燃气锅炉的节能运行与控制技术探析

李钰

（中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院，湖北 武汉 430070）

0 引言

近代以来随着人类社会的不断发展，人类对地球生态的影响力也越来越大，传统的燃煤锅炉在燃烧时产生的污染物质，会威胁到人类的生命健康，造成环境的污染，我们必须大力保护环境，追求经济的可持续发展。据此下文之中主要对燃气锅炉如何进行节能运行与控制技术这一问题展开具体的阐述。

1 锅炉的发展历程及新型工业化的要求

1.1 锅炉的发展历程

在18世纪中叶，传统燃煤锅炉被发明，这也是锅炉最早的起源，其燃料以燃煤为主，满足人们的供暖及热水的需求。

在20世纪中期，第二次世界大战后，随着石油资源变多，许多国家开始广泛采用燃油锅炉，燃油锅炉逐渐变为主流。70年代石油危机导致石油价格变高之后，许多国家又由使用燃油锅炉转回使用燃煤锅炉。因燃煤锅炉燃烧时会产生大量的污染物质，从而对大气造成污染，为了降低污染影响，各个厂家均对传统对锅炉进行了改造，改造后的锅炉称之为燃煤除烟尘锅炉。

在21世纪中期，随着环保的标准的不断更新，对锅炉的排放要求也越来越高，为了达到标准，降低二氧化硫的成分，各地区开始使用生物质锅炉。

在煤改气初期，随着国家环保要求的进一步提升，小型燃煤锅炉逐渐无法满足环保需求，在国家大力提倡节能减排、绿色环保的政策影响下，小型燃煤锅炉逐渐淘汰，而能够满足国家环保需求的燃气锅炉逐渐成为主流。燃气锅炉具有节能高效、绿色环保的特点，符合了国家所提倡的节能环保观念。

在新能源推行阶段，国家质检局大力推广燃气冷凝锅炉，节能环保已是大势所趋。因全预混变频冷凝锅炉具有效率更高、更智能、资源消耗低的特点，全预混变频冷凝锅炉的使用也越来越广。

1.2 新型工业化对燃气锅炉的要求

关于工业方面，在十九届五中全会上党中央已经明确指出“2035年实现新型工业化的目标”。新型工业化，要求我们坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路。而锅炉作为工业生产中的重要环节，一直以来都有着能耗高、污染大的显著特征，对于新型工业化而言，锅炉的节能环保技术是不可或缺的一部分。

锅炉作为传统供热的核心设备，在能源、化工、基础民生等各个行业中都有它的身影。而在各种锅炉中，燃气锅炉具有污染物排放少、燃烧热效率高、安全性能高、运行维护方便等显著优点，不仅可以为企业节能减排带来显著成效，还能为企业降低成本，增加利润，在工业生产和供热供暖方面应用尤其广泛[1]。

燃气锅炉工业行业的健康发展，是中国经济发展不可或缺的要素之一。近年来，政府通过一系列的政策支持及相关法律法规约束，以及地方政府的直接性经济支持，来推动并且鼓励燃气锅炉企业在节能、环保技术上的不断投入，共同使污染较大、资源消耗高的落后企业产能逐步退出。按照节能环保、绿色高效、资源消耗低的新型工业化发展要求，国家通过各种手段来引导探究燃气锅炉节能的先进技术，不断推动燃气锅炉工业的产业调整和优化升级，从而减少能源的损耗和污染的排放、提高资源综合利用率[2]。由此可见，燃气锅炉节能运行技术目前仍有非常广阔的发展 空间。

2 燃气锅炉节能运行措施

针对我国目前整个燃气锅炉行业能耗较高的现状，本文将介绍燃气锅炉节能降耗的一些常见措施。燃气锅炉的节能运行的措施多种多样，主要有以下几个方面：

2.1 降低燃气锅炉排烟热损失

燃气锅炉中排烟温度越高，排烟热损失越大。一般排烟温度每提高15℃，排烟热损失q2将提高1%。为了充分利用热能，必须通过合理布置低温换热器和空气预热器，来充分利用系统末端热能，从而降低排烟温度，减少热损失[3]。

另外，如果锅炉的过剩空气系数较大，则会导致排烟气量增加，烟气量的增加会直接导致锅炉的热损失增加。为了降低此部分热损失，就必须降低锅炉过量空气系数，一方面，我们可以通过各种手段减少炉墙烟道各处的漏风，另一方面，我们可以在通过在尾部装设二氧化碳或氧气分析仪来判断系统空气过量情况，同时选择具有比例调节功能的先进燃烧器，将锅炉空气系数自动维持在一个合适的低区间，从而降低锅炉排烟热损失。

2.2 避免燃气锅炉燃烧器频繁启停

在使用燃气锅炉时要注意，燃气锅炉的燃烧器一定不要频繁地进行启动和停止。燃气锅炉频繁启停不但会影响到机器的使用寿命，还会造成燃烧热损失，因为燃气锅炉燃烧器在每次启动前为了防止炉膛内原来积存的可燃性气体遇到明火时爆燃，根据每种燃气锅炉型号不同，需要的吹风时间会在三十秒到两分钟之间不等，在此之后燃气锅炉的火焰配比也需要稳定时间，而这段时间内燃气锅炉燃气与空气无法达到最佳配比，造成燃料的低效浪费，同时也对锅炉寿命造成不利影响。选用合适的燃烧器，合理控制锅炉的负荷，是避免燃烧器频繁启停的有效措施。

2.3 定期对燃气锅炉进行保养维护

为了保持燃气锅炉的正常使用寿命，需要安排专业人员定期对锅炉进行维护保养，这样不仅可以提前排查出燃气锅炉运行中存在的安全隐患，及时发现尽早排除，同时可以使锅炉维持在最佳运行状态，从而降低能耗。

在对燃气锅炉进行维护时，应按照锅炉维护手册，根据厂家指导意见，采用正确的操作方法，来对燃气锅炉进行细致的维护和保养。定期清理烟道，避免积灰造成锅炉烟气系统换热效率下降。定期清理锅炉锅筒及汽水管道，避免因长时间运行加上锅炉进水水质较差，含钙镁离子硬度偏高，而药品投加不足的问题导致锅筒和管道内壁结垢，水垢会加大换热面厚度，阻碍锅炉烟气与水的换热，降低换热效率[4]。

另外，锅炉燃烧器运行状态不好时，燃气不完全燃烧会导致锅炉积炭，长时间不清洗也会导致锅炉热效率降低。与此同时，燃烧器未调试到最佳，燃气/空气配比不合理，也会导致燃烧不充分或者过量空气系数过大，从而使锅炉运行效率降低。运行维护人员应在充分熟悉锅炉维护与保养知识的前提下，多总结运行维护经验，科学地保养维护锅炉，不仅可以延长锅炉使用寿命，还可以让锅炉始终保持良好的运行状态，最大化地提高锅炉效率，从而有效降低能耗，提升经济效益。

2.4 燃气锅炉进行低氮改造

根据目前新型工业化提出的节能、环保的要求，为了执行国家最新的大气污染物排放标准，改善环境空气质量，燃气锅炉进行低氮改造也是大势所趋。而若想进行低氮改造，首先需要进行燃气锅炉本体改造，对燃气锅炉的本体进行进一步的升级和优化，升级后的炉膛容量更大，不仅可成为天然气的最佳燃烧环境，还能有效抑制氮氧化物的产生，从而达到降低氮氧化物排放的目的。

其次是进行燃气锅炉燃烧器低氮改造，燃烧器是燃气锅炉低氮改造的重点部件，燃烧器的好坏直接影响到锅炉的低氮达标排放和运行效率。一般来说，在进行燃气锅炉低氮改造时，应根据用户的实际需求和锅炉本身情况，选择国内外知名的低氮燃烧器品牌。任何一种低氮燃烧技术实质都是对燃烧过程进行管控的技术，通过对燃烧过程的精准控制，不仅可以实现低氮燃烧，也可进一步提高锅炉运行效率，降低能耗。

3 最新的燃气锅炉节能运行技术探析

3.1 全预混变频冷凝技术

3.1.1 全预混变频冷凝锅炉与传统锅炉区别

第一，热效率不同，普通锅炉的热效率一般最高在94%左右，比全预混变频冷凝锅炉的热效率的108%左右约低14%。与普通锅炉对比，冷凝式锅炉增加了尾部烟气冷凝余热回收装置，通过该装置来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸气凝结所释放的潜能，以达到提高锅炉热效率的目的。

第二，导热性和腐蚀性能不同，目前最新技术的全预混变频冷凝低氮锅炉材质大部分都是铸硅铝，铸硅铝材质是由硅和铝组成的二元合金，具有热导性能好、强度和刚度高的特点，同时可以有效防止酸性腐蚀和氧蚀，从而提高了锅炉的使用寿命。其导热性能比普通锅炉用的钢或铸铁高六倍，可有效提高锅炉换热效率。

第三，体积与重量的不同，普通锅炉大多采用焊接技术，体积大、重量重，全预混变频冷凝锅炉都是模块锅炉，体积小、重量轻，占用面积更小[5]。

第四，有更大的负荷调节范围和更精确的负荷调节精度。传统锅炉为传统二段火调节方式，风机转速不变，由伺候风机带动风门执行器调节风门开度控制锅炉空气供应量；而全预混变频冷凝锅炉配置直流变频风机与比调燃气阀组，风机转速与锅炉功率输出线性比例调节，功率调节范围可以从15%～100%，调节范围更大。

3.1.2 全预混变频冷凝锅炉技术探析

全预混变频冷凝锅炉中的全预混技术，是指把燃料与空气在预混腔中按照比例进行搅散混合，让燃料与空气充分融合，然后进入燃烧室喷嘴，这样不仅可以使燃料在燃气锅炉中燃烧的速度更快，还能让燃气锅炉的工作效率变得更高。天然气充分燃烧的同时，降低空气需求量，有效降低过量空气系数，同时使烟气尽早进入冷凝阶段，变为水蒸气，提高燃气锅炉燃料的充分利用率，减少锅炉燃烧时的能耗，提高燃烧时的热效率。同时可以降低火焰极端温度，以此来减少氮氧化物的产生。

冷凝式锅炉选用了保温效果好的外壳和密封效果强的材料，冷凝式锅炉在设计思想上与传统的锅炉的设计思想相差较大。传统锅炉为了避免尾部烟气腐蚀，一般会尽量避免尾部烟气冷凝，而冷凝式锅炉设计会要求锅炉具备冷凝式热交换受热面，这也对锅炉耐腐蚀技术提出了更高要求。采用冷凝式锅炉不仅可以使燃气在高温下与空气混合燃烧产生的水蒸气凝结成水，还可以把烟气中含有的有害物质除去[6]。

通过以上一系列的技术措施，使全预混变频冷凝锅炉具有了智能高效、节能环保、资源利用率高的特点，是满足新型工业化发展的目标，符合国家先进技术发展方向的燃气锅炉行业先进产品。

3.2 气候补偿技术

气候补偿技术是一种综合了温度传感器、电动调节阀等仪表的新型自动化节能技术。气候补偿器能够根据室外温度变化情况，以及用户设定不同时间对室内温度的不同需求，计算确定出合适的供水温度，并自动控制室外管网热水流量，实现燃气锅炉供水温度随室外温度的自动调节，避免使室温过高而造成能源浪费。气候补偿器的工作原理是在板式换热器一次网的供水主管路上安装一个电动调节阀门，通过室外传感器接收室外环境温度，根据温度信息及提前设定好的室内温度需求，通过调节阀门开度的大小，从而来自动控制锅炉供水温度，实现供热系统的供水温度的气候补偿。根据目前的数据统计，在燃气锅炉供暖系统中安装气候补偿器，可节约燃气20%以上，这种最新的节能措施值得我们更加重视，并大力推广。

3.3 锅炉群控技术

锅炉群控技术是指利用计算机监控软件强大的监控及管理功能，对锅炉房中所有的锅炉及辅机相关参数，以及其他关键的热工参数统一进行监控，通过精确地控制使锅炉的产热量量跟实际的用户需热量相匹配，在尽量减少锅炉的启停台数的前提下，保证锅炉出力满足用户需求。与此同时，利用目前先进的网络通信能力将各个锅炉房监控的内容及数据上传到总控制室，并对关键数据进行记录存档，为企业管理决策提供最直接的第一手资料，为后续热力系统的持续优化改进建立坚实的数据基础。在锅炉群控技术中，供热系统由热源、热力网管和热用户等三部分组成，控制中心对各锅炉运行负荷进行统一调配，实现多台锅炉的优化运行控制、供暖温度的气候补偿计算与控制等功能，使锅炉房成为新一代节约型能源中心[7]。

3.4 根除管网系统水力失调的节能运行技术探析

目前，在间接供热的一次水系统中，实现变流量调节的同时保持水力平衡是非常困难的事，这是因为实施变流量调节时水力平衡会被破坏。要保持水力平衡，就不能频繁地进行变流量调节，因此一般供热调节都采用定流量加质调节的方式运行，很多热网的自动监控系统只能监测，无法调控，这就使自动监控系统的节能运行效果大打折扣。而造成这一切的根本原因，就是没有使用能自动保持水力平衡的调控设备。恒流量调节阀就是能够自动保持平衡的调控设备，不仅可以显著降低一次网循环泵的电量消耗，还可以大大提高热网的输送效率。在装备热网自动监控系统的管网中，与变速循环泵配合，就能实施依据气候变化实时按需供热的自动调节与控制[8]，真正实现实时变流量变温差的高效节能运行，燃气锅炉运行的节能率一般都在30% 以上。

4 结语

综上所述，我们要响应“新型工业化”的号召，为了做好燃气锅炉的节能、环保工作，在探讨燃气锅炉节能运行技术时，我们不仅做到掌握好各个环节的常规节能技术要领，还要能积极采用全预混变频冷凝锅炉以及其他各种燃气锅炉方面的先进前沿技术。除此之外，在燃气锅炉的节能运行整个工作流程中，运行及维护人员也应深入学习专业节能技术，多总结经验，并用于生产实践中。为了实现节能环保的终极目标，我们要持续探索研究燃气锅炉节能先进技术，不断地提高燃气锅炉的能源利用率，使有限的能源发挥出更大的作用，从而实现新型工业化中所要求的节能环保、资源消耗较低、创收的经济效益较好、科技方面含量高的道路。