大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略研究

李美瑩，丁心安，朱文秀

（西安思源學院，陜西 西安 710038）

伴隨我國經濟的快速發展，能源浪費問題日益突出，對賴以生存的環境也造成不可逆轉地破壞，給人們的日常生活帶來了諸多困擾[1]。目前，我國供熱仍以燃煤為主，既消耗了大量能源，又嚴重破壞環境。隨著科技的發展，國內開始重視供熱技術的研究，引進國外先進集中供熱系統，推動我國供熱技術的發展，以此改變能源浪費的現狀[2]。近年來，大型燃氣鍋爐供熱系統逐漸進入人們視野，與傳統燃煤鍋爐相比，不僅節約能源，而且降低了廢氣的排放量，基本達到了節能減排的目的。因此，對大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略的研究具有十分重要的意義[3]。為此，本文提出一種新的大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略。在該節能優化策略研究中，主要針對大型燃氣鍋爐供熱系統的操作流程進行優化，以實現鍋爐供熱系統節能優化。

1 大型燃氣鍋爐供熱系統分析

大型燃氣鍋爐供熱系統由除氧給水系統、燃燒系統、輔助系統構成。燃燒器呈四角布置，與爐膛下部蓄熱裝置配合，保證燃氣鍋爐工作所需的溫度場及燃燒工況。大型燃氣鍋爐供熱系統如圖1所示。

圖1 大型燃氣鍋爐供熱系統實物Fig.1 Physical drawing of large gas boiler heating system

除氧給水系統包括熱力除氧器、疏水箱、疏水泵、螺旋板、給水泵、汽水管道等組成。燃燒系統包括送風系統、引風系統、煤氣管道系統。輔助系統包括鍋爐排污及疏水系統、汽水取樣系統、加藥系統、壓縮空氣系統和氮氣系統。燃氣鍋爐供熱系統如圖2所示。

圖2 燃氣鍋爐供熱系統Fig.2 Heating system diagram of gas boiler

2 大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略

2.1 系統硬件負荷分析

大型燃氣鍋爐供熱系統的負荷包括鍋爐表面的傳熱負荷、內外溫差傳熱負荷以及太陽輻射負荷等[4-5]，為實現大型燃氣鍋爐供熱系統的節能優化，需要確定影響該系統的負荷[6-7]。

（1）鍋爐表面的傳熱負荷。鍋爐表面的傳熱負荷的獲取中，將大型燃氣鍋爐供熱系統的負荷進行集成，通過供熱系統的傳熱系數、大型燃氣鍋爐的表面積、傳熱負荷的計算時間、作用在鍋爐表面的時刻以及傳熱負荷溫差的共同作用，確定鍋爐表面的傳熱負荷。根據供熱傳熱函數和日平均傳熱負荷量，進一步提升傳熱負荷的精度。當鍋爐表面傳熱負荷的傳熱函數 時，傳熱負荷可約等于日平均的傳熱負荷量。

（2）內外溫差傳熱負荷。在確定了鍋爐表面的傳熱負荷后，需要確定內外溫差傳熱負荷。大型燃氣鍋爐供熱內外溫差傳熱負荷與鍋爐內外傳熱溫差基本相似，在該值的確定中通過修正系數的計算，完成內外溫差傳熱負荷的確定。

（3）太陽輻射負荷。大型燃氣鍋爐供熱系統不在遮陽建筑設施內的部分吸收一部分太陽輻射，其太陽輻射造成的鍋爐傳熱負荷也是影響去運行能耗的關鍵。因此，需要確定太陽輻射透過無遮陽的鍋爐建筑設施的供熱負荷量。

大型燃氣鍋爐供熱系統在遮陽建筑設施內的部分，太陽輻射造成的鍋爐傳熱負荷量也較多，還需要確定太陽輻射透過建筑物內的鍋爐設備產生的供熱負荷量。

2.2 系統軟件設計中供熱數據結構優化分析

根據上述獲取的大型燃氣鍋爐供熱系統負荷值，獲取大型燃氣鍋爐供熱數據。利用G（A）和G（B）構建超帶寬儲存大型燃氣鍋爐供熱數據模型[8-9]。A和B分別為鍋爐供熱數據分布對稱點，那么G=（V，E）為特征分布供熱傳輸數據模型，數據集為X={x1，x2，…，xn}。特征分布供熱傳輸數據模型的狀態導向量為U∈Rm×m，構建正交矩陣序列，選取矩陣相交點為特征分布供熱傳輸數據的序列集，空間分離特征分布供熱傳輸數據[10-11]，獲得特征分布供熱傳輸數據的空間特征量為：

（1）

式中，sc（t）為特征分布供熱傳輸數據的樣本值；f0為傳輸頻率。

為了使大型燃氣鍋爐供熱系統實現節能優化，需要對特征分布供熱傳輸數據結構進行優化重構，從而得到去冗數據并將進行校驗，為續的節能優化奠定基礎。

采用空間重構方法獲得特征分布供熱傳輸數據的頻譜特征Xp（u）[12-13]，得到特征分布供熱傳輸數據的主頻特征向量為：

（2）

式中，k為特征分布供熱傳輸數據時間序列；λ為特征分布供熱傳輸數據主頻率；T為特征分布供熱傳輸數據重構的時間點，根據空間重構實現對大型燃氣鍋爐供熱數據結構分布重組。

采用自適應計算方法[14-15]，獲取大型燃氣鍋爐供熱數據結構去冗數據集，根據獲取的冗余數據集合中的樣本，對得到大型燃氣鍋爐供熱數據結構進行去冗，對其數據結構進行有效的優化。將冗余數據集合的結構冗余函數通過維度進行表示。

在優化后的超帶寬儲存大型燃氣鍋爐供熱數據結構中，設置超帶寬儲存系統的非結構函數，通過超帶寬儲存大型燃氣鍋爐供熱數據的特征項，利用分類重組海量帶寬儲存數據的結構，獲取超帶寬儲存大型燃氣鍋爐供熱數據的適應度函數。

為了避免大型燃氣鍋爐供熱數據存儲空間與實際應用空間差距過大，可以利用大型燃氣鍋爐供熱系統冗余數據的校驗集合，建立大型燃氣鍋爐供熱數據匹配函數[16-17]，得到大型燃氣鍋爐供熱數據的存儲空間特征量，根據大型燃氣鍋爐供熱數據的頻率散布特征進行擴充，通過超帶寬儲存完成了大型燃氣鍋爐供熱數據結構的整體優化。

2.3 系統節能優化

2.3.1 大型燃氣鍋爐供熱系統供熱值計算

大型燃氣鍋爐供熱系統中供熱數據的確定是通過燃氣中化學能轉化為熱能，利用蒸汽與高溫水達到供熱系統的供暖目的[18-19]。鍋爐中產生的蒸汽，可直接為工業的生產與人們的日常生活提供能量，也可以通過蒸汽機械轉換成供熱系統的熱能，大型燃氣鍋爐供熱系統從內到外釋放的熱量表示為：

（3）

式中，q|tie-θie|為大型燃氣鍋爐內的熱量值；tie-θie為大型燃氣鍋爐的內壁與外壁的溫度差；αie為大型燃氣鍋爐表面的受熱系數；θie為大型燃氣鍋爐的燃氣換熱值。

在冬季采用鍋爐進行集中供暖時，計算大型燃氣鍋爐供熱系統的燃氣換熱值，得到大型燃氣鍋爐供熱系統的供熱值，通過燃氣的換熱密度、熱水的傳熱值等高溫條件下確定大型燃氣鍋爐供熱系統溫度，可以看出，大型燃氣鍋爐供熱系統的換熱密度與傳熱值呈正比。

2.3.2 系統優化設計

由于大型燃氣鍋爐供熱系統在供熱過程中，其供熱溫度較為平均，在白天氣溫較高時，其供熱溫度與夜晚氣溫較低時一致，容易造成資源浪費。為實現大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化的設計需求，在大型燃氣鍋爐供熱系統中設置無線溫度變送器與氣候補償控制系統。BJBJ106型無線溫度變送器（圖3），測量范圍在-55～+150 ℃，轉換位數9～12 bit，電壓為3.0～5.5 V，具有精度高、響應快、抗干擾能力強的特點。

圖3 無線溫度變送器實物Fig.3 Physical drawing of wireless temperature transmitter

無線溫度變送器能夠直接將室外實時溫度轉化成數字信號進行處理，將數字信號發送給氣候補償控制系統，使系統直接針對溫度數字信號做出調整，根據室外氣溫調整供熱力度，實現一定程度上的供熱節能。氣候補償控制系統原理如圖4所示。

圖4 氣候補償控制系統原理Fig.4 Schematic diagram of climate compensation control system

根據當地氣溫進行實際氣溫指標的設置。例如，當白天室外溫度達到零度以上時，可設置大型燃氣鍋爐供熱系統的供熱溫度為18～20 ℃；此種溫度設置還需與居民生活作息相結合，工作日的白天，居民家中人員稀少，可相對應的降低大型燃氣鍋爐供熱系統的供熱溫度，在周末時則可根據實際室外氣溫進行調節。

通過無線溫度變送器與氣候補償控制系統的應用，改變不同時間段的供熱溫度，降低多余能源的消耗，實現大型燃氣鍋爐供熱系統的節能優化。

2.3.3 供熱系統節能優化的可行性指標構建

在確定實際氣溫指標后，設置導熱系數與導溫系數為固定常數[20]，確定鍋爐供熱過程中燃氣熱能指標。其中，燃氣鍋爐供熱系數可以表示為Y=Aq/Aθ，Aq為大型燃氣鍋爐供熱系統熱量振幅，Aθ為大型燃氣鍋爐供熱系統溫度變化的波振幅。大型燃氣鍋爐供熱系統本身在供熱過程中具有熱物性，因此大型燃氣鍋爐供熱系統在結合實際氣溫指標進行供熱時，其供熱系數會增加。根據供熱系數設置節能優化指標，由燃氣熱量值E及能源釋放值H決定，大型燃氣鍋爐供熱系統進行節能優化處理后，得到的大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化的可行性指標。將大型燃氣鍋爐供熱系統按照可行性指標運行，以此實現大型燃氣鍋爐供熱系統的節能目的。大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化的可行性指標設計如圖5所示。

圖5 燃氣鍋爐供熱系統節能優化的可行性指標Fig.5 Feasibility index of energy saving optimization of gas boiler heating system

根據以上可行性指標對大型燃氣鍋爐供熱系統實施節能優化，將研究的指標劃分為3個級別，并詳細設置指標內容，通過對相關指標的計算，提出節能優化策略。大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略流程如圖6所示。

圖6 大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略流程Fig.6 Energy saving optimization strategy process of heating system of large gas boiler

根據上述對大型燃氣鍋爐供熱系統提出的節能優化策略，完成大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化。

3 實驗分析

3.1 實驗方案

為了驗證本文提出的大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略在應用過程中整體有效性，進行實驗分析。實驗過程中，利用Workbench平臺模擬大型燃氣鍋爐供熱系統，分析本文方法在供熱能耗、品質值和經濟效益方面的性能。

3.2 結果分析

實驗分析了了本文方法的熱源總供熱量優化控制策略的供熱系統能耗測試，得到結果見表1。從表1結果可以看出，隨著供熱系統開窗比越來越大，本文方法的供熱能耗隨之發生一定變化。當開窗比為50%時，本文方法的系統能耗約為318 J，當開窗比為100%時，本文方法的系統能耗約為352 J。本文方法的系統能耗較低，這是由于本文方法在系統優化時確定了系統相關負荷，并對系統供熱數據有效處理，降低了系統運行時所需要的能耗。

表1 供熱系統能耗測試結果Tab.1 Energy consumption test results of the heating system

大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略的節能優化效果品質值測試結果如圖7所示。從圖7可以看出，在多次測試中，提出的節能優化策略在大型燃氣鍋爐供熱系統的節能優化效果中，節能優化效果的品質系數基本上均超過了0.9。這是由于提出的節能優化策略在實施節能優化之前，先分析大型燃氣鍋爐供熱系統的運行負荷，利用超帶寬儲存方式，將大型燃氣鍋爐供熱數據儲存起來，提高了品質系數。

圖7 節能優化效果品質值測試結果Fig.7 Test results of energy efficiency optimization

3種大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略帶來的經濟效益對比結果，如圖8所示。從圖8可以看出，采用本文方法節能優化后經濟效益較好。本文方法優化后的經濟效益在測試次數為30次后呈現一定下降的趨勢，表明本文方法節能效果更明顯。這是由于本文方法確定了供熱數據的存儲空間特征量，獲取燃氣鍋爐供熱數據，借助小波方程式求解大型燃氣鍋爐供熱系統的不穩定換熱值，確定鍋爐供熱過程中燃氣熱能指標，最后優化性能指標，節約了優化成本，提高了經濟效益。

綜上所述，本文設計的節能優化方法在供熱系統能耗中得到了有效的降低，通過對鍋爐表面傳熱負荷、內外溫差傳熱負荷以及太陽輻射負荷的確定，有效降低大型燃氣鍋爐供熱系統負荷，在降低能耗的基礎上，節約了鍋爐運行的成本，提升了經濟效益。

圖8 節能優化策略的經濟效益曲線Fig.8 Economic benefit curve of the energy-saving optimization strategy

3.3 應用實例

經過實驗能夠驗證本文設計的優化方法能夠有效降低供熱系統能耗，具有一定的實用性。將本文提出的大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略應用到實際生活中，該小區建筑面積20萬m2，住宅面積15.5萬m2，商業面積4.5萬m2，小區內有8棟建筑。其中，3棟的1～4層為商業區，其余均為住宅區域。該小區為燃氣鍋爐供熱，擁有6臺裝機容量為4.2 MW的燃氣熱水鍋爐，用于該小區的冬季供暖。該小區部分大型燃氣鍋爐供熱系統實物如圖9所示。

圖9 該小區大型燃氣鍋爐供熱系統實物Fig.9 Physical diagram of large gas boiler heating system in the community

在2019年冬季供暖運行之前，將本文提出的大型燃氣鍋爐供熱系統節能優化策略應用到該小區供暖系統中，在2020年初供暖結束后，得到供暖運行費用支出450萬元，相比2018年的供暖運行費用支出減少了60萬元，證明本文提出的優化策略在實際應用中具有較好的實用性。

4 結論

針對大型燃氣鍋爐供熱系統運行過程中所需能耗較高的問題，本文提出了一種新的節能優化策略。首先，分析大型燃氣鍋爐供熱系統負荷，確定不同負荷數據；然后，根據負荷數據確定系統的供熱數據，最后，通過提取節能優化指標，并對其進行優化研究，實現了大型燃氣鍋爐供熱系統進行節能優化。實驗結果顯示，本文設計的節能優化策略可以有效提高大型燃氣鍋爐供熱系統的節能效果。