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        原生污水源熱泵應用過程中的問題及解決方法

        時間:2019-09-16

        目前暖通空調領域應用的可再生綠色能源主要有太陽能、淺層/深層地熱、空氣源熱泵系統等。這幾種冷熱源應用都存在一定的局限性。如淺層/深層地熱應用,一般需要鉆孔/鉆井或在土壤中埋管,施工比較復雜,而且受到項目所在地水文地質條件的制約,并有可能對水文地質造成不良影響;太陽能與日照時間及天氣變化息息相關,需要設置輔助熱源或蓄能系統,系統投資較大,太陽能應用目前主要是制取生活熱水。


        相對這些冷熱源,城市污水具有一定的優勢,是更為理想的低品位冷熱源。它具有資源豐富,獲取方便,水溫相對穩定且隨季節變化較小等特點。據相關部門統計,2010年我國年污水排放量達720億m3。若將全部污水熱能加以利用,按5℃溫降計算,污水源熱泵系統可為10億m2以上的建筑供暖。開發利用城市污水作為熱泵冷熱源具有節能環保效益,在優化能源結構的同時,可以緩解我國能源缺乏及分布不均勻性等問題。


        原生污水特指城市直接排放的未經處理的生活污水。由于未經任何處理,其含有大量的污染物和污垢。我們探討的原生污水源熱泵是以原生污水作為熱泵的低品位熱源,冬季通過熱泵把污水中的低品位熱能轉變為更髙品位的熱能給用戶供熱;夏季通過熱泵制取低溫冷水以滿足用戶制冷空調的需求。系統既可用于供熱采暖和制冷降溫,從而實現一機兩用。


        1、污水源熱泵技術介紹


        1.1污水源熱泵系統簡介


        污水源熱泵的主要工作原理是將城市污水作為低品位能源,借助熱泵壓縮機消耗少量電能,在冬季把存于水中的低位熱能“提取”出來,為用戶供熱,夏季則把冷水輸送至建筑室內,熱量釋放到水中,從而降低室溫,達到制冷的效果。而污水經過換熱設備后密閉循環返回污水干渠,不污染環境以及循環水系統。


        按污水是否與熱泵機組接觸分為直接換熱式污水源熱泵系統和間接換熱式污水源熱泵系統,目前常采用的是間接換熱式污水源熱泵系統,如下圖所示。

        原生污水源熱泵應用過程中的問題及解決方法

        1.2污水源熱泵的技術發展


        對城市污水源熱泵空調系統的研究,日本、挪威、瑞典及一些其它北歐等供熱發達國家比較活躍。最早起源于楊圖夫斯基(前蘇聯)等人對河水、污水、海水的利用探討,1978年,楊圖夫斯基等人對熱泵站供熱與熱化電站、區域鍋爐房集中供熱進行比較,得出熱泵站供熱可節省燃料20%-30%,并提出利用莫斯科河水進行區域供熱的方案。1981年,瑞典在塞勒研究開發了第一個凈化污水源熱泵系統。自此發達國家紛紛投入大量的財力和人力進行此項研究,并取得了一定的發展。


        污水源熱泵作為水源熱泵系統的一個分支,其國內市場興起歷史較短。國內應用較早、較為突出的是北京髙碑店污水處理廠的二級出水。2000年,北京市排水集團在髙碑店污水處理廠開發了污水源熱泵實驗工程,空調建筑面積900m2,這是我國最早的城市污水源熱泵系統。近年來,在政府政策的鼓勵支持下,污水源熱泵技術的應用面積大幅提升,項目規模也不斷增大,如沈陽陽光100新城,建筑面積近230萬平米,全部采用原生污水源熱泵系統,運行效果良好。


        1.3污水源熱泵的優點與局限性


        污水源熱泵有著諸多的優點:如水溫穩定,資源豐富,運行穩定,節能環保效益明顯,與空氣源熱泵相比,避免了冬季結霜和除霜問題,平均制熱制冷性能系數比傳統的空氣源熱泵髙出40%左右;與地下水源熱泵相比,可以避免回灌問題。污水屬可再生能源,符合國家可持續發展戰略。系統運行過程中沒有燃燒,只提取污水中的熱量,不改變其化學、物理性質,不存在地下水的回灌和地表水的污染問題。污水源熱泵系統可以將大量建筑內的廢熱排放到污水中,而不是通過冷卻水塔或空調室外機組排放到室外大氣環境,使城市熱島效應得到緩解。


        雖然污水源熱泵有諸多的優點,但其在應用上還存在一些限制,如:水量的流量及溫度、污水的水質等。


        2、污水源熱泵工程應用問題及優化設計


        2.1項目介紹


        沈陽陽光100國際新城項目位于沈陽市于洪區,總建筑面積230萬m2,主要為民用住宅以及部分商業綜合體。距離項目紅線600米處有2根直徑2.0m的污水干渠,污水量約為60萬噸/日,經論證適合做原生污水源熱泵系統,項目分三期完成:一期建筑面積為28萬m2,全部為民宅,采用原生污水源熱泵系統供熱,于2010年建成投入使用。二期建筑面積為165.7萬m2,其中民宅130萬m2,綜合商業體35.7萬m2,采用原生污水源熱泵系統供熱及制冷,于2013年建成并當年運行。三期建筑面積36.3萬m2,項目在建。項目全部建成后將是國內最大的污水源熱泵供熱工程。

        原生污水源熱泵應用過程中的問題及解決方法

        上圖為沈陽陽光100國際新城污水源熱泵全景圖


        2.2—期污水源熱泵系統的問題分析


        一期總建筑面積約為28萬平米,為12棟32層住宅,設計熱負荷為12600kW。


        根據Qh=(cop-1)xWh/copx1.163x△T,以及本項目負荷,計算得出本項目最大污水需求量2400m3/h。由于污水源熱泵系統安裝位置附近有污水加壓泵站,按照流速1.0m/s考慮,則引水、退水主干渠管(鋼筋混凝土材質)DN1500,支引、退水管(鋼筋混凝土材質)為DN1200。引、退水管應具有0.3%的坡度,污水引水管距干渠底部間距應至少300mm,引、退水管間隔應不小于1.5米。


        2.2.1 一期污水源熱泵方案介紹


        本工程屬于住宅項目,具有晚上負荷率髙、白天負荷率低的特點。其能量流程如下所示:


        原生污水——板式換熱器——熱泵主機——室內末端主干渠污水取水過程中,設污水引水池1個,容積200m3,污水池中設污水潛污泵3臺(兩用一備),每臺引水量約為1200m3/h。引水示意圖如下:

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        根據本項目具體情況,用戶側系統分為髙、中、低三個區,髙區熱負荷為2250kW,中區熱負荷約為4200kW,低區熱負荷約為6150kW。設備選型見下表:

        原生污水源熱泵應用過程中的問題及解決方法

        2.2.2—期污水源板式換熱器的選型


        根據設計熱負荷以及熱泵機組的技術參數,計算得出,每臺熱泵對應中介水量為367m3/h,每臺熱泵對應污水量為400m3/h,換熱器的換熱量:Q=Q-W=2450-526.7=1923.3(kW)。


        因此每臺熱泵系統的運行參數應為:


        (1)中介水溫降:


        t=Q/GXl.163=1923.3/367X1.163=4.5(℃)  (1)


        (2)污水溫降:


        t=Q/GXl.163=1923.3/400X1.163=4.1(℃)  (2)


        所需換熱面積:污水設計溫度為13℃,出水8.9℃;為保證熱泵良好運行工況,中介水的回水溫度不低于5℃,因此傳熱溫差最多取3.7℃,這樣中介水供水為9.5℃。


        t傳熱=(t污進水-t中供水)+(t污退水-t中回水)/2=(13-9.5)+(8.9-5)/2=3.7(℃)    (3)


        JTHR—L—150—0.3/0.2—BII換熱器,連續穩定運行時傳熱系數為1.2kW/m2.℃,考慮增加安全余量,傳熱系數取1kW/m2.℃。


        F=Q/k.△t傳熱=1990/1.0x3.7≈537.8(m2)  (4)


        因此,6臺熱泵共需換熱面積為6x537.8=3227(m2)。每臺JTHR—L—150—0.3/0.2—BII換熱器的換熱面積為150m2,因此需要22臺,所提供換熱面積共為3300m2。


        2.2.3—期污水源熱泵應用的運行問題


        在陽光100國際新城污水源熱泵一期的運行案例中,遇到最為突出的問題為:其一,堵塞問題:懸浮物對管路、設備的堵塞,污水管路經常清洗,提升泵維修頻繁、維修難度大;其二,污垢及腐蝕問題:換熱管內結垢,熱阻增大,系統換熱效率下降;其三,格柵清理問題:原生污水漂浮物、大量的垃圾經格柵過濾后的處理問題;其四,污水量不穩定問題:污水晝夜變化較大,夜間水量較少滿足不了負荷需求;其五,控制問題:機組以及各類循環泵匹配控制沒有或不周全,導致水泵空轉現象嚴重。


        2.2.4—期污水源熱泵運行問題分析


        下面針對上述實際問題,進行分析。


        (1)堵塞問題


        城市下水道污水中含有大量的毛發、纖維、織物、絮狀物、懸浮物、漂浮物和油脂凝膠物等。在后期運行過程中,每15天就要清理一次管道及設備,嚴重影響了使用效果,增加了運行費用和維修成本。原因如下:


        1)管道堵塞:在重力流動的排水管道中,保證管內流速是依靠管道的敷設坡度來達到的,所以污水管道的施工,應嚴格按照規范的設計坡度進行敷設。實際運行時,管道的敷設坡度與設計坡度、實際流速與設計流速均差異較小,此時污水中的懸浮物在污水管道內大量的沉淀、淤積,最后導致管道堵塞。


        2)沉淀池中的潛污泵堵塞:前期是按照污水排放標準進行水泵選擇,選擇了普通的潛污泵,后期運行發現在夜間運行時污水中含有較多雜質,超出了污水排放標準,導致潛污泵堵塞。潛污泵設計上檢修考慮欠缺,導致每次修理水泵,需把水池污水抽干,工作量大。


        3)板式換熱器堵塞:前期是按照污水排放標準進行板式換熱器選擇,進入板式換熱器的污物超出了板式換熱器的設計范圍,導致板式換熱器頻繁堵塞。


        (2)污垢腐蝕問題


        在一期項目運行過程中,發現污水源熱泵系統的結垢腐蝕問題造成后果很嚴重,如下所述:


        1)換熱性能下降

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        換熱管與污垢物質的導熱系數見下表,可以看出由于污垢的導熱性能較差,即使較薄的一層污垢也會導致換熱設備性能急劇下降。在一個采暖季的運行初期與運行末期對比發現,換熱能力下降30%-40%。


        2)阻力增大


        污水源熱泵系統在使用過程中,換熱器的污垢熱阻是不斷變化的。開始使用時換熱器表面是清潔狀態,污垢熱阻為0,隨著時間的推移,換熱器表面污垢逐漸積累,污垢熱阻不斷增大,當換熱器表面污垢熱阻達到一定數值時,換熱器可能達不到換熱要求或者換熱性能極差,需要進行清洗,清洗后換熱器表面又成為潔凈表面,如此循環。換熱管流通截面積隨垢層增厚而減小,在流量恒定的情況下,這必然導致平均流動速度的增加,從而引起整個換熱設備流動阻力的增大,進而增大水泵的耗電功率。


        3)管道及設備腐蝕


        污水中大尺寸雜質以及密度較大顆粒物已經消除,但依然含有小顆粒物理雜質、氨根、氯離子等化學成分,以及微生物、藻類及膠體等雜質。若選用普通防腐處理管道、304不銹鋼材質的水泵及板式換熱器,在運行中腐蝕非常嚴重。


        (3)格柵清理問題


        在沉淀池設計時,分成兩個部分:沉淀部分和抽水部分,中間加一道格柵,柵隙20mm,過柵流速1.0m/s,安裝角度75°排渣髙度1.0m。要求每組耙齒垂直間距不大于1.2m,材質采用不鎊鋼材質。對大型污物進行過濾,由于污物較多,格柵經常被堵住,導致系統運行不穩定。


        (4)污水量不穩定問題


        住宅項目白天運行時污水用量較少,夜間運行時污水用量較大,而市政污水流量正好與用能時間相反。所以在運行中會導致在污水需求最多的時候,污水流量不夠的問題,在污水需求最少的時候,污水流量富余。污水引水池設計偏小,蓄水能力達不到要求。


        (5)控制問題


        一期項目沉淀池中的潛水泵與機房中的機組、循環水泵之間是分別獨立控制的,使整個系統在運行過程中,需要有人對整個系統根據需要進行手動控制,不能達到自動運行的效果,導致污水泵空轉現象嚴重,浪費電能。


        2.3二期污水源熱泵系統的技術優化


        在總結一期污水源熱泵的設計、運行問題的基礎上,認真研究分析,在二期工程污水源熱泵設計上做了大量的優化設計改進工作,建成運行后,基本避免了一期出現的問題,運行效果良好。


        2.3.1二期污水源熱泵工程概況


        二期污水源熱泵系統建筑面積165.7萬m2,其中住宅130萬m2,商業綜合體35.7萬m2,共設置4處污水源熱泵機房。污水源取水系統共用一個污水處理取水池,在取水池二層設置自吸無堵塞排污泵,分路進入各能源站。污水退水管路經各機房出來后合并成總管進入下游污水處理廠??偀嶝摵蔀?5MW,總計所需水量為8000m3/h。各污水源熱泵機房系統設計思路與一期一致,這里不加論述,針對一期存在的問題作了優化改進。


        2.3.2二期污水源熱泵工程設計優化措施


        (1)堵塞問題


        在二期項目施工中,取水干渠與沉淀池之間的管道坡度為0.5%。,污水取水管內污水流速1.5m/s。將污水循環系統的取水系統中間加一個沉淀池,將利用重力作用沉淀去除水中懸浮物,本次設計沒有將潛污泵直接放置在污水中,而是采用自吸式無堵塞排污泵,是為了替代潛水排污泵產品,避免讓泵潛入水里容易出現漏水導致燒毀電機的故障現象出現,也是為了便于檢修維護。自吸式排污泵不但可以吸排含有大顆粒固體和長纖維雜質的介質,具有結構簡單、自吸性能好、排污能力強、髙效節能,使用維修方便等特點。


        換熱器采用寬通道板式換熱器,與傳統換熱器相比,污水池采用大流程、大截面、無觸點單寬流道設計,具有優異的抗堵、防垢性能;清水側采用緊湊型、小截面、多支點,多層并聯再串聯結構;既保證了換熱設備整體的承壓能力與抗擾度,又減少了設備體積與占地面積;兩側換熱介質整體實現了純逆流換熱,傳熱系數髙,設備占地面積小。


        (2)污垢腐蝕問題


        在二期項目施工中,管道經表面防銹處理后,須進行防腐處理。防腐處理后試壓。對露在地面以上的室外管道:管道內防腐采用8701環氧樹脂涂料4道,管道外防腐采用先涂二道H06環氧富鋅底漆,再涂一道環氧云鐵防銹中間漆,后涂二道H52-68環氧防腐面漆。對埋地管道:管道內防腐采用8701環氧樹脂涂料4道,管道外防腐采用8703環氧煤瀝青涂料,依次為底漆1道,面漆1道,玻璃布1層,面漆2道。


        上述自吸式無堵塞排污泵采用耐腐蝕的316不銹鋼材質泵,滿足抗腐蝕要求。


        上述寬通道板式換熱器材質采用新型防腐鋁材一次擠壓成型,換熱表面進行陽極氧化處理,防腐性能與表面硬度是碳鋼的2倍,傳熱系數是碳鋼的4倍,不銹鋼的10倍,換熱器傳熱系數大幅度提髙。初始狀態下傳熱系數在2800W/m2.℃以上,污水工況下連續運行4個月不低于1800W/m2.℃;6個月不低于1500W/m2.℃,清洗維護周期不低于6個月。


        (3)格柵清理問題


        在沉淀池設計時,分成兩個部分:沉淀部分和抽水部分,中間加一道格柵,柵隙20mm,過柵流速1.0m/s,安裝角度75°,排渣髙度1.0米,如下圖所示。要求每組耙齒垂直間距不大于1.2米,材質采用不銹鋼材質。增加回轉式格柵清污機,過濾漂浮物通過槽形皮帶輸送機(輸送長度8.5米,皮帶寬度0.5米)輸送上來進粉碎機粉碎,進入退水管道,進入下游污水處理廠。


        (4)污水量不穩定問題


        陽光100國際新城污水源熱泵工程設計總流量8000m3/h,設計的沉淀池建筑物總長38.081米,總寬14.900米,最大埋深15.400米。二期的總流量2400m3/h,總蓄水量為2944m3,目前階段可以滿足蓄1個小時的污水量。在整個項目都建成后,相當于蓄存了20min的水量,對系統水量不足有一定的緩沖作用。


        (5)控制問題


        在項目上增加一套智慧能源管理系統,監測以下幾個方面:能源系統主設備運行狀態的監視;能源系統主設備的集中控制、操作、調整和參數的設定;實現能源系統的綜合平衡、合理分配、優化調度;異常、故障和事故處理;基礎能源管理。能源運行潮流數據的實時短時歸檔、數據庫歸檔和即時查詢。將整個系統進行聯動控制,解決系統脫節運行問題,使系統節能運行。


        2.3.3二期運行效果分析


        在系統運行過程,污水中的漂浮物及雜質明顯減少,污水提取泵損壞的周期大大提髙,同時在維修時無需將水泵從水池中提取,維修方便。在漂浮物的處理上


        采取就地處置的原則,無需人工拖運漂浮物,系統自行將其打碎后隨退水管進入污水下游。夜間運行不再存在斷水的問題,同時污水泵與機組一對一啟??刂?,水泵空轉無用功的時間大大縮短,系統輸送能耗有明顯的降低。


        三、結論


        通過該項目一期與二期的對比分析,可以得出如下結論:


        1、通過系統設計、污水泵的選擇、換熱器選擇,可以解決污水源熱泵系統的堵塞問題、污垢腐蝕問題、格柵清理問題、污水量不穩定問題。在項目實施前應詳細了解污水情況,如不同季節的水溫、髙峰流量、低谷流量、水質等資料。


        2、污水換熱器內積垢隨著運行天數的延續也會越來越多,使換熱器的換熱能力下降,自動清污防堵塞是污水源熱泵的關鍵技術問題。


        3、安裝于沉淀池內的自吸式無堵塞排污泵應放置在專門的水泵間,減少維修工作量。


        4、在污水循環系統中采取上述措施后,二期系統比一起系統的運行穩定,運行費用比一期節省了3元/m2.采暖季。

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