燃煤鍋爐改用天然氣鍋爐供熱技術(shù)探討

劉鳳國 金 陽

(天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津 300384)

0 引言

“十二五”期間，京津冀地區(qū)進入工業(yè)快速發(fā)展時期，由此產(chǎn)生的空氣污染問題，引起了社會的廣泛關(guān)注，尤其是冬季供熱過程中燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙塵、SO2以及NOx污染。天津市政府從促進經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，控制空氣環(huán)境污染，改善居民生活環(huán)境出發(fā)，計劃在“十二五”期間首先整治城市燃煤供熱鍋爐產(chǎn)生的污染，淘汰市區(qū)燃煤供熱鍋爐房。根據(jù)市政府《關(guān)于研究天津市“十二五”主要污染物總量控制有關(guān)問題的會議紀(jì)要》(津政紀(jì)［2011］4號)要求，結(jié)合《天津市供熱發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，天津市建設(shè)交通委員會(建交委)制定了《天津市中心城區(qū)和濱海新區(qū)核心區(qū)淘汰燃煤鍋爐房實施方案》。該方案計劃“十二五”期間改造市區(qū)的163座燃煤供熱鍋爐房，供熱面積總計11 685萬m2。其中包括147座中心城區(qū)的燃煤鍋爐房(計劃改燃132座，并網(wǎng)15座);濱海新區(qū)16座燃煤鍋爐房并入熱電熱網(wǎng)。中心城區(qū)改燃鍋爐房涉及環(huán)內(nèi)10個行政區(qū)，淘汰燃煤鍋爐376臺，供熱面積達9 633萬m2。天津市市區(qū)區(qū)改燃情況匯總表見表1。

表1 中心城區(qū)改燃燃煤鍋爐房情況匯總表

改燃后熱源所需的燃氣高峰小時用氣量為85．9萬m3，年耗氣量約為13．5億m3。

雖然供熱鍋爐改用天然氣在供熱期能夠較好地降低市區(qū)大氣污染問題，但是大規(guī)模改燃實施過程中可能會出現(xiàn)一些問題，本文擬對這些問題進行討論分析，希望對廣大燃氣技術(shù)人員有所幫助，促進“煤改燃工程”的順利開展。

1 鍋爐本體和燃氣燃燒器的方案選擇

煤改氣鍋爐房改造過程中，在鍋爐本體和燃氣燃燒器的方案選擇上存在兩種做法:一種是供熱鍋爐本體和燃燒器全部更新并選擇進口設(shè)備;另一種是保留原有燃煤鍋爐本體，將燃煤燃燒器改裝成燃氣燃燒器。對于鍋爐本體來說，進口鍋爐和國產(chǎn)鍋爐的實際運行效果差異比較小，雖然國產(chǎn)鍋爐的換熱面稍微大于進口鍋爐，但是在實際運行條件下國產(chǎn)鍋爐具有優(yōu)勢。由于燃氣燃燒器和燃煤鍋爐本體較難匹配，單獨改燃氣燃燒器的鍋爐效率會比燃氣鍋爐效率低8%～10%。以燃料成本來考慮燃氣鍋爐的本體投資額，大約只需3年～4年即可回收全部成本?？梢缘贸鰬?yīng)該堅決擯棄更新燃燒器而不更新鍋爐本體的煤改燃項目。雖然近年來國產(chǎn)燃燒器技術(shù)進步較大，但是燃燒性能和污染物控制技術(shù)方面與國外產(chǎn)品有較大的差距，用戶應(yīng)根據(jù)煤改燃的實際情況和企業(yè)經(jīng)濟條件，來選擇燃氣燃燒器。

2 建筑節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

對于燃氣供熱鍋爐房，如果圍護結(jié)構(gòu)質(zhì)量較差，整個熱網(wǎng)的總用熱負荷會較大，在遇到極端寒冷天氣時，總用熱負荷會急劇增加，這不僅影響供熱管網(wǎng)的水力可靠性，更重要的是提高了燃氣管網(wǎng)的供氣負荷，管網(wǎng)壓力提高，由此帶來的城市燃氣管網(wǎng)事故率將會增加。從供熱成本考慮，燃煤區(qū)域供熱鍋爐房的燃料成本比較低，既有建筑的圍護結(jié)構(gòu)保溫狀況不理想的問題對供熱成本影響不突出，而燃氣價格較高且面臨其有上升趨勢，燃氣供熱單位如果不注重建筑節(jié)能，就很難保證基本利潤率［1，2］。天津市近年來開展的既有建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造工程，為煤改燃工程的順利實施提供了重要保證。

3 供熱負荷調(diào)節(jié)方法

城市燃氣負荷全年會出現(xiàn)較大的峰谷差，尤其是在冬季屬于用氣高峰期，有限的燃氣資源很難滿足整個城市供熱的用氣需要量。傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的運行方式常常采取燃氣供熱和燃煤供熱獨立運行的模式，其結(jié)果是室外氣溫高時燃氣耗量和燃煤耗量都小，反之燃氣耗量和燃煤耗量較大，污染物排放量也相應(yīng)增加，城市空氣質(zhì)量惡化。解決方式之一是燃氣鍋爐和燃煤鍋爐聯(lián)合運行，燃煤鍋爐作為供暖的基荷鍋爐，不參與負荷調(diào)節(jié)，當(dāng)室外溫度較低時，開啟燃氣鍋爐供熱進行調(diào)峰。這種聯(lián)合運行方式可以有效降低較高的燃氣價格對供熱運行成本的影響［2，3］。

4 供熱熱網(wǎng)的改造

根據(jù)對已有的煤改氣供熱工程的統(tǒng)計和分析，煤改氣工作只是將燃煤鍋爐改成燃氣鍋爐，往往忽略供熱熱網(wǎng)的改造。由于燃煤的價格相對較低，盡管傳統(tǒng)的燃煤供熱系統(tǒng)存在較大的熱力管網(wǎng)輸配損失和水力不均勻損失，但是這些損失占燃煤供熱總成本的比例較少。由于單位熱量的燃氣價格約為燃煤的4倍～5倍，采用燃氣為熱源進行集中供熱時，管網(wǎng)輸配損失和水力不均勻損失在供熱系統(tǒng)總成本中的比例將較大增加，并且影響燃氣供熱系統(tǒng)總成本。

天然氣鍋爐區(qū)域供熱系統(tǒng)改造中可采取氣候補償、供熱系統(tǒng)自動控制和水泵變頻等技術(shù)［4］。1)氣候補償技術(shù)。隨著室外的氣候的變化，可使用氣候補償器調(diào)節(jié)供熱系統(tǒng)的供水溫度，使供熱系統(tǒng)的供熱量與實際熱負荷相匹配，起到按需供熱的作用。其工作原理是通過通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實時采集室外溫度，通過優(yōu)化分析的方法計算得到二次網(wǎng)系統(tǒng)供水最佳溫度與室外溫度的對應(yīng)關(guān)系，然后調(diào)節(jié)電磁閥，控制一次網(wǎng)供水管進入熱交換器的流量，進而調(diào)節(jié)二次熱網(wǎng)供水溫度達到計算出的最佳值，實現(xiàn)供熱熱網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能，節(jié)能率可達15%。2)水泵變頻技術(shù)。在供熱系統(tǒng)設(shè)計中常存在系統(tǒng)阻力和計算水流量與水泵型號的揚程和流量不匹配，以及供熱負荷變化引起的水流量實時變化的問題，可增設(shè)變頻水泵加以解決。3)供熱系統(tǒng)自動控制。供熱系統(tǒng)集中自動控制主要是通過采集供熱系統(tǒng)的壓力、溫度、熱量、流量等參數(shù)，調(diào)節(jié)管網(wǎng)流量，合理匹配熱負荷，盡量做到按需供熱。同時也可診斷供熱管網(wǎng)故障，及時診斷堵塞和泄露等系統(tǒng)故障，保障了城市熱網(wǎng)的安全運行。

5 天然氣鍋爐運行過程中需注意的問題

燃氣與空氣混合后，當(dāng)達到其爆炸極限濃度范圍，遇明火會發(fā)生爆炸。因此，燃氣鍋爐相對于燃煤鍋爐，安全、防爆要求更高［5-7］。重點考慮幾個方面:1)燃氣鍋爐房內(nèi)需要設(shè)置燃氣泄漏監(jiān)測報警和通風(fēng)裝置，檢測燃氣達到一定濃度時及時切斷天然氣管路，并開啟通風(fēng)設(shè)備進行換氣;2)鍋爐本體或煙道上必須設(shè)置防爆門;3)燃氣管路應(yīng)有檢漏措施，燃氣鍋爐爐膛內(nèi)要有聯(lián)鎖保護控制系統(tǒng);4)燃氣鍋爐的啟動和停爐過程中，需要有嚴(yán)格的順序控制系統(tǒng)，進行爐膛和煙道的吹掃操作后方可點火;5)燃氣鍋爐房內(nèi)所有電器設(shè)備需要防爆;6)燃氣燃燒器必須配備熄火自動保護裝置，點火不成功或熄火時，再次點火須能進行自動的吹掃。

6 結(jié)語

天津市煤改燃工程不僅體現(xiàn)了政府對改善城市空氣質(zhì)量的決心，更重要的是它是涉及居民供熱需要，保障民生的系統(tǒng)工程。在天然氣鍋爐供熱方案選擇、建筑節(jié)能技術(shù)應(yīng)用、供熱負荷調(diào)節(jié)、供熱管網(wǎng)改造和鍋爐運行方面進行大量的理論分析和論證，以便煤改燃工程的順利實施。

［1］郭 非．供熱系統(tǒng)測試與分析研究［D］．北京:清華大學(xué)，2003．

［2］江 億．與城市能源結(jié)構(gòu)調(diào)整相適應(yīng)的采暖方式綜合比較［D］．北京:清華大學(xué)，2003．

［3］江 億．熱源——京城供熱之憂［J］．科技潮，2004(4):16-20．

［4］邢 寧．鍋爐房“煤改氣”技術(shù)規(guī)劃及節(jié)能效益分析［J］．現(xiàn)代物業(yè)，2010，9(6):18-20．

［5］燃油燃氣鍋爐房設(shè)計手冊編寫組．燃油燃氣鍋爐房設(shè)計手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1998．

［6］馬立軍．燃氣鍋爐替代現(xiàn)有燃煤鍋爐的可行性分析［J］．科技與企業(yè)，2013(7):384．

［7］周偉國．關(guān)于燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐的探討［J］．煤氣與熱力，2000(1):44-46．