防冻液供热系统设计及运行

摘 要

摘要：对于防冻液作为供热介质的供热系统，探讨了防冻液的选择、设备选型，与热水供热系统进行了经济性比较。分析了在投产试运行中的注意事项。关键词：防冻液；供热系统；设计；运行Desi
摘要：对于防冻液作为供热介质的供热系统，探讨了防冻液的选择、设备选型，与热水供热系统进行了经济性比较。分析了在投产试运行中的注意事项。
关键词：防冻液；供热系统；设计；运行
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
    在输油气管道的场站建筑中，作为供热热源的全自动燃油锅炉一般为无人值守，且不设计备用，当锅炉在运行过程出现停炉时，由于供热介质为水，随着温度的下降会发生冰冻，特别是在高寒地区，易出现供热管道和散热器冻裂的现象。为使供热介质不冻结，一般选用防冻液作为供热介质。这样供热系统的设计可以进一步优化，取消补充水软化和除氧装置。本文对供热介质采用防冻液的供热系统设计及运行进行探讨。
1 防冻液的选择
    防冻液的种类有很多种，适合作为供热介质的防冻液有氯化钠、氯化钙等盐水溶液以及乙二醇、丙醇等有机化合物的水溶液。氯化钠、氯化钙等盐溶液具有安全、无毒、导热性能好、价格低的优点，的缺点是在有空气存在的情况下，对大部分金属有很强的腐蚀性。乙二醇水溶液相对安全，腐蚀较低，导热性能好，价格适中，但它在低温工况下度会增加，增加了流动阻力。
   基于以上分析，类似工程在选择防冻液时，考虑到储存防冻液的箱体为常压设备，有空气进入箱体，容易腐蚀箱体。并考虑到乙二醇水溶液只有在低温下黏度才会增加，在供热系统的供回温度范围内的黏度变化可以接受。因此，选择乙二醇水溶液作为防冻液，乙二醇的质量分数为35%。乙二醇水溶液与水的升温时间对比见表1。由表1可知，在相同条件下，乙二醇水溶液由16℃升至26℃，所需时间为0.52min；水由16℃升至26℃，所需时间为1.07min。随着温度的升高，升温时间的差距会越来越大。
表1 乙二醇水溶液与水升温时间对比
升温区间/℃
16—26
26—36
36—146
46—56
乙二醇水溶液升温时间/min
0.52
1.50
3.02
4.01
水升温时间/min
1.07
2.15
3.41
4.47
升温区间/℃
56—66
66—76
76—86
86—96
乙二醇水溶液升温时间/min
5.17
6.40
8.06
10.O5
水升温时间/min
6.17
8.10
10.25
13.12
2 主要设备选型
   ① 锅炉选型
   该项目位于兰州地区，供热面积约4506m2，供暖热负荷为312kW，选用1台350kW的全自动燃油锅炉，燃料为原油，供热介质选为乙二醇水溶液，供液温度为95℃，回液温度为70℃。
   ② 循环泵
   总设计流量为14m3/h，供热半径为800m。乙二醇水溶液与水在流速为0.5～1.0m/s时的物性参数见表2。比摩阻取30～80Pa/m为宜。
表2 乙二醇水溶液与水在流速为0.5～1.0m/s时的物性参数
介质
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
    在热网中水的流速常取0.5～1.0m/s，其流态处于阻力平方区，在此区域内，摩擦阻力系数仅取决于管壁的相对粗糙度[1]。以水为供热介质时摩擦阻力系数λw的计算式为：
 
式中λw——以水为供热介质时摩擦阻力系数
    K——管壁的当量绝对粗糙度，mm，一般取0.5mm
    d——管子内径，mm
    该工程的供热管道规格为Φ89×4，由式(1)计算得λw=0.031。
    在流速为0.5～1.0m/s时，由于乙二醇水溶液黏度较大，雷诺数的范围为2800～5000，其流态为湍流，处于水力光滑管区[1]。在此区域内，以乙二醇水溶液作为供热介质时摩擦阻力系数λg的计算式为：
 
式中λg——以乙二醇水溶液为供热介质时摩擦阻力系数
    Re——雷诺数
    v——乙二醇水溶液在管内的流速，m/s，取1.0m/s
    υ——乙二醇的运动黏度，m2/s
    μ——乙二醇水溶液的黏度，Pa·s，按工程最不利状况计算，取70℃时的黏度17.5×10-3Pa·s
    ρg——乙二醇水溶液的密度，kg/m3，取1060kg/m3
    对于相同管径，由式(2)～(4)计算得λg=0.038。由计算结果可知，对于相同管径，分别采用乙二醇水溶液和水时，摩擦阻力系数大致相同。
比摩阻R的计算式为：
 
式中R——比摩阻，Pa/m
    λg——摩擦阻力系数
    ρ——供热介质密度，kg/m3
    qm——供热介质的质量流量，kg/h
    由式(5)计算得，采用乙二醇水溶液时比摩阻为72Pa/m，采用水时比摩阻为65Pa/m，二者大致相当。经设计计算，选择2台循环泵，流量为25m3/h，扬程为32m，1用1备。
   ③ 水处理装置
   乙二醇水溶液化学性能稳定，不腐蚀金属，不结垢，因此不设置水处理装置。
3 技术经济性比较
    以该工程为例，对分别采用乙二醇水溶液和水作为供热介质的供热系统进行经济性比较。采用两种供热介质的供热系统造价、年运行费用见表3。由表3可知，虽然采用热水的供热系统需增加水处理装置，但添加的供热介质(水)比乙二醇水溶液的价格低很多，因此两种供热系统的造价大致相当。采用乙二醇水溶液的供热系统优势在于：在系统停运时，系统内供热介质不冻结，保证供热管道与散热器不冻裂，但运行费用比热水供热系统稍高。
表3 采用两种供热介质的供热系统造价、年运行费用
供热介质
乙二醇水溶液
水
系统造价/元
49.27×104
49.20×104
年运行费用/(元·a-1)
17×104
16×104
4 运行及注意事项
    乙二醇水溶液供热系统在试运行前，需向防冻液箱补充合格的乙二醇水溶液，开启锅炉出口总阀，通过补水定压泵向锅炉充乙二醇水溶液(此时管道内已充满乙二醇水溶液)，同时应向防冻液箱内不断补充乙二醇水溶液，直至将整个系统充满。然后开启循环泵，进行冷态运行，检查系统有无泄漏现象，并在管道高点进行排气，检查止回阀是否有效。检查系统压力，并做好及时补充乙二醇水溶液的准备，检查各种仪表是否完好有效。
   冷态启动锅炉应缓慢升温，系统中过冷循环液体需渐开阀门参与循环，并观察锅炉压力是否在许可范围内，不可超压运行。开启燃料油阀，检查燃料油管道的各连接处是否完好，确认燃料油无泄漏。关闭燃料油阀组附近的阀门，设定锅炉出口温度，打开启动开关，锅炉试运行，并确认有无异常或异响。打开燃料油阀组附近的阀门，锅炉启动。
   若发现供热管道有泄漏现象，需进行维修，维修后对系统升压进行检漏时，建议隔离锅炉，即关闭锅炉进出口总阀。检漏降压后，锅炉按正常程序投入运行。锅炉升压需在环境温度大于5℃时缓慢进行，即进入锅炉的乙二醇水溶液温度宜大于5℃，这样不会造成炉管的脆性破坏。
    锅炉在停炉后再次点火时，仍需缓慢升温，若升温过快，且补充大量乙二醇水溶液(温度可能低于0℃)，易造成局部应力过大导致炉管破裂。
5 结语
    对于供热系统采用何种供热介质，应视具体的工况而定，防冻液供热系统适用于高寒地区的小型无人值守的供热系统。小型供热系统泄漏点不多，补充的防冻液不多，相对于热水供热系统运行费用不会有很大的增加。对于中、大型供热系统建议还是采用传统的热水供热系统。
参考文献：
[1] 贺平.孙刚.供热工程[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，1993：64-66.
 
(本文作者：樊梦芳 谢开明 中国石油工程设计有限公司华北分公司 公用工程室 河北任丘 062552)