污水调节池及污水取排系统在污水热能利用中的设计研究

2012-08-03吴德珠廖坚卫赖文彬孙德兴张承虎

制冷 2012年3期

吴德珠,廖坚卫,赖文彬,孙德兴,张承虎

(1.广东省建筑设计研究院,广州510010;2.哈尔滨工业大学,哈尔滨150006)

1 引言

近年来,随着我国环保和节能政策的有力实施,污水源热泵系统供热空调技术得到了普遍的重视和迅速的发展[1]。由于污水流量及污水温度是连续变化的,同时建筑负荷也是逐时变化的,而且往往两者之间的变化趋势是相反的,要扩大污水源热泵系统供热空调面积或实现工程全面的污水源热泵供热空调,需要设置污水调节池,对污水供应量进行移峰填谷[2]。污水的顺畅取得及排放是工程成功的第一步,因此污水取排及污水泵房的设计与施工就突现出相当重要的作用,而系统设计的关键内容是污水取水口和排水口的布置以及系统取水方式的选择。

2 污水调节池的设计

2.1 几个概念

当污水进口温度确定时,忽略各项因素对机组COP的影响,把机组COP看作定值,污水的冷热供应能力由参与换热的污水流量大小来决定[3]。

假设一个夏季工况的污水源热泵系统中,存在一个体积为V*的污水调节池,且已经蓄满了污水,则应该有如图1所示的这样一个关系。

图中,V*是污水调节池的体积,Q*表示污水调节池在蓄满污水的情况下能提供的最大冷量,Qi(τ)表示进入污水调节池的瞬时冷量,Qo(τ)表示从污水调节池瞬时取走的冷量,Q′(τ)表示污水调节池体积不够大时,可能从污水调节池中瞬时溢出的冷量。

一天中 (一个周期T内),污水温度变化幅度不大,忽略污水进入污水调节池时温度的变化,同时假设污水调节池没有冷量损失,忽略污水由于不同温度混合产生的熵产,用Q*表示污水调节池在蓄满污水的情况下能提供的最大冷量,它是一个定值。

式中:

△twm—污水平均可利用温差,定义

—污水的体积流量,是时间τ的单值函数,m3/s;

T—设计计算周期,一般为24h。

瞬时进入污水调节池的冷量和瞬时从污水调节池取走的冷量可分别表示为:

式中:

A—系统能供热 (或供冷)的建筑面积,通常是未知量,m3;

(τ)—单位建筑面积瞬时冷负荷,W/m2。

假设在一个变化周期内 (一般为1天),时刻序列[τj]是Qi=Qo的时刻,[τ2n-1,τ2n](n=1、2…)时段Qi＞Qo(流量富余时段),[τ2n,τ2n-1]时段Qi＜Qo(流量不足时段),那么流量富余时段富余的污水冷量 △Q1可表示为:

图2 进入和流出污水调节池冷量关系图

流量不足时段需从调节池补充的冷量为:

富余的冷量将储存于污水调节池中,进入污水调节池的瞬时冷量不足于提供从污水调节池取走的冷量时,将通过储存于污水调节池里的冷量补充。

2.2 污水调节池的临界体积

当污水厂出水逐时流量不能实现工程全面积污水源热泵供热空调,而污水日总流量可供面积大于实际需要的供热空调面积时,可以设污水调节池蓄水以满足系统需水要求;由于污水流量及污水温度是连续变化的,同时建筑负荷也是逐时变化的,对于给定的污水源,合理地设置污水调节池可以实现更大建筑面积的污水源热泵供热空调。

污水调节池用来存储[τ2n-1,τ2n]时间段内富余的污水冷量,在实际工程中,如果污水调节池的大小不合适,可能会出现污水调节池能存储的最大冷量Q*与富余的污水量的冷量 △Q1不相等的情况,这也就直接影响着热泵系统的供冷能力。污水调节池蓄冷量恰好等于富余冷量,也恰好等于欠缺冷量时调节池具有的体积叫做污水调节池临界体积。

若污水调节池体积足够大,这意味着,系统设计所需的供冷量的不足部分可以全部由污水调节池里存有的冷量来补充。

在已知污水流量和温度的变化曲线,以及当地相关的气象参数等条件下,通过试算或者数值方法,根据平均流量V·m和污水平均利用温差 △twm、平均冷负荷指标qm的意义,解方程 (6)得出该污水源在调节池足够大时能供冷的建筑面积Amax。

对于给定的污水源,对应Amax的污水调节池体积就是调节池临界体积,因为污水调节池体积再增大,已经没有多余的污水来充满调节池。根据下式可以计算调节池临界体积:

在实际工程中,污水调节池的体积可以在计算理论最优体积基础上考虑1.1～1.2倍的安全系数。设置污水调节池时,需要考虑有足够的空间以满足修建调节池所需的建筑面积,同时还应考虑污水池对周围环境的影响及安全控制等实际问题。

3 污水取排系统设计要点

污水热能利用中,污水取排系统是指污水从取水口,通过输送管道、过滤设备送至机房,换热利用后再通过排放的管道输送回水体的一个完整系统。污水取排系统的设计,不仅关系到系统水量的供应与系统的稳定性,同时涉及到工程投资费用,控制管理与维护,以及市政、交通等方面一系列的规章制度,必须重视。

3.1 取、排水口布置方式

系统取水口和排水口布置的总思路是尽量避免排水口出水直接进入取水口,利用取排水口的空间距离、水域的自然功能和水流动能特性带走使用过的系统排水,尽量减少冷热流道的掺混干扰,达到系统稳定安全取水的目的,同时减少取水利用对周围环境的负面影响。取排水口的布置方式主要分为分列式、差位式和重叠式三种。

3.1.1 分列式

如图3所示,系统取水口和排水口在同一水平面上要保持一个相当大的距离,目的是避免用过的系统排水进入取水水域影响水的换热利用。在我国及世界各国,绝大部分电厂的水循环冷却系统都采用这种布局[4]。其特点是设计施工简便,适用范围广,可靠性高。

图3 分列式取排水口布置图

3.1.2 重叠式

如图4所示,在排水口下面一定深度处布置取水口,取排水口的平面距离为零,它利用不同温度水体分层的现象对水体实行换热利用。重叠式取排水方式的特点是:打破了排、取水口一定要有较大水平间距的传统观点,节省管道及渠道建设投资,管理方便,它的水力热力特性优于分列式。采用重叠式取排水方式的前提条件是水域必须具备有一定的水深和一定的容积。

图4 重叠式取排水口布置剖面图

3.1.3 差位式

如图5所示,取水口在河道中间,排水口在岸边或排水口在河道中间,取水口在岸边。取排水口的距离是同一河道断面垂直水流方向的横间距,这种方式把取排水口间距从水流方向的纵向间距,转移到垂直水流方向的横向间距上来[5],其特点是:排水有去路,取水有来源;同时取排水管线可采用同一渠道,节省投资、管理方便;水力热力特性优于分列式及重叠式。应用差位式取排水方式的前提条件是,水域有较大的横向纵向空间[6]。广东省沙角发电基地二期B、C厂的取排水口的布置[7]是国内使用差位式取排水方式比较成功的工程之一。

图5 差位式取排水口布置平面图

污水源热泵系统的水源可分为城市污水、江水、河水、湖水和海水。当采用城市污水时,由于污水干渠宽度一般在10m以内,且水深不超过1m,其横向空间、纵向空间都相对较小,因此在污水干渠中设置同垂直面的取排水口,必然会造成排水与取水的掺混,降低取水冷热量。因此建议采用分列式的取排水口方式,选择合理的间距将取排水口设置在污干渠同一连通水域的不同区域,充分考虑取水口与排水口之间的相互影响,以保证取排水水域互不掺混。

采用江河湖海水作为污水源热泵系统的水源时,取排水水域在纵向空间和横向空间都有较大的可利用范围,可以根据工程实际情况选择三种方式中最为合理的取排水口设置。当取排水水域有较大的纵向可利用空间时,建议采用重叠式取排水方式以减少工程管道渠道投资费用;当取排水水域有较大的横向可利用空间时,建议采用差位式取排水方式以保证系统取排水的安全可靠性。

在工程实际中,应根据实际水文地形条件,充分利用水域的自然功能和水流动能特性,利用平面和立面差位,合理选择取排水口设置方式,达到系统经济、高效、节能、安全等综合目的。

3.2 污水取水方式

污水源热泵系统的主要取水方式可以分为:全淹没湿式取水,干式水泵取水,自吸水泵取水[8]。

3.2.1 全淹没湿式取水—潜水泵取水方式

利用污水潜水泵安放于污水调节池中或者污水干渠中直接取水,或在污水调节池附近设置取水井,引水入井再用污水潜水泵取水,如图6所示。

图6 潜水泵取水方式示意图

优点:a.全淹没湿式取水安装布置简便,工程造价低,节省泵房空间,适用于机房空间较小的情况;b.污水潜水泵能适应各种污水水质,系统相对安全可靠;c.取水口的设置灵活,可高可低,根据系统需水量和污水干渠排水量设置,取水井还可兼顾蓄水的功能,实用范围较广。

缺点:a.在系统没有污水调节池时,污水干渠中设置污水潜水泵,在一定程度上会影响污水干渠的正常排水,必须得到市政单位的同意;b.污水潜水泵必须全部淹没于污水中,只能用于污水排量较大的污水干渠中;c.将污水潜水泵置于污水干渠中或者污水调节池中,必然会大量将沉积于底部的淤泥杂质一并带入系统,加大系统除污过滤的负担;d.污水泵的清理维护不便。

3.2.2 干式水泵取水

用干式水泵从污水调节池取水,或者开凿引水渠污水干渠引水,再用干式水泵取水。方式需设置水泵房(一般可设置于主机房内),且泵房底面高度或水泵吸入口要低于水源最低液面0.7m左右,污水经短距离自流管线进入污水泵吸入口,如图7所示。

这种方式优势在于:设计施工简便,设立单独的水泵房或将水泵置于主机房内,便于水泵的统一管理与维护;密闭性好,对周围环境影响较小。