化工园区优化输配集中供热系统

化工园区优化输配集中供热系统

马亮

南京化学工业园公用事业有限责任公司，江苏 南京 210048

摘要：针对化工区集中供热，化工企业既是耗能大户，又极具节能潜力的现状。笔者提出应从实际出发，从设计、生产到管理和技术改进，真正实现能量的充分利用，以取得改善环境，节能降耗增效的整体效果。

关键词：化工园区；企业；余热利用；节能降耗；增效；智慧供热

引言

为了提高能源效率，优化供汽分配管理，集中解决脱硫、脱销等环保问题，更好地保护环境，提高土地利用率和化工区整体经济效益，实行集中供热。园区管网是架空铺设，电厂生产1.5MPa、2.5MPa、4.3MPa三个等级的蒸汽通过热力管道输送给热用户，由于企业使用蒸汽等级不同，加之输送距离远，范围广，热用户多，存在散热损失因素。致使处于下游的化工用热企业蒸汽品质下降，影响企业生产。需在布局规划上进行分析，合理利用化工企业余热，提高整体运行效果，提高蒸汽热能使用效能，提高生产效率。

1 现存问题

1.1 化工园区集中供热现状

化工园区前期建设招商引资中，由于热用户对入驻项目，地块大小，环境条件等需求不同，造成选址、布局上的随机性和分散性，给地域功能区分、布局与建设带来了困难；所有的入驻企业不可能同一时间入驻，前期园区规划的热负荷和最终的热负荷能否一致存在很大的不确定性；园区企业申报供热负荷的时候往往会放大企业的用热负荷，加之前期规划企业位置和实际区别，往往造成热网的管径较大，管线较长，供热半径不合理，加之供热自身存在热交换、管线补偿、沿程阻力等不利于传输因素，致使在运行中降低了原有的蒸汽品质和增加了蒸汽损耗。

1.2 化工企业生产现状

近些年，随着我国国民经济的发展，化工行业的发展态势稳定且持续向好，化工园区集中度进一步提升，化工园区的规模不断扩大，化工企业进行规模调整、改造提升和产业结构优化，蒸汽参数、品质、需求量等问题，严重制约着化工企业的发展。化工企业不仅在装置供汽和用汽设备较以往规模及数量上有了很大的提高，而且蒸汽对于化工企业的使用也表现出了多元化的发展态势。比如大多数化工企业用来加热、干燥、加湿、灭菌、产生动力、消防应急等。企业生产用汽与电厂供汽能力的矛盾日益突出。蒸汽是化工企业生产中重要的能源构成部分，蒸汽的压力、温度等相关参数的平稳，关乎到化工企业能否安全高效地生产出高质量产品，关乎到能源的使用效率，关乎到企业的经济效益及生产的安全平稳运行。众所周知，有些化工装置生产中伴有放热现象，有些企业配有锅炉，在其生产过程中产出的热量也是相当可观的。若企业能够重视，除用以降低能源成本外，考虑蒸汽能源利用率的优化，作为优化生产价值战略的一部分。通过热交换装置，升温升压，汽水分离后产出一定品质的蒸汽应用于生产。不但能够变废为宝，更能够节能降耗，产生经济效益。

为了充分利用能源，满足企业对蒸汽的使用要求，需要在布局和规划上很好的进行分析，充分利用化工企业余热，提高运行及供热使用效果，建立起化工企业自产汽与化工园区蒸汽管网间的输送。

2 化工企业的余热回收利用

2.1 合理布局

确保安全和降低系统造价是规划设计的主要内容，根据化工园区用热特点，确保用热安全尤为重要。确保安全不仅要求蒸汽管网本身的运行安全，还需要在规划设计阶段考虑如下问题：一是确保整个蒸汽供热系统的连续稳定供热；二是接入点周边有连续稳定的下游用汽企业，且周边企业对蒸汽品质要求不严格或增加简单可靠的处理设施后能够满足下游化工企业的生产要求。

2.2 匹配化工企业接入点的余热回收

向园区供热的化工企业接入点压力、温度最好可调且压力高于园区的供热压力，温度差异不宜超过50℃；根据化工企业供热的蒸汽品质参数、供热能力，下游用户的分布情况、用汽能力，仪表规划接入方式、路径、管径的计量要求；选择合适的管材、管径、阀门等建立管线连接。从接入点引蒸汽进入园区管网不仅可以提高园区管网整体运行压力，还可以减少沿程热损失，提高经济效益及能源利用率。

2.3 接入点管道设计

蒸汽在高压下比大气压下占用的容积小，压力越高，输送同等质量的蒸汽需要的蒸汽管道管径就越小。因此，在新建时，就需要考虑选择正确的管道尺寸，避免因管道尺寸选型过大，致使管道表面积增大，导致因蒸汽管道热对流、热交换、热辐射所带来的损耗。反之，使用过小管径的蒸汽管道将限制在给定流速下能够分配的蒸汽流量。所以必须针对工厂在可接受流速下的最大蒸汽流量来确定蒸汽分配管道的尺寸，确保蒸汽管道既不会因选型过大而浪费过多热量，也不会因选型过小而限制流量。当然，在选择正确的管道尺寸时，还必须考虑压力损耗。

企业蒸汽支管应从蒸汽主管道的顶部接出，蒸汽支管道上的切断阀应安装在靠近蒸汽主管道的水平管道上，避免在生产运行中产生凝液。在蒸汽管道的U形弯补偿器上，不能引出蒸汽支管道。若需要在U形弯补偿器两侧的蒸汽直管道上引出支管道时，支管道不得阻碍蒸汽主管道的变形或位移。如因蒸汽主管道受热膨胀而导致蒸汽支管道引出点位移，不得使蒸汽支管道承受应力过大、位移过多。

在选用保温材料时，应选择符合当地规定和最佳经济厚度的材料对所有的蒸汽管道、法兰和其他配件、控制阀、减压阀和其他阀门进行保温处理，这样能使运行期间损耗到大气中的热量降到最低。其中对蒸汽疏水阀及其相关管道进行保温前，应考虑各种蒸汽疏水阀适用范围及工作原理。建议倒吊桶式疏水阀做半保温保护，自由浮球式蒸汽疏水阀、杠杆浮球式蒸汽疏水阀做全保温进行保护。而热动力和热静力形式的疏水阀，当进行保温后，将会延长疏水阀关闭的时间，从而阻碍疏水阀内的冷凝水的正常排放，因此这两种工作原理的蒸汽疏水阀，不适合做保温。

接入点应能够监测到园区、企业及蒸汽混合后的压力、温度、流量等参数，以便于实时调度、调整平衡。接入点园区上游蒸汽的温度应特别注意，应不发生供热反向流动或长时间停滞的现象，确保蒸汽正向流动供给。为保证供热的连续性，管道应区分主次，两组蒸汽管线根据蒸汽供给能力及化工用热企业分布情况确定接入方式。园区管线及企业管线的连接形式如图1，图2。园区、企业两方各自通过两端阀门独立控制，逆止阀保证蒸汽的单向流动，这样设计可使蒸汽供需间相互独立，最大限度地保证双方蒸汽管线的长期持续稳定生产运行。如若其

图一 接入点连接方式  图二 接入点连接方式     图三 蒸汽疏水设置方式

中一组出现故障时可马上将其解列，切换至另一组独立供热，保证供热的持续稳定性；还可保障园区、企业因临时汽源紧张或应急情况下的补充用汽。若企业对压力波动较敏感，可在进入企业内部蒸汽管线上设置安全阀或警报装置，并将信号引入调度中心，以便于在线监控与现场的应急处置。

2.4 蒸汽管网疏水设计

蒸汽冷凝水是一种高温可压缩、易产生闪蒸或汽化的液态流体，而非一般意义上的流体。在产品设计时，需比较多的考虑其众多特殊性因素带来的负面作用，如闪蒸、空化、蒸汽绑、空气绑、水锤等。否则极易造成生产设备设施寿命短，换热设备无法正常排放冷凝水及生产产品品质的不稳定等常见问题。设计人员往往只考虑流体力学的基本理论，而忽略了蒸汽介质的这些非常独有的性质，致使出现较多设计缺陷。

电厂生产蒸汽通过热力管道输送给热用户，因距离远，范围广，热用户多，存在热交换、阻力等不利于传输的散热损失因素，部分蒸汽在传输途中逐渐产生凝结水，若不及时排除，在管道改变走向处可能产生水击，造成震动、噪声甚至应应力造成管道破裂；另一方面当企业外供热汇入园区蒸汽管网时，若汇入点下游企业用汽量小于外供汽量时，会出现压力的动态平衡点，瞬时流量为零，导致蒸汽就地冷凝，蒸汽含水量增大，蒸汽及管道温降大，不利于管网的稳定运行。所以蒸汽管道每隔30-50米距离及最低点、立管下端、末端、减压阀和调节阀的前端等均应设置启动疏水与连续疏水。启动疏水是在投运的暖管过程中通过手动阀门排除所产生的冷凝水；连续疏水是在生产运行过程中通过疏水阀门自动排除蒸汽供热设备和蒸汽管道中的冷凝水、空气以及其它类不凝性气体，达到自动阻气排水的效果，以便于蒸汽管道及设备快速达到正常运行状态，避免不必要的浪费。疏水阀须对生产制造、设计选型、规范安装、管理使用等全过程实行质量管理。蒸汽疏水阀的选型与配置应符合使用条件，应考虑疏水阀能够承受系统最高工作压力和最高工作温度，阀门前后端压力差，系统疏水负荷，实际工况的工艺要求、压力等因素，选用合理的型号，确保蒸汽疏水及时、顺畅、经济。园区设计疏水如上图3所示。特别需要注意到架空敷设的双向供热蒸汽管道的爬高处两侧应设置疏水且蒸汽疏水阀的安装方式要正确。

3 运用智慧供热调度系统优化热源分配

智慧供热是“互联网+供热”的具体应用，利用物联网、大数据、地理信息系统等先进信息技术，通过数据采集及存储、管理、检索和维护热力管网中的各类设备的拓扑逻辑和属性数据，实现供热管网信息、仿真分析数据、运行监控数据、决策优化数据的可视化展和管理。可建立覆盖“源-网-荷-储”全过程的工业园区蒸汽热网的数字化孪生系统，最终实现系统级的动态监控、远程操控及科学调度等功能。

蒸汽需要”高压输送、低压使用”，这样可以更有效的提高热源利用。使用智慧供热调度系统，可以更加合理、科学、快捷、准确地对热网运行提供调度运行决策方案，优化调度方法，更好地服务化工园区企业。同时也对生产运行决策过程中的利弊权衡提供了更全面、更有效的数据支持。根据智慧供热调度方法优化所得的调度方案进行园区与化工企业、化工企业与化工企业间相应热源的负荷调度分配。在热源故障及检修过程中，能够最大限度地降低其对热网生产运行过程中的不利因素影响，尽可能地提升用户的用汽品质与运行安全，为化工园区调度决策提供有力保障。

4 结语

化工园区利用企业余热进行资源整合，蒸汽供热管道布置有其一定的特点，需要根据其自身的特点对热网进行优化并根据化工用热企业的需求合理布置管道。结合运用智慧供热调度系统，可使园区蒸汽供热系统更安全更稳定更高效地连续运行。此方法不仅能够减少投资和节约土地占用，缓解供热矛盾，符合国家节能减排的相关政策，而且能够给供热方和用热方带来显著的附加经济效益。

参考文献：

[1]余杏文，南方工业园区集中供热模式探讨[J].区域供热,1994(2):102.

[2]许昌东.浅析化工工艺中的节能措施[J].华章，2014(27):101-111.

[3]刘佳丽.化工工艺中常见的节能降耗技术措施探析[J].中国化工贸易，2014(10):76-85.

[4]洪方驰,王叶飞,孙海龙,等.基于数字孪生模型的工业供热系统调度平台[J].煤气与热力,2020,40(05):13-16.

[5]薛亚.智慧热网推动供热企业实现节能减排[J].科技资讯,2020,18(05):48-50.