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原生污水源热泵应用过程中的问题及解决方法

时间:2019-09-16

目前暖通空调领域应用的可再生绿色能源主要有太阳能、浅层/深层地热、空气源热泵系统等。这几种冷热源应用都存在一定的局限性。如浅层/深层地热应用,一般需要钻孔/钻井或在土壤中埋管,施工比较复杂,而且受到项目所在地水文地质条件的制约,并有可能对水文地质造成不良影响;太阳能与日照时间及天气变化息息相关,需要设置辅助热源或蓄能系统,系统投资较大,太阳能应用目前主要是制取生活热水。


相对这些冷热源,城市污水具有一定的优势,是更为理想的低品位冷热源。它具有资源丰富,获取方便,水温相对稳定且随季节变化较小等特点。据相关部门统计,2010年我国年污水排放量达720亿m3。若将全部污水热能加以利用,按5℃温降计算,污水源热泵系统可为10亿m2以上的建筑供暖。开发利用城市污水作为热泵冷热源具有节能环保效益,在优化能源结构的同时,可以缓解我国能源缺乏及分布不均匀性等问题。


原生污水特指城市直接排放的未经处理的生活污水。由于未经任何处理,其含有大量的污染物和污垢。我们探讨的原生污水源热泵是以原生污水作为热泵的低品位热源,冬季通过热泵把污水中的低品位热能转变为更髙品位的热能给用户供热;夏季通过热泵制取低温冷水以满足用户制冷空调的需求。系统既可用于供热采暖和制冷降温,从而实现一机两用。


1、污水源热泵技术介绍


1.1污水源热泵系统简介


污水源热泵的主要工作原理是将城市污水作为低品位能源,借助热泵压缩机消耗少量电能,在冬季把存于水中的低位热能“提取”出来,为用户供热,夏季则把冷水输送至建筑室内,热量释放到水中,从而降低室温,达到制冷的效果。而污水经过换热设备后密闭循环返回污水干渠,不污染环境以及循环水系统。


按污水是否与热泵机组接触分为直接换热式污水源热泵系统和间接换热式污水源热泵系统,目前常采用的是间接换热式污水源热泵系统,如下图所示。

原生污水源热泵应用过程中的问题及解决方法

1.2污水源热泵的技术发展


对城市污水源热泵空调系统的研究,日本、挪威、瑞典及一些其它北欧等供热发达国家比较活跃。最早起源于杨图夫斯基(前苏联)等人对河水、污水、海水的利用探讨,1978年,杨图夫斯基等人对热泵站供热与热化电站、区域锅炉房集中供热进行比较,得出热泵站供热可节省燃料20%-30%,并提出利用莫斯科河水进行区域供热的方案。1981年,瑞典在塞勒研究开发了第一个净化污水源热泵系统。自此发达国家纷纷投入大量的财力和人力进行此项研究,并取得了一定的发展。


污水源热泵作为水源热泵系统的一个分支,其国内市场兴起历史较短。国内应用较早、较为突出的是北京髙碑店污水处理厂的二级出水。2000年,北京市排水集团在髙碑店污水处理厂开发了污水源热泵实验工程,空调建筑面积900m2,这是我国最早的城市污水源热泵系统。近年来,在政府政策的鼓励支持下,污水源热泵技术的应用面积大幅提升,项目规模也不断增大,如沈阳阳光100新城,建筑面积近230万平米,全部采用原生污水源热泵系统,运行效果良好。


1.3污水源热泵的优点与局限性


污水源热泵有着诸多的优点:如水温稳定,资源丰富,运行稳定,节能环保效益明显,与空气源热泵相比,避免了冬季结霜和除霜问题,平均制热制冷性能系数比传统的空气源热泵髙出40%左右;与地下水源热泵相比,可以避免回灌问题。污水属可再生能源,符合国家可持续发展战略。系统运行过程中没有燃烧,只提取污水中的热量,不改变其化学、物理性质,不存在地下水的回灌和地表水的污染问题。污水源热泵系统可以将大量建筑内的废热排放到污水中,而不是通过冷却水塔或空调室外机组排放到室外大气环境,使城市热岛效应得到缓解。


虽然污水源热泵有诸多的优点,但其在应用上还存在一些限制,如:水量的流量及温度、污水的水质等。


2、污水源热泵工程应用问题及优化设计


2.1项目介绍


沈阳阳光100国际新城项目位于沈阳市于洪区,总建筑面积230万m2,主要为民用住宅以及部分商业综合体。距离项目红线600米处有2根直径2.0m的污水干渠,污水量约为60万吨/日,经论证适合做原生污水源热泵系统,项目分三期完成:一期建筑面积为28万m2,全部为民宅,采用原生污水源热泵系统供热,于2010年建成投入使用。二期建筑面积为165.7万m2,其中民宅130万m2,综合商业体35.7万m2,采用原生污水源热泵系统供热及制冷,于2013年建成并当年运行。三期建筑面积36.3万m2,项目在建。项目全部建成后将是国内最大的污水源热泵供热工程。

原生污水源热泵应用过程中的问题及解决方法

上图为沈阳阳光100国际新城污水源热泵全景图


2.2—期污水源热泵系统的问题分析


一期总建筑面积约为28万平米,为12栋32层住宅,设计热负荷为12600kW。


根据Qh=(cop-1)xWh/copx1.163x△T,以及本项目负荷,计算得出本项目最大污水需求量2400m3/h。由于污水源热泵系统安装位置附近有污水加压泵站,按照流速1.0m/s考虑,则引水、退水主干渠管(钢筋混凝土材质)DN1500,支引、退水管(钢筋混凝土材质)为DN1200。引、退水管应具有0.3%的坡度,污水引水管距干渠底部间距应至少300mm,引、退水管间隔应不小于1.5米。


2.2.1 一期污水源热泵方案介绍


本工程属于住宅项目,具有晚上负荷率髙、白天负荷率低的特点。其能量流程如下所示:


原生污水——板式换热器——热泵主机——室内末端主干渠污水取水过程中,设污水引水池1个,容积200m3,污水池中设污水潜污泵3台(两用一备),每台引水量约为1200m3/h。引水示意图如下:

原生污水源热泵应用过程中的问题及解决方法

根据本项目具体情况,用户侧系统分为髙、中、低三个区,髙区热负荷为2250kW,中区热负荷约为4200kW,低区热负荷约为6150kW。设备选型见下表:

原生污水源热泵应用过程中的问题及解决方法

2.2.2—期污水源板式换热器的选型


根据设计热负荷以及热泵机组的技术参数,计算得出,每台热泵对应中介水量为367m3/h,每台热泵对应污水量为400m3/h,换热器的换热量:Q=Q-W=2450-526.7=1923.3(kW)。


因此每台热泵系统的运行参数应为:


(1)中介水温降:


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


(2)污水温降:


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


所需换热面积:污水设计温度为13℃,出水8.9℃;为保证热泵良好运行工况,中介水的回水温度不低于5℃,因此传热温差最多取3.7℃,这样中介水供水为9.5℃。


t传热=(t污进水-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换热器,连续稳定运行时传热系数为1.2kW/m2.℃,考虑增加安全余量,传热系数取1kW/m2.℃。


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


因此,6台热泵共需换热面积为6x537.8=3227(m2)。每台JTHR—L—150—0.3/0.2—BII换热器的换热面积为150m2,因此需要22台,所提供换热面积共为3300m2


2.2.3—期污水源热泵应用的运行问题


在阳光100国际新城污水源热泵一期的运行案例中,遇到最为突出的问题为:其一,堵塞问题:悬浮物对管路、设备的堵塞,污水管路经常清洗,提升泵维修频繁、维修难度大;其二,污垢及腐蚀问题:换热管内结垢,热阻增大,系统换热效率下降;其三,格栅清理问题:原生污水漂浮物、大量的垃圾经格栅过滤后的处理问题;其四,污水量不稳定问题:污水昼夜变化较大,夜间水量较少满足不了负荷需求;其五,控制问题:机组以及各类循环泵匹配控制没有或不周全,导致水泵空转现象严重。


2.2.4—期污水源热泵运行问题分析


下面针对上述实际问题,进行分析。


(1)堵塞问题


城市下水道污水中含有大量的毛发、纤维、织物、絮状物、悬浮物、漂浮物和油脂凝胶物等。在后期运行过程中,每15天就要清理一次管道及设备,严重影响了使用效果,增加了运行费用和维修成本。原因如下:


1)管道堵塞:在重力流动的排水管道中,保证管内流速是依靠管道的敷设坡度来达到的,所以污水管道的施工,应严格按照规范的设计坡度进行敷设。实际运行时,管道的敷设坡度与设计坡度、实际流速与设计流速均差异较小,此时污水中的悬浮物在污水管道内大量的沉淀、淤积,最后导致管道堵塞。


2)沉淀池中的潜污泵堵塞:前期是按照污水排放标准进行水泵选择,选择了普通的潜污泵,后期运行发现在夜间运行时污水中含有较多杂质,超出了污水排放标准,导致潜污泵堵塞。潜污泵设计上检修考虑欠缺,导致每次修理水泵,需把水池污水抽干,工作量大。


3)板式换热器堵塞:前期是按照污水排放标准进行板式换热器选择,进入板式换热器的污物超出了板式换热器的设计范围,导致板式换热器频繁堵塞。


(2)污垢腐蚀问题


在一期项目运行过程中,发现污水源热泵系统的结垢腐蚀问题造成后果很严重,如下所述:


1)换热性能下降

原生污水源热泵应用过程中的问题及解决方法

换热管与污垢物质的导热系数见下表,可以看出由于污垢的导热性能较差,即使较薄的一层污垢也会导致换热设备性能急剧下降。在一个采暖季的运行初期与运行末期对比发现,换热能力下降30%-40%。


2)阻力增大


污水源热泵系统在使用过程中,换热器的污垢热阻是不断变化的。开始使用时换热器表面是清洁状态,污垢热阻为0,随着时间的推移,换热器表面污垢逐渐积累,污垢热阻不断增大,当换热器表面污垢热阻达到一定数值时,换热器可能达不到换热要求或者换热性能极差,需要进行清洗,清洗后换热器表面又成为洁净表面,如此循环。换热管流通截面积随垢层增厚而减小,在流量恒定的情况下,这必然导致平均流动速度的增加,从而引起整个换热设备流动阻力的增大,进而增大水泵的耗电功率。


3)管道及设备腐蚀


污水中大尺寸杂质以及密度较大颗粒物已经消除,但依然含有小颗粒物理杂质、氨根、氯离子等化学成分,以及微生物、藻类及胶体等杂质。若选用普通防腐处理管道、304不锈钢材质的水泵及板式换热器,在运行中腐蚀非常严重。


(3)格栅清理问题


在沉淀池设计时,分成两个部分:沉淀部分和抽水部分,中间加一道格栅,栅隙20mm,过栅流速1.0m/s,安装角度75°排渣髙度1.0m。要求每组耙齿垂直间距不大于1.2m,材质采用不镑钢材质。对大型污物进行过滤,由于污物较多,格栅经常被堵住,导致系统运行不稳定。


(4)污水量不稳定问题


住宅项目白天运行时污水用量较少,夜间运行时污水用量较大,而市政污水流量正好与用能时间相反。所以在运行中会导致在污水需求最多的时候,污水流量不够的问题,在污水需求最少的时候,污水流量富余。污水引水池设计偏小,蓄水能力达不到要求。


(5)控制问题


一期项目沉淀池中的潜水泵与机房中的机组、循环水泵之间是分别独立控制的,使整个系统在运行过程中,需要有人对整个系统根据需要进行手动控制,不能达到自动运行的效果,导致污水泵空转现象严重,浪费电能。


2.3二期污水源热泵系统的技术优化


在总结一期污水源热泵的设计、运行问题的基础上,认真研究分析,在二期工程污水源热泵设计上做了大量的优化设计改进工作,建成运行后,基本避免了一期出现的问题,运行效果良好。


2.3.1二期污水源热泵工程概况


二期污水源热泵系统建筑面积165.7万m2,其中住宅130万m2,商业综合体35.7万m2,共设置4处污水源热泵机房。污水源取水系统共用一个污水处理取水池,在取水池二层设置自吸无堵塞排污泵,分路进入各能源站。污水退水管路经各机房出来后合并成总管进入下游污水处理厂。总热负荷为85MW,总计所需水量为8000m3/h。各污水源热泵机房系统设计思路与一期一致,这里不加论述,针对一期存在的问题作了优化改进。


2.3.2二期污水源热泵工程设计优化措施


(1)堵塞问题


在二期项目施工中,取水干渠与沉淀池之间的管道坡度为0.5%。,污水取水管内污水流速1.5m/s。将污水循环系统的取水系统中间加一个沉淀池,将利用重力作用沉淀去除水中悬浮物,本次设计没有将潜污泵直接放置在污水中,而是采用自吸式无堵塞排污泵,是为了替代潜水排污泵产品,避免让泵潜入水里容易出现漏水导致烧毁电机的故障现象出现,也是为了便于检修维护。自吸式排污泵不但可以吸排含有大颗粒固体和长纤维杂质的介质,具有结构简单、自吸性能好、排污能力强、髙效节能,使用维修方便等特点。


换热器采用宽通道板式换热器,与传统换热器相比,污水池采用大流程、大截面、无触点单宽流道设计,具有优异的抗堵、防垢性能;清水侧采用紧凑型、小截面、多支点,多层并联再串联结构;既保证了换热设备整体的承压能力与抗扰度,又减少了设备体积与占地面积;两侧换热介质整体实现了纯逆流换热,传热系数髙,设备占地面积小。


(2)污垢腐蚀问题


在二期项目施工中,管道经表面防锈处理后,须进行防腐处理。防腐处理后试压。对露在地面以上的室外管道:管道内防腐采用8701环氧树脂涂料4道,管道外防腐采用先涂二道H06环氧富锌底漆,再涂一道环氧云铁防锈中间漆,后涂二道H52-68环氧防腐面漆。对埋地管道:管道内防腐采用8701环氧树脂涂料4道,管道外防腐采用8703环氧煤沥青涂料,依次为底漆1道,面漆1道,玻璃布1层,面漆2道。


上述自吸式无堵塞排污泵采用耐腐蚀的316不锈钢材质泵,满足抗腐蚀要求。


上述宽通道板式换热器材质采用新型防腐铝材一次挤压成型,换热表面进行阳极氧化处理,防腐性能与表面硬度是碳钢的2倍,传热系数是碳钢的4倍,不锈钢的10倍,换热器传热系数大幅度提髙。初始状态下传热系数在2800W/m2.℃以上,污水工况下连续运行4个月不低于1800W/m2.℃;6个月不低于1500W/m2.℃,清洗维护周期不低于6个月。


(3)格栅清理问题


在沉淀池设计时,分成两个部分:沉淀部分和抽水部分,中间加一道格栅,栅隙20mm,过栅流速1.0m/s,安装角度75°,排渣髙度1.0米,如下图所示。要求每组耙齿垂直间距不大于1.2米,材质采用不锈钢材质。增加回转式格栅清污机,过滤漂浮物通过槽形皮带输送机(输送长度8.5米,皮带宽度0.5米)输送上来进粉碎机粉碎,进入退水管道,进入下游污水处理厂。


(4)污水量不稳定问题


阳光100国际新城污水源热泵工程设计总流量8000m3/h,设计的沉淀池建筑物总长38.081米,总宽14.900米,最大埋深15.400米。二期的总流量2400m3/h,总蓄水量为2944m3,目前阶段可以满足蓄1个小时的污水量。在整个项目都建成后,相当于蓄存了20min的水量,对系统水量不足有一定的缓冲作用。


(5)控制问题


在项目上增加一套智慧能源管理系统,监测以下几个方面:能源系统主设备运行状态的监视;能源系统主设备的集中控制、操作、调整和参数的设定;实现能源系统的综合平衡、合理分配、优化调度;异常、故障和事故处理;基础能源管理。能源运行潮流数据的实时短时归档、数据库归档和即时查询。将整个系统进行联动控制,解决系统脱节运行问题,使系统节能运行。


2.3.3二期运行效果分析


在系统运行过程,污水中的漂浮物及杂质明显减少,污水提取泵损坏的周期大大提髙,同时在维修时无需将水泵从水池中提取,维修方便。在漂浮物的处理上


采取就地处置的原则,无需人工拖运漂浮物,系统自行将其打碎后随退水管进入污水下游。夜间运行不再存在断水的问题,同时污水泵与机组一对一启停控制,水泵空转无用功的时间大大缩短,系统输送能耗有明显的降低。


三、结论


通过该项目一期与二期的对比分析,可以得出如下结论:


1、通过系统设计、污水泵的选择、换热器选择,可以解决污水源热泵系统的堵塞问题、污垢腐蚀问题、格栅清理问题、污水量不稳定问题。在项目实施前应详细了解污水情况,如不同季节的水温、髙峰流量、低谷流量、水质等资料。


2、污水换热器内积垢随着运行天数的延续也会越来越多,使换热器的换热能力下降,自动清污防堵塞是污水源热泵的关键技术问题。


3、安装于沉淀池内的自吸式无堵塞排污泵应放置在专门的水泵间,减少维修工作量。


4、在污水循环系统中采取上述措施后,二期系统比一起系统的运行稳定,运行费用比一期节省了3元/m2.采暖季。