燃气锅炉热备用技术的对比研究分析

常娜娜

（华电综合智慧能源科技有限公司）

0 引言

我国供热系统大部分采用基本热源与调峰热源联合供热模式［1］，文献［2］研究电站锅炉在深度调峰时对受热面的影响，文献［3］研究二次侧增设燃气调峰锅炉与供热系统联合供热，本文研究对象为区域供能系统，区域型天然气分布式能源站一般是为满足某个大型用能企业或某工业园区热能供应建设的。热能的需求通常有波动范围，热能最大峰值只在短时间内达到，而且供热一定要可靠，为满足用能的所有需求供热也一定要具有弹性范围。另外一方面，由于燃气轮机本身性能特点，燃气轮机在75%～100%负荷范围内运行发电效率较高，低于75%负荷运行燃机发电效率随负荷降低衰减较快，且燃气轮机的启停操作比较复杂，频繁启停也影响燃气轮机的使用寿命，为了保证燃气轮机高效运行，机组选型依据平均负荷进行设计，余热锅炉不具有调峰供能，因此需设调峰设备适应用户的负荷波动，调峰设备依据调峰负荷和供能安全性综合考虑。

区域型供能类型主要以工业蒸汽负荷、电负荷及全年工艺冷负荷为主，由于规模不同，终端用户冷热电负荷变化和使用要求不同以及所在地区的具体条件不同，经过技术经济比较可以采取各种不同的系统及设备配置方案，主要分为燃气-蒸汽联合循环和燃气-蒸汽简单循环两大类，这类用户侧供能需求存在随生产任务波动，同时用户出于生产连续进行的需求，要求供能保障连续稳定，不能中断，对供能的安全性和负荷的响应性提出较高的要求。调峰备用锅炉热备用是保证供能安全性和调峰非常必要的手段，可以在主机故障或用户负荷快速增加时实现快速启动，但快速启动也仅仅是相对常规燃煤锅炉而言，跟用户的要求还有差距。本文将从提高燃气锅炉负荷响应速度角度提出三种热备用方式，分别对其技术特点及经济性进行对比分析。

1 热备用方案系统介绍

燃气锅炉按设备启动前的状态可分为冷态启动和热态启动。冷态启动一般是指锅炉的汽包压力为零，而热态启动是指锅炉尚有一定的压力和温度。

锅炉在启动及关闭期间将会产生热应力，启动和关闭期间温度上升（下降）的速率越大，则热应力越大。当锅炉处于冷态时，锅炉内部汽水系统无压力，各部温度较低，升火时温度增加不宜太快，启动时间较长。当锅炉热态启动时，锅炉内部汽水系统有一定的压力，各部位金属壁温较高，燃烧器快速启动时热应力小，启动时间短。

图1所示为某15t／h燃气调峰锅炉正常冷态启动曲线，由图1可知该锅炉冷态启动供汽量由0到满负荷需要18min，蒸汽温度达到额定温度需要35min，蒸汽压力达到额定压力需要40min，启动过程漫长，难以满足用户要求；图2所示为该调峰锅炉热态启动曲线，由图1、图2可知该锅炉热态启动供汽量、蒸汽温度、蒸汽压力达到额定参数均可在10min内实现，启动过程大大加快。

图1 燃气锅炉冷态启动曲线

图2 燃气锅炉热态启动曲线

基于以上问题，本文提出三种热备用方案：

方案一：锅炉本体天然气进气系统无须进行改造，燃气锅炉燃气母管设置手动球阀、过滤器、压力表，然后燃气管路分为两路天然气管路，其中一路是主燃气管路，设置组合式电磁阀，燃烧器前设置燃气调节阀，用于锅炉正常运行时燃烧器的燃料供给；一路是点火燃气管路，设置点火燃气阀，用于锅炉启动过程中向点火枪供给燃料，锅炉运行稳定后点火支路关闭停止运行，如图3所示。当主机供汽能力满足负荷需求时，燃气锅炉降低负荷，处于负荷下限或低于负荷下限运行，保持燃气锅炉长期处于热态。

图3 锅炉本体的燃烧装置

方案二：锅炉本体天然气进气系统进行改造，燃气管路分为三路天然气管路，其中一路是主燃气管路，一路是点火燃气管路，另增设一路是热备用燃气管路，设置组合式电磁阀，用于锅炉热备用过程中向暖炉枪供给燃料，具体如图4所示。燃气锅炉配套的燃烧器进行特殊的设计，在燃烧器的烧嘴中心设置一根独立的热备用燃烧器，在锅炉运行停炉后，可根据需要开启热备用燃烧器，以长时间维持锅炉的热态。

图4 锅炉本体自带热备用燃烧器的燃烧装置

方案三：燃气锅炉本体天然气进气系统无须进行改造，从汽水循环上进行热备用。蒸汽系统分别设置主蒸汽管道、热备用管道，每台锅炉的主蒸汽管道采用单元制连接至分气缸，热备用管道采用母管制，从分汽缸引加热蒸汽。运行过程中，燃气轮机及余热锅炉承担供热基本负荷，长期稳定运行；燃气锅炉承担调峰负荷，燃气锅炉停炉时，通过热备用蒸汽母管将蒸汽从分汽缸引入燃气锅炉的下锅筒，加热燃气锅炉汽水系统，使燃气锅炉处于热态。如图5所示。

图5 汽水系统热备用方式

2 运行模式分析

方案一：热备用工况下，燃气锅炉在30%负荷及以下运行，产生的蒸汽通过蒸汽母管供外界负荷需求。

非热备用工况下，燃气锅炉根据外界负荷需求提高负荷率，产生的蒸汽通过蒸汽母管供外界负荷需求。

方案二：热备用工况下，主燃烧器退出运行，热备用燃烧器单独运行且处于满负荷工况下，热备用燃烧器负荷占锅炉总负荷的比例很小（约3%～5%），使锅炉在极低负荷下运行，汽水系统和炉膛处于热态。

非热备用工况下，备用燃烧器退出运行，主燃烧器开启运行。

方案三：备用工况下，主燃烧器退出运行，热备用蒸汽管路通过阀门开启蒸汽供应至锅炉内部，使锅炉汽水系统保持热态。

非备用工况下，热备用蒸汽管路通过阀门切断蒸汽供应，燃气锅炉投入运行。

从运行安全性对比分析，方案一主燃烧器长期低负荷运行时容易产生脱火，使燃烧不稳定，严重时可能导致熄火；方案二热备用燃烧器虽然可以满负荷运行，但是热备用燃烧器占锅炉总负荷的比例很小，此时燃烧室温度低，不利于新燃料的加热和着火及燃烧的稳定，引起炉膛灭火；方案三通过蒸汽直接加热锅筒内的水，只需定期排放锅筒内的水，防止水位过高，运行安全性最好。

3 热备用经济性分析

3.1 数学模型

根据锅炉热平衡原理，热平衡以1m2燃料为基准，列出如下热平衡方程［4-6］：

式中，Qr为每m2燃料带入锅炉的热量（kJ／m2）；Q1为锅炉有效利用的热量（kJ／m2）；Q2为锅炉排烟热损失（kJ／m2）；Q3为未燃烧可燃气体具有的化学热（kJ／m2）；Q5为锅炉散热损失（kJ／kg）。

以送入锅炉热量的百分率表示为：

锅炉热备用工况下，燃烧产生的热量仅使锅炉处于热态，即炉水不再蒸发仅保持在饱和状态，此时热平衡方程式为：Qr＝Q2＋Q3＋Q5，以送入锅炉热量的百分率表示为：

3.2 经济性对比

以15t／h燃气蒸汽锅炉为例，三种热备用方案的热平衡见下表。

表 热平衡计算

由表可知，方案一的q2最大，这是由于燃气锅炉低负荷运行，可燃气体燃烧不充分；方案三的散热热损失q5最小，这是由于方案三直接通过蒸汽加热锅筒，炉膛、烟风道等处于低温状态，跟外界的散热损失小；方案一的计算燃料消耗量最大；方案三的计算燃料消耗量最小，经济性最好。

4 结束语

本文通过研究分析区域型分布式能源项目用能特点，结合分析燃气锅炉本身冷态启动和热态启动的性能曲线，在原有的工艺系统基础上提出三种燃气锅炉热备用方案，分别阐述三种热备用方式的工作原理，并从安全性和经济性两种角度对三种热备用方案进行对比分析，得出如下结论：

1）从安全性角度分析，方案三运行安全性最高。

2）从经济性角度分析，方案三运行经济性最好，方案二次之，方案三最差。