高温热水锅炉供热系统在虹桥国际机场的应用和完善

摘 要：通过虹桥国际机场扩建工程西区能源中心对大体量高温热水供热系统的案例，从项目的设计、建设和运行各阶段全面地介绍该种供热方式的实际应用。针对初次应用该系统而引发的一些问题，提出改进、完善，希望以此推动高温热水供热系统在上海地区更好、更广泛地应用。

关键词：大体量高温热水供热系统 能源中心 虹桥机场 应用

TU833

1 前言

1.1 背景

由于虹桥国际机场的年航空旅客的吞吐量（2004年1489万人次）远远超过设计容量（960万人次），为了满足航空业务增长的需求，虹桥国际机场于2008年开始实施扩建工程。该项目明确了保障上海世博会的任务，同时作为上海航空枢纽港建设和虹桥综合交通枢纽的一部分，还定位服务全面推进上海“两个中心”建设的作用。

虹桥国际机场扩建工程西区能源中心项目作为配套服务设施在2008年6月开工至2010年1月竣工验收并移交运行，与候机楼同步在2010年3月16日投入正常使用。

1.2 供热需求

上海虹桥国际机场扩建工程西区能源中心位于上海虹桥机场T2航站楼北侧，其目的是为虹桥机场T2航站楼、航站楼北侧预留指廊和南北两个酒店集中供冷供热，建筑面积共47.3万m2。目前已建的一期服务范围是T2航站楼和南侧酒店，建筑面积为38.8万m2，具体热负荷情况如表1。

由此确定能源中心的锅炉房需要配备32.3MW以上的热源，并考虑后期的8.5万m2的北侧预留指廊和酒店的用热需求，同时建成相关的热力输送管网。

2 设计阶段

2.1 设计方案的选择和确定

在明确需求后，设计对锅炉供热系统的设计进入方案选择阶段，主要是对采用蒸汽供热系统还是热水供热系统进行比较。最终从节能角度出发，综合考虑投资、水资源利用等因素，确定了在上海地区首次采用大体量高温热水供热系统的方案。

对于作为热源的锅炉房，设计确定本次设计3台11.2MW的高温热水锅炉，按最大负荷配置。同时在锅炉房预留一台锅炉的位置，以满足后期的8.5万m2的北侧预留指廊和酒店的用热需求。

2.2 设计供热系统的工作原理

简单地描述，此次设计的供热系统是利用热水循环水泵将媒介水在能源中心和候机楼之间打循环，在能源中心依靠热水锅炉加热而在候机楼依靠板式热交换器放热，供水温度和回水温度维持基本稳定，通过流量变化调节输送的热量（详见图1）。

在候机楼的板式热交换器共有8组，其需求的变化体现在循环水量的变化上，采用变频技术的循环水泵依靠管网的压差来控制运行频率，从而调整循环水量使之与需求相匹配。

图1 虹桥国际机场大体量高温热水供热系统系统图

3 建设阶段

3.1 能源中心

建设阶段大体量高温热水供热系统在能源中心与通常采用的蒸汽供热系统有一定差别，表现在锅炉和水泵等方面。

热水锅炉的水侧是充满水的，类似于通常家用的热水器；蒸汽锅炉水汽侧下部为热水，上部为汽室，充满热水蒸发后的蒸汽，一般还装有汽水分离装置。

热水锅炉使用循环水泵，其扬程用于克服整个管网的阻力，确保热量的输送；蒸汽锅炉使用给水泵，其扬程用于克服锅炉工作压力，确保将补水送入锅炉，热量输送依靠的是锅炉工作压力。

此外，热水供热系统通过安装真空脱气机排除水中的空气（主要是为去除氧气减轻腐蚀）；蒸汽供热系统则通过安装热力除氧器，通过高温加热方式去除氧气，其效果相对更好。

3.2 供热管网

建设阶段热水供热管网与蒸汽供热管网的差别表现在一些辅助附件和管网管道的清理上。

热水供热管网设置较多的放空气阀，确保热水循环时其内容产生气体的排除；安装较多的排污阀，用于运行排污和检修排水。蒸汽供热系统一般只安装有限的放空气阀用于管网的首次投用，日常运行时完全关闭；设置较多的疏水阀组，用于排出蒸汽冷凝产生的疏水，避免产生水击现象。

热水供热管网的清理依靠物理冲洗、排污和化学清洗、预膜，清除杂质，运行时依靠化学药剂保护管道内壁；蒸汽供热管网的清理依靠首次的蒸汽吹扫，预设一个合适的管道排出口，将杂质吹出管道，运行中依靠蒸汽自生的高温和高压保护管道内壁。

3.3 初步的手动调试

2009年底能源中心和候机楼的主要建设内容基本完成，供热系统也根据总体需要进行初步的调试。由于热力监控系统此时尚未完成安装工作，因此所有的调试工作都是手动进行的。

锅炉、循环水泵、板式热交换器的控制阀原本自动运行的设备由于缺少控制源信号，所有的运行都依靠调试和运行人员的人工设置、调节和干涉。凭借调试和运行人员的经验、责任心、技术能力，克服人力和体力的不足，供热系统的手动调试成功。但这仅仅是热水供热系统能够实现运转的概念，与原本设计的理念还有较大的差距，各项技术参数也远未达到预定目标。

4 运行阶段

4.1 供热系统全自动调试

2010年10月底热力监控系统安装完成进入调试，整个热水供热系统首次具备了联动和全自动调试条件。经过精心准备和协调，供热系统于12月中旬进入联动和全自动调试，并先后通过技术创新和改造、调整设备性能参数和控制模式等，克服回水温度过低、管网压力波动、流量不足致使锅炉跳机、板式热交换器的控制阀调节过于灵敏致使管网控制震荡等问题，最终实现了整个热水供热系统的联动和自动控制。

整个调试过程中业主方、设计方、设备方和运行管理方共同努力，汇集所有技术力量从技术上、运行管理上逐步改善了原有系统，使得设计理念和实际运行更紧密地结合，确保了大体量高温热水供热系统首次在上海地区应用的成功，并取得一定的经验更有利于该项节能技术的进一步推广使用。

4.2 调试的成果和运行状况

在2010-2011年度的采暖季中热水供热系统除了完成了联动和全自动调试工作，同时经济运行上也取得较大的成绩（具体运行数据见表2）。

通过数据统计，热水供热系统的运行效率相当高，达到93%以上与东区锅炉房（蒸汽供热系统）相比高10%，与行业平均水平相比高15%，总体的节能效果还是达到设计的预期。

4.3 运行中存在的问题和改进

从运行效率看系统总体的节能效果还是达到设计要求，但热水供热系统在运行的稳定性和及时性上为管理带来较大的困难，并产生一定的安全隐患和不足。

（1）热水供热系统的稳定性。

由于设计采用大温差变流量的技术，板式热交换器的调节阀是根据用热需求（温差）实时调节流量的，变化较快。热水循环变频泵是根据板式热交换器的调节阀引起的管网压差调节的，也是随时变化的。而整个热水供热系统将需要具备一定运行条件和稳定参数运行的热水锅炉与变化的管网和热交换器连成一个整体，由此产生一定的矛盾，影响了系统的稳定性。因此必然需要对此情况进行合理调整，确保整个系统内所有设备的正常运转。我们确定了首先需要满足热水锅炉基本运行条件（温度、压力、流量）确保热源安全、正常地工作，在此基础上再来实现热水供热系统的大温差变流量的方案。

当然这样使得整个热水供热系统的运行必须是在具备一定条件即满足热水锅炉对温度、压力、流量的要求基础上才能运行，与蒸汽供热系统（只需依据压力调节流量）相比其调节的稳定性和对需求覆盖面略有不足。

对此的改进，方案一应将热水锅炉与管网系统分开，增设热水锅炉定频水泵，使得热水锅炉与管网系统各自独立运行并通过连通管调节流量，满足锅炉定频和管网变频的需要。方案二将管网设计为定流量系统，减少一个可变参数，降低调节难度。

（2）热水供热系统的及时性。

由于热水供热系统采用高温水作为传热介质，依靠循环水泵实现热能的输送，其时效性必然受到一定的影响。以目前供热系统为例能源中心1台水泵满负荷运行需要1个小时才能将热水输送到板式热交换器，而实际受到调节阀开度和总负荷需求的影响，所需时间可能更长。而蒸汽供热系统由于整个管网充满蒸汽，板式热交换器的调节阀一开就可以开始接受输送到的热能，几乎不存在时间差得问题。

这一问题在技术上是无法克服的，需要依赖提前启动系统运行，这样必然会带来能源的部分损失和浪费以及增加人力的投入。另一方案则是循环水泵在锅炉停止运行的同时一并停止，但与目前锅炉运行规程不符且增加了锅炉和管网的不确定因素。

（3）存在的安全隐患。

热水供热系统的运行特点使得管网上的波纹补偿器形成安全隐患。因为运行中会发生流经波纹补偿器的热水温度在回水温度（54℃）和供水温度（100℃）之间的突变，且发生的频率较高。这样，即使波纹补偿器能够承受，但其疲劳寿命也将大为降低。此外，当热水循环泵停止时会产生一定的逆流，这也是波纹补偿器设计中不考虑的，构成又一不确定因素。

而上述问题在蒸汽供热系统中都是不存在的。因为蒸汽供热系统除了每个采暖季投运、停运和管网抢修时引发波纹补偿器动作以外，其余时间波纹补偿器都是在同一工况下稳定工作，不会有明显变化，即一个采暖季只有2—5次的变动。而蒸汽供热系统的压力导向为从锅炉到板式热交换器，根本不会发生逆流。

由此可以得出结论，热水供热系统的波纹补偿器使用寿命一定会低于蒸汽系统的，需要在运行中密切关注。

（4）不足之处。

能源中心热水供热系统的不足之处在于不能满足低负荷下的运行。由于设计节能和管理节能的措施到位以及连续的暖冬，即使在“三九”天气也会发生因气温偏高、日照条件较好使得候机楼需求急剧降低，导致系统运行负荷低于1台热水锅炉的最低工作负荷，最终致使锅炉被迫熄火。

而当锅炉重新具备运行条件时，整个热水供热系统的热力平衡已完全被打破，必然产生供热系统调节以及管网运行的震荡。

5 经验和提高

5.1 经验和体会

通过能源中心大体量高温热水供热系统在设计、建设、调试直至运行整个过程的介绍和分析、比较，我们明显得到热水供热系统的优势在于节能和节约水资源，但同样明显的缺点在于带来的运行难度。

当然，由于大体量高温热水供热系统在虹桥机场能源中心的应用，是上海地区该供热方式在如此规模体量下的首次应用，必然存在一些考虑不足。这也是任何一项技术推广过程中肯定会遇到的问题，需要相关各方继续努力，通过技术和管理手段去完善的。

5.2 完善和提高

就虹桥机场能源中心的大体量高温热水供热系统，目前依靠增设再循环加热管及控制调节阀的方式初步完善了系统，实现了需要变化的管网系统和需要稳定的锅炉系统之间的紧密结合，也实现了整个热水供热系统运行的联动和全自动。但其调节的范围还需要通过逐步地研究和试验加以明确，如果不能覆盖运行需求还需要采取进一步的完善措施。

同时可以考虑在能源中心锅炉房预留位置上安装1台4—5MW的锅炉，满足系统低负荷下的运行，避免原有系统一些问题和矛盾的爆发，消除部分安全隐患，。

此外还需要加强运行管理，在采暖季运行时严密监测波纹补偿器的工况以及锅炉和管网的运行参数，并对相关数据进行分析和计算，以便发现问题及早进行处理。对其它可能的问题，则需要制订更为详细的运行指导和调控方案，依靠运行操作人员、专业技术人员和运行管理人员的高度责任心和工作能力来把握。

当然我们也需要进一步研究如何使适宜北方稳定、大负荷需求运行条件的高温热水供热系统，也能够适应上海地区负荷变化较大的运行条件，从而使其在节能的优势得以充分发挥地基础上，又能满足运行调节的需要。

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