關于嚴寒地區某車輛段熱源系統的改造探討

李彥良

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

關鍵詞：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，故原設計采用的燃油鍋爐做為車輛段內熱源，段內設置室外地下儲油罐池與供油系統。

天津市地方標準《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB12/151-2020）規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保要求。

1 原設計概況及運行現狀

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

車輛段的供暖室內設計溫度：辦公房間為20℃;停車列檢庫、聯合檢修庫為16℃。另根據運營人員反饋停車列檢庫、聯合檢修庫內實際溫度約為12℃，低于設計溫度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，把超標部分進行改造，先治標;另一種是對熱源系統進行改造，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、燃燒中脫硝技術和燃燒后脫硝技術。其中，燃燒前脫硝技術成本高，不易被企業所采納;燃燒中脫硝技術雖然費用低，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，還原劑對NOx的還原在所有的化學反應中占主導，表現出選擇性，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先和NOx發生還原反應，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，但供暖管路需沿規劃道路敷設6 km，因近期車輛段周圍規劃道路都無法實施，如規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。考慮到規劃路方案不穩定等因素，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化成為熱能的鍋爐設備。但電鍋爐運行費用較高，一般設置在電力供應充足的地區，且設置該類型鍋爐需在段內增加一處降壓變電所，專門為電鍋爐設備供電，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有地源熱泵系統、水源熱泵系統、燃氣熱泵系統、空氣源熱泵系統等幾個種類，考慮到本工程的客觀條件限制，以上最適合的系統為空氣源熱泵系統。

近些年空氣源熱泵技術不斷成熟，廠家針對空氣源熱泵的低溫環境效率低、易結霜等缺點進行了技術優化，在-25℃嚴苛環境下，機組能安全穩定工作。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保問題最優的兩種方案。根據《城鎮供熱管網設計規范》的相關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、脫硝系統的購置費用、脫硝系統的運行電費、輔助加熱設施運行費用、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初投資。根據資料，車輛段鍋爐每年燃油費用約1 800萬元;鍋爐尾氣脫硝系統設備購置費用約為120萬元。

（2）脫硝系統運行費用。脫硝系統的用電設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，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，脫硝系統最高用電費用為384元/日。

為滿足催化劑的工作溫度，需設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《城鎮供熱管網設計規范》第3.2.1條采暖平均熱負荷與設計熱負荷之比：

Qh，a=Qh×（ti-ta）/（ti-to，h）

脫硝設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。為滿足設計供暖負荷，擬設置制熱量155 kW的空氣源熱泵機組55臺，該系統設備費用約為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《城鎮供熱管網設計規范》，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

（d）;Q h—采暖設計熱負荷（kW）;ti—室內計算溫度

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

根據供暖天數為150天及不同單體的室內計算溫度，代入相關數據得全年耗熱量為77 505 GJ。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》相關規定，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。

空氣源熱泵系統初投資為3 860萬元;年運行成本為717.6萬元。

4 結論

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

參考文獻：

[1]GB50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].中國建筑工業出版社，2012.

[2]CJJ 34-2010，城鎮供熱管網設計規范[S].中國建筑工業出版社，2010.