要設(shè)備選型
   ① 鍋爐選型
   該項(xiàng)目位于蘭州地區(qū)，供熱面積約4506m2，供暖熱負(fù)荷為312kW，選用1臺(tái)350kW的全自動(dòng)燃油鍋爐，燃料為原油，供熱介質(zhì)選為乙二醇水溶液，供液溫度為95℃，回液溫度為70℃。
   ② 循環(huán)泵
   總設(shè)計(jì)流量為14m3/h，供熱半徑為800m。乙二醇水溶液與水在流速為0.5～1.0m/s時(shí)的物性參數(shù)見(jiàn)表2。比摩阻取30～80Pa/m為宜。
表2 乙二醇水溶液與水在流速為0.5～1.0m/s時(shí)的物性參數(shù)
介質(zhì)
密度/(kg·m-3)
黏度/(mPa·s)
70℃
95℃
乙二醇水溶液
1060～1076
17.50
1.80
水
1000
0.25
0.30
    在熱網(wǎng)中水的流速常取0.5～1.0m/s，其流態(tài)處于阻力平方區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，摩擦阻力系數(shù)僅取決于管壁的相對(duì)粗糙度[1]。以水為供熱介質(zhì)時(shí)摩擦阻力系數(shù)λw的計(jì)算式為：
 
式中λw——以水為供熱介質(zhì)時(shí)摩擦阻力系數(shù)
    K——管壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，mm，一般取0.5mm
    d——管子內(nèi)徑，mm
    該工程的供熱管道規(guī)格為Φ89×4，由式(1)計(jì)算得λw=0.031。
    在流速為0.5～1.0m/s時(shí)，由于乙二醇水溶液黏度較大，雷諾數(shù)的范圍為2800～5000，其流態(tài)為湍流，處于水力光滑管區(qū)[1]。在此區(qū)域內(nèi)，以乙二醇水溶液作為供熱介質(zhì)時(shí)摩擦阻力系數(shù)λg的計(jì)算式為：
 
式中λg——以乙二醇水溶液為供熱介質(zhì)時(shí)摩擦阻力系數(shù)
    Re——雷諾數(shù)
    v——乙二醇水溶液在管內(nèi)的流速，m/s，取1.0m/s
    υ——乙二醇的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s
    μ——乙二醇水溶液的黏度，Pa·s，按工程最不利狀況計(jì)算，取70℃時(shí)的黏度17.5×10-3Pa·s
    ρg——乙二醇水溶液的密度，kg/m3，取1060kg/m3
    對(duì)于相同管徑，由式(2)～(4)計(jì)算得λg=0.038。由計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于相同管徑，分別采用乙二醇水溶液和水時(shí)，摩擦阻力系數(shù)大致相同。
比摩阻R的計(jì)算式為：
 
式中R——比摩阻，Pa/m
    λg——摩擦阻力系數(shù)
    ρ——供熱介質(zhì)密度，kg/m3
    qm——供熱介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h
    由式(5)計(jì)算得，采用乙二醇水溶液時(shí)比摩阻為72Pa/m，采用水時(shí)比摩阻為65Pa/m，二者大致相當(dāng)。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇2臺(tái)循環(huán)泵，流量為25m3/h，揚(yáng)程為32m，1用1備。
   ③ 水處理裝置
   乙二醇水溶液化學(xué)性能穩(wěn)定，不腐蝕金屬，不結(jié)垢，因此不設(shè)置水處理裝置。
3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較
    以該工程為例，對(duì)分別采用乙二醇水溶液和水作為供熱介質(zhì)的供熱系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。采用兩種供熱介質(zhì)的供熱系統(tǒng)造價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表3。由表3可知，雖然采用熱水的供熱系統(tǒng)需增加水處理裝置，但添加的供熱介質(zhì)(水)比乙二醇水溶液的價(jià)格低很多，因此兩種供熱系統(tǒng)的造價(jià)大致相當(dāng)。采用乙二醇水溶液的供熱系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于：在系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)供熱介質(zhì)不凍結(jié)，保證供熱管道與散熱器不凍裂，但運(yùn)行費(fèi)用比熱水供熱系統(tǒng)稍高。
表3 采用兩種供熱介質(zhì)的供熱系統(tǒng)造價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)用
供熱介質(zhì)
乙二醇水溶液
水
系統(tǒng)造價(jià)/元
49.27×104
49.20×104
年運(yùn)行費(fèi)用/(元·a-1)
17×104
16×104
4 運(yùn)行及注意事項(xiàng)
    乙二醇水溶液供熱系統(tǒng)在試運(yùn)行前，需向防凍液箱補(bǔ)充合格的乙二醇水溶液，開(kāi)啟鍋爐出口總閥，通過(guò)補(bǔ)水定壓泵向鍋爐充乙二醇水溶液(此時(shí)管道內(nèi)已充滿乙二醇水溶液)，同時(shí)應(yīng)向防凍液箱內(nèi)不斷補(bǔ)充乙二醇水溶液，直至將整個(gè)系統(tǒng)充滿。然后開(kāi)啟循環(huán)泵，進(jìn)行冷態(tài)運(yùn)行，檢查系統(tǒng)有無(wú)泄漏現(xiàn)象，并在管道高點(diǎn)進(jìn)行排氣，檢查止回閥是否有效。檢查系統(tǒng)壓力，并做好及時(shí)補(bǔ)充乙二醇水溶液的準(zhǔn)備，檢查各種儀表是否完好有效。
   冷態(tài)啟動(dòng)鍋爐應(yīng)緩慢升溫，系統(tǒng)中過(guò)冷循環(huán)液體需漸開(kāi)閥門參與循環(huán)，并觀察鍋爐壓力是否在許可范圍內(nèi)，不可超壓運(yùn)行。開(kāi)啟燃料油閥，檢查燃料油管道的各連接處是否完好，確認(rèn)燃料油無(wú)泄漏。關(guān)閉燃料油閥組附近的閥門，設(shè)定鍋爐出口溫度，打開(kāi)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，鍋爐試運(yùn)行，并確認(rèn)有無(wú)異常或異響。打開(kāi)燃料油閥組附近的閥門，鍋爐啟動(dòng)。
   若發(fā)現(xiàn)供熱管道有泄漏現(xiàn)象，需進(jìn)行維修，維修后對(duì)系統(tǒng)升壓進(jìn)行檢漏時(shí)，建議隔離鍋爐，即關(guān)閉鍋爐進(jìn)出口總閥。檢漏降壓后，鍋爐按正常程序投入運(yùn)行。鍋爐升壓需在環(huán)境溫度大于5℃時(shí)緩慢進(jìn)行，即進(jìn)入鍋爐的乙二醇水溶液溫度宜大于5℃，這樣不會(huì)造成爐管的脆性破壞。
    鍋爐在停爐后再次點(diǎn)火時(shí)，仍需緩慢升溫，若升溫過(guò)快，且補(bǔ)充大量乙二醇水溶液(溫度可能低于0℃)，易造成局部應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致?tīng)t管破裂。
5 結(jié)語(yǔ)
    對(duì)于供熱系統(tǒng)采用何種供熱介質(zhì)，應(yīng)視具體的工況而定，防凍液供熱系統(tǒng)適用于高寒地區(qū)的小型無(wú)人值守的供熱系統(tǒng)。小型供熱系統(tǒng)泄漏點(diǎn)不多，補(bǔ)充的防凍液不多，相對(duì)于熱水供熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用不會(huì)有很大的增加。對(duì)于中、大型供熱系統(tǒng)建議還是采用傳統(tǒng)的熱水供熱系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 賀平.孫剛.供熱工程[M].3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993：64-66.
 
(本文作者：樊夢(mèng)芳 謝開(kāi)明 中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限公司華北分公司 公用工程室 河北任丘 062552)