工業廠房智能清潔供暖系統選型與應用

連佳亮

0 引言

近年來，霧霾天氣頻繁，空氣質量下降，空氣呈現為典型的煤煙型污染的特征，大氣中SO2的90%來自于燃煤，采暖期用煤增加，S02濃度從非采暖期的30 μg/m3～40 μg/m3，激增至標準的3.5倍，總懸浮顆粒物2/3來源于煙塵。為改善環境，在選擇供熱燃料時，不僅要考慮其經濟性，環保效益也是重要的考核指標[1]。世界主要城市的經驗表明，改善大氣污染狀況的根本途徑是改變燃料結構。2017年8月市政府下發《大同市進一步推進2017年環境保護重點工作任務分解》文件，將力泰公司列入“大氣、水、土壤污染防治行動計劃”目標單位，要求淘汰10蒸噸/小時及以下燃煤鍋爐，這意味著公司5臺燃煤鍋爐，均需更新。

力泰公司地處大同市建成區，現有5臺共計28 t/h燃煤蒸汽鍋爐供廠區、家屬區冬季采暖，單臺最大鍋爐10 t/h。全部鍋爐服役平均時間26.5年，其中最長41年，最短7年。鍋爐熱效率低，燃燒排放氮氧化物、二氧化硫嚴重超標，雖有水浴脫硫除塵裝置，但負荷大時除塵效果較差，達不到國家規定的排放要求。另外鍋爐及其輔機、除塵裝置由于超齡服役、故障頻繁，致使設備維修周期短難度大。停機修理不僅增加了維修資金和人員的投入，更是影響冬季采暖。

在此背景下，力泰公司對燃煤供暖系統進行改造策劃、調研設計，改造鍋爐房現有給水、供熱管路系統，確定采用熱值高、清潔環保的天然氣燃燒鍋爐作為供熱設備。

1 供熱系統設計

1.1 改造方案

為了減少投資，保留原戶外管道，采暖熱媒仍用115℃蒸汽供熱，僅對鍋爐房內水處理裝置、給水、供熱管道進行設計改造（圖1）。

圖1 鍋爐房內水處理裝置、給水、供熱管道進行設計改造后示意

1.2 采暖熱負荷

現需蒸汽供熱的采暖面積52 500平方米，根據本地氣象資料以及建筑、工藝方案等因素，估算冬季采暖熱負荷[3]。詳見表1“熱負荷估算一覽表”，采暖系統總熱負荷為6 113 kW。

表1 熱負荷估算一覽表

1.3 鍋爐容量

根據1噸蒸發量≈0.7 MW，考慮老舊管網的現狀，按1.2倍估算，可概算出蒸汽鍋爐蒸發量：10.5 t/h，故選一臺10 t/h鍋爐作為主要供熱設備，一臺4 t/h作為應對極端天氣和意外情況的后備設備。

2 鍋爐設備選型

2.1 各種燃燒介質鍋爐經濟性等因素比較[4](表2)

表2 燃氣、燃油、電爐比較（以4 t/h蒸汽鍋爐為例）

分析比較：

（1）燃油鍋爐的煙塵排放大大低于燃煤鍋爐，但SOX和NOX排放量卻遠遠高于燃氣鍋爐，SOX和NOX易形成酸雨造成環境污染。從上表數據對比，可看出：燃油鍋爐的運行費用是燃氣鍋爐的1.65倍；在配套設施上需增設儲油罐，給場地安裝、運行和管理等各個環節均帶來了極大的壓力，存在長期的安全隱患。

（2）電鍋爐無污染物排放，利于環境，但燃燒運行成本是燃氣鍋爐的2.07倍，且使用的是二次能源，從能源的角度，也加大了發電能耗的投入。

綜合以上情況，燃氣鍋爐無論是從環保角度還是從能源利用角度都較燃油、電鍋爐更為有優勢，應是供熱改造的首選。

2.2 設備選型

市場調研結合現用鍋爐房使用面積，選WNS臥式內燃三回程燃氣蒸汽鍋爐。該鍋爐具備以下特點：

（1）受熱面布置充分合理，確保鍋爐高效率。采用波形爐膽回燃室、螺紋煙管進行強化換熱，既提高了鍋爐的吸熱強度，又滿足了換熱面受熱膨脹的需要，鍋爐熱效率達93%。

（2）燃氣蒸汽鍋爐選用全濕背順流三回程煙火管結構，火焰在大燃燒室內微正壓燃燒，完全伸展，燃燒熱負荷低，燃燒熱效率高，降低了排煙溫度，從而達到高效換熱。

（3）“之”型雙層密封結構的煙箱，確保了煙箱的密封性，其上加設保溫罩板，降低了此部位的熱損失。

（4）先進高效的燃燒裝置，采用國際名牌燃燒機，自動調節燃燒工況，徹底達到低污染、高效率燃燒。

（5）爐尾部加裝節能器，將燃氣剩余熱量加以利用。

（6）可靠的自動控制系統和雙重防爆功能，通過自控裝置可實現蒸汽壓力、鍋爐水位、出水溫度、回水溫度等運行參數的自動控制，還可實現缺水、超壓超溫、異常熄火保護等功能，同時可監測水電板信號異常及溫度傳感器自檢和燃燒機工作計時及熄火報警等。在自控前提下還設置手動控制泵、燃燒機等功能，在自控防爆的同時，爐膛出口處設置了雙重防爆的防爆門。

2.3 供熱系統智能化

（1）電氣PLC控制，觸摸屏人機界面、在線參數監測，控制系統界面如圖2。

（2）給水變頻自動調節，鍋爐自動給水，燃燒機自動點火，根據設定值自動調節火焰大小。

（3）鍋爐及其系統運行實時工藝流程畫面。

（4）鍋爐運行及報警數據上傳云端，通過移動網絡回傳數據到管理人員手機終端，通過手機APP可實時查看鍋爐及其系統運行數據，經授權可通過手機遠程操作系統，實現了非現場監控。

（5）支持OPC規范，并通過OPC將鍋爐運行數據、參數等傳到調度中心。

圖2 燃氣鍋爐控制系統

3 經濟效益

力泰公司的供熱系統改造，在同煤本部首次引進燃氣鍋爐，實現了清潔環保、高效的供取暖，提升了力泰公司冬季供熱的節能、安全水平，達到了環保要求。燃燒天然氣不排放S02，減少二氧化碳52%；比燃油減少氮氧化合物63%，減少二氧化碳26%[2]，廢氣、煙塵排放符合國家一類地區標準。

經過2017年一個采暖季的運行測試、比較，總體能耗降低6%（見下表3），年運行費用減少43.66萬元，其中減少運行維修人員4人，按3 000元/人/月、取暖5個月計算6萬元，設備修理材料、配件費6萬元，比改造前的燃煤鍋爐降低8%。

表3 2016年與2017年能耗對比

4 結語

加快構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系，實現全球能源轉型，是國際社會的共同使命。力泰公司供熱系統的改造，總體性能指標高于設計要求，其中鍋爐熱效率93%以上，比燃煤鍋爐設計熱效率78%，提升了15%，比力泰公司原使用的燃煤鍋爐熱效率30%～40%，提升了53%～63%，同時為集團公司后續清潔、環保供熱設備、系統的推廣應用提供安裝、使用、維護、標準化管理等技術支撐。圓滿完成了“大同市環境保護重點工作任務”，身體力行地踐行了習總書記“綠水青山就是金山銀山”的生態文明建設理念，為大同市生態文明建設做出了一定貢獻。