防凍液供熱系統(tǒng)設(shè)計及運行

摘 要

摘要：對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)進行了經(jīng)濟性比較。分析了在投產(chǎn)試運行中的注意事項。關(guān)鍵詞：防凍液；供熱系統(tǒng)；設(shè)計；運行Desi
摘要：對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)進行了經(jīng)濟性比較。分析了在投產(chǎn)試運行中的注意事項。
關(guān)鍵詞：防凍液；供熱系統(tǒng)；設(shè)計；運行
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
    在輸油氣管道的場站建筑中，作為供熱熱源的全自動燃油鍋爐一般為無人值守，且不設(shè)計備用，當(dāng)鍋爐在運行過程出現(xiàn)停爐時，由于供熱介質(zhì)為水，隨著溫度的下降會發(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)計可以進一步優(yōu)化，取消補充水軟化和除氧裝置。本文對供熱介質(zhì)采用防凍液的供熱系統(tǒng)設(shè)計及運行進行探討。
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、丙醇等有機化合物的水溶液。氯化鈉、氯化鈣等鹽溶液具有安全、無毒、導(dǎo)熱性能好、價格低的優(yōu)點，的缺點是在有空氣存在的情況下，對大部分金屬有很強的腐蝕性。乙二醇水溶液相對安全，腐蝕較低，導(dǎo)熱性能好，價格適中，但它在低溫工況下度會增加，增加了流動阻力。
   基于以上分析，類似工程在選擇防凍液時，考慮到儲存防凍液的箱體為常壓設(shè)備，有空氣進入箱體，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)量分數(shù)為35%。乙二醇水溶液與水的升溫時間對比見表1。由表1可知，在相同條件下，乙二醇水溶液由16℃升至26℃，所需時間為0.52min；水由16℃升至26℃，所需時間為1.07min。隨著溫度的升高，升溫時間的差距會越來越大。
表1 乙二醇水溶液與水升溫時間對比
升溫區(qū)間/℃
16—26
26—36
36—146
46—56
乙二醇水溶液升溫時間/min
0.52
1.50
3.02
4.01
水升溫時間/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間/min
5.17
6.40
8.06
10.O5
水升溫時間/min
6.17
8.10
10.25
13.12
2 主要設(shè)備選型
   ① 鍋爐選型
   該項目位于蘭州地區(qū)，供熱面積約4506m2，供暖熱負荷為312kW，選用1臺350kW的全自動燃油鍋爐，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時的物性參數(shù)見表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粗糙度[1]。以水為供熱介質(zhì)時摩擦阻力系數(shù)λw的計算式為：
 
式中λw——以水為供熱介質(zhì)時摩擦阻力系數(shù)
    K——管壁的當(dāng)量絕對粗糙度，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)計算得λw=0.031。
    在流速為0.5～1.0m/s時，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)時摩擦阻力系數(shù)λg的計算式為：
 
式中λg——以乙二醇水溶液為供熱介質(zhì)時摩擦阻力系數(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——乙二醇的運動黏度，m2/s
    μ——乙二醇水溶液的黏度，Pa·s，按工程最不利狀況計算，取70℃時的黏度17.5×10-3Pa·s
    ρg——乙二醇水溶液的密度，kg/m3，取1060kg/m3
    對于相同管徑，由式(2)～(4)計算得λg=0.038。由計算結(jié)果可知，對于相同管徑，分別采用乙二醇水溶液和水時，摩擦阻力系數(shù)大致相同。
比摩阻R的計算式為：
 
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)計算得，采用乙二醇水溶液時比摩阻為72Pa/m，采用水時比摩阻為65Pa/m，二者大致相當(dāng)。經(jīng)設(shè)計計算，選擇2臺循環(huán)泵，流量為25m3/h，揚程為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)濟性比較
    以該工程為例，對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)進行經(jīng)濟性比較。采用兩種供熱介質(zhì)的供熱系統(tǒng)造價、年運行費用見表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格低很多，因此兩種供熱系統(tǒng)的造價大致相當(dāng)。采用乙二醇水溶液的供熱系統(tǒng)優(yōu)勢在于：在系統(tǒng)停運時，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，但運行費用比熱水供熱系統(tǒng)稍高。
表3 采用兩種供熱介質(zhì)的供熱系統(tǒng)造價、年運行費用
供熱介質(zhì)
乙二醇水溶液
水
系統(tǒng)造價/元
49.27×104
49.20×104
年運行費用/(元·a-1)
17×104
16×104
4 運行及注意事項
    乙二醇水溶液供熱系統(tǒng)在試運行前，需向防凍液箱補充合格的乙二醇水溶液，開啟鍋爐出口總閥，通過補水定壓泵向鍋爐充乙二醇水溶液(此時管道內(nèi)已充滿乙二醇水溶液)，同時應(yīng)向防凍液箱內(nèi)不斷補充乙二醇水溶液，直至將整個系統(tǒng)充滿。然后開啟循環(huán)泵，進行冷態(tài)運行，檢查系統(tǒng)有無泄漏現(xiàn)象，并在管道高點進行排氣，檢查止回閥是否有效。檢查系統(tǒng)壓力，并做好及時補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)啟動鍋爐應(yīng)緩慢升溫，系統(tǒng)中過冷循環(huán)液體需漸開閥門參與循環(huán)，并觀察鍋爐壓力是否在許可范圍內(nèi)，不可超壓運行。開啟燃料油閥，檢查燃料油管道的各連接處是否完好，確認燃料油無泄漏。關(guān)閉燃料油閥組附近的閥門，設(shè)定鍋爐出口溫度，打開啟動開關(guān)，鍋爐試運行，并確認有無異?；虍愴憽４蜷_燃料油閥組附近的閥門，鍋爐啟動。
   若發(fā)現(xiàn)供熱管道有泄漏現(xiàn)象，需進行維修，維修后對系統(tǒng)升壓進行檢漏時，建議隔離鍋爐，即關(guān)閉鍋爐進出口總閥。檢漏降壓后，鍋爐按正常程序投入運行。鍋爐升壓需在環(huán)境溫度大于5℃時緩慢進行，即進入鍋爐的乙二醇水溶液溫度宜大于5℃，這樣不會造成爐管的脆性破壞。
    鍋爐在停爐后再次點火時，仍需緩慢升溫，若升溫過快，且補充大量乙二醇水溶液(溫度可能低于0℃)，易造成局部應(yīng)力過大導(dǎo)致爐管破裂。
5 結(jié)語
    對于供熱系統(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)的小型無人值守的供熱系統(tǒng)。小型供熱系統(tǒng)泄漏點不多，補充的防凍液不多，相對于熱水供熱系統(tǒng)運行費用不會有很大的增加。對于中、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：
[1] 賀平.孫剛.供熱工程[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993：64-66.
 
(本文作者：樊夢芳 謝開明 中國石油工程設(shè)計有限公司華北分公司 公用工程室 河北任丘 062552)