關(guān)于嚴寒地區(qū)某車輛段熱源系統(tǒng)的改造探討

李彥良

摘 要：地鐵場段一般位于偏僻的區(qū)域，在鍋爐大氣污染物排放標準日益嚴格的情況下，部分建成鍋爐設(shè)備已無法滿足環(huán)保要求，故需要進行相應改造，而簡單的增加脫硝設(shè)備滿足當前環(huán)保要求治標不治本，因此尋找一種環(huán)保、安全、經(jīng)濟的熱源系統(tǒng)方案十分重要。

關(guān)鍵詞：車輛段;熱源改造;尾氣脫硝;空氣源熱泵

0 引言

某車輛段因周邊近期無燃氣管網(wǎng)，故原設(shè)計采用的燃油鍋爐做為車輛段內(nèi)熱源，段內(nèi)設(shè)置室外地下儲油罐池與供油系統(tǒng)。

天津市地方標準《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB12/151-2020）規(guī)定氮氧化合物排放量不大于50 mg/m3，而目前車輛段所用燃油鍋爐的氮氧化物排放數(shù)值為150 mg/m3，因此需要對供暖熱源進行改造，以滿足日益嚴格的地標環(huán)保要求。

1 原設(shè)計概況及運行現(xiàn)狀

車輛段屬于寒冷地區(qū)，供暖面積約10.38萬平方米，車輛段設(shè)計供暖熱負荷為8.4 MW，原設(shè)計采用兩臺5.6 MW的燃氣燃油兩用熱水鍋爐做為供暖熱源。

車輛段的供暖室內(nèi)設(shè)計溫度：辦公房間為20℃;停車列檢庫、聯(lián)合檢修庫為16℃。另根據(jù)運營人員反饋停車列檢庫、聯(lián)合檢修庫內(nèi)實際溫度約為12℃，低于設(shè)計溫度4℃;鍋爐最高供水溫度為50℃，最低供水溫度為36℃，供回水溫差為3℃～10℃。

2 熱源改造方案

為滿足環(huán)保標準，對熱源分為兩種途徑進行改造，一種不改變原熱源系統(tǒng)，把超標部分進行改造，先治標;另一種是對熱源系統(tǒng)進行改造，標本兼治。具體如下：

2.1 鍋爐尾氣脫硝

鍋爐煙氣中氮氧化物的產(chǎn)生主要由熱力型氮氧化物與燃料型氮氧化物兩種。氮氧化物污染控制措施主要為燃燒前脫硝技術(shù)、燃燒中脫硝技術(shù)和燃燒后脫硝技術(shù)。其中，燃燒前脫硝技術(shù)成本高，不易被企業(yè)所采納;燃燒中脫硝技術(shù)雖然費用低，但脫硝率低，不是首選;燃燒后脫硝中的選擇性還原法（SCR/SNCR）成本低并且脫銷率高，被普遍采用。

SNCR（選擇性非催化還原法脫硝）在870℃～1 200℃溫度范圍內(nèi)，還原劑對NOx的還原在所有的化學反應中占主導，表現(xiàn)出選擇性，因此稱之為選擇性非催化還原。脫硝率只有35%～45%。

SCR（選擇性催化還原法脫硝）是在催化劑的作用還原劑優(yōu)先和NOx發(fā)生還原反應，生成氮氣和水，而不和煙氣中的氧進行氧化反應。脫硝率可達到90%。

故采用SCR（選擇性催化還原法脫硝）降低氮氧化物排放是不改變原熱源系統(tǒng)的較合理的方案。

2.2 對熱源進行改造

目前車輛段供暖熱源主要有市政供熱、自建鍋爐、熱泵機組等幾種方式，重點分析這幾種熱源在本改造工程的適用性。

（1）市政熱源。距本工程3.3 km處有一熱電廠可提供熱源，但供暖管路需沿規(guī)劃道路敷設(shè)6 km，因近期車輛段周圍規(guī)劃道路都無法實施，如規(guī)劃道路實施后與管線位置不能重合，則仍需二次遷改管線，造成工程浪費?？紤]到規(guī)劃路方案不穩(wěn)定等因素，該熱源方案不具備可實施性。（2）其他鍋爐形式。若采用清潔能源可避免向大氣排放污染物，電鍋爐以電力為能源并將其轉(zhuǎn)化成為熱能的鍋爐設(shè)備。但電鍋爐運行費用較高，一般設(shè)置在電力供應充足的地區(qū)，且設(shè)置該類型鍋爐需在段內(nèi)增加一處降壓變電所，專門為電鍋爐設(shè)備供電，因本工程為改造項目，新增變電所的位置選取較困難，實施有難度。（3）熱泵機組。目前存在的熱泵系統(tǒng)有地源熱泵系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)、燃氣熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)等幾個種類，考慮到本工程的客觀條件限制，以上最適合的系統(tǒng)為空氣源熱泵系統(tǒng)。

近些年空氣源熱泵技術(shù)不斷成熟，廠家針對空氣源熱泵的低溫環(huán)境效率低、易結(jié)霜等缺點進行了技術(shù)優(yōu)化，在-25℃嚴苛環(huán)境下，機組能安全穩(wěn)定工作。空氣源熱泵機組的出水溫度可達60℃，滿足車輛段的實際使用工況。

3 改造方案投資分析

通過定性分析可知，鍋爐尾氣脫硝或采用空氣源熱泵機組是解決該車輛段環(huán)保問題最優(yōu)的兩種方案。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)計算方法可估算出兩種方案的平均負荷，進而得到全年運行費用，最終得出各方案的投資情況。

3.1 燃油鍋爐（含尾氣脫硝）費用

燃油鍋爐（含尾氣脫硝）費用包含燃油鍋爐的燃油費用、脫硝系統(tǒng)的購置費用、脫硝系統(tǒng)的運行電費、輔助加熱設(shè)施運行費用、還原劑費用及催化劑更換費用等幾項。

（1）鍋爐燃油費用及脫硝系統(tǒng)初投資。根據(jù)資料，車輛段鍋爐每年燃油費用約1 800萬元;鍋爐尾氣脫硝系統(tǒng)設(shè)備購置費用約為120萬元。

（2）脫硝系統(tǒng)運行費用。脫硝系統(tǒng)的用電設(shè)備包含煙氣加熱混合裝置、空壓機、儲存罐電加熱及還原劑控制系統(tǒng)，總用電功率為16 kW，滿負荷運行為16×24=384 kW·h，電費以1元/（kW·h）計算，脫硝系統(tǒng)最高用電費用為384元/日。

為滿足催化劑的工作溫度，需設(shè)置煙氣加熱混合裝置，該裝置最大單臺燃油耗量為25 kg/h，供設(shè)置一臺，燃油按7元/kg計，輔助加熱裝置運行費用為：25×24×7=4 200元/日。

脫硝系統(tǒng)還原劑采用尿素溶液，尿素溶液以市場價3元/升計，單臺鍋爐滿負荷運行時，尿素使用量5 L/h，則還原劑運行費用為5×2×24×3=720元/日。

脫硝設(shè)備催化劑每5年更換一次，更換費用約50萬元，折合10萬元/年。

（3）年運行費用。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》第3.2.1條采暖平均熱負荷與設(shè)計熱負荷之比：

Qh，a=Qh×（ti-ta）/（ti-to，h）

脫硝設(shè)備的運行費用基本跟負荷成正比，故可以得到鍋爐尾氣脫硝設(shè)備的全年運行成本：

（384+4 200+720）×（18+0.6）/（18+7）×150/10 000+10

=69.2萬元

熱源系統(tǒng)的全年運行成本為1 800+69.2=1 869.2萬元;鍋爐尾氣脫硝系統(tǒng)初投資為120萬元。

3.2 空氣源熱泵機組費用

空氣源熱泵機組費用包含熱泵機組的初投資、變電所增容投資及空氣源熱泵機組的運行費用等幾部分。

（1）熱泵機組及變電所初投資。為滿足設(shè)計供暖負荷，擬設(shè)置制熱量155 kW的空氣源熱泵機組55臺，該系統(tǒng)設(shè)備費用約為1 820萬元;變電所因增加空氣源熱泵機組而需進行增容，費用約為2 040萬元。（2）空氣源熱泵機組運行費用。根據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》，車輛段全年耗熱量可采用如下公式：

式中：Qa h—采暖全年耗熱量（GJ）;N—采暖期天數(shù)

（d）;Q h—采暖設(shè)計熱負荷（kW）;ti—室內(nèi)計算溫度

（℃）;ta—采暖期室外平均溫度（℃）;to，h—采暖期室外計算溫度（℃）。

根據(jù)供暖天數(shù)為150天及不同單體的室內(nèi)計算溫度，代入相關(guān)數(shù)據(jù)得全年耗熱量為77 505 GJ。根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，空氣源熱泵機組COP不低于2，故空氣源熱泵機組全暖用電量為：

Qa h/（1+COP）=77 505/3/3.6×1 000=7 176 390 kW·h

電費以1元/（kW·h）計算，則空氣源熱泵機組全年用電費用為717.6萬/年。

空氣源熱泵系統(tǒng)初投資為3 860萬元;年運行成本為717.6萬元。

4 結(jié)論

（1）空氣源熱泵系統(tǒng)采用清潔能源電能，可解決污染物排放超標的痛點。（2）空氣源熱泵系統(tǒng)初投資較鍋爐尾氣脫硝初投資高，但運行費用每年可節(jié)省約1 151.6萬元，全壽命周期內(nèi)空氣源熱泵系統(tǒng)效益可觀。（3）空氣源熱泵系統(tǒng)采用模塊化設(shè)置，針對場段的預留建筑可進行預留模塊，較鍋爐設(shè)置靈活。

參考文獻：

[1]GB50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]CJJ 34-2010，城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社，2010.