推广清洁能源，热源改造原有项目——大连金石滩国际会议中心热源改造系统设计

郭 明

（大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622）

一、项目改造的背景

由于近年来冬季雾霾现象严重，为改善城市空气环境质量，保障人民群众身体健康，根据《中华人民共和国大气污染防治法》《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》（国发[2013]37 号）等要求。大连市政府2016 年末出台《大连市大气污染防治行动计划实施方案》，提出“加大非化石能源利用等措施替代燃煤”；所有使用高污染燃料的，全部限期改用天然气、电等清洁能源或关停。2017年底前，大连市逐步取缔热电联产范围内具备条件的20 吨及以下燃煤锅炉；2019 年底前，逐步取缔热电联产范围内具备条件的30 吨及以下燃煤锅炉，从而加速能源结构向低碳的绿色能源结构转变。

二、项目概况

本工程项目坐落于国家5A 级景区—大连金石滩国家旅游度假区，是集客房、餐饮、会议、别墅、康体娱乐于一体的综合性旅游项目，总建筑面积5.7万平方米。整个项目依地势建设，错落有致，融于青山大海之间，是我国东北地区首屈一指的五星级国际会议中心。

目前本项目采用两台额定制冷量为3 000 kW 的燃油型溴化锂吸收式冷热水机组做冷热源，夏季制冷和冬季供暖[1]，使用的燃料是工业重油，热值较低，运行费用高，烟囱排放污染大。根据大连市新的环保政策，这种溴化锂吸收式冷热水机组属于被取缔的对象，存在改造的必要性。

生活热水的热源由锅炉房内的一台2 吨的燃油型热水锅炉提供，燃油锅炉产生的热水经两台板式换热器换热后，储存在一个容积为18 m³的常压方形保温蓄热水箱内，通过二次侧热水循环泵（一用一备）送到本园区内的四星级酒店客房、厨房等使用。

由于本项目红线内有现成的管道天然气供应，气源充足，价格合适，本次热源改造从热源系统运行的经济性、可靠性、绿色环保等方面考虑，决定采用燃气型常压冷凝热水锅炉+板式换热器的形式作为改造的热源，满足本项目全年的冬季供暖+生活热水的用热需求。

另外，本项目坐落于金石滩五A 级旅游区内，夏季七、八、九3 个月是旅游高峰期，客流量大，冬季为淡季，客流量少。

本项目的热源改造采用如下实施方案：夏季制冷采用电制冷，选用两台额定制冷量为800 RT 的离心式冷水机组作为夏季空调系统的冷源；冬季采用燃气型常压冷凝热水锅炉作为空调系统的热源，另外，全年的生活热水的热源也采用燃气型常压冷凝热水锅炉。

三、热源系统的改造

金石滩国际会议中心总的建筑面积为57 000 m2，2001 年开始投入运行，至今已使用19 年左右，各单体的保温情况较差；而且本项目临近海边、冬季海风较大。本项目冬季供暖的热负荷指标按70 W/m2计算，本次供暖热源改造总的供暖热负荷合计约为4 000 kW[2]。

考虑到本项目冬季客流量很小，入住率很低，冬季绝大部分时间可保持低温运行状态，保证大部分建筑处于值班采暖模式即可，以减少能源的运行成本，最大限度的节能。

锅炉房是冬季采暖的热源中心，根据燃气锅炉运行经验，供暖热负荷在80%左右时锅炉房的运行最为经济、节能；然而在采暖季的初期和末期热负荷量小，仅占锅炉房总热负荷的20%～30%，再考虑到燃气的价格因素，因此，选择合适的锅炉类型、台数就显得至关重要。

本项目选用威博特CQ 系列的燃气型常压冷凝热水锅炉，这是一款高效的冷凝热水锅炉,最高效率可达106%，可根据供热需求的不同，根据回水温度的变化来自动调节燃烧的比例,做到最为经济、合理的运行。本项目选用的CQ-1400KW 型模块式冷凝热水锅炉的技术参数为：额定输出功率：1 400 kW，常压，锅炉最大效率106%，比例调节范围：10%～100%，额定最高出水温度：90 ℃，天然气耗量：133.2 m3/h，天然气压力范围：3 ～10 kPa，燃烧器的耗电功率：2.4 kW。锅炉外形尺寸：2 185 mm×950 mm×2 390 mm(长×宽×高)，烟囱直径：DN400 mm，供、回水管管径：DN125 mm，锅炉净重：960 kg，锅炉的水容量为：156 kg，锅炉换热器材质：304 不锈钢，烟气NOx 排放标准30 mg/m3，烟气温度＜60℃。本工程需要的台数：3 台

根据《民用建筑供热通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）第8.11.8 条的要求：“锅炉房及单台锅炉的设计容量与锅炉台数应符合下列规定：保证一台锅炉故障停止工作时，剩余的锅炉的设计热量应符合业主保障供热量的要求，对于寒冷地区的供热，剩余锅炉的供热量不应低于设计供热量的65%[3]”。本项目配置3 台冷凝热水锅炉，满足规范要求。

威博特燃气型冷凝热水锅炉采用了先进模块化设计，为用户提供不同规格型号的模块冷凝锅炉，锅炉体积很小，威博特CQ-1400KW 型锅炉占地面积仅2.00 m2，所需锅炉房空间小，锅炉房可设置于地下室，锅炉可分期建设，灵活扩展，特别适合新建、改建和扩建的项目。

本项目热力系统设计为燃气型常压冷凝热水锅炉＋板式换热器的形式，将锅炉与采暖用户侧有效的分隔开来[4]，使得锅炉侧热力系统结构简单，便于后期锅炉运行及日常维护保养。另外，锅炉侧采用常压系统[5]，优化了锅炉的工作环境，可有效提高锅炉的使用寿命，也可免除锅炉报装及年检等相关手续、费用，大大简化了锅炉房供热系统运作程序。由于原供暖系统有两台供暖循环泵，一用一备，本次热源改造可使用，不予更换。

热源系统需配置3 台模块式的燃气型常压冷凝热水锅炉；一次侧热水循环泵，三台，两用一备，配变频器；板式换热器，两台，每台负担70%的总热负荷；一个有效容积为1 m³的高位膨胀水箱，不锈钢材质，带保温；其他的管道和阀门根据系统需要配置，其他的设备如软水器、除污器、二次侧供暖循环泵等全部利用原有设备。

原溴化锂吸收式冷热水机组需要拆除，配置两台离心式冷水机组，锅炉房内有较大的富裕面积，可以增设三台冷凝热水锅炉、一次侧供暖循环泵、板式换热器等。新增三台热水锅炉的烟囱沿用原燃油型溴化锂吸收式冷热水机组的烟囱，烟囱的高度和直径满足新增锅炉的排烟要求。在紧邻锅炉房外新建一个燃气计量间，将天然气系统的调压、计量等一套阀组配置在计量间内，锅炉房内的燃气报警器、事故排风机、燃气紧急关断阀等的联控都由燃气公司统一设计、施工。

四、热源系统改造的初投资和运行费用计算

本项目热源改造总的初投资合计约为145 万元左右，其中主要设备的采购费用合计约120 万元，其他各项如管道、阀门、保温、配电、施工费等合计约25 万元。

改造后的热源的年运行费用的计算如下：

（一）计算的条件

（1）一个供暖季按152 天计算。

（2）锅炉和一次侧循环水泵的运行时间一致，二次侧循环水泵每天24 小时运行。

（3）天然气冬季的平均价格（在标准状态下1 m3天然气价）：4 元；电价（每千瓦小时）：0.8 元。

（4）板式换热器的热损失按5%考虑。

（二）一个供暖季锅炉的运行策略

由于本项目冬季的使用率低，游客和大型活动很少，这样供暖系统可按部分负荷供应。

运行策略a：一个冬季，11 月5 日～11 月30 日，3 月1 日～4 月5 日，合计60 d，这两个时间段室外气温较高，热源每天运行5 h，可只开启一台锅炉供暖；一次侧循环泵一台变频运行即可。

运行策略b：冬季大部分时间内锅炉房热源按总负荷的40%供应。此时的供暖热负荷为1 600 kW左右，此时需开启2 台锅炉运行：其中一台满负荷运行，另一台锅炉部分负荷运行。一个供暖季的运行天数为85 d，热源每天运行8 h；一次侧循环泵运行一台即可。

运行策略c：一个采暖季，最不利室外温度情况下可三台锅炉同时运行，运行的天数为7 d，热源每天运行8 h；一次侧循环泵两台同时运行。

（三）年运行费用的计算

1 供暖季天然气的费用

按上述方式运行，一冬季锅炉天然气的消耗量为174 596 m3/h，单价按4 元计，冬季的燃气费为69.84 万元。

2 供暖季的电力成本

（1）燃气锅炉耗电2.4 kW，按上述方式运行，一冬季锅炉耗电量为4 387 kW/h，电价按单价0.8元计，冬季燃气锅炉耗电电费为0.35 万元。

（2）一次侧循环泵的电量为11 kW，按上述方式运行，冬季一次侧循环泵耗电量为20 108 kW/h，电价按单价0.8 元计，冬季一次侧循环泵耗电电费为1.61 万元。

一个采暖季锅炉房热源部分的电力消耗合计为：0.35 万元＋1.61 万元=1.96 万元。

由于热源改造前后两次侧供暖循环水泵都需运行，此次热源改造不计在运行成本内。

3 一个供暖季自建热源的综合运行成本（冬季供暖系统的补水量小，可忽略不计）

70 万元（天然气的费用）＋1.3 万元（电力费用）=71.3 万元

上述供暖季天然气的费用和供暖季的电力成本两项合计为71.8 万元。

本项目原采用重油作为燃料，根据甲方提供的财务报表，冬季供暖的消耗的重油费用合计约为124 万元左右。进行热源改造后，改用清洁能源天然气作为燃料，一个供暖季可节省供暖成本约52.2万元。则本次热源改造的初投资的回收年限为：145万元÷52.2 万元/年＝2.8 年＜3 年，说明这次热源改造的案例优。

五、燃气型常压冷凝热水锅炉的介绍

目前市场上广泛使用的燃气型常压冷凝热水锅炉基本上都是模块化设计，采用独特的冷凝技术，最大限度利用燃烧产生的热能[6]。

（一）高效低氮（NOX ＜30 mg/m3），全预混燃烧技术

真正的冷凝燃气锅炉，必须使用100%空气全预混技术，此项技术对增加冷凝效果、提高锅炉效率和降低NOX 的产生有着非常重要的作用。

通常空气和燃料分别送入燃烧室燃烧，存在燃气未完全燃烧或过量空气系数太大的问题，影响燃烧效率。100%空气预混技术是将空气和燃料按比例完全混合后送入燃烧室，这样可以降低空气的需求量。

减少烟气中NOX含量主要有两条途径，一是改进燃烧方法以减少其生成，二是设法清除烟气中的NOX，使烟气净化到一定程度再行排出[7]。

第一条途径是治本的方法，100%预混技术就是其中的一种，由于改善了燃气与空气的混合，降低了空气过量系数，减少了燃气周围的氧含量，能够使火焰面的厚度减薄，同时降低火焰温度，在燃烧负荷不变的情况下，烟气在火焰面即高温区内停留时间缩短，因而使NOX的生成量降低。所以此项技术的推广对于环境保护有着重大的意义。

同时，将100%空气预混技术和比例调节技术与逆流布置冷凝换热器完美地结合在一起，充分挖掘燃烧冷凝的潜能，使锅炉的效率提高到107%（按天然气低位发热值计算），比普通锅炉效率高20%～30%。冷凝燃气锅炉在高效节能的同时，由于燃烧器火焰温度低，使NOX排放量小于30 mg/m3，环保效果显著。

（二）不锈钢材质冷凝锅炉和一般铸铝材质冷凝锅炉的比较

每立方米天然气燃烧后可以产生1.55 kg 水蒸气，这些水蒸气冷凝成水时，将烟气中的有害物质，尤其是NOX收集到水中，使冷凝水呈现弱酸性，PH 值通常为3 ～5，对锅炉的壳体有很强的腐蚀作用。因此在设计冷凝燃气锅炉换热器时，必须使用不锈钢、铸铝等耐腐蚀材料，如果使用常用钢板或铸铁等材料将严重缩短锅炉的寿命。普通的非冷凝锅炉，由于在设计时，将排烟温度设计在150 ℃以上，不考虑吸收水蒸气冷凝所释放的潜热，没有冷凝水产生，因此不会涉及这类问题。

近日，南方地区多次出现强降水过程。李克强总理和汪洋副总理针对当前防汛抗洪工作作出重要批示。国家防总及时会商，科学研判，对防汛抗洪工作进行再安排再部署。一年一度的汛期是一场考验政府和民众智慧的战场。面对每年严峻的防汛形势，要夺取防汛抗洪和防灾减灾的胜利，需要我们不断增强防灾意识，切实提高应对能力。

从设计的角度看，两种不同材质的锅炉都进入了冷凝状态，但还是有些区别的，具体区别如下：（1）不锈钢冷凝锅炉采用316 L 不锈钢，比铸铝冷凝锅炉更耐腐蚀；（2）不锈钢表面光滑，具有自清洗功能，在烟侧不会积灰；（3）在同样出力下，不锈钢冷凝锅炉烟侧换热面积是铸铝冷凝锅炉的1.5 倍，较大的换热面积使效率提高2%左右；（4）不锈钢冷凝锅炉与铸铝冷凝锅炉，在一般情况下，不锈钢冷凝锅炉在价格上略高于铸铝冷凝锅炉，但从性价比上来说，抗腐蚀性、锅炉热效率、设有防烟气回流装置等设计明显优于铸铝锅炉，对于用户长期使用的特性，选择不锈钢冷凝锅炉是用户的最佳抉择。

（三）烟管上外加冷凝器的燃气锅炉和一体式冷凝锅炉（含二级换热器）的比较

由于冷凝燃气锅炉的原理很简单：只要将换热面积增大到一定程度，使排出烟气的温度降到60 °C以下，即可实现冷凝效果。

传统的燃气锅炉通常在烟气管道上增加一个节能器或冷凝器，可部分降低排烟温度，这是一种提高锅炉效率的方法，但是对冷凝热量回收潜力挖掘的不够，热效率只能提高大约5%，锅炉排烟温度不能长期稳定在低温，经常超过60 °C，所以排烟管道必须选择不锈钢材质。另外，由于在烟道上加装冷凝器的锅炉，造成锅炉的体积过于庞大、增加了锅炉排烟的阻力，也增加了锅炉房的面积或高度。（冷凝锅炉为PVC 材质排烟管）

要设计节能高效的燃气冷凝锅炉，就必须把换热器、燃烧系统和控制系统综合在一起来考虑，把每个环节中能够提高锅炉效率的技术都优化组合在一起，才能实现最大的冷凝效果，才能实现锅炉最高的效率，这正是一体化冷凝锅炉的构造优点。

（四）智能控制，比例调节技术

冷凝燃气锅炉智能化程度很高，通过软件可以采集室外温度、供水温度、回水温度、系统温度、烟感温度等十几个参数，根据这些参数自动调节风机的转速，在确保维持燃气量和空气量最佳匹配的前提下，使锅炉的功率与热负荷相匹配，同时具有监测火焰、空气流量、燃气流量、锅炉水流量、冷凝水位等功能，保证锅炉的安全高效运行。

智能化控制系统为无人值守锅炉房的实施奠定了基础。使用比例调节技术的优势是将传统锅炉以大火燃烧、频繁启停的状态，改为锅炉以低负荷出力，延长锅炉的运行时间，减少启停的次数，从而实现节能的效果。并且锅炉以低负荷出力时冷凝效果更加显著，锅炉效率得到更大的提高。

六、结论

为切实改善空气质量，2018 年中央提出坚持宜电则电、宜气则气的指导方针，以供定改，先立后破。加快清洁能源替代利用，鼓励发展天然气分布式能源等高效利用项目，推进天然气价格形成机制改革。随着“煤改气”市政的持续升温和国家的环保政策的要求和扶持，使得有实力的燃气型锅炉制造厂家都取得了很好的销售业绩。

大连金石滩国际会议中心位于5A 级景区，冬季为淡季，客流量少热负荷较小。同时随着室外气温和游客多少的变化，热负荷变化也比较大。冷凝锅炉负荷调节能力强，适合负荷变化大的场所。并且锅炉以低负荷出力时冷凝效果更加显著，锅炉效率得到更大的提高。

冷凝锅炉热效率高，排烟温度低，排出烟气的温度降到60 °C 以下，非常节能。

大连金石滩国际会议中心位于5A 级景区，对空气质量要求高，对环境噪音要求高。冷凝锅炉氮氧化物（NOX）排放低于30 mg/m3，超低噪音，满足环境要求。

本项目原采用两台额定制冷量为3 000 kW 的燃油型溴化锂吸收式冷热水机组做冷热源，夏季制冷和冬季供暖，使用的燃料是工业重油。原溴化锂吸收式冷热水机组拆除，配置两台离心式冷水机组，热源系统需配置3 台1 400 kW 模块式的燃气型常压冷凝热水锅炉。热源改造总的初投资合计约为145万元，本项目原采用重油作为燃料，根据甲方提供的财务报表，冬季供暖的消耗的重油费用合计约为124 万元左右。进行热源改造后，改用清洁能源天然气作为燃料，一个供暖季的燃气和电力成本为71.8 万元，一个供暖季可节省供暖成本约52.2 万元。则本次热源改造的初投资的回收年限为：145 万元÷52.2 万元/年＝2.8 年＜3 年，说明这次热源改造的方案非常好，非常节能。

这个项目采用了目前市场上普遍使用的燃气型冷凝热水锅炉作为改造的热源，经一个冬天的实际运行后，取得了很好的节能效果和供暖效果，经济效果理想，业主满意。