换热装置对一二级侧流量不匹配适应性分析

冯关儒，张宏凯，郭庆涛

(1.太原市热力集团有限责任公司，山西 太原 030027; 2.同方节能工程技术有限公司，北京 100083)

1 概述

截至2019年底，北方地区清洁供暖取得明显进展，改善了城乡居民用能条件和居住环境。北方地区清洁供暖面积达116×108m2，比2016年增加51×108m2。

为解决集中供热系统存在的供热面积增加、管网输送能力不足等关键性问题，太原市热力集团有限责任公司在热力站内将传统板式换热器升级为溴化锂吸收式换热机组(简称吸收式换热机组)，并取得了良好的经济、社会效益。

过增元等人[1]从导热过程与导电过程的比拟出发，引入了新的物理量——火积。不同温度热量的品位不同，因此温度是热量的势。物体温度提高表示向物体加入热量，也同时向物体加入了“热量的势能”，也称为“热势能”，即火积。在传递过程中，热量守恒，但部分火积将被耗散，因此火积并不守恒，传递过程的火积损失称为火积耗散[1]。

本文在相同供热能力条件下，计算板式换热器、吸收式换热机组的火积耗散，定量评价两种换热装置对热力站一二级侧流量不匹配工况的适应性。本文按1 h计算换热量，一级水指一级管网循环水，二级水指二级管网循环水。

2 工程概况

太原煤炭中心医院热力站承担医院家属院西区、东区以及周边小区供热，总供热面积约4×104m2。用户室内散热装置均为散热器，供暖热指标为50 W/m2，设计热负荷为2 MW。二级管网供、回水温度为50、40 ℃。热力站采用板式换热器，2018年改造为吸收式换热机组。

3 板式换热器

① 运行工况

一二级水采用逆流换热。一级管网供、回水温度为90.0、43.8 ℃，二级管网供、回水温度50.0、40.0 ℃。一级水质量流量为37.22 t/h，二级水质量流量为171.96 t/h。

② 火积耗散

运行工况下，板式换热器的温度-换热量图见图1。图1中量符号说明如下：

θ1，i、θ1，o——板式换热器一级侧进、出水温度，℃

θ2，i、θ2，o——板式换热器二级侧进、出水温度，℃

据有关技术资料，板式换热器火积耗散ΔE的计算式为：

(1)

Δθmin=θ1，o-θ2，i

图1 板式换热器温度-换热量图

Q=tqm，1cp(θ1，i-θ1，o)

式中 ΔE——板式换热器火积耗散，J·K

Δθmin——最小传热端温差，℃

Q——板式换热器换热量，J

φ——两种流体的不匹配系数

n——流量比

t——换热时间，s，本文取3 600 s

qm，1——一级水质量流量，kg/s

cp——水比定压热容，J/(kg·K)，取4 200 J/(kg·K)

Δθf，min——板式换热器小流量侧温差，℃

qm，2——二级水质量流量，kg/s

将已知条件代入式(1)，可计算得到板式换热器火积耗散为158 165.5 MJ·K。

经过整理，式(1)可写成：

ΔE=0.5Q[(θ1，o-θ2，i)+(θ1，i-θ2，o)]

(2)

式(2)不仅适用于板式换热器，还适用于其他形式的两种介质换热器火积耗散的计算。

4 吸收式换热机组

4.1 工艺流程

吸收式换热机组工艺流程见图2。由图2可知，一级水经低压发生器、高压发生器放热后在水-水换热器(板式换热器)加热二级水。然后在高压蒸发器、低压蒸发器再次降温后回到一级管网。一部分二级水经低压吸收器、高压吸收器、低压冷凝器、高压冷凝器升温，另一部分经水-水换热器升温。吸收式换热机组的火积耗散包括上述所有装置的火积耗散。由于溶液换热器未涉及一二级水换热，因此不在火积耗散计算范畴。

图2 吸收式换热机组工艺流程

4.2 运行工况

一级管网供、回水温度为90.0、25.0 ℃，二级管网供、回水温度50.0、40.0 ℃。一级水质量流量为26.46 t/h，二级水质量流量为171.96 t/h。各装置运行参数分别见表1～5。

表1 发生器运行参数

表2 水-水换热器运行参数

表3 蒸发器运行参数

表4 吸收器运行参数

续表4

表5 冷凝器运行参数

4.3 火积耗散

对于有溴化锂溶液、制冷剂参与传热的装置，根据一二级水的进出口温差、质量流量计算换热量。按式(2)可计算得到吸收式换热机组各装置的火积耗散(见表6)。由表6，可计算得到吸收式换热机组的火积耗散为78 679.2 MJ·K。

表6 吸收式换热机组各装置的火积耗散 MJ·K

5 比较分析

由以上分析可知，在热力站一二级侧流量不匹配的前提下，相同供热能力时，吸收式换热机组的火积耗散为板式换热机组的49.7%。说明吸收式换热机组更适用于热力站一二级侧流量不匹配的工况。

6 结语

为提高经济性，长输热网应采用大温差、小流量的运行方式，但也出现热力站一二级侧流量不匹配的情况。吸收式换热机组可比较好地解决这一问题，为长输热网大温差、小流量运行创造了条件。