某整車制造企業燃煤改燃氣實施總結

覃平陽

（上汽通用五菱汽車股份有限公司制造部，廣西 柳州545007）

由于歷史原因，我公司某整車工廠所需熱源沿用了之前的燃煤鍋爐，隨著時代變遷，所面臨的環境污染問題日益突出，急需進行煤改氣的改造工作。本文就整車制造行業煤改氣項目實施過程中易忽視的各項問題逐項進行具體分析。

1 背景

近年來，隨著我市經濟水平快速發展，工業化步伐加快，煤炭資源消耗嚴重，城區空氣污染問題日漸突出，特別是細顆粒物（PM2.5）的區域大氣污染問題日益突出。控制煤炭消費總量，推動清潔能源利用的“煤改氣”項目開始逐步提上議程。“煤改氣”是指在生產生活中使用天然氣替代利用效率較低且較重污染的燃煤。PM2.5的形成主要與NOx、SO2和煙塵的排放有關，根據天然氣和煤炭的熱值轉換以及燃燒效率差異，可計算出天然氣燃燒排放的SO2、NOx和煙塵量分別是煤炭燃燒排放的1.8%、15.9%和8.6%，明顯少于煤炭。但如果只是簡單的將公司原有燃煤蒸汽鍋爐直接改為燃氣蒸汽鍋爐，勢必會造成公司生產運行成本的增加，與公司“成本領先，與眾不同”的發展宗旨相違背。如何找到既環保又節能且停產時間短便于實施的改造方案，是需要公司工程技術人員結合各個生產工藝流程從而最終去解決的問題。燃煤改燃氣的燃氣運用的主要形式之一是燃氣鍋爐，燃氣鍋爐房的設置，不僅要考慮鍋爐按集中布置還是分區域布置，在各車間有限的可用改建面積下燃氣鍋爐的規格數量是否與涂裝車間工藝加熱所需的時間相匹配，以及燃氣鍋爐的選址是否符合規范安全要求。

2 改造方案

之前我公司涂裝工藝熱源部分由燃煤鍋爐提供，換熱過程經過煤→蒸汽→熱水→工藝介質，換熱環節多，輸送距離最遠1.8 km，熱能利用率較低。改造前的流程工藝見圖1。

圖1 煤改氣前工藝流程圖

經過項目組分析討論，最后改造總體方案確定為：（1）將原有制冷效率較低的蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機更換為10 kV高效離心壓縮式制冷機；（2）增加自帶煙氣冷凝器的燃氣熱水鍋爐；（3）調整原有熱水循環管路連接路徑；（4）組合送風機組原來的熱水一次加熱段改為燃氣燃燒器直接燃燒方式。改造后的方案詳見圖2工藝流程圖。

圖2 煤改氣后工藝流程圖

改造后的運行費用對比見附表1。

表1 燃煤蒸汽與天然氣年運行費用對比

公司使用的燃氣鍋爐，通過熱水對工藝上加熱其它物質。設計時，通過工藝計算出明晰的熱量需求。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，可按其標準蒸發量選取選用鍋爐。

3 燃氣熱水鍋爐設計注意事項

由于是改造項目，需留意燃氣鍋爐房選址應靠近車間外墻布置，鍋爐房所在的外墻、樓地面或屋頂，是否滿足相應的防爆要求，并應有相當于鍋爐間占地面積10%的泄壓面積，泄壓方向不應選擇朝向車間人員聚集的地方以及人行通道等[1]。典型的鍋爐房平面圖見圖3。

圖3 某燃氣鍋爐平面布置圖

天然氣屬于易燃易爆的危險氣體，而燃氣鍋爐房屬于較為狹小的密閉空間，一旦帶有壓力的燃氣泄漏很容易達到甲烷5%～15%（V/V）的氣體爆炸極限范圍。因此鍋爐房燃氣系統與通風系統的設計，對于鍋爐房的安全極為重要，初期設計及安裝直接決定日后能否長久的安全運行。所以，鍋爐房燃氣與通風系統的設計須同時滿足《鍋爐房設計規范》、《城鎮燃氣設計規范》和《建筑設計防火規范》。即要求燃氣鍋爐房應設置獨立的送風及排風機。通風機組應選用防爆類型，新風量須滿足每小時3次以上的整體換氣量，還應注意該換氣量不能包含燃燒機本身所需消耗的空氣量。鍋爐房向外排水應設置降溫池等降溫設施，以防止排出的高溫水損壞室外的污水管道。鍋爐房內應在頂部高位設置甲烷可燃氣體探測器，當可燃氣體濃度達到其爆炸極限下限（4.65%）的20%時，探測系統報警；達到爆炸下限的50%時，切斷燃氣供應。燃氣泄漏探測及聯鎖排風系統見圖4。

圖4 燃氣鍋爐房燃氣管示意圖

熱水鍋爐應設置當鍋爐的壓力降低到熱水可能發生汽化、水溫升高超過規定值，或循環水泵突然停止運行時的自動切斷燃料供應和停止鼓風機、引風機運行的保護裝置。

3.1 煙氣顯熱回收技術

在燃氣鍋爐的熱損失中，最主要的是排煙損失，最重要的參數就是排煙溫度，排煙溫度高低決定鍋爐效率的高低，一般來說，鍋爐排煙溫度每降低30℃，鍋爐效率提高1%。在20世紀末，普遍對排煙溫度不重視，燃氣鍋爐的設計排煙溫度在100℃以上。隨著節能意識的提高，在鍋爐的尾部加裝了煙氣節能器，將鍋爐排煙溫度降低到90℃以下，既可防止煙氣結露，又可以將鍋爐效率提高1%以上。

4 組合送風機組的改造

組合送風機組的改造，采取在原初效段前增加燃氣加熱器的方式，初效過濾器后移至原采用熱水的一次加熱段，某臺設備的改造見圖6組合送風機組平面示意圖，燃氣加熱器與初效過濾段之間應增設擋火板，以防止火焰加熱到后面的初效過濾段。詳細布置見圖7。同時應增加聯鎖功能，即風機開啟后才能啟動燃氣加熱器，風機壓差開關處于關閉狀態時應自動聯鎖關閉燃氣加熱器。

圖5 燃氣鍋爐煙氣顯熱回收示意

圖6 組合送風機組改造平面示意圖

圖7 送風機組改造詳圖

5 燃氣管道能力校驗

燃氣用量增加后，需校驗原有燃氣管道輸送能力。根據計算，原冬季最大小時用量為2 800 Nm3/h，煤改氣項目實施后，預測計算的最大小時用量為4 500 Nm3/h，按DN200管徑及550 m長度計算，管道內燃氣流速為15 m/s，壓降0.014 MPa，流速及壓降均仍屬于正常范圍內。因此不需對廠區燃氣主管進行擴容。

6 燃氣調壓計量柜的更換及安裝

燃氣改造后的涂裝車間冬季生產啟動時最大燃氣用量達到4 500 Nm3/h，需對原有燃氣柜進行更換。本項目在燃氣柜吊裝后施工單位未注意及時按照廠家要求的5/1000水平度要求進行調整，加上柜體長度較長達到7 m，導致就位后出現柜門框變形柜門無法關閉的問題。此類問題應在后期項目中避免再次發生。由于地下管道是鋼制材質，燃氣柜出入口均應設置絕緣接頭，該絕緣接頭可使得地下燃氣輸配管線與燃氣柜設備之間相互絕緣隔離，保護燃氣柜不受地下土壤化學腐蝕，延長燃氣柜內設備的使用壽命。燃氣柜為防止靜電負荷在過濾器調壓器等設備聚集應單獨設置接地，接地電阻應不大于10 Ω。燃氣柜內較多法蘭連接且空間相對密閉，為第一時間偵測到漏氣現象，進一步在柜內安裝了2個甲烷可燃氣體探測器，該探測器與消防控制室聯鎖，如柜內存在漏氣消防值班室將看到報警信息。

7 安裝改造注意要點

按規范燃氣管道不宜敷設在屋面上，但由于本次是改造項目，考慮燃氣管道施工難度及不穿越不使用燃氣車間的原則，部分燃氣管敷設在車間屋面上方，此時根據QXT 109-2009《城鎮燃氣防雷技術規范》，屋面上的燃氣金屬管道與建筑的避雷網應至少設置兩處跨接金屬線，且跨接點的間距應＜30 m。金屬跨接線可采用直徑≥8mm2的圓鋼或≥48 mm2的扁鋼[2]。

在新舊燃氣管道對接時，則需要在停產期間進行燃氣管的放散及切割焊接作業。此時燃氣需先進行放散，放散管應注意是否進行了可靠接地，由于放散時燃氣與空氣混合在一起流動，如流速過高管道內雜質撞擊可能引起火花，因此放散流速應不大于5 m/s的安全范圍，放散時應在屋面放散口安排專人監護并檢測周圍燃氣濃度。放散后采用高純氮氣吹掃，關于氮氣吹掃時間以及用量，吹掃時間一般在15 min，吹掃用量可按吹掃管段容積的15倍進行確定。氮氣置換時中需注意是否產生頂部與底部的分層問題（見圖8）。即在置換時，由于天然氣以較為緩慢的速度注入到新建管道內，因甲烷的相對密度比空氣輕，在流速流量不足的情況下不足以擾動底部空氣，天然氣可能只在管道頂部流過，即只置換了管道頂部部分，而位于管道底部的空氣還仍留存在管道內。此時如監測技術人員在取樣口檢測時，儀器將測得體積分數為90%以上純度的甲烷，若此時中止置換，停留管道內的空氣與天然氣混合，有可能形成爆炸性氣體，此時動火切割或焊接遇到明火可能發生爆炸危險[3]。另外動火切割需將在用燃氣管閥門關閉后加裝鋼制盲板進行徹底隔離，以完全消除燃氣閥門內漏的潛在風險。

圖8 氮氣與天然氣的分層

新的燃氣管與舊燃氣鋼管由于存在電位差，兩者觸碰時可能產生火花。因此在動火作業前應先對兩種管道的電位進行平衡。通常做法是在新舊管道上用金屬線進行搭接，使新舊燃氣鋼管的電位達到平衡狀態。在用燃氣管動火前需在取樣口用甲烷濃度分析儀每間隔5 min檢測燃氣濃度在爆炸下限20%以下時才能開始動火。長時間中斷動火后需重新進行燃氣濃度檢測。對接完成后應進行焊縫探傷及試壓，試壓合格后方可恢復供氣，用甲烷濃度分析儀在取樣口測試三次，間隔5 min，甲烷濃度需達到90%以上則可判定為供氣完成。

總之，燃氣設施的停氣、放散、動火及通氣等各項作業之前需要認真制定作業方案，對于保證生產作業的安全非常重要。作業方案一般應包括：（1）作業內容：如切割焊接，作業具體位置，停氣放散范圍，應有作業草圖；（2）采取的安全措施：加盲板、吹掃置換、放散、現場監護、消防器材及人員配備等等。（3）作業起止時間等；（4）應急方案；作業方案應講過審批，主管領導、職能部門對作業方案進行評審。嚴格執行作業方案確保在批準的限定停產時間內完成。

8 結束語

整車制造企業煤改氣項目涉及改造內容較為復雜，涉及設計、安裝、驗收、檢測等各方面的審核校驗工作較多，需要整體緊密銜接，制定詳細作業方案，才能在公司較短有限的停產時間內安全可靠的實施。本次改造經實踐檢驗是較為有效的技術措施。