燃氣鍋爐房中燃氣和通風系統設計研究

吳 朵

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，由于空氣質量不斷惡化，霧霾天氣出現頻率越來越高，節能環保問題越來越受到重視，清潔能源需求也越來越強烈，尤其是鍋爐房這種能源消耗大戶，更需要重視節能環保。天然氣是一種潔凈環保的優質能源，推廣使用天然氣，可以有效降低污染排放，有助于治理陰霾天氣，改善城市空氣質量。天然氣為燃氣鍋爐房、鍋爐房煤改氣工程提供了優質、廉價的氣源[1]，因此，越來越多的地方使用燃氣鍋爐房。

燃氣鍋爐房是把鍋爐及其輔助設備進行合理組織，使其能夠有效生產的場所。設計中，除鍋爐房位置、容量等因素需要滿足規范外，其輔助系統設計也至關重要。燃氣系統設計，包括鍋爐房熱負荷計算、燃氣消耗量的計算、中壓燃氣調壓站的工藝流程、燃氣系統設計原理及安全。通風系統設計，包括通風設計的原則、通風量的計算方法及設備的選擇。根據實際情況，設計中要考慮安全性、經濟性，使燃氣鍋爐房達到環保要求的同時為企業實現更好的經濟效益和社會效益。

1 燃氣鍋爐房的優點與安全

與相同容量的燃煤鍋爐房相比，燃氣鍋爐房具有緊湊、小巧、質輕的特點。使用燃料不同，燃氣鍋爐無排渣出口及除渣設施，因此節約占地及占地費用。燃料系統如果使用管道輸送無需儲存設備，更不需要燃料加工設備，因此燃氣鍋爐房的系統簡單，建設和配置比較經濟。

天然氣屬于易燃易爆的危險氣體，因此鍋爐房燃氣系統與通風系統的設計，對于鍋爐房安全至關重要，不僅影響基建投資，還對能否按時完成建設投產和日后生產使用帶來影響。所以，鍋爐房燃氣與通風系統的設計必須嚴格依據《鍋爐房設計規范》《城鎮燃氣設計規范》和《建筑設計防火規范》進行。

2 燃氣鍋爐房的燃氣系統

2.1 燃氣的消耗量

用戶使用的燃氣鍋爐，主要通過蒸汽或熱水采暖、消毒、洗滌或在工藝上加熱其它物質。一般情況下，設計時，通過工藝計算出明晰的熱量需求。當缺少熱負荷曲線或熱平衡系統圖時，可按下式算出鍋爐房的最大計算熱負荷。

Q=k0(k1Q1+k2Q2+k3Q3+k4Q4)(t/h或MW)

其中，Q為最大計算熱負荷；

k0為管道熱損失及鍋爐房自用熱系數；

k1、k2、k3、k4分別為采暖、通風、生產、生活熱負荷同時使用系數；

Q1、Q2、Q3、Q4分別為采暖、通風、生產、生活最大熱負荷。

計算熱負荷作為選擇鍋爐的類型、數量、確定鍋爐房間尺寸的依據。熱能需求量確定之后，選用鍋爐時，可按其標準蒸發量選取。

根據燃氣鍋爐的蒸發量或產熱量，計算所需燃氣消耗量，作為燃氣系統的設計依據。同時，位于地下、半地下、地下室和半地下室的鍋爐房，嚴禁選用相對密度大于等于0.75氣體燃料。

2.2 鍋爐燃氣系統原理

天然氣是甲烷與其它氣體的混合氣體，天然氣管道通常采用直埋方式[2]敷設，中壓輸送至用戶。中壓燃氣經過專用調壓箱或調壓站減壓至鍋爐所需壓力，經過燃氣表間后再進入鍋爐燃燒器燃燒。

鍋爐燃燒器所需燃氣壓力相對較高且小時，流量較大，壓力不穩定會造成燃燒不穩定，甚至回火或者脫火，所以應設置專用調壓站，以減少對其他用戶的影響。設計時，中壓燃氣調壓箱盡可能避開人員密集區，并靠近用戶。中壓燃氣調壓箱，應設計旁通管、安全水封。地上燃氣中壓調壓箱與重要公共建筑、一類高層民用建筑物外墻面的水平凈距大于等于8m，與一般建筑物外墻面的水平凈距大于等于4m。實際設計中，為保證調壓器壓力穩定以及考慮一定的供應余量，調壓器閥門不宜處于完全開啟狀態，調壓器的流量應按計算流量的1.2倍確定。

鍋爐前需要配管系統，更需要吹掃放散管道，這些設備組成了燃氣系統。燃氣系統中還裝有過濾器、調節閥門、流量計及燃氣壓力計、溫度檢測設備等。燃氣表間一般與鍋爐間相鄰設置，燃氣表間設置過濾器、緊急切斷閥、燃氣流量計等。鍋爐供氣管道前需要進口裝置、控制閥門組由燃燒器自帶。爐前燃氣系統設有穩壓閥、放散閥和取樣口，鍋爐間應設置燃氣泄露報警器。具體如圖1～圖2所示。

圖1 中壓調壓站工藝流程設計圖

圖2 燃氣鍋爐房燃氣系統原理圖

2.3 燃氣系統安全設計

燃氣是具有一定毒性的易燃易爆氣體，設計時應充分考慮燃氣的安全使用。

根據《城鎮燃氣設計規范》的要求，用氣房間設置的燃氣濃度檢測報警裝置應由管理室集中監控。燃氣控制系統一般位于消防控制中心，燃氣泄露報警器的報警濃度應在被檢測可燃氣體爆炸下限的1/5處，泄露氣體濃度達到爆炸下限1/2處時燃氣管線上的緊急切斷閥會被自動連鎖切斷，放散管線上的放散閥被同時打開，經屋頂放空管道內的燃氣[2]。同時，自動開啟事故風機，對鍋爐間進行排氣。事故通風的手動控制裝置應在室內外便于操作的地點分別設置。供氣系統中出現空氣壓力異常、爐膛不著火、風機障礙等情況時，可以發出某種聲光信號，并馬上斷掉燃氣[3]。

燃氣管道首次點火未成功，或停運維護時，為保證以后點火及檢修時的安全，管內燃氣必須排凈；長時間停用，再次啟用時，為了安全必須先吹掃管道，排出里面的混合氣體，因此在設計中，吹掃口、取樣口和放散管必不可少。

設置放散口和吹掃口應以排凈管內的燃氣或空氣為原則，根據鍋爐房管道的布置靈活處理。放散口可以布置在燃氣干管的末端、管道的最高點、兩個切斷閥之間的管段。吹掃點可位于鍋爐房進氣管總切斷閥后和燃氣管道系統以閥門隔開的管段上,具體位置則需要考慮合適的分段吹掃部位。多臺燃氣鍋爐前的放散管還可匯合成一根總管引至室外，排出口最好高于屋脊2m以上[4]，使排氣不竄入建筑物或者被通風裝置吸收。

吹掃管容積和時間決定著放散管的管徑，一般吹掃時間為15～30min，排氣量是吹掃容積的10～20倍左右，設計時這是計算放散管管徑的依據。

3 燃氣鍋爐房的通風系統

鍋爐房的設計，除了確保鍋爐及其燃氣管線滿足規范外，其通風設計也是燃氣鍋爐房設計的一個重要環節。燃氣鍋爐與燃煤鍋爐不同，不需要設鼓風機和引風機。燃氣鍋爐房的通風，是鍋爐房正常運行的關鍵條件之一，由于現有的規范和手冊涉及燃氣鍋爐房通風的內容不多，也沒有給出具體的計算方法，給設計帶來一定的困難。下文就這方面的問題結合實際的工程，做一些分析、計算，提出筆者的觀點。

例如：某位于地下一層靠外墻處的3×4t/h燃氣蒸汽鍋爐房，占地面積290m2，層高9.5m，其中鍋爐間占地220m2，燃氣消耗量975m3/h,天然氣低位熱值35MJ/m3。設計時，可以從以下四方面考慮計算通風量。

3.1 消除余熱所需的最大通風量

雖然燃氣鍋爐房自動化程度較高，操作人員大多時間在設有空調的控制室內，但其它房間的溫度也不宜太高，所以通風量的大小首先應從消除余熱來考慮。鍋爐間、水箱間和水泵間等房間均有大量余熱，各房間的余熱主要來自鍋爐本體、汽水管道及煙道、水箱等散熱損失。鍋爐房余熱可以按熱量的1%計算。鍋爐間、凝結水箱間、水泵間等房間的余熱，宜采用有組織的自然通風排除。當自然通風受限不能滿足要求時，應設置機械通風。鍋爐房內各房間夏季溫度的高低，決定了采用何種通風方式及排除余熱通風量的大小。

由圍護結構傳遞的熱量經計算可知相對較小，可以忽略，鍋爐房的余熱主要通過排風帶走。

鍋爐房的余熱：

Q余=余熱散熱率x燃氣低位熱值x燃氣消耗量

Q余=1%×35×1000×975=341 250KJ/h=94 792W

排除余熱的通風量：

L=Q余/0.337/(t×p-t×s)

式中：tp為室內排氣溫度，一般不超過40℃；ts為室外通風計算溫度，福州地區夏季為33.1℃。

夏季排除余熱所需通風量：

L=94792/0.337/(40-33.1)=40765m3/h

隨著室外通風溫度降低，排除余熱所需的通風也隨之降低。

3.2 燃氣燃燒所需的通風量

燃氣鍋爐運行時，需要有充足的空氣才能保證燃料的充分燃燒。而燃料成分不同所需的空氣量是不同的，所以要通過計算確定燃燒所需的通風量。

燃氣鍋爐產生1t/h蒸汽或0.7MW熱量，所需要的燃燒空氣量為1000m3/h。

鍋爐房燃燒所需空氣量：1000×3×4=12 000m3/h。

3.3 規范規定換氣次數所需的通風量

鍋爐房的燃氣是在壓力下輸送和使用的，由于管道及設備在施工方面存在問題和使用不當，容易造成漏氣，引起爆炸、著火和人身中毒[5]，因此設計時必須足夠重視。燃氣鍋爐間和調壓間等有爆炸危險的房間，應設置事故通風裝置，事故通風換氣次數不少于 12 次/h。燃氣鍋爐房通風量同，還要滿足《鍋爐房設計規范》規定的正常換氣次數。在首層、半地下或半地下室時，鍋爐間正常換氣次數每小時不應少于6次，在地下或地下室時鍋爐間正常換氣次數每小時不應少于12次。燃氣調壓間等[6]有爆炸危險的房間，應有每小時不小于3次的換氣量。換氣量中不包括鍋爐燃燒所需的空氣量。

正常通風量、事故通風量：

220×9.5×12=25 080m3/h。

3.4 通風系統風量選取

通過計算可以看出，燃氣鍋爐房的通風量要從多方面考慮，不能僅通過規定的換氣次數估算，還要考慮排除余熱及燃燒所需要的通風量。

鍋爐房的排氣量應取排除余熱所需的通風量，并按規范規定的換氣次數所需的通風量進行校核，以上鍋爐間的排風量為12 540～40 765 m3/h。對應的室外通風溫度為22～33.1℃。

送風量應為排風量與燃燒所需空氣量之和。

12 540～40 765+12 000=24 540～52 765 m3/h

風機風量為計算風量的1.05～1.1倍。不同季節室外通風溫度變化，排除余熱所需的排風量也隨之變化，可采用變頻風機或雙速風機，滿足不同季節的風量需求。燃氣鍋爐房內可能存在可燃氣體，送排風系統應與建筑物送排風系統分開獨立設置，選用送排風設備，應防爆并安裝導除靜電的接地裝置，且送風量應略大于排風量，使鍋爐間維持微正壓。機械送排風設備，必須與燃氣泄漏報警器和緊急自動切斷閥聯鎖。

燃氣的密度較空氣大，氣體沉積在房間下部。燃氣的密度較空氣小，氣體浮在房間上部。為了有利于泄漏氣體的排除，根據燃氣密度的大小考慮吸風口的設置位置。

4 結語

燃氣鍋爐工藝系統復雜，需要與其它專業相互配合，確保燃氣鍋爐房設計的成功。燃氣鍋爐房中燃氣系統和通風系統的設計，必須嚴格按照規范的要求，并結合實際情況多方面考慮，滿足安全性、經濟性等要求，以確保鍋爐房安全、可靠運行。