关于北方某动物园清洁能源供热改造替代方案

(黑龙江省林业设计研究院，哈尔滨 150080)

0 引 言

北方某动物园区共建有18处动物馆舍群、5处动物散放区、6处水域、1处游乐场和1处大型动物表演馆，总建筑面积3.7万平方米。

园区现有分散小锅炉房19座，锅炉20台，采用燃煤小锅炉热水供热，未有蒸汽负荷。

由于环保要求，园区所在地生态环境局向园区下达了“关于建成区外燃煤锅炉整治工作的通知”，要求取缔动物园内的19台小燃煤锅炉房，将以清洁能源供热取代原有燃煤锅炉，计划采用燃气供热，采用电锅炉作为重要热负荷备用。

实际上在“实施清洁能源替代”中清洁能源供热方面可开发和拓展的范围空间也很大，主要对象为高速公路服务区、旅游景区、城乡结合部较偏远的企事业单位、学校、大型商场等等，尤其是接不上集中供热大网的取暖用户。

由此可见，采用燃气、电蓄热设备的清洁能源供热模式，提高能效比，利用低谷电或弃风电提高经济效益，在北方地区会有很大的发展空间，从华北地区一轮一轮的煤改电设备招标就可见一斑。

因此，如何适应“煤改电”的大趋势，培植 “煤改电”设备产业优化升级是政府面临的主要课题，出台相应的配套政策也是当务之急。

本项目的实施，利用改建的16台燃气锅炉及7台电锅炉代替原有20台0.5～1.5 MW燃煤热水供热，对保证动物园冬季采暖安全性起到良好的作用。

1 锅炉选型及改建方案

园区由于其热负荷的特殊性，具有热负荷分散、规模小、排放要求较高、供热安全性要求高等特点。

燃煤锅炉因为热负荷难以集中，而分散的小锅炉均为3t/h以下手烧炉，燃烧效率普遍较低，排放不达标，因而本工程排除使用燃煤锅炉方案。

就目前供热市场类似工程经验，结合本工程特点，本工程适合采用燃气或电锅炉供热。

1.1 燃气锅炉

燃料采用犸割高能气，犸割高能气的主要成分和基础气源是甲烷，以LNG 形式低温-162 ℃液态存储，辛烷值ASTM：130，无色、无味、无毒且无腐蚀性。体积是同质量的天然气1/625，质量仅为同体积水的45%左右，其储存效率为同体积CNG的2.5倍。便于运输、存储和使用，是迄今为止世界上最高效、安全、节能、环保的新能源气体。

本工程燃料供应采用罐装式LNG液化气，储存装置可设置在室内或室外。定期由车辆运输至锅炉房，也可按照月或季度使用量集中预存放，防止冬季高速公路封闭造成气源短缺。

燃气锅炉由于内部水管路要求，必须要采用换热系统，不能采用直供方式，一次侧循环水需采用处理过的软化水。一二次网换热系统设备由燃气炉、换热器、软水箱、全自动软化水处理器、膨胀水箱、循环水泵、补水泵组成。

一次网设计温度为80/60 ℃，压力0.1～0.3 MPa，二次网设计温度为70/50 ℃，压力为0.1～0.3 MPa。

气化供气站是指进行卸气、储存、气化、稳压、调压、助剂添加等功能。气化供气主要作用是储存、气化LNG，包括低温杜瓦瓶增压系统、气化系统及调压、计量和助剂添加系统，如图1所示。

气化装置是LNG供气系统向外界供气的主要装置，设计中通常采用空温式气化器，其气化能力宜为用气城镇高峰小时计算流量的1.3～1.5倍，稳压工艺确保气体平稳输出。

1.2 电锅炉

电采暖炉运行采用循环泵提供动力，通过温度、压力及流量传感器，构成循环调节系统，按恒温、节能的优化运行原则，随着水温的变化，控制系统不断进行温度采集，逻辑运算和数字芯片控制调节，从而达到系统自动恒温，实现采暖的目的，如图2所示。

锅炉操作系统为自动控制，用户可根据需要从常温到95度任意调节，温度设定好后即可进入全自动运行状态，还可以按照实际需求设定四个时间段定时控制，整个锅炉管理无需专人职守。

电加热管采用厚壁316L不锈钢管制作，采用优质高温氧化镁粉及封口材料，耐高温可达900 ℃。

产品装有放空口，防止锅炉产生压力而造成爆炸事故；同时具有低水位保护，在供水停止的情况下锅炉将自动停止工作，防止了锅炉干烧导致电加热元件损害甚至烧坏的现象。

本工程电锅炉受接入线路限制，无法全部使用。燃气锅炉冬季存在气源的不稳定性，综合以上因素，本工程确定热源方案以燃气锅炉为主，电锅炉作为备用的形式。即重要场馆选用一台燃气锅炉和一台电锅炉，两台互为备用。

2 改建方案

(1)全预混燃烧技术

可燃气体与助燃气体(空气)在完全预混的状态下，燃气分子与氧分子接触表面积大，点火时，反应有效碰撞次数多，加快反应速度，反应更完全，反应放热多。

(2)冷凝换热技术

从液态水变为气态水蒸气是吸热过程，反之是放热过程。这一过程中转换的热量称为“汽化潜热”；冷凝式换热器就是利用了烟气中水蒸气液化所释放的汽化潜热。在α=1.2～1.4的燃烧工况下，将烟气温度降低到55 ℃以下就会有冷凝水产生，就能利用汽化潜热来加热锅炉水；因此，冷凝式燃气热水炉的热效率可大于100%，最高可达108%。

根据超低排放标准规定，锅炉烟尘排放浓度不超过10 mg/Nm3，SO2排放浓度不超过35 mg/Nm3，NOx排放浓度不超过50 mg/Nm3。

本工程燃气炉使用低氮燃烧技术，NOx排放低于30 mg/Nm3，无烟尘和SO2排放，符合相关环保标准。

热力系统中锅炉侧包含燃气锅炉、电锅炉、循环水泵、换热器组成。本工程16个锅炉房，其中有7个锅炉房需要设置备用电锅炉。循环水由水泵驱动经历锅炉加热后进入换热器释放热量，再回锅炉升温完成热力循环。

用户侧包含换热器、循环泵、膨胀水箱、补水泵、全自动软化水设备组成。换热器加热循环水进入用户散热，再由循环泵驱动进入换热器加热。

补水泵设置两路，实现分别能够给锅炉侧和用户侧补水的功能。

燃气锅炉排烟温度为50 ℃，排放冷凝液呈弱酸性或中性，不需要再处理，可直接排放至室内排水管道。

本项目原有19处锅炉房锅炉容量不同，锅炉及附属设备布置各异。通过现场调研，同时从设备厂家收集了各设备布置原则及外形尺寸，确定各锅炉房现有空间能够满足本次改建要求，可以布置燃气炉、电锅炉、板式换热器、全自动软水器、水箱等设备，循环水泵、补水泵及供回水管道利用原有。在靠近燃气炉布置的墙壁外侧设置安全防护栅栏，用于存放燃气罐。

各设备基础部分利旧，部分新建，在外墙壁上开孔用于强制通风及排烟。

本工程采用SCADA数据采集与监视控制系统方式，在办公楼设置监控室内完成各锅炉房燃气炉正常运行的数据采集、参数设置和锅炉事故状态的有关操作，在就地人员的配合下能完成锅炉的启停操作。

在各锅炉房设置可编程序控制器PLC，用于采集锅炉、循环水、电气数据，控制调节水泵运行，各现场控制系统与监控室通信采用移动通信公司的无线网络方式。

3 结束语

经研究分析后认为，本项目方案从燃料供应、水电供给、总平面布置、交通运输、环境保护等主要条件来看，都是合理的、可行的。

方案无论从环保效益和节能效果来看，由于使用了效率较高的燃气炉及电锅炉，对环境的污染减少到了最小的程度。

因此，从投资、布置、经济效益、环保等方面综合考虑，作为本项目的装机方案是可行的。

本项目主要为动物园区供热，在技术原则上既注重了较高的实用效果，又注重了较高的经济性，因此，方案是安全的和经济的。