燃煤鍋爐改用天然氣鍋爐供熱技術探討

劉鳳國 金 陽

(天津城建大學能源與安全工程學院，天津 300384)

0 引言

“十二五”期間，京津冀地區進入工業快速發展時期，由此產生的空氣污染問題，引起了社會的廣泛關注，尤其是冬季供熱過程中燃煤鍋爐產生的煙塵、SO2以及NOx污染。天津市政府從促進經濟持續發展，控制空氣環境污染，改善居民生活環境出發，計劃在“十二五”期間首先整治城市燃煤供熱鍋爐產生的污染，淘汰市區燃煤供熱鍋爐房。根據市政府《關于研究天津市“十二五”主要污染物總量控制有關問題的會議紀要》(津政紀［2011］4號)要求，結合《天津市供熱發展“十二五”規劃》，天津市建設交通委員會(建交委)制定了《天津市中心城區和濱海新區核心區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座中心城區的燃煤鍋爐房(計劃改燃132座，并網15座);濱海新區16座燃煤鍋爐房并入熱電熱網。中心城區改燃鍋爐房涉及環內10個行政區，淘汰燃煤鍋爐376臺，供熱面積達9 633萬m2。天津市市區區改燃情況匯總表見表1。

表1 中心城區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大氣污染問題，但是大規模改燃實施過程中可能會出現一些問題，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，進口鍋爐和國產鍋爐的實際運行效果差異比較小，雖然國產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鍋爐具有優勢。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。可以得出應該堅決擯棄更新燃燒器而不更新鍋爐本體的煤改燃項目。雖然近年來國產燃燒器技術進步較大，但是燃燒性能和污染物控制技術方面與國外產品有較大的差距，用戶應根據煤改燃的實際情況和企業經濟條件，來選擇燃氣燃燒器。

2 建筑節能技術的應用

對于燃氣供熱鍋爐房，如果圍護結構質量較差，整個熱網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的水力可靠性，更重要的是提高了燃氣管網的供氣負荷，管網壓力提高，由此帶來的城市燃氣管網事故率將會增加。從供熱成本考慮，燃煤區域供熱鍋爐房的燃料成本比較低，既有建筑的圍護結構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構的節能改造工程，為煤改燃工程的順利實施提供了重要保證。

3 供熱負荷調節方法

城市燃氣負荷全年會出現較大的峰谷差，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。傳統供熱系統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增加，城市空氣質量惡化。解決方式之一是燃氣鍋爐和燃煤鍋爐聯合運行，燃煤鍋爐作為供暖的基荷鍋爐，不參與負荷調節，當室外溫度較低時，開啟燃氣鍋爐供熱進行調峰。這種聯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 供熱熱網的改造

根據對已有的煤改氣供熱工程的統計和分析，煤改氣工作只是將燃煤鍋爐改成燃氣鍋爐，往往忽略供熱熱網的改造。由于燃煤的價格相對較低，盡管傳統的燃煤供熱系統存在較大的熱力管網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，管網輸配損失和水力不均勻損失在供熱系統總成本中的比例將較大增加，并且影響燃氣供熱系統總成本。

天然氣鍋爐區域供熱系統改造中可采取氣候補償、供熱系統自動控制和水泵變頻等技術［4］。1)氣候補償技術。隨著室外的氣候的變化，可使用氣候補償器調節供熱系統的供水溫度，使供熱系統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絡系統實時采集室外溫度，通過優化分析的方法計算得到二次網系統供水最佳溫度與室外溫度的對應關系，然后調節電磁閥，控制一次網供水管進入熱交換器的流量，進而調節二次熱網供水溫度達到計算出的最佳值，實現供熱熱網系統節能，節能率可達15%。2)水泵變頻技術。在供熱系統設計中常存在系統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，可增設變頻水泵加以解決。3)供熱系統自動控制。供熱系統集中自動控制主要是通過采集供熱系統的壓力、溫度、熱量、流量等參數，調節管網流量，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故障，及時診斷堵塞和泄露等系統故障，保障了城市熱網的安全運行。

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，當達到其爆炸極限濃度范圍，遇明火會發生爆炸。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)燃氣鍋爐房內需要設置燃氣泄漏監測報警和通風裝置，檢測燃氣達到一定濃度時及時切斷天然氣管路，并開啟通風設備進行換氣;2)鍋爐本體或煙道上必須設置防爆門;3)燃氣管路應有檢漏措施，燃氣鍋爐爐膛內要有聯鎖保護控制系統;4)燃氣鍋爐的啟動和停爐過程中，需要有嚴格的順序控制系統，進行爐膛和煙道的吹掃操作后方可點火;5)燃氣鍋爐房內所有電器設備需要防爆;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 結語

天津市煤改燃工程不僅體現了政府對改善城市空氣質量的決心，更重要的是它是涉及居民供熱需要，保障民生的系統工程。在天然氣鍋爐供熱方案選擇、建筑節能技術應用、供熱負荷調節、供熱管網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．供熱系統測試與分析研究［D］．北京:清華大學，2003．

［2］江 億．與城市能源結構調整相適應的采暖方式綜合比較［D］．北京:清華大學，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”技術規劃及節能效益分析［J］．現代物業，2010，9(6):18-20．

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

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

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