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摘要：针对现有热源能力和管网热输送能力限制不能满足新增城市供热需求的现状，本文提出了基于溴化锂吸收式制冷技术对城市供热二级换热站进行联合改造的新技术，并进行了经济分析，很好地解决了城市供热的瓶颈问题。
关键词：城市供热 换热站改造 溴化锂吸收式制冷
中图分类号：F291.1 文献标识码：A 文章编号：
1、前言
随着城镇化的进一步发展，北方地区城市集中供热能力和老城区供热管网输送能力已经远远满足不了城市集中供热的需求。面临的问题：城市集中供热需求随着城市的发展日益增长，在节能减排、环保要求越来越高的今天，盲目上马区域性供热燃煤、燃气锅炉房已然受到限制，政府大力倡导热电联产，但因城市集中供热老管网热输送能力达到极限，因此现有城市供热管网的热输送能力成为城市化发展的一大瓶颈。
城市集中供热系统按热源不同一般有热电联产、集中供热锅炉房系统；按供热输送媒介不同则有蒸汽网供热系统和高温水网供热系统。本文探讨的是以热电联产为热源，高温水一次网经二级换热站分布换热给二次网供热的集中供热系统。
2、基于溴化锂吸收式制冷技术换热站联合改造原理及特点
针对现有热源、供热管网情况下，为了提升管网的供热输送能力，新开发了一项基于溴化锂吸收式制冷机组实现供热一次网大温差运行的技术，即在不改变二次网参数的情况下，只改变一次网回水温度的方式就可达到提高一次网热输送能力的目的。其原理见图1所示：
该技术改造特点有：
1）不需要对现有供热管网进行改造，即不需要增加或更换现有管网，避开了繁琐的市政工程改造，只需对二级换热站进行联合改造，改造简单；
2）解决了城市供热需求增加与现有管网热输送能力受限之间的矛盾；
3）新技术基于溴化锂吸收式制冷技术，以溴化锂-水为工质对，环境友好无污染。
3、解决管网热输送能力的问题
管网热输送能力=管网流量×管网供回水温差
在管网不改变的情况下，要想提高管网热输送能力，只有通过增大管网供回水温差来实现，即可通过降低供热一次网的供热回水温度，从而达到一次网大温差供热的方式来实现。比如针对供热一次网供/回水温度参数120℃/45℃，二次网供/回水温度参数50℃/40℃的管网，在不改变现有管网条件以及现有一次网供水参数和二次网供回水参数的前提下，只需将一次网回水温度降低至13℃，可实现一次网供/回水参数为120℃/13℃，从而增加一次网供回水温差32℃，增大一次网热输送能力42.6%。针对目前供热管网设计工况参数而言，通过该方式对二级换热站进行改造可最大提高现有管网的热输送能力约32.5%-42.8%。
4、解决因管网原因限制了热源端热源能力的充分释放问题
目前城市供热首站一般都是采用汽轮机抽汽通过汽水换热器将供热一次网回水加热至供水温度，如将一次网45℃回水加热至120℃供水。
1）由于供热一次网供水管网受设计温度或管道材质的最高温度限制（比如若管网只能承受最高温为100℃），即使供热抽汽压力足够高，也无法通过提升一次网供水温度的方式来实现提升一次管网热输送能力，必将导致热输送能力受到限制，从而使得汽轮机抽汽端热源无法得到充分的释放，也即即使热源端有充足的热源也因管网输送能力不足而无法满足日益增长的城市供热需求。在一次网供水温度受限的情况下，如果通过降低一次网回水温度，扩大一次网供回水的温差即大温差供热，即可使得热源端热能得到充分的释放，从源头上解决了供热不足的问题。
2）受热源端汽轮机供热抽汽压力的约束，即使汽轮机抽汽量足够大，也因一次网热输送能力的限制而无法得到足够的释放。根据热量平衡公式，
Qz=h×q=c×△t×m
式中，Qz——供热抽汽热值（kJ）；
h——供热抽汽压力对应下的焓值（kJ/kg）；
q——供热抽汽量（kg/h）；
c—— 一次网供热水的比热容（kJ/(kg·℃)）；
△t—— 一次网供/回水温差（℃）；
m—— 一次网供热水流量（kg/h）。
在供热抽汽压力一定（即焓值h是一定的），不改变现有管网（也即流量m一定）的条件下，要想提高供热能力，只有通过增大一次网供/回水温差△t来实现。而一次网供水温度又受到了供热抽汽压力的制约，即蒸汽压力一定，供热一次网供水温度只能被加热至该抽汽压力对应的饱和温度，而无法进一步提高，比如供热抽汽压力为0.05MPaG，一次网供水温度可加热至110℃。因此，在不改变现有管网条件下，要提高热源端的供热能力，只有通过降低一次网回水温度来达到。
3）该技术还可结合目前市场上应用成熟的“基于溴化锂吸收式热泵技术回收電厂汽轮机冷凝热用于城市供热”技术，在扩大一次网大温差输送改造后，可以尽可能大地通过回收汽轮机冷凝热，进行网源结合改造，即提高了热电厂的能源利用率，又解决了城市供热能力的缺口。
5、改造案例分析
某住宅区原有供热面积60万平方米，现因附近新开发一小区，新增了20万平方米面积的供热需求。原一次网参数100℃/50℃，二次网参数55℃/45℃，供热负荷为24MW（热指标取40W/m2），一次管网热媒的流量：
=0.86×24×103÷（100-50）=412.8 t/h
式中 —供暖系统用户的计算流量，t/h；
—用户热负荷，kW；
—水的比热，取=4.187KJ/（Kg·℃）；
t1/t2—一次网的设计供回水温度，℃。
现有热源取自某热电厂供热首站，热源充足。为了解决新增的20万平方米（热负荷为8MW）面积的供热需求，一般可以采取以下方案：方案一即充分利用原热电厂的热源，通过对管网改造，对管网扩容；方案二，不进行管网改造，在住宅小区附近新建8MW的供热锅炉房；方案三，在不改变现有管网条件，不新建供热锅炉房的情况下，采取本文所阐述的技术改造，只需对现有二级换热站进行联合改造来满足现有60万平方米面积的供热需求，同时新建二级换热站来满足新增20万平方米的供热需求。因方案一需要进行管网改造，投资巨大、建设周期长，且对市政环境影响很大，故不建议采用。表1为新建供热锅炉房和基于溴化锂吸收式制冷技术的换热站联合改造进行经济性比较。
表1：经济性分析比较
说明：1）总投资中不含新增土地征用费；
2）总投资方面，方案三较方案二高约900万元；
3）运行能源费用，方案三较方案二可以省约480万元；
4）每年运行能源节省费用在2个采暖期内即可回收多投资的费用。
6、总结
基于溴化锂吸收式制冷技术对现有热源、管网能力受限情况下对供热二级换热站进行联合改造，可以解决目前因城市发展所带来的供热瓶颈的问题。
1）该技术改造简单。无需对现有管网进行改造，只需对供热二级换热站进行联合改造；
2）溴化锂吸收式制冷技术已经在国际、国内的民用建筑和工业领域得到广泛运用，技术成熟、可靠；
3）相对于管网改造和增加新的供热热源来说，投资低，建设周期短，回收期短；
4）技术可行性高，无需进行大规模的市政工程建设，对社会影响度几乎为零；
5）相对于增加集中供热锅炉房，环保特点显著。完全符合国家供热改造“十二五”规划的环保要求。
作者简介：
何根木，男，1978年10月，硕士研究生，流体机械及工程专业，工程师，从事节能系统新技术开发与推广及技术改造工作
关键词：城市供热 换热站改造 溴化锂吸收式制冷
中图分类号：F291.1 文献标识码：A 文章编号：
1、前言
随着城镇化的进一步发展，北方地区城市集中供热能力和老城区供热管网输送能力已经远远满足不了城市集中供热的需求。面临的问题：城市集中供热需求随着城市的发展日益增长，在节能减排、环保要求越来越高的今天，盲目上马区域性供热燃煤、燃气锅炉房已然受到限制，政府大力倡导热电联产，但因城市集中供热老管网热输送能力达到极限，因此现有城市供热管网的热输送能力成为城市化发展的一大瓶颈。
城市集中供热系统按热源不同一般有热电联产、集中供热锅炉房系统；按供热输送媒介不同则有蒸汽网供热系统和高温水网供热系统。本文探讨的是以热电联产为热源，高温水一次网经二级换热站分布换热给二次网供热的集中供热系统。
2、基于溴化锂吸收式制冷技术换热站联合改造原理及特点
针对现有热源、供热管网情况下，为了提升管网的供热输送能力，新开发了一项基于溴化锂吸收式制冷机组实现供热一次网大温差运行的技术，即在不改变二次网参数的情况下，只改变一次网回水温度的方式就可达到提高一次网热输送能力的目的。其原理见图1所示：
该技术改造特点有：
1）不需要对现有供热管网进行改造，即不需要增加或更换现有管网，避开了繁琐的市政工程改造，只需对二级换热站进行联合改造，改造简单；
2）解决了城市供热需求增加与现有管网热输送能力受限之间的矛盾；
3）新技术基于溴化锂吸收式制冷技术，以溴化锂-水为工质对，环境友好无污染。
3、解决管网热输送能力的问题
管网热输送能力=管网流量×管网供回水温差
在管网不改变的情况下，要想提高管网热输送能力，只有通过增大管网供回水温差来实现，即可通过降低供热一次网的供热回水温度，从而达到一次网大温差供热的方式来实现。比如针对供热一次网供/回水温度参数120℃/45℃，二次网供/回水温度参数50℃/40℃的管网，在不改变现有管网条件以及现有一次网供水参数和二次网供回水参数的前提下，只需将一次网回水温度降低至13℃，可实现一次网供/回水参数为120℃/13℃，从而增加一次网供回水温差32℃，增大一次网热输送能力42.6%。针对目前供热管网设计工况参数而言，通过该方式对二级换热站进行改造可最大提高现有管网的热输送能力约32.5%-42.8%。
4、解决因管网原因限制了热源端热源能力的充分释放问题
目前城市供热首站一般都是采用汽轮机抽汽通过汽水换热器将供热一次网回水加热至供水温度，如将一次网45℃回水加热至120℃供水。
1）由于供热一次网供水管网受设计温度或管道材质的最高温度限制（比如若管网只能承受最高温为100℃），即使供热抽汽压力足够高，也无法通过提升一次网供水温度的方式来实现提升一次管网热输送能力，必将导致热输送能力受到限制，从而使得汽轮机抽汽端热源无法得到充分的释放，也即即使热源端有充足的热源也因管网输送能力不足而无法满足日益增长的城市供热需求。在一次网供水温度受限的情况下，如果通过降低一次网回水温度，扩大一次网供回水的温差即大温差供热，即可使得热源端热能得到充分的释放，从源头上解决了供热不足的问题。
2）受热源端汽轮机供热抽汽压力的约束，即使汽轮机抽汽量足够大，也因一次网热输送能力的限制而无法得到足够的释放。根据热量平衡公式，
Qz=h×q=c×△t×m
式中，Qz——供热抽汽热值（kJ）；
h——供热抽汽压力对应下的焓值（kJ/kg）；
q——供热抽汽量（kg/h）；
c—— 一次网供热水的比热容（kJ/(kg·℃)）；
△t—— 一次网供/回水温差（℃）；
m—— 一次网供热水流量（kg/h）。
在供热抽汽压力一定（即焓值h是一定的），不改变现有管网（也即流量m一定）的条件下，要想提高供热能力，只有通过增大一次网供/回水温差△t来实现。而一次网供水温度又受到了供热抽汽压力的制约，即蒸汽压力一定，供热一次网供水温度只能被加热至该抽汽压力对应的饱和温度，而无法进一步提高，比如供热抽汽压力为0.05MPaG，一次网供水温度可加热至110℃。因此，在不改变现有管网条件下，要提高热源端的供热能力，只有通过降低一次网回水温度来达到。
3）该技术还可结合目前市场上应用成熟的“基于溴化锂吸收式热泵技术回收電厂汽轮机冷凝热用于城市供热”技术，在扩大一次网大温差输送改造后，可以尽可能大地通过回收汽轮机冷凝热，进行网源结合改造，即提高了热电厂的能源利用率，又解决了城市供热能力的缺口。
5、改造案例分析
某住宅区原有供热面积60万平方米，现因附近新开发一小区，新增了20万平方米面积的供热需求。原一次网参数100℃/50℃，二次网参数55℃/45℃，供热负荷为24MW（热指标取40W/m2），一次管网热媒的流量：
=0.86×24×103÷（100-50）=412.8 t/h
式中 —供暖系统用户的计算流量，t/h；
—用户热负荷，kW；
—水的比热，取=4.187KJ/（Kg·℃）；
t1/t2—一次网的设计供回水温度，℃。
现有热源取自某热电厂供热首站，热源充足。为了解决新增的20万平方米（热负荷为8MW）面积的供热需求，一般可以采取以下方案：方案一即充分利用原热电厂的热源，通过对管网改造，对管网扩容；方案二，不进行管网改造，在住宅小区附近新建8MW的供热锅炉房；方案三，在不改变现有管网条件，不新建供热锅炉房的情况下，采取本文所阐述的技术改造，只需对现有二级换热站进行联合改造来满足现有60万平方米面积的供热需求，同时新建二级换热站来满足新增20万平方米的供热需求。因方案一需要进行管网改造，投资巨大、建设周期长，且对市政环境影响很大，故不建议采用。表1为新建供热锅炉房和基于溴化锂吸收式制冷技术的换热站联合改造进行经济性比较。
表1：经济性分析比较
说明：1）总投资中不含新增土地征用费；
2）总投资方面，方案三较方案二高约900万元；
3）运行能源费用，方案三较方案二可以省约480万元；
4）每年运行能源节省费用在2个采暖期内即可回收多投资的费用。
6、总结
基于溴化锂吸收式制冷技术对现有热源、管网能力受限情况下对供热二级换热站进行联合改造，可以解决目前因城市发展所带来的供热瓶颈的问题。
1）该技术改造简单。无需对现有管网进行改造，只需对供热二级换热站进行联合改造；
2）溴化锂吸收式制冷技术已经在国际、国内的民用建筑和工业领域得到广泛运用，技术成熟、可靠；
3）相对于管网改造和增加新的供热热源来说，投资低，建设周期短，回收期短；
4）技术可行性高，无需进行大规模的市政工程建设，对社会影响度几乎为零；
5）相对于增加集中供热锅炉房，环保特点显著。完全符合国家供热改造“十二五”规划的环保要求。
作者简介：
何根木，男，1978年10月，硕士研究生，流体机械及工程专业，工程师，从事节能系统新技术开发与推广及技术改造工作