防凍液供熱系統設計及運行

摘 要

摘要：對于防凍液作為供熱介質的供熱系統，探討了防凍液的選擇、設備選型，與熱水供熱系統進行了經濟性比較。分析了在投產試運行中的注意事項。關鍵詞：防凍液；供熱系統；設計；運行Desi
摘要：對于防凍液作為供熱介質的供熱系統，探討了防凍液的選擇、設備選型，與熱水供熱系統進行了經濟性比較。分析了在投產試運行中的注意事項。
關鍵詞：防凍液；供熱系統；設計；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，且不設計備用，當鍋爐在運行過程出現停爐時，由于供熱介質為水，隨著溫度的下降會發生冰凍，特別是在高寒地區，易出現供熱管道和散熱器凍裂的現象。為使供熱介質不凍結，一般選用防凍液作為供熱介質。這樣供熱系統的設計可以進一步優化，取消補充水軟化和除氧裝置。本文對供熱介質采用防凍液的供熱系統設計及運行進行探討。
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、導熱性能好、價格低的優點，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，在供熱系統的供回溫度范圍內的黏度變化可以接受。因此，選擇乙二醇水溶液作為防凍液，乙二醇的質量分數為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 主要設備選型
   ① 鍋爐選型
   該項目位于蘭州地區，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，供熱介質選為乙二醇水溶液，供液溫度為95℃，回液溫度為70℃。
   ② 循環泵
   總設計流量為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
介質
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
    在熱網中水的流速常取0.5～1.0m/s，其流態處于阻力平方區，在此區域內，摩擦阻力系數僅取決于管壁的相對粗糙度[1]。以水為供熱介質時摩擦阻力系數λw的計算式為：
 
式中λw——以水為供熱介質時摩擦阻力系數
    K——管壁的當量絕對粗糙度，mm，一般取0.5mm
    d——管子內徑，mm
    該工程的供熱管道規格為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，雷諾數的范圍為2800～5000，其流態為湍流，處于水力光滑管區[1]。在此區域內，以乙二醇水溶液作為供熱介質時摩擦阻力系數λg的計算式為：
 
式中λg——以乙二醇水溶液為供熱介質時摩擦阻力系數
    Re——雷諾數
    v——乙二醇水溶液在管內的流速，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
    ρ——供熱介質密度，kg/m3
    qm——供熱介質的質量流量，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。經設計計算，選擇2臺循環泵，流量為25m3/h，揚程為32m，1用1備。
   ③ 水處理裝置
   乙二醇水溶液化學性能穩定，不腐蝕金屬，不結垢，因此不設置水處理裝置。
3 技術經濟性比較
    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的供熱系統進行經濟性比較。采用兩種供熱介質的供熱系統造價、年運行費用見表3。由表3可知，雖然采用熱水的供熱系統需增加水處理裝置，但添加的供熱介質(水)比乙二醇水溶液的價格低很多，因此兩種供熱系統的造價大致相當。采用乙二醇水溶液的供熱系統優勢在于：在系統停運時，系統內供熱介質不凍結，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稍高。
表3 采用兩種供熱介質的供熱系統造價、年運行費用
供熱介質
乙二醇水溶液
水
系統造價/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(此時管道內已充滿乙二醇水溶液)，同時應向防凍液箱內不斷補充乙二醇水溶液，直至將整個系統充滿。然后開啟循環泵，進行冷態運行，檢查系統有無泄漏現象，并在管道高點進行排氣，檢查止回閥是否有效。檢查系統壓力，并做好及時補充乙二醇水溶液的準備，檢查各種儀表是否完好有效。
   冷態啟動鍋爐應緩慢升溫，系統中過冷循環液體需漸開閥門參與循環，并觀察鍋爐壓力是否在許可范圍內，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。關閉燃料油閥組附近的閥門，設定鍋爐出口溫度，打開啟動開關，鍋爐試運行，并確認有無異常或異響。打開燃料油閥組附近的閥門，鍋爐啟動。
   若發現供熱管道有泄漏現象，需進行維修，維修后對系統升壓進行檢漏時，建議隔離鍋爐，即關閉鍋爐進出口總閥。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℃)，易造成局部應力過大導致爐管破裂。
5 結語
    對于供熱系統采用何種供熱介質，應視具體的工況而定，防凍液供熱系統適用于高寒地區的小型無人值守的供熱系統。小型供熱系統泄漏點不多，補充的防凍液不多，相對于熱水供熱系統運行費用不會有很大的增加。對于中、大型供熱系統建議還是采用傳統的熱水供熱系統。
參考文獻：
[1] 賀平.孫剛.供熱工程[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，1993：64-66.
 
(本文作者：樊夢芳 謝開明 中國石油工程設計有限公司華北分公司 公用工程室 河北任丘 062552)