大型燃气锅炉供热系统节能优化策略研究

李美莹，丁心安，朱文秀

（西安思源学院，陕西 西安 710038）

伴随我国经济的快速发展，能源浪费问题日益突出，对赖以生存的环境也造成不可逆转地破坏，给人们的日常生活带来了诸多困扰[1]。目前，我国供热仍以燃煤为主，既消耗了大量能源，又严重破坏环境。随着科技的发展，国内开始重视供热技术的研究，引进国外先进集中供热系统，推动我国供热技术的发展，以此改变能源浪费的现状[2]。近年来，大型燃气锅炉供热系统逐渐进入人们视野，与传统燃煤锅炉相比，不仅节约能源，而且降低了废气的排放量，基本达到了节能减排的目的。因此，对大型燃气锅炉供热系统节能优化策略的研究具有十分重要的意义[3]。为此，本文提出一种新的大型燃气锅炉供热系统节能优化策略。在该节能优化策略研究中，主要针对大型燃气锅炉供热系统的操作流程进行优化，以实现锅炉供热系统节能优化。

1 大型燃气锅炉供热系统分析

大型燃气锅炉供热系统由除氧给水系统、燃烧系统、辅助系统构成。燃烧器呈四角布置，与炉膛下部蓄热装置配合，保证燃气锅炉工作所需的温度场及燃烧工况。大型燃气锅炉供热系统如图1所示。

图1 大型燃气锅炉供热系统实物Fig.1 Physical drawing of large gas boiler heating system

除氧给水系统包括热力除氧器、疏水箱、疏水泵、螺旋板、给水泵、汽水管道等组成。燃烧系统包括送风系统、引风系统、煤气管道系统。辅助系统包括锅炉排污及疏水系统、汽水取样系统、加药系统、压缩空气系统和氮气系统。燃气锅炉供热系统如图2所示。

图2 燃气锅炉供热系统Fig.2 Heating system diagram of gas boiler

2 大型燃气锅炉供热系统节能优化策略

2.1 系统硬件负荷分析

大型燃气锅炉供热系统的负荷包括锅炉表面的传热负荷、内外温差传热负荷以及太阳辐射负荷等[4-5]，为实现大型燃气锅炉供热系统的节能优化，需要确定影响该系统的负荷[6-7]。

（1）锅炉表面的传热负荷。锅炉表面的传热负荷的获取中，将大型燃气锅炉供热系统的负荷进行集成，通过供热系统的传热系数、大型燃气锅炉的表面积、传热负荷的计算时间、作用在锅炉表面的时刻以及传热负荷温差的共同作用，确定锅炉表面的传热负荷。根据供热传热函数和日平均传热负荷量，进一步提升传热负荷的精度。当锅炉表面传热负荷的传热函数 时，传热负荷可约等于日平均的传热负荷量。

（2）内外温差传热负荷。在确定了锅炉表面的传热负荷后，需要确定内外温差传热负荷。大型燃气锅炉供热内外温差传热负荷与锅炉内外传热温差基本相似，在该值的确定中通过修正系数的计算，完成内外温差传热负荷的确定。

（3）太阳辐射负荷。大型燃气锅炉供热系统不在遮阳建筑设施内的部分吸收一部分太阳辐射，其太阳辐射造成的锅炉传热负荷也是影响去运行能耗的关键。因此，需要确定太阳辐射透过无遮阳的锅炉建筑设施的供热负荷量。

大型燃气锅炉供热系统在遮阳建筑设施内的部分，太阳辐射造成的锅炉传热负荷量也较多，还需要确定太阳辐射透过建筑物内的锅炉设备产生的供热负荷量。

2.2 系统软件设计中供热数据结构优化分析

根据上述获取的大型燃气锅炉供热系统负荷值，获取大型燃气锅炉供热数据。利用G（A）和G（B）构建超带宽储存大型燃气锅炉供热数据模型[8-9]。A和B分别为锅炉供热数据分布对称点，那么G=（V，E）为特征分布供热传输数据模型，数据集为X={x1，x2，…，xn}。特征分布供热传输数据模型的状态导向量为U∈Rm×m，构建正交矩阵序列，选取矩阵相交点为特征分布供热传输数据的序列集，空间分离特征分布供热传输数据[10-11]，获得特征分布供热传输数据的空间特征量为：

（1）

式中，sc（t）为特征分布供热传输数据的样本值；f0为传输频率。

为了使大型燃气锅炉供热系统实现节能优化，需要对特征分布供热传输数据结构进行优化重构，从而得到去冗数据并将进行校验，为续的节能优化奠定基础。

采用空间重构方法获得特征分布供热传输数据的频谱特征Xp（u）[12-13]，得到特征分布供热传输数据的主频特征向量为：

（2）

式中，k为特征分布供热传输数据时间序列；λ为特征分布供热传输数据主频率；T为特征分布供热传输数据重构的时间点，根据空间重构实现对大型燃气锅炉供热数据结构分布重组。

采用自适应计算方法[14-15]，获取大型燃气锅炉供热数据结构去冗数据集，根据获取的冗余数据集合中的样本，对得到大型燃气锅炉供热数据结构进行去冗，对其数据结构进行有效的优化。将冗余数据集合的结构冗余函数通过维度进行表示。

在优化后的超带宽储存大型燃气锅炉供热数据结构中，设置超带宽储存系统的非结构函数，通过超带宽储存大型燃气锅炉供热数据的特征项，利用分类重组海量带宽储存数据的结构，获取超带宽储存大型燃气锅炉供热数据的适应度函数。

为了避免大型燃气锅炉供热数据存储空间与实际应用空间差距过大，可以利用大型燃气锅炉供热系统冗余数据的校验集合，建立大型燃气锅炉供热数据匹配函数[16-17]，得到大型燃气锅炉供热数据的存储空间特征量，根据大型燃气锅炉供热数据的频率散布特征进行扩充，通过超带宽储存完成了大型燃气锅炉供热数据结构的整体优化。

2.3 系统节能优化

2.3.1 大型燃气锅炉供热系统供热值计算

大型燃气锅炉供热系统中供热数据的确定是通过燃气中化学能转化为热能，利用蒸汽与高温水达到供热系统的供暖目的[18-19]。锅炉中产生的蒸汽，可直接为工业的生产与人们的日常生活提供能量，也可以通过蒸汽机械转换成供热系统的热能，大型燃气锅炉供热系统从内到外释放的热量表示为：

（3）

式中，q|tie-θie|为大型燃气锅炉内的热量值；tie-θie为大型燃气锅炉的内壁与外壁的温度差；αie为大型燃气锅炉表面的受热系数；θie为大型燃气锅炉的燃气换热值。

在冬季采用锅炉进行集中供暖时，计算大型燃气锅炉供热系统的燃气换热值，得到大型燃气锅炉供热系统的供热值，通过燃气的换热密度、热水的传热值等高温条件下确定大型燃气锅炉供热系统温度，可以看出，大型燃气锅炉供热系统的换热密度与传热值呈正比。

2.3.2 系统优化设计

由于大型燃气锅炉供热系统在供热过程中，其供热温度较为平均，在白天气温较高时，其供热温度与夜晚气温较低时一致，容易造成资源浪费。为实现大型燃气锅炉供热系统节能优化的设计需求，在大型燃气锅炉供热系统中设置无线温度变送器与气候补偿控制系统。BJBJ106型无线温度变送器（图3），测量范围在-55～+150 ℃，转换位数9～12 bit，电压为3.0～5.5 V，具有精度高、响应快、抗干扰能力强的特点。

图3 无线温度变送器实物Fig.3 Physical drawing of wireless temperature transmitter

无线温度变送器能够直接将室外实时温度转化成数字信号进行处理，将数字信号发送给气候补偿控制系统，使系统直接针对温度数字信号做出调整，根据室外气温调整供热力度，实现一定程度上的供热节能。气候补偿控制系统原理如图4所示。

图4 气候补偿控制系统原理Fig.4 Schematic diagram of climate compensation control system

根据当地气温进行实际气温指标的设置。例如，当白天室外温度达到零度以上时，可设置大型燃气锅炉供热系统的供热温度为18～20 ℃；此种温度设置还需与居民生活作息相结合，工作日的白天，居民家中人员稀少，可相对应的降低大型燃气锅炉供热系统的供热温度，在周末时则可根据实际室外气温进行调节。

通过无线温度变送器与气候补偿控制系统的应用，改变不同时间段的供热温度，降低多余能源的消耗，实现大型燃气锅炉供热系统的节能优化。

2.3.3 供热系统节能优化的可行性指标构建

在确定实际气温指标后，设置导热系数与导温系数为固定常数[20]，确定锅炉供热过程中燃气热能指标。其中，燃气锅炉供热系数可以表示为Y=Aq/Aθ，Aq为大型燃气锅炉供热系统热量振幅，Aθ为大型燃气锅炉供热系统温度变化的波振幅。大型燃气锅炉供热系统本身在供热过程中具有热物性，因此大型燃气锅炉供热系统在结合实际气温指标进行供热时，其供热系数会增加。根据供热系数设置节能优化指标，由燃气热量值E及能源释放值H决定，大型燃气锅炉供热系统进行节能优化处理后，得到的大型燃气锅炉供热系统节能优化的可行性指标。将大型燃气锅炉供热系统按照可行性指标运行，以此实现大型燃气锅炉供热系统的节能目的。大型燃气锅炉供热系统节能优化的可行性指标设计如图5所示。

图5 燃气锅炉供热系统节能优化的可行性指标Fig.5 Feasibility index of energy saving optimization of gas boiler heating system

根据以上可行性指标对大型燃气锅炉供热系统实施节能优化，将研究的指标划分为3个级别，并详细设置指标内容，通过对相关指标的计算，提出节能优化策略。大型燃气锅炉供热系统节能优化策略流程如图6所示。

图6 大型燃气锅炉供热系统节能优化策略流程Fig.6 Energy saving optimization strategy process of heating system of large gas boiler

根据上述对大型燃气锅炉供热系统提出的节能优化策略，完成大型燃气锅炉供热系统节能优化。

3 实验分析

3.1 实验方案

为了验证本文提出的大型燃气锅炉供热系统节能优化策略在应用过程中整体有效性，进行实验分析。实验过程中，利用Workbench平台模拟大型燃气锅炉供热系统，分析本文方法在供热能耗、品质值和经济效益方面的性能。

3.2 结果分析

实验分析了了本文方法的热源总供热量优化控制策略的供热系统能耗测试，得到结果见表1。从表1结果可以看出，随着供热系统开窗比越来越大，本文方法的供热能耗随之发生一定变化。当开窗比为50%时，本文方法的系统能耗约为318 J，当开窗比为100%时，本文方法的系统能耗约为352 J。本文方法的系统能耗较低，这是由于本文方法在系统优化时确定了系统相关负荷，并对系统供热数据有效处理，降低了系统运行时所需要的能耗。

表1 供热系统能耗测试结果Tab.1 Energy consumption test results of the heating system

大型燃气锅炉供热系统节能优化策略的节能优化效果品质值测试结果如图7所示。从图7可以看出，在多次测试中，提出的节能优化策略在大型燃气锅炉供热系统的节能优化效果中，节能优化效果的品质系数基本上均超过了0.9。这是由于提出的节能优化策略在实施节能优化之前，先分析大型燃气锅炉供热系统的运行负荷，利用超带宽储存方式，将大型燃气锅炉供热数据储存起来，提高了品质系数。

图7 节能优化效果品质值测试结果Fig.7 Test results of energy efficiency optimization

3种大型燃气锅炉供热系统节能优化策略带来的经济效益对比结果，如图8所示。从图8可以看出，采用本文方法节能优化后经济效益较好。本文方法优化后的经济效益在测试次数为30次后呈现一定下降的趋势，表明本文方法节能效果更明显。这是由于本文方法确定了供热数据的存储空间特征量，获取燃气锅炉供热数据，借助小波方程式求解大型燃气锅炉供热系统的不稳定换热值，确定锅炉供热过程中燃气热能指标，最后优化性能指标，节约了优化成本，提高了经济效益。

综上所述，本文设计的节能优化方法在供热系统能耗中得到了有效的降低，通过对锅炉表面传热负荷、内外温差传热负荷以及太阳辐射负荷的确定，有效降低大型燃气锅炉供热系统负荷，在降低能耗的基础上，节约了锅炉运行的成本，提升了经济效益。

图8 节能优化策略的经济效益曲线Fig.8 Economic benefit curve of the energy-saving optimization strategy

3.3 应用实例

经过实验能够验证本文设计的优化方法能够有效降低供热系统能耗，具有一定的实用性。将本文提出的大型燃气锅炉供热系统节能优化策略应用到实际生活中，该小区建筑面积20万m2，住宅面积15.5万m2，商业面积4.5万m2，小区内有8栋建筑。其中，3栋的1～4层为商业区，其余均为住宅区域。该小区为燃气锅炉供热，拥有6台装机容量为4.2 MW的燃气热水锅炉，用于该小区的冬季供暖。该小区部分大型燃气锅炉供热系统实物如图9所示。

图9 该小区大型燃气锅炉供热系统实物Fig.9 Physical diagram of large gas boiler heating system in the community

在2019年冬季供暖运行之前，将本文提出的大型燃气锅炉供热系统节能优化策略应用到该小区供暖系统中，在2020年初供暖结束后，得到供暖运行费用支出450万元，相比2018年的供暖运行费用支出减少了60万元，证明本文提出的优化策略在实际应用中具有较好的实用性。

4 结论

针对大型燃气锅炉供热系统运行过程中所需能耗较高的问题，本文提出了一种新的节能优化策略。首先，分析大型燃气锅炉供热系统负荷，确定不同负荷数据；然后，根据负荷数据确定系统的供热数据，最后，通过提取节能优化指标，并对其进行优化研究，实现了大型燃气锅炉供热系统进行节能优化。实验结果显示，本文设计的节能优化策略可以有效提高大型燃气锅炉供热系统的节能效果。