为改善北京市大气环境质量,还北京一片蓝天,自1998年以来北京市市区不再批准新建燃煤锅炉房,并对现有的燃煤锅炉房进行改造(改造成燃用清洁燃料——天然气、轻柴油或电等),按照计划北京市将分步将14MW以下的燃煤锅炉全部改造成燃用清洁燃料。北京市通过采取包括燃煤锅炉房改为燃用清洁燃料在内的一系列环保措施,空气质量有了明显的改善,1998年北京市2级及好于2级的空气质量为100天,2005年增加到230天。

    北京市燃煤锅炉房改用清洁燃料的技术改造主要有以下方式:采用燃气锅炉、燃油(轻柴油)锅炉、电锅炉、水源热泵、热力站(采用北京市热力公司提供的高温热水为热媒,通过二次换热向用户提供采暖热水等热负荷)。其中燃气锅炉无论在锅炉的数量上还是在总安装容量上都占了很大的比例,其次是燃油锅炉。燃气(油)锅炉房与燃煤锅炉房相比的优点是:占地面积小、工作环境好、污染物排放量低、有利于环保;最大的缺点是燃料成本大幅度增加(燃气锅炉房的燃料成本约是燃煤锅炉房的4倍)。所以在燃油(气)锅炉房的工程设计中要充分考虑燃气锅炉的特点,首先要安全,其次应节能。下面介绍我们在燃气(油)锅炉房工程设计中所采取的节能措施。

    二、热负荷统计与分析

    锅炉房服务区内的热负荷资料是锅炉房设计最基本的原始资料,通过对热负荷的统计与分析可以科学确定锅炉房的安装容量和热力系统,使锅炉房安全、可靠、经济运行。热负荷的种类主要有采暖热负荷、生活热水热负荷和生产热负荷,以上三种热负荷各有如下特点:

    2.1采暖热负荷

    ※采暖热负荷是季节性负荷

    一般情况下当室外平均气温下降到5℃时开始采暖,对于北京市冬季采暖自当年十一月十五日开始到次年三月十五日结束,一年中采暖期为121天。

    ※采暖设计热负荷基本上是采暖最大热负荷

    采暖设计热负荷应采用在当地冬季采暖室外计算温度(北京市为-9℃)下根据建筑物的维护结构计算得到的热负荷,基本上反映了冬季最冷日子里所需最大热负荷。

    ※采暖热负荷在采暖期内是波动的

    采暖期内室外实际温度是变化的,不同的室外温度条件下,所需的热负荷是不同的,当建筑物围护结构确定后,建筑物采暖所需热量与室内外温差成正比(忽略了光照及风力的影响),即:

    Q=Qs*(tn-tw)/(tn-twj)

    式中:Q为采暖季实际热负荷

    Qs为采暖季设计热负荷

    tn为室内设计温度

    tw为采暖季室外温度

    twj为冬季采暖室外计算温度

    ※不同性质(用途)建筑物的采暖要求是不一致的
对于住宅类建筑物,白天大部分居民离开住宅去上班或上学,留在住宅的居民较少,其热负荷的实际需求量相对较小,晚上下班或上学的人们纷纷回到家,晚上实际需求的热负荷比白天大得多。若每户的室内温度可根据需要调节(比如分户计量),晚上与白天的采暖热负荷相差是很明显的,前几年曾风靡一时的壁挂炉采暖装置就是利用白天和晚上所需热负荷的差异来节约能源、降低运行成本的。
    办公楼的采暖特点是白天人员集中,人员走动频繁,室内温度应达到设计值(一般为18℃),创造—个舒适的工作环境。而晚上和节假日,除个别值班人员外整个办公楼是无人的,完全有条件将办公室的室内温度降低,甚至可以降到保证采暖水系统不冻的水平。学校教学楼的采暖特点除与办公室相似,还有一个较大的特点是在严寒期学生放寒假回家,留在学校的学生很少,也就是说,教学楼在严寒期其室内温度可以降低,其设计热负荷也可以根据情况适当降低。

    ※室内采暖系统不同,其热负荷参数有差异

    室内采暖可以采用散热器,也可以采用空调(风机盘管)送热风。对于采用散热器采暖,其供/回水温度一般为95℃/70℃,当采用空调采暖时,其供/回水温度一般为60℃/50℃。

    现在高层建筑越来越普遍,为供热系统水力平衡,适当降低部分散热器的承压能力,往往将采暖系统分为高区和低区。高低区采暖系统的运行压力不同,相应散热器承压能力也不相同。

    2.2生活热负荷

    生活热负荷是指生活热水所需的热负荷,随着人们生活水平的提高,生活热水在生活中的使用越来越广泛,生活热负荷占锅炉房总热负荷的比例也越来越大。生活热水负荷根据热水供应系统的不同,可分为连续热负荷和间断热负荷。

    ※连续热负荷

    连续热负荷是指24小时供应生活热水所需的热负荷,比如高档住宅、医院、宾馆等等。由于连续热水供应系统用水量变化幅度大,从而造成热负荷变化幅度大,以住宅为例,夜里热水用量很低几乎为零,晚上则热水用量很大。在连续热水供应系统中有小时最大流量和秒流量两种计量方法。小时最大流量是指一天之中在1个小时内最大用水量,其对应的热负荷为小时最大热负荷。秒流量是指一天之中在5秒内的最大用水量。在计算锅炉房热负荷时采用哪种热负荷与生活热水换热型式有关,当生活热水换热系统采用容积式换热器(可储存小时最大热负荷75%以上的热量)时,应采用小时最大热负荷;当生活热水换热系统采用即热式换热器时,应采用热水秒流量所对应的热负荷。为避免锅炉房热负荷波动范围过大,也为保证热水供应系统的可靠性和稳定性,最好采用容积式换热系统,此时锅炉房计算热负荷采用生活热水小时最大热负荷。小时最大热负荷是小时平均热负荷乘以小时变化系数。小时变化系数与热用户数量、性质等有关,具体见《建筑给排水设计规范》(GB50015-2003)中相关内容。

    ※间断热负荷

    厂矿企业及学校等单位定时开放的热水供应系统(一般为浴室)所需的热负荷为间断热负荷。定时开放的热水供应系统一般都有一个热水箱,在开放之前首先将水箱中的水加热到一定的温度。该系统热负荷的计算应按所有热水器具(淋浴喷头等)同时使用考虑,

同时应考虑热水箱的容积、热水供应温度、开放时间等因素。
    2.3生产热负荷

    生产热负荷根据热用户的特点进行统计分析,应分清是常年热负荷还是季节性热负荷,是24小时连续负荷还是间断性负荷。弄清生产热负荷的性质及变化规律,从而使锅炉的总安装容量和锅炉安装台数能够较好地适应生产负荷的变化规律。

    三、锅炉安装容量及数量的确定

    3.1锅炉房的安装总容量应满足外界热负荷的最大需求

    锅炉房的安装总容量应满足锅炉房服务区内各类热负荷的最大需求,一般按下面原则确定:

    ※采暖热负荷——按冬季采暖设计负荷;

    ※生活热水热负荷——为了避免锅炉房安装容量偏大和热负荷波动过大,生活热水制备系统最好采用容积式热交换设备,其热负荷按小时最大热负荷计入。

    ※生产性热负荷——根据生产工艺特点确定。

    上述各类热负荷根据各自热负荷特点合理乘以一个同时使用系数叠加后即为用户所需求的总热负荷,用户所需求的总热负荷再计入热用户到锅炉房的热损失后为折算到锅炉房出口的热负荷,折算到锅炉房出口的热负荷计入锅炉房自用热(含热损失)后为锅炉房设计热负荷。

    计算出锅炉房设计热负荷后根据锅炉的规格型号确定锅炉房锅炉安装总容量,锅炉房锅炉安装总容量应大于锅炉房设计热负荷。鉴于燃气锅炉可靠性强,维修量小,对于有采暖热负荷的锅炉房可以不设备用锅炉,在非采暖季加强锅炉的维护和维修。

    3.2锅炉的容量和数量应适应热负荷的变化

    对于外界热负荷的变化,首先通过锅炉容量和数量的组合进行粗调,在此前提下再通过自动控制系统进行细调,以达到满足外界需求节约能源的效果。

    对于有采暖负荷的常年运行锅炉房首先要保证在采暖季和非采暖季锅炉房正常运行和经济运行。一般情况下采暖季和非采暖季热负荷相差都比较大,而燃气锅炉负荷调节范围一般为30%~110%,当外界需求热负荷不足锅炉房最小容量锅炉的30%时,不仅会造成能源的浪费,同时还会造成锅炉无法正常运行。在这种情况下,可以采用大小炉搭配的方式,采暖热负荷是随天气的变化而变化,在采暖初期和末期,外界需求热负荷只是设计热负荷的50%(北京地区)甚至更低,锅炉容量和数量的选择应适应这种变化同时尽量使锅炉在采暖季内均在较高的热效率下运行。

    3.3应用实例

    某研究所锅炉房的热负荷有生产热负荷(蒸汽负荷)、生活热水负荷(浴室以及住宅24小时热水)、采暖热负荷以及夏季冷负荷。

    经过对上述热负荷的分析统计,锅炉安装容量为2台6t/h和3台13t/h的燃气蒸汽锅炉,总安装容量为51t/h,略大于冬季锅炉房所需安装总容量。生产用蒸汽和溴化锂制冷用蒸汽由锅炉蒸汽系统直接供应,其他热负荷通过热交换方式外供。
在采暖季以3台13t/h锅炉为主力,在严寒期运行全部5台锅炉;在春秋季运行1~2台6t/h的锅炉;在夏季运行1台13t/h和1台6t/h的锅炉。通过以上组合,一年四季锅炉都在比较高的负荷率下运行,运行热效率均在设计热效率附近,所以锅炉房整体热效率比较高。
    四、锅炉房热力系统的确定

    锅炉房的热力系统应综合考虑热负荷性质、投资和运行成本等因素确定,对于燃气锅炉房首先考虑热负荷性质,满足热用户需求,其次考虑运行成本。

    4.1满足热用户需求

    锅炉房热力系统首先根据服务区内各种热负荷的性质确定,满足各类热用户的需求,即设置不同的热力系统分别满足采暖热用户、生活热水热用户和生产热用户的需求。对于采暖热用户,有高区采暖系统、低区采暖系统、散热器采暖系统、空调采暖系统等等,这些系统由于用热性质不同(有的供水压力不同,有的供水温度差异)应分别设置热力系统。

    4.2根据热用户用热特点确定热力系统

    在前面的热负荷分析中已说明住宅、办公、教室等的需求热量的规律是不一致的,即使用热参数一致也要设置分别的热力系统,使热力系统可以根据用户用热规律进行自动调节,在满足热用户需求的前提下最大限度的节约能源。

    4.3应用实例

    仍以前面所述的某研究所为例,根据其热负荷性质及用热规律,分别设置以下热力系统:

    ※采用蒸汽锅炉产生的蒸汽作为所有热力系统的热源;

    ※蒸汽热用户(生产蒸汽、蒸汽采暖用蒸汽、溴化锂制冷用蒸汽)由分汽缸直接供应;

    ※研究所住宅高区采暖热交换系统;

    ※研究所住宅低区采暖热交换系统;

    ※研究所办公低区采暖热交换系统;

    ※研究所办公高区采暖热交换系统;

    ※A住宅小区采暖热交换系统;

    ※浴室用生活热水热交换系统;

    ※A住宅小区(24小时热水)生活热水热交换系统;

    ※研究所住宅(24小时热水)生活热水热交换系统;

    上述各热力系统可以根据各自热用户特性分别进行调节和控制,以做到量体裁衣,节约能源。

    五、一水多用,节约资源

    在锅炉房设计中采取措施,使各系统的排水根据其特性充分重复利用,上述某研究所锅炉房的主要节水措施有:

    除向蒸汽用户供应蒸汽外,其他热水用户的热交换器系统均设置在锅炉房,一方面便于集中管理,减少运行人员,更重要的是全部回收凝结水,减少水量和热量的损失;

    对于锅炉房外蒸汽用户要求其采取闭式凝结水回收装置回收蒸汽凝结水,以保证凝结水的量与质;

    蒸汽锅炉的连续排污水进入连续排污扩容器,其二次汽进入热力除氧器,高温热水排入采暖系统补水箱作为采暖系统的补充水。
 除氧器的排水及溢流水排入采暖系统补水箱作为采暖系统的补充水。

    某研究所采取这些节水措施,其采暖系统补水基本不用新鲜软化水,收集下来的连排水就可以满足热网补水需求。

    六、合理控制排烟温度

    中小型燃气(油)蒸汽锅炉(包括进口锅炉)大部分都不带省煤器和空气预热器,因而造成锅炉排烟温度偏高,一般在160℃以上,有的甚至达到200℃,锅炉的排烟损失较大。由于燃气锅炉没有机械未完全燃烧损失和灰渣的物理热损失,所以燃气锅炉排烟热损失占锅炉总热损失80%以上,合理控制排烟温度对提高锅炉热效率,节约能源将起很重要作用。

    目前采取在烟道中加装热回收装置(相当于省煤器)的措施来回收烟气中热量,降低排烟温度。排烟温度在烟气露点温度15℃左右比较合适——既减少热损失又避免烟气中产生凝结水。该装置目前在北京市的应用越来越多,运行效果比较理想。

    七、完善计量装置

    在锅炉房各热力系统设置必要的计量装置,通过对各消耗品的计量数据进行分析可以诊断出热力系统的故障。上述研究所锅炉房主要设置了如下计量装置:

    ※锅炉给水流量的计量;

    ※锅炉出口蒸汽流量的计量;

    ※各外供蒸汽流量的计量;

    ※各热交换系统蒸汽流量的计量;

    ※各热交换系统外供热量的计量;

    ※锅炉出口蒸汽流量的计量;

    ※生产用自来水流量的计量;

    ※各热力系统补水流量的计量;

    ※锅炉用天然气流量的计量。

    该研究所通过几年来的运行,通过对热力系统补水的流量的分析,多次及时发现热力管网的跑冒滴漏事故并及时采取补救措施,从而使各热力系统的补水率维持在比较低的水平。通过对各热力系统对外供热热量的分析,发现某住宅楼的采暖耗热量较大,造成的原因是该住宅楼维护结构无保温措施,现在已着手采取措施解决该问题。

    八、设置必要的自动调节装置

    采用必要的自动调节装置可以有效克服人工调剂的误差和精度,从而有效节约能源。仍以上述某锅炉房为例,该锅炉房采取的自动调节装置有:

    8.1供水温度随气温自动设定

    通过前面对热负荷特性的分析,采暖热负荷是随室外温度的变化而变化,锅炉房外供热量也需根据室外温度及时调整,采用了供水温度随室外温度自动设定装置,可以有效地使锅炉房外供热量与外界所需热量相吻合。从而提高采暖的舒适度,节约能源。

    8.2锅炉燃烧自动调节

    燃烧自动调节是根据外界负荷的需求自动调节燃料供应量,根据炉内燃烧工况合理配置空气与燃料的比例(空然比),使燃料在炉膛内得到充分燃烧。
目前市场上小容量(20t/h以下)的锅炉燃烧时燃料和空气的比例在生产厂家第一次调试时调好,在将来的运行中不再调整空气与燃料的比例。这种空燃比在运行中固定不变的控制方式势必造成燃料的燃烧不充分,从而降低锅炉热效率,增大燃料成本。
    对于燃油(气)锅炉房来说,在不计算折旧和人工费的前提下,燃料成本占锅炉房运行成本的90%以上,甚至达到94%,有效降低燃料成本对锅炉房的经济运行至关重要。因此,在条件许可的条件下,在锅炉的控制系统里增设燃烧自动调节——根据烟气中的含氧量自控调节进风量,从而使空燃比在一个合理数值上,使燃料充分燃烧,提高燃烧效率,降低燃料的消耗量,节约资源和费用。

    常用的锅炉进风量调节方法有:风门调节、变频调节和液力耦合三种方式。在这三种调节方式中,从调节精度上说,变频调节最好,风门调节最差;但从投资上看,变频调节最贵,风门调节最便宜。但燃气(油)锅炉鼓风机的电功率比较小,国产变频装置的投资低,约600元RMB/kW,所以即使采用变频调节,其投资的绝对值并不算高。因此,该研究所采用鼓风机变频的方式调节空燃比(根据烟气含氧量)。

    8.3锅炉房其他自动调节措施

    该锅炉房还采用如下的自动调节装置,鉴于这些调节装置都是常规的,应用也广泛,本文不再详细分析叙述。

    ※热交换系统供水温度的自动调节(调节热媒的流量保持供水温度的恒定)

    ※锅炉汽包水位自动调节

    ※热力除氧器水位自动调节

    ※热力除氧器压力自动调节

    九、锅炉的群控

    燃油(气)锅炉的热效率比燃煤锅炉要高得多,一般可达到92%以上(大气式燃烧的模块锅炉除外),但锅炉厂家所提供的锅炉热效率是在额定负荷下的热效率,当锅炉运行工况偏离设计点时,锅炉的热效率是变化的。目前,进口锅炉一般可以提供出锅炉热效率随负荷变化曲线或数据,但国产锅炉很难提供出锅炉热效率随负荷变化曲线或数据。在实际运行中,外界所需热负荷始终是变化的,运行的锅炉不可能恒定在最佳工况点定负荷运行。

    在锅炉房设计中不仅要选择热效率高的锅炉,同时也要采取措施提高锅炉房的总热效率。多台并联运行的锅炉通过群控来提高锅炉房总热效率是必要的。所谓群控就是根据外界所需热负荷的变化合理确定锅炉运行的台数,科学分配各运行锅炉的运行热负荷,尽量使每台锅炉都在最佳工况点运行,从而提高锅炉房总热效率。

    对于不进行群控的多台并联运行的锅炉,当外界所需负荷变化时,运行锅炉则同时降负荷,同时升负荷,使每台锅炉都不在最佳工况点运行,势必造成锅炉房总热效率不高,甚至比不上安装模块锅炉的锅炉房。

    上述的某研究所安装3台13t/h和2台6t/h燃气蒸汽锅炉,对锅炉控制采用群控,根据外界热负荷变化确定锅炉运行的台数,在运行的锅炉中保持始终只有一台变负荷运行以适应外界热负荷的变化,其余运行的锅炉都在最高热效率下定负荷运行。锅炉开启原则是先开先停,后开后停,以使锅炉运行小时数大体相当。
外界热负荷情况与运行锅炉的对照表。
    优先采用13t/h的锅炉来调节负荷,是因为该锅炉的热效率高且随负荷变化的曲线比较平缓。

    若上述5台并联运行锅炉不进行群控,当外界所需负荷变化时,运行锅炉的台数需人工判断确定,难以及时调整运行锅炉的数量。比如外界热负荷由48t/h降到35t/h时,3台锅炉(3×13t/h)运行、4台锅炉(3×13t/h+1×6t/h)运行和5台锅炉(3×13t/h+2×6t/h)运行均可以满足要求。当采用群控时,系统可以很快判断并采取措施运行3台锅炉;若不进行群控,很可能仍然运行5台锅炉。

    上述的各种节能措施都在本文中所提及的研究所锅炉房中得到了应用,该锅炉房2001年投入运行,经过5个采暖季的运行,运行状况良好,节能效果明显,在室内采暖温度不低于20℃的条件下,采暖运行成本(气、水、电)在18元/m2以下。

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