1、小型燃气热水锅炉房设计探讨摘要在当前节能减排的大环境下，燃气锅炉在工业、民用供热领域中的使用越来越普遍，本文通过模块式燃气热水锅炉的性能特点，锅炉房的排烟与通风设计，燃气锅炉的节能分析，水泵选型以及热力管网的水力平衡等方面对小型燃气热水锅炉房的设计进行了简要的分析和探讨。关键词模块式燃气热水锅炉排烟补风水泵选型锅炉节能水力平衡 中图分类号： TK22 文献标识码： A 引言 我国以往的供热热源主要是以煤为燃料，但燃煤锅炉在实际运行中，热效率低，能源浪费大，排尘浓度和烟气含硫量高，对大气污染严重。尤其是近年来，随着能源供需和环境污染的矛盾日益突出，燃煤锅炉的劣势也越来越明显。 随着天然气事业的飞
2、速发展，燃气锅炉由于其热效率高、经济、环保等特点在我国的各大、中型城市已经得到了普遍的应用并且越来越多的大、中型城市制定了相应的强制性法规，限制燃煤锅炉的使用，例如北京、上海、天津等地都不再批准建设新的燃煤锅炉房，原有的燃煤锅炉也在逐渐改造为燃气锅炉。仅 2012 年一年，在天津的“民心工程”中就有 18 座燃煤锅炉被改造为燃气锅炉。下文将通过模块式燃气热水锅炉的性能特点，锅炉房的排烟与通风设计，燃气锅炉的节能分析，水泵选型以及热力管网的水力平衡等方面对小型燃气热水锅炉房的设计进行简要的分析和探讨。 模块式燃气热水锅炉 对于需要设置独立热源且供热规模不大的工业项目，模块式燃气热水锅炉是普遍被使
3、用的一种热源形式。模块式锅炉是通过多台锅炉联控，根据设定好的供热温度曲线等有关参数，并参考室外温度智能的自动判断应启动或停运的锅炉台数，自动实现接近无人值守模式。模块式锅炉具有高效、耐用、可靠、安装简便、灵活、运行费用低、操作维护方便、无污染、无噪音等优点，主要表现为： 模块化设计，结构简单，安装灵活、方便 模块式锅炉的模块概念就相当于把单体大锅炉拆分为若干个小锅炉，因此可以说模块式锅炉通过在数量上的“简单并联组合”可以达到任意容量单台锅炉的规模，因此模块式锅炉可以取代目前常见的 10t 以下的各类采暖及热水锅炉。锅炉的模块设计决定了其以下特点： 每台锅炉互为备用，设备及投资利用率、运行安全性
4、大大提高。一旦某台锅炉出现故障，供暖影响非常小。 容量扩充性能好。随着企业扩建或采暖热负荷的不断变化，可随时通过增加或减少锅炉台数，以较小的投资满足采暖的需要。 锅炉房基建设施要求不高，可大幅度降低基建投资。 寿命长，维护简单、经久耐用 锅炉寿命长的主要原因是使用铸铁炉片。目前，单体大锅炉大多采用钢制炉片，铸铁比钢的耐酸碱及氧腐蚀性要好很多。国家标准规定，钢制炉片的使用寿命为 14 年，而铸铁炉片的寿命可达 50 年之久。 控制系统完善，运行安全可靠 模块式锅炉一般具有下列装置确保使用安全：包括火焰反烧开关，开关性能优异的防漏气燃气电磁阀，防倒烟开关，高温限制器，全自动点火装置，燃气泄漏检测联
5、动装置（可选）和安全阀等。 模块式锅炉的燃烧方式一般采用大气直燃式，这种燃烧方式大大提高了锅炉的安全性。单体大锅炉在点火时，一旦吹扫不彻底，炉膛内残存的可燃气体会发生爆燃现象，严重的会造成爆炸。而模块式锅炉的燃烧方式非常简单，燃气由分配管送入燃烧器，空气由锅炉下部条缝进入炉膛与燃气充分混合，点火后燃烧。即使发生因燃气泄漏引起的爆燃现象，锅炉也具有足够的泄爆面积将过量的燃气排到炉膛外，确保安全。 清洁、环保、低噪音 单体大锅炉的空气与燃气混合气要通过鼓风机送入炉膛，而鼓风机会产生很大的噪音污染。模块式锅炉的燃烧方式是大气式燃烧，不需要鼓风机，因此，噪声很低，燃烧时只会听到轻微的“呼呼”声。此外模
6、块式锅炉的燃烧器经过空气动力学工艺专门设计，保证了燃气的高效燃烧，燃烧效率高达 98%以上，充分的燃烧降低了烟气中的氮氧化物含量，对环境污染小。 高效、节能、运行费用低 通过对国内众多锅炉用户年实际运行费用的统计得知，同容量模块式锅炉比单体大锅炉可节约 25%的能源。模块式锅炉的节能性主要体现在以下几个方面： 炉膛热能损失：模块式锅炉没有传统单体燃油、燃气锅炉点火启动时炉膛吹扫带来的热量损失。 为保证停炉、点火时的安全，燃油、燃气锅炉在点火前、停炉后必须对炉膛进行吹扫 15 min 左右，即用冷空气将炉膛内的可燃气体吹净。这样一来炉膛内的余热基本上被消耗掉了。在供暖初期、末期为了适应负荷的变化
7、，不可避免地频繁启、停锅炉，每次都会带走炉膛的大量热量。据分析由于炉膛吹扫造成的热损失占到 5%,而大气式模块锅炉没有炉膛的吹扫，也就没有这方面的损失。 排烟热损失：模块式锅炉比传统单体锅炉降低 75%。 单台钢管式大锅炉在运行过程中，为降低尾部受热面的低温腐蚀及结露现象，一般都将锅炉的排烟温度调整到 150以上。而作为模块式锅炉，其受热面采用耐腐蚀铸铁材料，具有非常强的抗腐蚀能力。通过合理传热设计后，使排烟温度降低到 100以下（6080） 。由此可知，模块式锅炉比传统单体锅炉降低排烟热损失 75%。 锅炉本体电耗：模块式锅炉电耗非常小。 单体大锅炉需要用到鼓、引风机，这将消耗电能。而模块式
8、锅炉的燃烧方式是大气直燃式，不需要鼓风机。模块式锅炉所需的全部电能只是点火时消耗的那一部分，而这部分电能小到可以忽略的地步。 使用模块式锅炉与自控系统相结合可以使系统供水温度按照供热曲线运行(误差0.5)，可真正实现“按需供热” ，大大减少超标热损失及欠热现象的发生。 单体大锅炉的负荷调节灵活性差，且大多数是通过人工阶段性的粗调节或通过“大小火” 、 “尖子火”实现的。在外界气象条件变化频繁、幅度较大的采暖初期、末期，传统锅炉的实际出力很难与实际所需负荷相匹配，经常导致欠热及过热现象的发生，造成不必要的额外超标热损失。而模块式锅炉在控制器的联机模式下，可以实现多台锅炉联控，能根据设定好的供热温
9、度曲线等参数，如室内温度、建筑物的热惯性等,参考室外温度智能的自动判断应启动、停运的锅炉台数，自动实现近无人值守模式，可保证运行的每台锅炉都是保持满负荷、高效（91%以上）运行。基本消除了国内广泛存在的热效率、负荷率、能量年综合利用率低的情况，具有明显的经济效益及社会效益。 燃气锅炉房的排烟与通风设计 排烟系统的设计 燃气锅炉房与燃煤锅炉房的特点不同,燃气锅炉通常不单独配置引风机,烟气流动主要依靠烟囱内外温差产生的抽力,因此烟囱的排烟性能对燃气锅炉正常运行有着重要影响。如果烟囱抽力没有达到要求,会使锅炉排烟不畅,从而影响锅炉的正常运行,使热效率下降、CO 浓度增加,出现回火现象,产生安全隐患,
10、甚至使锅炉无法运行。这种排烟不畅现象在工程实践中时有发生,尤其是大气式燃气锅炉,其燃烧器不带鼓风机,因此对烟囱抽力的要求更高,更容易出现排烟不畅的问题。为了保证燃气锅炉的排烟效果，在烟囱设计时应注意以下问题： 烟道的布置应力求简短平直、附件少、气密性好。避免出现“袋形” 、“死角”及局部流速过低的管段。应尽量减小水平烟道的长度以减小排烟阻力，水平烟道的长度不应超过烟囱高度的一半。 多台锅炉共用烟囱和烟道时，总烟道内各截面处的流速宜接近，单台锅炉配置两个烟道时，宜使每个烟道的阻力均衡。支烟道上应装设能全开全闭、气密性好的闸板阀或调风阀。 应核算排烟系统的阻力平衡，保证烟囱抽力能够满足排烟要求。当
11、烟囱抽力不足时，应采取相应措施以保证排烟效果，如：由锅炉厂家提高燃烧机组和炉膛的燃烧正压，在排烟系统设置引射排烟装置或调频引风机等。当烟囱抽力过大时，应减小烟道、烟囱断面尺寸，提高流速，增加阻力或在烟道上设置抽风控制器，调节阻力平衡。 烟囱出口内径应保证在锅炉房最高负荷时，烟气流速不致过高，以免阻力过大；在锅炉房最低负荷时，烟囱出口流速不低于 2.5-3m/s，以防止空气倒灌。 排烟温度过低会导致烟囱抽力不足，对于烟道和烟囱应采取保温措施，以避免烟气温降过大。而且从安全和防止烟气结露、减轻金属烟囱腐蚀现象的角度来说采取保温措施也是必要的。 宜选用预制不锈钢保温烟囱。成品烟囱重量轻，防腐蚀性能和
12、保温性能好，安装方便、造型美观。 通风系统设计 当锅炉燃用天然气气体时，为了保证完全燃烧我们必须提供充足的空气。因此必须有足量的过剩空气。普通锅炉房的实际送风量等于锅炉的理论空气量加上过量空气。然而由于大气式锅炉具有通风罩，通风罩的作用当室外风力及气候发生变化时自动平衡烟道的抽力以确保燃烧的稳定，设计锅炉房通风时应将这部分风量也考虑在内，具体数值见下表：锅炉房通风方式一般可分为自然通风、机械通风、混合通风三种方式。对于锅炉燃烧所需的空气量一般推荐采用自然通风的方式，即在锅炉房外墙上设置直接对外的进风百叶窗。 锅炉房的总通风量除了要满足燃烧需求外，还应考虑锅炉房的正常通风换气要求，一般情况下燃气
13、锅炉房的通风换气次数为正常工作时不少于 6 次/h，事故通风时不少于 12 次/h。锅炉房的正常通风和事故通风通常采用机械排风+自然补风的方式来实现，在实际设计时应特别注意排风机的风压不易过大且进风百叶的面积应足够大，以避免造成过大的室内负压影响燃烧烟气的排放，发生烟气倒灌现象，必要时应增设补风风机。 燃气锅炉的节能措施 无论是对模块式燃气锅炉还是大容量单体燃气锅炉来说，节能措施都是在锅炉房设计中必须要考虑的问题，而现阶段燃气锅炉的节能措施主要有： 气候补偿技术 气候补偿技术是在传统燃气锅炉房供暖系统上应用一套气候补偿系统，该气候补偿系统主要由气候补偿器、电动调节阀、室外温度传感器、供水温度传
14、感器等几部分组成。通过在气候补偿器中预先设定锅炉供暖运行调节参数(曲线)，并根据室外温度传感器反馈回的室外温度(变化)，气候补偿器可计算出当前较为合理的供水温度，并依据该温度控制调节电动调节阀的开度(即调节供暖系统回水量与锅炉供水量的混合比例)，从而调节系统的总供水温度，使锅炉房供暖系统可以根据室外温度变化实现“按需供热” 。 烟气冷凝回收技术 烟气冷凝回收技术是一项利用烟气冷凝回收装置回收燃气锅炉排烟余热的节能技术，应用烟气冷凝回收装置可将温度较高的锅炉排烟与温度较低的供暖系统回水进行热交换。一方面，低温的供暖系统回水可以降低高温烟气的温度以回收烟气中的显热；另一方面，低温供暖系统回水将高温
15、烟气中的水蒸气冷凝成水，回收水蒸气的相变潜热。相关研究资料表明，烟气冷凝回收装置可提高燃气锅炉实际运行效率达38。但需要注意的是，由于烟气温度下降会影响排烟性能,因此在进行烟气冷凝回收设备的设计时,不仅应考虑设备阻力对排烟性能的影响,还要考虑烟气温度大幅度下降对排烟性能的不利影响,这种情况下通常需要设置排烟风机,在计算烟气余热回收效益时应综合考虑这一因素的影响。 水泵的选型设计 循环水泵作为锅炉房内主要的动力设备，其选型是否合理是影响锅炉房运行是否节能的关键因素。影响水泵功率的主要因素是流量、扬程和水泵效率，在选型时应注意以下问题： 水泵的流量选择 水泵流量的选择主要与计算的热负荷和供、回水温
16、差有关，为了保证水泵流量选择的合理性，需要对计算出的供热负荷进行校核并且选取合适的供、回水温差，避免大流量、小温差的现象。此外供热系统管网的阀门、法兰等连接处，由于连接不严密会存在漏水现象，需要选择合适的流量损失附加值来计算流量，进而选择合适的水泵流量。 水泵的扬程 在闭式供热系统中，计算循环水泵的扬程仅考虑克服整个系统的阻力损失，即循环水泵的扬程应不小于设计流量条件下热源、热网和最不利用户环路的压力损失之和。在设计中应仔细计算管网的压力损失以确定合适的水泵扬程。在许多现有的设计项目中，由于没有进行水力计算，单凭经验确定水泵扬程，使许多水泵的扬程远高于需要克服的系统阻力，形成“大马拉小车”的现
17、象，使水泵处于大流量、低效率、高功耗的不利工况运行，造成大量的能源浪费。 水泵的效率 在水泵选型时应结合水泵的扬程和流量以及水泵的性能曲线选择效率较高的水泵。 变频水泵的使用 在锅炉房的设计中由于锅炉对循环水的流量和流速有一定要求，因此对于供热用户为变流量系统时，为节约能源可设置二级泵系统。其中一级泵为定频泵，用于克服锅炉的循环阻力；二级泵为变频泵，用于维持供热管网的正常运行。 热力管网设计 供热系统能耗的高低，不仅取决于热源，而且与整个管网系统有关。在供热系统中，普遍存在着水力失调的问题，水力失调造成系统冷热不均，距离热源较近的用户，温度较高，距离远的用户温度偏低。为了保证远端用户的供热效果
18、，不得不提高锅炉的供水温度或加大循环水泵流量，不但很难保证供热效果，而且造成巨大浪费。为了避免水力失调，在设计中应注意： 应根据供热用户的负荷和分布情况合理的规划供热干管和支干管的布置，力争让各支干管的长度和负担的负荷趋于一致，避免不同的环路因阻力差距过大导致管网平衡调节困难。 在管网设计时应进行水力计算，管道的比摩阻应按规范和手册规定的范围选取。 有条件的供热管网可采用同程式布置以减少不同环路的不平衡率。 通过安装平衡阀或自力式压差控制阀来调节管网的水力平衡。 参考文献： 1 燃油燃气锅炉房设计手册编写组编， 燃油燃气锅炉房设计手册机械工业出版社 1998 年 06 月第 1 版。 2 门亚琨，模块燃气热水锅炉房的应用及设计，燃气与热力，2006 年第 7 期。 3 陈孟举，燃气锅炉供热节能技术分析，科技与生活，2012 年第4 期。
