集中供熱系統(tǒng)運行中綠色節(jié)能技術(shù)的運用分析

劉 濤

（山西省安裝集團股份有限公司 山西太原 030032）

引言

城市集中供熱系統(tǒng)主要包括熱源、熱網(wǎng)、用戶3 個部分，其中熱源主要指區(qū)域鍋爐房和熱電站。對于區(qū)域鍋爐房而言，工業(yè)區(qū)域通常采用蒸汽式鍋爐，而民用區(qū)域則主要采用熱水鍋爐，燃料以煤、天然氣、燃油和電為主[1][2]。通過對實踐工作經(jīng)驗總結(jié)認(rèn)為，導(dǎo)致集中供熱系統(tǒng)高耗能的參數(shù)主要包括鍋爐熱效率、爐渣含碳量、排煙溫度以及排煙量等。為解決城市集中供熱鍋爐運行能耗高、資源浪費問題，切實提升城市集中供熱系統(tǒng)運行質(zhì)量，可根據(jù)供熱鍋爐運行現(xiàn)狀，選擇適宜的綠色節(jié)能技術(shù)。一方面可顯著提升集中供熱鍋爐節(jié)能效果，另一方面對改善城市環(huán)境質(zhì)量也有明顯幫助，有利于實現(xiàn)集中供熱鍋爐環(huán)保效益和經(jīng)濟效益的最大化。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

隨著能源和資源需求量逐年提升，為確保供熱質(zhì)量和效率，降低資源浪費現(xiàn)象，需要提高并加強綠色節(jié)能技術(shù)在城市集中供熱系統(tǒng)運行效率的認(rèn)識[3]。本研究以某城市集中供熱鍋爐為例，對城市中心區(qū)、邊緣區(qū)域、郊區(qū)住宅不同燃料供熱面積及平均能耗開展全面調(diào)查，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 集中供熱鍋爐不同燃料類型供熱面積調(diào)查結(jié)果（單位：萬m2）

表2 集中供熱鍋爐平均能耗調(diào)查結(jié)果

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，城市中心區(qū)、邊緣區(qū)域、郊區(qū)集中供熱鍋爐燃料類型均以煤為主，郊區(qū)燃煤鍋爐更是超過99%。通過表2 可知，無論是普查還是典型調(diào)查結(jié)果，集中供熱鍋爐均表現(xiàn)出較高單位面積高耗氣量情況，通過深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，3 個區(qū)域住宅集中供熱鍋爐運行時普遍存在冷凝水腐蝕情況，在降低供熱鍋爐使用年限的同時，也造成集中供熱鍋爐熱效率低下。總體而言，集中供熱鍋爐供熱狀態(tài)并不理想。

2 原因分析

2.1 供熱鍋爐選型不正確

供熱鍋爐類型選擇不適當(dāng)會導(dǎo)致鍋爐運行效率下降，與煤相比，天然氣燃燒更加充分，且更具清潔型。目前，某城市集中供熱鍋爐以燃煤鍋爐為主，能源利用率比較低，加之不同類型鍋爐煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)存在差異，不僅會增加對資源的浪費，還會帶來環(huán)境污染問題[4][5]。而且，不同類型供熱鍋爐安裝布置要求不同，如未能正確選擇鍋爐，也會對煙囪布置、排煙系統(tǒng)設(shè)計造成嚴(yán)重影響。除此之外，不同類型鍋爐維護要求不同，一旦鍋爐選型存在偏差，會因維護不當(dāng)而造成鍋爐運行性能下降，增加能耗。

2.2 煙氣排放溫度不合理

供熱鍋爐排煙溫度不合理會引發(fā)諸多問題，如排煙溫度過高、鍋爐損壞、耗電增加等。當(dāng)供熱鍋爐排煙溫度過高時，不僅會增加大氣污染的風(fēng)險，還有可能導(dǎo)致鍋爐本身部件損壞。由于發(fā)動機內(nèi)形成熱量的能量消耗會導(dǎo)致熱力數(shù)量減少，造成爐體溫度過低，因而爐襯材料會受到冷凝傷害，以至于損壞鍋爐[6]。當(dāng)排煙溫度不合理時，還會影響供熱鍋爐耗電量，通常情況下，排出煙氣溫度過低，將增大爐膛內(nèi)部熱量損失，使消耗能量變多，從而導(dǎo)致耗電量增加，而煙氣溫度過高，則會明顯增加供熱機械抽風(fēng)機運轉(zhuǎn)，也會導(dǎo)致能耗增加[7]。

2.3 燃煤鍋爐改造不徹底

燃煤鍋爐改造不徹底屬于普遍問題，主要原因包括4 個方面，即①資金投入不足，僅局部改造無法實現(xiàn)徹底改造，導(dǎo)致節(jié)能效果低于預(yù)期；②技術(shù)原因，由于燃煤鍋爐改造復(fù)雜，對技術(shù)的要求比較高，技術(shù)限制成為無法完成徹底改造的關(guān)鍵原因[8]；③材料原因，燃煤鍋爐改造需要使用很多新興材料，一旦材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，則會縮短鍋爐使用壽命，無法達(dá)到預(yù)期結(jié)果；④通過深入調(diào)查證實，客觀環(huán)境原因也會對某城市集中供熱燃煤鍋爐改造產(chǎn)生較大影響，如室外溫度、氣壓、濕度等因素。

2.4 供熱系統(tǒng)智能化水平低

目前，某城市集中供熱系統(tǒng)智能化水平低，主要表現(xiàn)為缺乏智能監(jiān)控設(shè)備，導(dǎo)致供熱效率低、供熱運行成本高、供熱質(zhì)量不合格等問題。其中，由于缺乏智能監(jiān)控設(shè)備，導(dǎo)致無法有效掌控管網(wǎng)內(nèi)供熱流量和熱網(wǎng)運行狀況，使得大量熱量資源被浪費，且供熱效率也被降低。同時，由于缺乏智能監(jiān)控設(shè)備也無法及時監(jiān)控鍋爐運行狀態(tài)，使得額外維修成本增加[9]。此外，由于智能化水平低，無法對熱力和壓力等指標(biāo)進(jìn)行有效監(jiān)測，因此為改善這種狀況應(yīng)加強技術(shù)創(chuàng)新、加強智能化技術(shù)推廣應(yīng)用。

3 綠色節(jié)能技術(shù)在集中供熱系統(tǒng)運行中的具體應(yīng)用

3.1 優(yōu)先選擇綠色節(jié)能鍋爐類型

在選擇鍋爐類型時，應(yīng)滿足集中供熱系統(tǒng)工作性能需要，并綜合考慮能源利用率、噪聲、煙氣排放等指標(biāo)；同時，為滿足綠色節(jié)能技術(shù)要求，還需優(yōu)先選擇節(jié)能型鍋爐，并針對鍋爐內(nèi)部介質(zhì)作業(yè)要求進(jìn)行分析，在沒有特別要求的情況下，建議將熱水作為內(nèi)部介質(zhì)。如，內(nèi)部介質(zhì)為蒸汽，則需要考慮蒸汽飽和度指標(biāo)，如果該指標(biāo)指數(shù)越高，那么集中供熱鍋爐節(jié)能效果越好。在實際選型時，還需結(jié)合相關(guān)規(guī)定，計算容器中熱介質(zhì)、供熱負(fù)荷量，確定鍋爐熱容量，避免鍋爐出現(xiàn)持續(xù)低負(fù)荷運行情況，如住宅供暖熱負(fù)荷計算可采用式（1）單位體積熱指標(biāo)法[10]。

Q=rvV（sn-sm） （1）

式中Q—住宅供暖熱負(fù)荷；rv—單位體積供暖熱指標(biāo)，kW/m3·℃；V—根據(jù)外部尺寸計算的建筑物體積，m3；sn—室內(nèi)供暖計算溫度，℃；sm—室外供暖計算溫度，℃。

根據(jù)式（1）計算出供暖熱負(fù)荷計算結(jié)果，然后對鍋爐熱容量進(jìn)行確定，不僅能夠降低鍋爐運行能耗，還可滿足住宅供熱總體需要。因為在特定條件下，供暖熱負(fù)荷計算通?？紤]熱負(fù)荷峰值，所以需分析住宅在最冷天氣條件下最大熱負(fù)荷，從而保證供熱系統(tǒng)即使在最惡劣情況下也能夠滿足供熱需求。通常情況下，在確定鍋爐熱容量時，也需考慮系統(tǒng)效率，因而鍋爐實際輸出熱量可能會受到系統(tǒng)效率的影響。系統(tǒng)效率是指鍋爐在將燃料轉(zhuǎn)化為熱能時的能量利用效率，通常鍋爐額定熱容量會考慮到系統(tǒng)效率，確保實際輸出能夠滿足供熱需要。因此，為確保供熱系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，鍋爐熱容量應(yīng)略大于供暖熱負(fù)荷，以確保供熱系統(tǒng)滿足住宅供熱總體需要，并且留有一定備用容量，用于應(yīng)對突發(fā)寒冷天氣或供熱系統(tǒng)故障情況。

3.2 合理控制供熱鍋爐排煙溫度

由于集中供熱鍋爐體積大，為確保供熱鍋爐正常運行，且不會對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重影響，需綜合考慮安裝位置要求、煙囪選型、排煙系統(tǒng)設(shè)計、安全設(shè)計等問題。因此，為合理控制鍋爐排煙溫度，可利用節(jié)能技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先，增加鍋爐能效，減少燃料消耗，從而降低鍋爐排煙溫度。通過燃燒調(diào)節(jié)、煙氣再循環(huán)、鍋爐煙氣再生活化、煙氣解析等技術(shù)，全面提高煙氣回收率，降低鍋爐排煙溫度。同時，在實踐中發(fā)現(xiàn)設(shè)計逆流煙罩、增加排煙等級，不但技術(shù)操作簡單，而且費用比較低，還可有效降低鍋爐排煙溫度。其次，因為供熱鍋爐燃燒過程需要氧氣參與，且過高或過低的氧量都會影響燃燒效率和排煙溫度，所以需要做好氧量調(diào)節(jié)和燃燒控制。通過調(diào)節(jié)燃燒設(shè)備中空氣供應(yīng)量，確保燃燒過程中適當(dāng)氧量，有效控制排煙溫度；通過調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)和燃燒空氣量比例，控制燃燒過程溫度和熱量輸出，從而影響排煙溫度。與此同時，供熱鍋爐排出的煙氣中含有大量熱量，而通過煙氣余熱回收裝置可將部分煙氣中熱量回收利用，不僅可提高燃燒系統(tǒng)效率，還能降低排煙溫度。如，加裝燃燒室散熱器、煙氣冷卻器等進(jìn)行余熱利用，在降低煙氣溫度的基礎(chǔ)上，減少煙氣排放。最后，建立健全鍋爐操作系統(tǒng)，確保鍋爐安全運行，加強管理，定期做好鍋爐維護、維修工作，發(fā)現(xiàn)老化部件及時予以更換，也可確保鍋爐性能穩(wěn)定，避免排煙系統(tǒng)受到影響[11]，合理控制排煙溫度。

3.3 優(yōu)化鍋爐分層給煤裝置設(shè)計

相比于傳統(tǒng)燃煤鍋爐，燃?xì)忮仩t引進(jìn)了綠色節(jié)能技術(shù)，能實現(xiàn)高效率、低污染的現(xiàn)代化熱能供應(yīng)，以及實現(xiàn)降低耗能的目的。實踐證明，將傳統(tǒng)燃煤鍋爐改造成燃?xì)忮仩t，不僅提高了熱力供應(yīng)系統(tǒng)工作效率，還對改善燃燒環(huán)境具有顯著幫助。改造時更換了燃料和散熱器，在燃煤鍋爐入口處安裝自動燃?xì)饪刂破鳎_保穩(wěn)定進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)氣壓力；更換原有碳鋼熱風(fēng)爐，安裝不銹鋼、鋁合金等隔熱材料燃?xì)庹{(diào)節(jié)器，提高熱能傳遞效率，發(fā)揮最大節(jié)能效果。另外，如果無法進(jìn)行改造，則需對燃煤鍋爐分層給煤裝置設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，考慮供熱鍋爐燃料消耗情況，可增加通風(fēng)口數(shù)量，合理設(shè)計散熱和通風(fēng)系統(tǒng)，完善燃料和氣體分配機制，提高節(jié)能效果。除此之外，考慮分層給煤裝置給煤容量、給煤模式，還可增加燃燒時間，使燃燒更加充分且均勻，減少有害物質(zhì)。

優(yōu)化鍋爐分層給煤裝置設(shè)計，可根據(jù)鍋爐特點和煤料性質(zhì)選擇合適的給煤方式。常見的給煤方式包括層狀給煤、噴煤、飛灰再燃等。由于不同給煤方式會影響煤料分布和燃燒效果，因而需要根據(jù)具體情況選擇。另外，過高氧濃度會導(dǎo)致燃燒不完全，并增加煙氣中氧化物生成風(fēng)險，因此在此過程中還需持續(xù)監(jiān)測和控制煙道氧濃度，保證燃燒過程氧量適當(dāng)。與此同時，在分層給煤裝置設(shè)計中，煤料可通過多個給煤口分層投入爐膛，且不同層次的煤料在爐膛內(nèi)逐漸燃燒，實現(xiàn)燃燒過程均勻和穩(wěn)定，提高燃燒時間和空間分布，減少煤料之間相互干擾作用，降低燃燒過程波動性，提高燃燒效率。

3.4 構(gòu)建智能供熱鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)

構(gòu)建智能供熱鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對鍋爐運行狀態(tài)實時監(jiān)測和控制，以及提高運行效率、降低能耗。因此，可安裝傳感器和儀表，采集鍋爐運行參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中。同時，建立數(shù)據(jù)庫或云平臺，存儲和管理采集到的鍋爐運行數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和決策；通過監(jiān)控系統(tǒng)用戶界面，實現(xiàn)對集中供熱鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，便于實時查看鍋爐運行狀態(tài)、報警信息和歷史數(shù)據(jù)。

立足于供熱鍋爐高耗能現(xiàn)狀，提出將基于智能技術(shù)運用到集中供熱系統(tǒng)運行狀態(tài)分析中，前期結(jié)合鍋爐運行評估實際需要選取評價指標(biāo)，并對運行狀態(tài)劣化度進(jìn)行準(zhǔn)確計算，構(gòu)建系統(tǒng)運行狀態(tài)智能化評價模型，全面掌握供熱鍋爐供熱量、煤炭消耗量、供回水溫度等關(guān)鍵信息，尋找系統(tǒng)運行潛在風(fēng)險，設(shè)置4 個運行狀態(tài)評價等級，即健康狀態(tài)（I 級）、良好狀態(tài)（Ⅱ級）、預(yù)警狀態(tài)（Ⅲ級）、故障狀態(tài)（Ⅳ級）[12]。同時，在運行監(jiān)控終端配置可視化測試平臺、服務(wù)器、核處理器、主頻、運行內(nèi)存、磁盤陣列、存儲空間，并將各類供熱鍋爐作為評價對象，智能化評價其運行狀態(tài)，再根據(jù)監(jiān)測時序?qū)⒃u價結(jié)果反饋給測試平臺前端進(jìn)行感知。因此，通過構(gòu)建智能供熱鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)，記錄鍋爐運行狀態(tài)，可加強系統(tǒng)運行日常監(jiān)測，徹底改變“事后整改”問題，實現(xiàn)“事前預(yù)防”，從而提高運行效率，合理控制能耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用節(jié)能環(huán)保技術(shù)，對提高集中供熱鍋爐節(jié)能效率、避免環(huán)境污染以及實現(xiàn)綠色發(fā)展具有重要意義。通過對案例城市集中供熱鍋爐供熱面積、平均能耗的調(diào)查，剖析造成供熱鍋爐能耗高、供熱效率低、資源利用率低等問題的原因，并針對原因指出綠色節(jié)能技術(shù)在集中供熱系統(tǒng)運行中的具體應(yīng)用。值得注意的是，改進(jìn)城市集中供熱鍋爐運行狀況，除加強綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)用外，還應(yīng)加強對新能源的研究，如風(fēng)能、太陽能/熱水、湍流發(fā)電等新能源技術(shù)，為集中供熱鍋爐提供能量供應(yīng)，以達(dá)到更高節(jié)能效果。