集中供热系统运行中绿色节能技术的运用分析

刘 涛

（山西省安装集团股份有限公司 山西太原 030032）

引言

城市集中供热系统主要包括热源、热网、用户3 个部分，其中热源主要指区域锅炉房和热电站。对于区域锅炉房而言，工业区域通常采用蒸汽式锅炉，而民用区域则主要采用热水锅炉，燃料以煤、天然气、燃油和电为主[1][2]。通过对实践工作经验总结认为，导致集中供热系统高耗能的参数主要包括锅炉热效率、炉渣含碳量、排烟温度以及排烟量等。为解决城市集中供热锅炉运行能耗高、资源浪费问题，切实提升城市集中供热系统运行质量，可根据供热锅炉运行现状，选择适宜的绿色节能技术。一方面可显著提升集中供热锅炉节能效果，另一方面对改善城市环境质量也有明显帮助，有利于实现集中供热锅炉环保效益和经济效益的最大化。

1 现状调查

随着能源和资源需求量逐年提升，为确保供热质量和效率，降低资源浪费现象，需要提高并加强绿色节能技术在城市集中供热系统运行效率的认识[3]。本研究以某城市集中供热锅炉为例，对城市中心区、边缘区域、郊区住宅不同燃料供热面积及平均能耗开展全面调查，结果如表1、表2所示。

表1 集中供热锅炉不同燃料类型供热面积调查结果（单位：万m2）

表2 集中供热锅炉平均能耗调查结果

从表1 中数据可以看出，城市中心区、边缘区域、郊区集中供热锅炉燃料类型均以煤为主，郊区燃煤锅炉更是超过99%。通过表2 可知，无论是普查还是典型调查结果，集中供热锅炉均表现出较高单位面积高耗气量情况，通过深入调查发现，3 个区域住宅集中供热锅炉运行时普遍存在冷凝水腐蚀情况，在降低供热锅炉使用年限的同时，也造成集中供热锅炉热效率低下。总体而言，集中供热锅炉供热状态并不理想。

2 原因分析

2.1 供热锅炉选型不正确

供热锅炉类型选择不适当会导致锅炉运行效率下降，与煤相比，天然气燃烧更加充分，且更具清洁型。目前，某城市集中供热锅炉以燃煤锅炉为主，能源利用率比较低，加之不同类型锅炉烟气排放标准存在差异，不仅会增加对资源的浪费，还会带来环境污染问题[4][5]。而且，不同类型供热锅炉安装布置要求不同，如未能正确选择锅炉，也会对烟囱布置、排烟系统设计造成严重影响。除此之外，不同类型锅炉维护要求不同，一旦锅炉选型存在偏差，会因维护不当而造成锅炉运行性能下降，增加能耗。

2.2 烟气排放温度不合理

供热锅炉排烟温度不合理会引发诸多问题，如排烟温度过高、锅炉损坏、耗电增加等。当供热锅炉排烟温度过高时，不仅会增加大气污染的风险，还有可能导致锅炉本身部件损坏。由于发动机内形成热量的能量消耗会导致热力数量减少，造成炉体温度过低，因而炉衬材料会受到冷凝伤害，以至于损坏锅炉[6]。当排烟温度不合理时，还会影响供热锅炉耗电量，通常情况下，排出烟气温度过低，将增大炉膛内部热量损失，使消耗能量变多，从而导致耗电量增加，而烟气温度过高，则会明显增加供热机械抽风机运转，也会导致能耗增加[7]。

2.3 燃煤锅炉改造不彻底

燃煤锅炉改造不彻底属于普遍问题，主要原因包括4 个方面，即①资金投入不足，仅局部改造无法实现彻底改造，导致节能效果低于预期；②技术原因，由于燃煤锅炉改造复杂，对技术的要求比较高，技术限制成为无法完成彻底改造的关键原因[8]；③材料原因，燃煤锅炉改造需要使用很多新兴材料，一旦材料质量不达标，则会缩短锅炉使用寿命，无法达到预期结果；④通过深入调查证实，客观环境原因也会对某城市集中供热燃煤锅炉改造产生较大影响，如室外温度、气压、湿度等因素。

2.4 供热系统智能化水平低

目前，某城市集中供热系统智能化水平低，主要表现为缺乏智能监控设备，导致供热效率低、供热运行成本高、供热质量不合格等问题。其中，由于缺乏智能监控设备，导致无法有效掌控管网内供热流量和热网运行状况，使得大量热量资源被浪费，且供热效率也被降低。同时，由于缺乏智能监控设备也无法及时监控锅炉运行状态，使得额外维修成本增加[9]。此外，由于智能化水平低，无法对热力和压力等指标进行有效监测，因此为改善这种状况应加强技术创新、加强智能化技术推广应用。

3 绿色节能技术在集中供热系统运行中的具体应用

3.1 优先选择绿色节能锅炉类型

在选择锅炉类型时，应满足集中供热系统工作性能需要，并综合考虑能源利用率、噪声、烟气排放等指标；同时，为满足绿色节能技术要求，还需优先选择节能型锅炉，并针对锅炉内部介质作业要求进行分析，在没有特别要求的情况下，建议将热水作为内部介质。如，内部介质为蒸汽，则需要考虑蒸汽饱和度指标，如果该指标指数越高，那么集中供热锅炉节能效果越好。在实际选型时，还需结合相关规定，计算容器中热介质、供热负荷量，确定锅炉热容量，避免锅炉出现持续低负荷运行情况，如住宅供暖热负荷计算可采用式（1）单位体积热指标法[10]。

Q=rvV（sn-sm） （1）

式中Q—住宅供暖热负荷；rv—单位体积供暖热指标，kW/m3·℃；V—根据外部尺寸计算的建筑物体积，m3；sn—室内供暖计算温度，℃；sm—室外供暖计算温度，℃。

根据式（1）计算出供暖热负荷计算结果，然后对锅炉热容量进行确定，不仅能够降低锅炉运行能耗，还可满足住宅供热总体需要。因为在特定条件下，供暖热负荷计算通常考虑热负荷峰值，所以需分析住宅在最冷天气条件下最大热负荷，从而保证供热系统即使在最恶劣情况下也能够满足供热需求。通常情况下，在确定锅炉热容量时，也需考虑系统效率，因而锅炉实际输出热量可能会受到系统效率的影响。系统效率是指锅炉在将燃料转化为热能时的能量利用效率，通常锅炉额定热容量会考虑到系统效率，确保实际输出能够满足供热需要。因此，为确保供热系统可靠性和稳定性，锅炉热容量应略大于供暖热负荷，以确保供热系统满足住宅供热总体需要，并且留有一定备用容量，用于应对突发寒冷天气或供热系统故障情况。

3.2 合理控制供热锅炉排烟温度

由于集中供热锅炉体积大，为确保供热锅炉正常运行，且不会对周围环境造成严重影响，需综合考虑安装位置要求、烟囱选型、排烟系统设计、安全设计等问题。因此，为合理控制锅炉排烟温度，可利用节能技术进行优化。首先，增加锅炉能效，减少燃料消耗，从而降低锅炉排烟温度。通过燃烧调节、烟气再循环、锅炉烟气再生活化、烟气解析等技术，全面提高烟气回收率，降低锅炉排烟温度。同时，在实践中发现设计逆流烟罩、增加排烟等级，不但技术操作简单，而且费用比较低，还可有效降低锅炉排烟温度。其次，因为供热锅炉燃烧过程需要氧气参与，且过高或过低的氧量都会影响燃烧效率和排烟温度，所以需要做好氧量调节和燃烧控制。通过调节燃烧设备中空气供应量，确保燃烧过程中适当氧量，有效控制排烟温度；通过调节燃料供应和燃烧空气量比例，控制燃烧过程温度和热量输出，从而影响排烟温度。与此同时，供热锅炉排出的烟气中含有大量热量，而通过烟气余热回收装置可将部分烟气中热量回收利用，不仅可提高燃烧系统效率，还能降低排烟温度。如，加装燃烧室散热器、烟气冷却器等进行余热利用，在降低烟气温度的基础上，减少烟气排放。最后，建立健全锅炉操作系统，确保锅炉安全运行，加强管理，定期做好锅炉维护、维修工作，发现老化部件及时予以更换，也可确保锅炉性能稳定，避免排烟系统受到影响[11]，合理控制排烟温度。

3.3 优化锅炉分层给煤装置设计

相比于传统燃煤锅炉，燃气锅炉引进了绿色节能技术，能实现高效率、低污染的现代化热能供应，以及实现降低耗能的目的。实践证明，将传统燃煤锅炉改造成燃气锅炉，不仅提高了热力供应系统工作效率，还对改善燃烧环境具有显著帮助。改造时更换了燃料和散热器，在燃煤锅炉入口处安装自动燃气控制器，确保稳定进风量和进气压力；更换原有碳钢热风炉，安装不锈钢、铝合金等隔热材料燃气调节器，提高热能传递效率，发挥最大节能效果。另外，如果无法进行改造，则需对燃煤锅炉分层给煤装置设计进行优化，考虑供热锅炉燃料消耗情况，可增加通风口数量，合理设计散热和通风系统，完善燃料和气体分配机制，提高节能效果。除此之外，考虑分层给煤装置给煤容量、给煤模式，还可增加燃烧时间，使燃烧更加充分且均匀，减少有害物质。

优化锅炉分层给煤装置设计，可根据锅炉特点和煤料性质选择合适的给煤方式。常见的给煤方式包括层状给煤、喷煤、飞灰再燃等。由于不同给煤方式会影响煤料分布和燃烧效果，因而需要根据具体情况选择。另外，过高氧浓度会导致燃烧不完全，并增加烟气中氧化物生成风险，因此在此过程中还需持续监测和控制烟道氧浓度，保证燃烧过程氧量适当。与此同时，在分层给煤装置设计中，煤料可通过多个给煤口分层投入炉膛，且不同层次的煤料在炉膛内逐渐燃烧，实现燃烧过程均匀和稳定，提高燃烧时间和空间分布，减少煤料之间相互干扰作用，降低燃烧过程波动性，提高燃烧效率。

3.4 构建智能供热锅炉监控系统

构建智能供热锅炉监控系统，可实现对锅炉运行状态实时监测和控制，以及提高运行效率、降低能耗。因此，可安装传感器和仪表，采集锅炉运行参数，如温度、压力、流量等，并通过无线网络将数据传输到监控系统中。同时，建立数据库或云平台，存储和管理采集到的锅炉运行数据，方便后续的数据分析和决策；通过监控系统用户界面，实现对集中供热锅炉远程监控和控制，便于实时查看锅炉运行状态、报警信息和历史数据。

立足于供热锅炉高耗能现状，提出将基于智能技术运用到集中供热系统运行状态分析中，前期结合锅炉运行评估实际需要选取评价指标，并对运行状态劣化度进行准确计算，构建系统运行状态智能化评价模型，全面掌握供热锅炉供热量、煤炭消耗量、供回水温度等关键信息，寻找系统运行潜在风险，设置4 个运行状态评价等级，即健康状态（I 级）、良好状态（Ⅱ级）、预警状态（Ⅲ级）、故障状态（Ⅳ级）[12]。同时，在运行监控终端配置可视化测试平台、服务器、核处理器、主频、运行内存、磁盘阵列、存储空间，并将各类供热锅炉作为评价对象，智能化评价其运行状态，再根据监测时序将评价结果反馈给测试平台前端进行感知。因此，通过构建智能供热锅炉监控系统，记录锅炉运行状态，可加强系统运行日常监测，彻底改变“事后整改”问题，实现“事前预防”，从而提高运行效率，合理控制能耗，达到节能降耗的目的。

结语

综上所述，应用节能环保技术，对提高集中供热锅炉节能效率、避免环境污染以及实现绿色发展具有重要意义。通过对案例城市集中供热锅炉供热面积、平均能耗的调查，剖析造成供热锅炉能耗高、供热效率低、资源利用率低等问题的原因，并针对原因指出绿色节能技术在集中供热系统运行中的具体应用。值得注意的是，改进城市集中供热锅炉运行状况，除加强绿色节能技术应用外，还应加强对新能源的研究，如风能、太阳能/热水、湍流发电等新能源技术，为集中供热锅炉提供能量供应，以达到更高节能效果。