燃氣鍋爐及供熱系統節能技術

王玉萍，李浩玉，葉 曄

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

燃氣鍋爐及供熱系統節能技術

王玉萍，李浩玉，葉 曄

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

在石油天然氣集輸過程中，燃氣鍋爐應用廣泛，以燃氣鍋爐供熱而形成的供熱系統，節能、環保運行問題十分突出。榆林南區KT-RQ燃氣鍋爐及供熱系統節能技術，針對燃氣鍋爐及以此為熱源形成供熱系統，從煙氣排放余熱利用、降低熱水循環電耗以及鍋爐的最佳運行控制等方面，提供了降低運行成本的綜合治理技術。

燃氣鍋爐；供熱系統

1 天然氣鍋爐的節能潛力

1.1 煙氣節能潛力

為防止鍋爐尾部受熱面腐蝕和堵灰，標準狀態下，燃氣鍋爐的排煙溫度一般不低于180℃，最高可達250℃。高溫煙氣排放造成大量熱能浪費，同時也污染環境。

1 m3天然氣燃燒后會放出9 450 kcal的熱量，其中顯熱為8 500 kcal，水蒸氣含有的熱量（潛熱）為950 kcal。燃氣鍋爐可利用的熱能是8 500 kcal的顯熱。供熱行業中常規計算天然氣熱值一般以8 500 kcal/m3為基礎計算。這樣，天然氣的實際總發熱量9 450 kcal與天然氣的顯熱8 500 kcal比例關系以百分數表示就是111%，其中顯熱部分占100%，潛熱部分占11%，對于傳統燃氣鍋爐來說，潛熱部分的熱量在運行中實際上被全部浪費。高溫煙氣排放造成的排煙熱損失，主要為煙氣顯熱和蒸汽潛熱。

（1）1 m3天然氣燃燒，產生理論煙氣量約10.3 m3（大約12.5 kg），以過量空氣系數1.3計，產生煙氣14 m3（大約 16.6 kg）。

（2）由于天然氣燃料中含有氫元素，每1 m3天然氣燃燒后可產生1.55 kg水蒸氣。在排煙溫度較高時，煙氣中的水蒸氣處于過熱狀態，不能凝結成液態的水而放出汽化潛熱，而是隨煙氣排放，汽化潛熱被浪費。鍋爐熱效率一般只能達到70%～85%，約20%的熱能從爐體表面散發和通過煙氣排空而浪費。

取煙氣溫度200℃降低至70℃，1 m3天然氣燃燒后的排煙中，可放出物理顯熱約1 600 kJ，水蒸氣冷凝率取50%，可放出汽化潛熱約1 850 kJ，即總計放熱達3 450 kJ。這正是燃氣鍋爐節能的潛力所在。

1.2 循環水泵的節能潛力

在以燃氣鍋爐為熱源組成的供熱系統中，水泵的揚程、電機功率與實際運行系統的負荷需求之間差別較大，加之管路水阻測算上的誤差，使得水泵“大馬拉小車“現象比較普遍。水泵工作在非經濟運行狀態，功耗較大。

供暖現場循環水量的調節通常是通過控制閥門開度來實現的。這種控制方式，是以犧牲電機功率為代價的節流控制方式。在循環水泵的運行中有30%～50%的電機功率被浪費。

1.3 并聯運行的燃氣鍋爐

為節省燃氣費用，往往采用多臺燃氣鍋爐并聯間歇式運行方式。這種運行方式，鍋爐的出力在大火和小火兩種工況之間調節，動態調節火力的能力較差，不能滿足供熱負荷變化的需求，在節省燃氣方面的效果并不理想。綜上所述，燃氣鍋爐及供熱系統，在排煙余熱損耗、電力消耗、運行方式等方面，存在著可觀的節能潛力。

2 KT-RQ燃氣鍋爐及供熱系統節能技術

提高燃氣鍋爐熱效率的主要途徑是：提高燃燒系統的燃燒效率，優化鍋爐運行模式；提高排煙熱能利用率。

KT-RQ燃氣鍋爐及供熱系統節能技術，通過煙氣余熱回收、循環水泵節能、鍋爐運行方式控制等多項節能技術的綜合運用，實現高效利用燃氣、減少環境污染的目的。各項技術相對獨立，即可單獨應用其中一項，也可掛接在鍋爐運行監控系統中自動運行[1-4]。

2.1 排煙余熱回收

燃燒條件一定時，提高排煙熱能利用率，是高效利用天然氣、減少環境污染的有效途徑。在天然氣燃燒設備的尾部增設冷凝式換熱器，將排煙溫度降到煙氣露度以下，不僅可以回收利用排煙顯熱，還可以利用天然氣燃燒時產生的大量水蒸氣凝結時放出的潛熱。同時凝結液對煙氣中的CO2、NOX和SOX等有害氣體有一定的吸納作用，因此，可提高能源利用率，并減少排煙對環境的污染。

煙氣冷凝余熱回收器，利用溫度較低的水或空氣與煙氣進行換熱。靠近換熱面區域，煙氣中水蒸氣冷凝，同時實現煙氣顯熱釋放和水蒸氣凝結潛熱釋放，而換熱器內的水或空氣吸熱而被加熱，回送鍋爐或換熱器后，即可實現熱能回收利用，提高鍋爐熱效率，減少燃氣耗量。天然氣鍋爐排煙熱能回收方式，針對常壓鍋爐和壓力鍋爐，分為兩種類型。

2.1.1 常壓鍋爐煙氣排放的回收方式 在圖1中可以看到，供暖熱水的回水全部進入煙氣熱能回收器內與煙氣進行換熱，將溫度提高后，再進鍋爐加熱，以降低燃氣耗量。

圖1 常壓鍋爐煙氣排放的回收方式示意圖

2.1.2 壓力鍋爐煙氣排放的回收方式 在圖2中可以看到，供暖熱水的回水全部進入煙氣熱能回收器內與煙氣進行換熱，將溫度提高后，再進換熱器與熱媒換熱，從而降低燃氣耗量。

圖2 壓力鍋爐煙氣排放的回收方式示意圖

冷凝式余熱回收器可將煙氣熱量回收，回收的熱量根據需要可用作鍋爐補水或生活用水，或加熱空氣可用作鍋爐助燃風或干燥物料。節省燃料費用，減少廢氣排放，節能環保一舉兩得。

2.1.3 冷凝式余熱回收器特點

（1）可靠性高：采用高效換熱元件、耐腐蝕鋼制造，使用壽命長，鍋爐低溫部位的煙囪中，普遍會遇到燃料中含硫量偏高，在露點溫度下形成硫酸而造成設備腐蝕的問題，稱之為“硫酸露點腐蝕”現象。用普通鋼制作的鍋爐低溫部件，由于其耐硫酸露點腐蝕性能很差，腐蝕嚴重，使用壽命很短。特種材料耐腐蝕鋼耐腐蝕性強，設備使用壽命大大延長。

（2）節省燃料：可有效利用煙氣中的潛熱，使鍋爐排煙溫度由180℃降至80℃左右，燃料熱能利用率可提高8%～15%，有效提高了鍋爐熱效率，節約能源，降低運行費用。以一臺2.80 MW燃氣鍋爐為例，每小時可節約天然氣25 m3～45 m3，一個供暖期就可節約燃氣費用5.9～10.7萬元（計算依據：一個供暖季120 d、每天運行10 h、天然氣價格為1.98元/立方米）。

（3）環保：有效降低煙氣中氮氧化合物排放濃度，使所排放煙氣更能達到環保要求。

（4）安裝便利：結構緊湊，安裝方便，設備整體出廠，施工周期短。

（5）產品多樣化：可根據用戶實際情況進行設計、定做非標產品，同時本公司還竭誠為用戶供暖系統進行優化改造。

2.2 循環水泵節能技術

2.2.1 閥門控制流量的功率損失 閥門控制法的實質是：水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來改變供水的能力（反映為供水流量），以適應用戶對流量的需求。這時，管路特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。供水功率與面積成正比。

2.2.2 變頻控制循環水泵 通過改變水泵的全揚程來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。對循環泵采用變頻控制，可調整系統最佳流量。實現熱力系統的變負荷運行。

2.2.3 循環泵增壓裝置 該裝置的技術特點是，利用水泵富裕揚程，使部分循環水進入增壓裝置，在水泵出口等壓混合。由于部分循環水無需循環泵增壓，降低了循環泵電力能耗。

2.3 燃氣鍋爐監控系統

該系統是一套數字化的燃氣鍋爐節能監控系統，通過對供熱負荷、環境溫度以及系統運行參數的監測，動態調節鍋爐的運行模式和火力配置，同時對煙氣余熱回收、循環水泵變頻運行等部分進行自動監控。

系統具有豐富的組態功能，實時顯示鍋爐運行狀態、氣候補償數據、變頻水泵狀態、燃氣消耗等相關運行參數，動態仿真地描述供暖系統各輔機的實時運行狀態（運行、停止或故障），全中文界面，操作簡單、參數實用，動畫逼真。

2.3.1 基本功能

（1）通過閉環控制，實時跟蹤供熱負荷和環境溫度變化，控制鍋爐變負荷運行以及變流量循環。通過監控系統的運算得出最佳運行方式，控制并聯運行鍋爐投入臺數、火力大小的自動配合，實現鍋爐變負荷運行。

（2）監測熱源（燃氣）用量、二次網循環熱量以及二次網補水量。此參數用于分析供熱系統的運行工況及熱力系統的流量分配情況，同時可實現EAOC（能效分析與運行優化控制）。

（3）智能溫控技術：可隨戶外溫度的變化，自動調節循環水溫度，通過控制系統的“質調控”使系統處于最佳狀態，最大限度地節約能源。

（4）自動排污、自動泄壓：回水管道上安裝過濾裝置和手動排污閥，可通過判斷過濾裝置前后壓差，實現自動排污或手動排污，減小系統運行阻力。同時，隨著水溫的升高，回水壓力超過設定壓力，系統會自動打開電動閥泄壓，并維持正常壓力。

（5）二次網漏量的監測：通過監測補水出口流量的變化，捕捉大流量時段，分析判斷二次網的漏量情況。

（6）報警保護：系統檢測到下列故障后，通過聲光報警提醒管理人員排除故障：①二次網漏量大；②循環泵故障停泵；③循環泵變頻器故障；④系統安全故障報警（超壓或失壓）。

（7）補水失壓保護：換熱站在運行過程中如果系統嚴重失水或補水壓力過低，系統能夠自動停機并發出報警，當補水壓力恢復正常時又能夠自動投入運行。

（8）供水超壓保護：換熱站在運行過程中如果二次網出口壓力嚴重超壓，系統將自動停機并發出報警，當二次網出口壓力恢復正常時能自動投入運行。

系統軟件為中文界面顯示，操作簡單。在線顯示實時運行參數，包括：熱媒流量、熱媒溫度、熱媒壓力、供熱量、室外溫度、供/回水溫度、供/回水壓力、二次網漏量等，并能調閱、打印實時及歷史數據曲線。

3 經濟效益

KT-RQ燃氣鍋爐節能系統的運行，通過煙氣余熱回收、循環水泵降耗、鍋爐運行監控等三項節能技術，可實現降低燃氣消耗8%～10%，降低電力消耗30%～50%的目標。

現以常壓燃氣鍋爐供暖系統為例，說明采用KTRQ燃氣鍋爐及供熱系統節能技術后的經濟效益。

某小區換熱站由6臺2.45 MW燃氣常壓熱水鍋爐組成。

（1）供暖面積：150 000 m2左右。

（2）熱水出/回水溫：55℃/45℃。

（3）工作模式：6臺2.45 MW鍋爐并聯間歇式運行，其中5臺小火運行。

（4）鍋爐煙道的排煙溫度140℃。

（5）供暖期（120 d，平均每天開機16 h）天然氣費用400～450萬元。

其中單價取值：電費：0.49元/度；天然氣：1.98元/立方米。節約電費3.5萬元，較改造前節約天然氣15%，共節約63.5萬元

4 結論及建議

KT-RQ燃氣鍋爐節能系統，各組成單元可獨立安裝，發揮各自的節能作用。適應于下列場合：

（1）氣-液式：從煙氣中吸收熱量，用來加熱給水，被加熱后的水可以返回鍋爐（作為省煤器），也可單獨使用（作為熱水器），從而提高能源利用率，達到節能的目的。如常壓燃氣鍋爐供暖系統、熱水供應系統；壓力燃氣鍋爐供暖系統、熱水供應系統。

（2）氣-氣式：從煙氣中吸收余熱，加熱助燃空氣，以降低燃料消耗，改善燃燒工況，從而達到節能的目的；也可從煙氣中吸收余熱，用于加熱其他氣體介質如煤氣等。對鋼廠，石化廠及工業窯爐而言，這是一種有效的余熱利用形式。

（3）其他應用場合：陶瓷窯爐、水泥工業、冶金工業，紡織工業、合成氨工業余熱回收。

［1］ 鄧新華.燃氣鍋爐供熱系統節能技術與應用［J］.節能技術，2010，28（2）：178-181.

［2］ 馬本金.論燃氣供熱鍋爐房節能系統技術和應用［J］.中國高新技術企業，2008，（4）：94.

［3］ 楊超.燃氣鍋爐供熱系統節能技術分析［J］.裝備制造，2014，（9）：131+137.

［4］ 王弢，宋希博.節能技術在供暖系統中的應用［J］.高校后勤研究，2009，（5）：97-99.

Energy saving technology of gas fired boiler and heating system

WANG Yuping，LI Haoyu，YE Ye
（Gas Production Plant 2 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yulin Shanxi 719000，China）

In the process of oil and gas gathering and transportation,the gas boiler is widely used in the heat supply system,which is formed by the heating of the gas boiler,and the problem of energy saving and environmental protection is very prominent.Yulin south KTRQ gas fired boiler and heating system energy saving technology,for gas boiler and takes as a heat source formed heating system,from the flue gas emissions of waste heat utilization,reduce the hot water circulating power consumption and boiler optimum operating control,provides a lower operating cost of the comprehensive treatment technology.

gas fired boiler；heating system

TE963

A

1673-5285（2017）07-0136-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.07.032

2017－06-13