工业厂房智能清洁供暖系统选型与应用

连佳亮

0 引言

近年来，雾霾天气频繁，空气质量下降，空气呈现为典型的煤烟型污染的特征，大气中SO2的90%来自于燃煤，采暖期用煤增加，S02浓度从非采暖期的30 μg/m3～40 μg/m3，激增至标准的3.5倍，总悬浮颗粒物2/3来源于烟尘。为改善环境，在选择供热燃料时，不仅要考虑其经济性，环保效益也是重要的考核指标[1]。世界主要城市的经验表明，改善大气污染状况的根本途径是改变燃料结构。2017年8月市政府下发《大同市进一步推进2017年环境保护重点工作任务分解》文件，将力泰公司列入“大气、水、土壤污染防治行动计划”目标单位，要求淘汰10蒸吨/小时及以下燃煤锅炉，这意味着公司5台燃煤锅炉，均需更新。

力泰公司地处大同市建成区，现有5台共计28 t/h燃煤蒸汽锅炉供厂区、家属区冬季采暖，单台最大锅炉10 t/h。全部锅炉服役平均时间26.5年，其中最长41年，最短7年。锅炉热效率低，燃烧排放氮氧化物、二氧化硫严重超标，虽有水浴脱硫除尘装置，但负荷大时除尘效果较差，达不到国家规定的排放要求。另外锅炉及其辅机、除尘装置由于超龄服役、故障频繁，致使设备维修周期短难度大。停机修理不仅增加了维修资金和人员的投入，更是影响冬季采暖。

在此背景下，力泰公司对燃煤供暖系统进行改造策划、调研设计，改造锅炉房现有给水、供热管路系统，确定采用热值高、清洁环保的天然气燃烧锅炉作为供热设备。

1 供热系统设计

1.1 改造方案

为了减少投资，保留原户外管道，采暖热媒仍用115℃蒸汽供热，仅对锅炉房内水处理装置、给水、供热管道进行设计改造（图1）。

图1 锅炉房内水处理装置、给水、供热管道进行设计改造后示意

1.2 采暖热负荷

现需蒸汽供热的采暖面积52 500平方米，根据本地气象资料以及建筑、工艺方案等因素，估算冬季采暖热负荷[3]。详见表1“热负荷估算一览表”，采暖系统总热负荷为6 113 kW。

表1 热负荷估算一览表

1.3 锅炉容量

根据1吨蒸发量≈0.7 MW，考虑老旧管网的现状，按1.2倍估算，可概算出蒸汽锅炉蒸发量：10.5 t/h，故选一台10 t/h锅炉作为主要供热设备，一台4 t/h作为应对极端天气和意外情况的后备设备。

2 锅炉设备选型

2.1 各种燃烧介质锅炉经济性等因素比较[4](表2)

表2 燃气、燃油、电炉比较（以4 t/h蒸汽锅炉为例）

分析比较：

（1）燃油锅炉的烟尘排放大大低于燃煤锅炉，但SOX和NOX排放量却远远高于燃气锅炉，SOX和NOX易形成酸雨造成环境污染。从上表数据对比，可看出：燃油锅炉的运行费用是燃气锅炉的1.65倍；在配套设施上需增设储油罐，给场地安装、运行和管理等各个环节均带来了极大的压力，存在长期的安全隐患。

（2）电锅炉无污染物排放，利于环境，但燃烧运行成本是燃气锅炉的2.07倍，且使用的是二次能源，从能源的角度，也加大了发电能耗的投入。

综合以上情况，燃气锅炉无论是从环保角度还是从能源利用角度都较燃油、电锅炉更为有优势，应是供热改造的首选。

2.2 设备选型

市场调研结合现用锅炉房使用面积，选WNS卧式内燃三回程燃气蒸汽锅炉。该锅炉具备以下特点：

（1）受热面布置充分合理，确保锅炉高效率。采用波形炉胆回燃室、螺纹烟管进行强化换热，既提高了锅炉的吸热强度，又满足了换热面受热膨胀的需要，锅炉热效率达93%。

（2）燃气蒸汽锅炉选用全湿背顺流三回程烟火管结构，火焰在大燃烧室内微正压燃烧，完全伸展，燃烧热负荷低，燃烧热效率高，降低了排烟温度，从而达到高效换热。

（3）“之”型双层密封结构的烟箱，确保了烟箱的密封性，其上加设保温罩板，降低了此部位的热损失。

（4）先进高效的燃烧装置，采用国际名牌燃烧机，自动调节燃烧工况，彻底达到低污染、高效率燃烧。

（5）炉尾部加装节能器，将燃气剩余热量加以利用。

（6）可靠的自动控制系统和双重防爆功能，通过自控装置可实现蒸汽压力、锅炉水位、出水温度、回水温度等运行参数的自动控制，还可实现缺水、超压超温、异常熄火保护等功能，同时可监测水电板信号异常及温度传感器自检和燃烧机工作计时及熄火报警等。在自控前提下还设置手动控制泵、燃烧机等功能，在自控防爆的同时，炉膛出口处设置了双重防爆的防爆门。

2.3 供热系统智能化

（1）电气PLC控制，触摸屏人机界面、在线参数监测，控制系统界面如图2。

（2）给水变频自动调节，锅炉自动给水，燃烧机自动点火，根据设定值自动调节火焰大小。

（3）锅炉及其系统运行实时工艺流程画面。

（4）锅炉运行及报警数据上传云端，通过移动网络回传数据到管理人员手机终端，通过手机APP可实时查看锅炉及其系统运行数据，经授权可通过手机远程操作系统，实现了非现场监控。

（5）支持OPC规范，并通过OPC将锅炉运行数据、参数等传到调度中心。

图2 燃气锅炉控制系统

3 经济效益

力泰公司的供热系统改造，在同煤本部首次引进燃气锅炉，实现了清洁环保、高效的供取暖，提升了力泰公司冬季供热的节能、安全水平，达到了环保要求。燃烧天然气不排放S02，减少二氧化碳52%；比燃油减少氮氧化合物63%，减少二氧化碳26%[2]，废气、烟尘排放符合国家一类地区标准。

经过2017年一个采暖季的运行测试、比较，总体能耗降低6%（见下表3），年运行费用减少43.66万元，其中减少运行维修人员4人，按3 000元/人/月、取暖5个月计算6万元，设备修理材料、配件费6万元，比改造前的燃煤锅炉降低8%。

表3 2016年与2017年能耗对比

4 结语

加快构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，实现全球能源转型，是国际社会的共同使命。力泰公司供热系统的改造，总体性能指标高于设计要求，其中锅炉热效率93%以上，比燃煤锅炉设计热效率78%，提升了15%，比力泰公司原使用的燃煤锅炉热效率30%～40%，提升了53%～63%，同时为集团公司后续清洁、环保供热设备、系统的推广应用提供安装、使用、维护、标准化管理等技术支撑。圆满完成了“大同市环境保护重点工作任务”，身体力行地践行了习总书记“绿水青山就是金山银山”的生态文明建设理念，为大同市生态文明建设做出了一定贡献。