关于严寒地区某车辆段热源系统的改造探讨

李彦良

摘 要：地铁场段一般位于偏僻的区域，在锅炉大气污染物排放标准日益严格的情况下，部分建成锅炉设备已无法满足环保要求，故需要进行相应改造，而简单的增加脱硝设备满足当前环保要求治标不治本，因此寻找一种环保、安全、经济的热源系统方案十分重要。

关键词：车辆段;热源改造;尾气脱硝;空气源热泵

0 引言

某车辆段因周边近期无燃气管网，故原设计采用的燃油锅炉做为车辆段内热源，段内设置室外地下储油罐池与供油系统。

天津市地方标准《锅炉大气污染物排放标准》（DB12/151-2020）规定氮氧化合物排放量不大于50 mg/m3，而目前车辆段所用燃油锅炉的氮氧化物排放数值为150 mg/m3，因此需要对供暖热源进行改造，以满足日益严格的地标环保要求。

1 原设计概况及运行现状

车辆段属于寒冷地区，供暖面积约10.38万平方米，车辆段设计供暖热负荷为8.4 MW，原设计采用两台5.6 MW的燃气燃油两用热水锅炉做为供暖热源。

车辆段的供暖室内设计温度：办公房間为20℃;停车列检库、联合检修库为16℃。另根据运营人员反馈停车列检库、联合检修库内实际温度约为12℃，低于设计温度4℃;锅炉最高供水温度为50℃，最低供水温度为36℃，供回水温差为3℃～10℃。

2 热源改造方案

为满足环保标准，对热源分为两种途径进行改造，一种不改变原热源系统，把超标部分进行改造，先治标;另一种是对热源系统进行改造，标本兼治。具体如下：

2.1 锅炉尾气脱硝

锅炉烟气中氮氧化物的产生主要由热力型氮氧化物与燃料型氮氧化物两种。氮氧化物污染控制措施主要为燃烧前脱硝技术、燃烧中脱硝技术和燃烧后脱硝技术。其中，燃烧前脱硝技术成本高，不易被企业所采纳;燃烧中脱硝技术虽然费用低，但脱硝率低，不是首选;燃烧后脱硝中的选择性还原法（SCR/SNCR）成本低并且脱销率高，被普遍采用。

SNCR（选择性非催化还原法脱硝）在870℃～1 200℃温度范围内，还原剂对NOx的还原在所有的化学反应中占主导，表现出选择性，因此称之为选择性非催化还原。脱硝率只有35%～45%。

SCR（选择性催化还原法脱硝）是在催化剂的作用还原剂优先和NOx发生还原反应，生成氮气和水，而不和烟气中的氧进行氧化反应。脱硝率可达到90%。

故采用SCR（选择性催化还原法脱硝）降低氮氧化物排放是不改变原热源系统的较合理的方案。

2.2 对热源进行改造

目前车辆段供暖热源主要有市政供热、自建锅炉、热泵机组等几种方式，重点分析这几种热源在本改造工程的适用性。

（1）市政热源。距本工程3.3 km处有一热电厂可提供热源，但供暖管路需沿规划道路敷设6 km，因近期车辆段周围规划道路都无法实施，如规划道路实施后与管线位置不能重合，则仍需二次迁改管线，造成工程浪费。考虑到规划路方案不稳定等因素，该热源方案不具备可实施性。（2）其他锅炉形式。若采用清洁能源可避免向大气排放污染物，电锅炉以电力为能源并将其转化成为热能的锅炉设备。但电锅炉运行费用较高，一般设置在电力供应充足的地区，且设置该类型锅炉需在段内增加一处降压变电所，专门为电锅炉设备供电，因本工程为改造项目，新增变电所的位置选取较困难，实施有难度。（3）热泵机组。目前存在的热泵系统有地源热泵系统、水源热泵系统、燃气热泵系统、空气源热泵系统等几个种类，考虑到本工程的客观条件限制，以上最适合的系统为空气源热泵系统。

近些年空气源热泵技术不断成熟，厂家针对空气源热泵的低温环境效率低、易结霜等缺点进行了技术优化，在-25℃严苛环境下，机组能安全稳定工作。空气源热泵机组的出水温度可达60℃，满足车辆段的实际使用工况。

3 改造方案投资分析

通过定性分析可知，锅炉尾气脱硝或采用空气源热泵机组是解决该车辆段环保问题最优的两种方案。根据《城镇供热管网设计规范》的相关计算方法可估算出两种方案的平均负荷，进而得到全年运行费用，最终得出各方案的投资情况。

3.1 燃油锅炉（含尾气脱硝）费用

燃油锅炉（含尾气脱硝）费用包含燃油锅炉的燃油费用、脱硝系统的购置费用、脱硝系统的运行电费、辅助加热设施运行费用、还原剂费用及催化剂更换费用等几项。

（1）锅炉燃油费用及脱硝系统初投资。根据资料，车辆段锅炉每年燃油费用约1 800万元;锅炉尾气脱硝系统设备购置费用约为120万元。

（2）脱硝系统运行费用。脱硝系统的用电设备包含烟气加热混合装置、空压机、储存罐电加热及还原剂控制系统，总用电功率为16 kW，满负荷运行为16×24=384 kW·h，电费以1元/（kW·h）计算，脱硝系统最高用电费用为384元/日。

为满足催化剂的工作温度，需设置烟气加热混合装置，该装置最大单台燃油耗量为25 kg/h，供设置一台，燃油按7元/kg计，辅助加热装置运行费用为：25×24×7=4 200元/日。

脱硝系统还原剂采用尿素溶液，尿素溶液以市场价3元/升计，单台锅炉满负荷运行时，尿素使用量5 L/h，则还原剂运行费用为5×2×24×3=720元/日。

脱硝设备催化剂每5年更换一次，更换费用约50万元，折合10万元/年。

（3）年运行费用。根据《城镇供热管网设计规范》第3.2.1条采暖平均热负荷与设计热负荷之比：

Qh，a=Qh×（ti-ta）/（ti-to，h）

脱硝设备的运行费用基本跟负荷成正比，故可以得到锅炉尾气脱硝设备的全年运行成本：

（384+4 200+720）×（18+0.6）/（18+7）×150/10 000+10

=69.2万元

热源系统的全年运行成本为1 800+69.2=1 869.2万元;锅炉尾气脱硝系统初投资为120万元。

3.2 空气源热泵机组费用

空气源热泵机组费用包含热泵机组的初投资、变电所增容投资及空气源热泵机组的运行费用等几部分。

（1）热泵机组及变电所初投资。为满足设计供暖负荷，拟设置制热量155 kW的空气源热泵机组55台，该系统设备费用约为1 820万元;变电所因增加空气源热泵机组而需进行增容，费用约为2 040万元。（2）空气源热泵机组运行费用。根据《城镇供热管网设计规范》，车辆段全年耗热量可采用如下公式：

式中：Qa h—采暖全年耗热量（GJ）;N—采暖期天数

（d）;Q h—采暖设计热负荷（kW）;ti—室内计算温度

（℃）;ta—采暖期室外平均温度（℃）;to，h—采暖期室外计算温度（℃）。

根据供暖天数为150天及不同单体的室内计算温度，代入相关数据得全年耗热量为77 505 GJ。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》相关规定，空气源热泵机组COP不低于2，故空气源热泵机组全暖用电量为：

Qa h/（1+COP）=77 505/3/3.6×1 000=7 176 390 kW·h

电费以1元/（kW·h）计算，则空气源热泵机组全年用电费用为717.6万/年。

空气源热泵系统初投资为3 860万元;年运行成本为717.6万元。

4 结论

（1）空气源热泵系统采用清洁能源电能，可解决污染物排放超标的痛点。（2）空气源热泵系统初投资较锅炉尾气脱硝初投资高，但运行费用每年可节省约1 151.6万元，全寿命周期内空气源热泵系统效益可观。（3）空气源热泵系统采用模块化设置，针对场段的预留建筑可进行预留模块，较锅炉设置灵活。

参考文献：

[1]GB50736-2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].中国建筑工业出版社，2012.

[2]CJJ 34-2010，城镇供热管网设计规范[S].中国建筑工业出版社，2010.