關于北方某動物園清潔能源供熱改造替代方案

(黑龍江省林業設計研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

北方某動物園區共建有18處動物館舍群、5處動物散放區、6處水域、1處游樂場和1處大型動物表演館，總建筑面積3.7萬平方米。

園區現有分散小鍋爐房19座，鍋爐20臺，采用燃煤小鍋爐熱水供熱，未有蒸汽負荷。

由于環保要求，園區所在地生態環境局向園區下達了“關于建成區外燃煤鍋爐整治工作的通知”，要求取締動物園內的19臺小燃煤鍋爐房，將以清潔能源供熱取代原有燃煤鍋爐，計劃采用燃氣供熱，采用電鍋爐作為重要熱負荷備用。

實際上在“實施清潔能源替代”中清潔能源供熱方面可開發和拓展的范圍空間也很大，主要對象為高速公路服務區、旅游景區、城鄉結合部較偏遠的企事業單位、學校、大型商場等等，尤其是接不上集中供熱大網的取暖用戶。

由此可見，采用燃氣、電蓄熱設備的清潔能源供熱模式，提高能效比，利用低谷電或棄風電提高經濟效益，在北方地區會有很大的發展空間，從華北地區一輪一輪的煤改電設備招標就可見一斑。

因此，如何適應“煤改電”的大趨勢，培植 “煤改電”設備產業優化升級是政府面臨的主要課題，出臺相應的配套政策也是當務之急。

本項目的實施，利用改建的16臺燃氣鍋爐及7臺電鍋爐代替原有20臺0.5～1.5 MW燃煤熱水供熱，對保證動物園冬季采暖安全性起到良好的作用。

1 鍋爐選型及改建方案

園區由于其熱負荷的特殊性，具有熱負荷分散、規模小、排放要求較高、供熱安全性要求高等特點。

燃煤鍋爐因為熱負荷難以集中，而分散的小鍋爐均為3t/h以下手燒爐，燃燒效率普遍較低，排放不達標，因而本工程排除使用燃煤鍋爐方案。

就目前供熱市場類似工程經驗，結合本工程特點，本工程適合采用燃氣或電鍋爐供熱。

1.1 燃氣鍋爐

燃料采用犸割高能氣，犸割高能氣的主要成分和基礎氣源是甲烷，以LNG 形式低溫-162 ℃液態存儲，辛烷值ASTM：130，無色、無味、無毒且無腐蝕性。體積是同質量的天然氣1/625，質量僅為同體積水的45%左右，其儲存效率為同體積CNG的2.5倍。便于運輸、存儲和使用，是迄今為止世界上最高效、安全、節能、環保的新能源氣體。

本工程燃料供應采用罐裝式LNG液化氣，儲存裝置可設置在室內或室外。定期由車輛運輸至鍋爐房，也可按照月或季度使用量集中預存放，防止冬季高速公路封閉造成氣源短缺。

燃氣鍋爐由于內部水管路要求，必須要采用換熱系統，不能采用直供方式，一次側循環水需采用處理過的軟化水。一二次網換熱系統設備由燃氣爐、換熱器、軟水箱、全自動軟化水處理器、膨脹水箱、循環水泵、補水泵組成。

一次網設計溫度為80/60 ℃，壓力0.1～0.3 MPa，二次網設計溫度為70/50 ℃，壓力為0.1～0.3 MPa。

氣化供氣站是指進行卸氣、儲存、氣化、穩壓、調壓、助劑添加等功能。氣化供氣主要作用是儲存、氣化LNG，包括低溫杜瓦瓶增壓系統、氣化系統及調壓、計量和助劑添加系統，如圖1所示。

氣化裝置是LNG供氣系統向外界供氣的主要裝置，設計中通常采用空溫式氣化器，其氣化能力宜為用氣城鎮高峰小時計算流量的1.3～1.5倍，穩壓工藝確保氣體平穩輸出。

1.2 電鍋爐

電采暖爐運行采用循環泵提供動力，通過溫度、壓力及流量傳感器，構成循環調節系統，按恒溫、節能的優化運行原則，隨著水溫的變化，控制系統不斷進行溫度采集，邏輯運算和數字芯片控制調節，從而達到系統自動恒溫，實現采暖的目的，如圖2所示。

鍋爐操作系統為自動控制，用戶可根據需要從常溫到95度任意調節，溫度設定好后即可進入全自動運行狀態，還可以按照實際需求設定四個時間段定時控制，整個鍋爐管理無需專人職守。

電加熱管采用厚壁316L不銹鋼管制作，采用優質高溫氧化鎂粉及封口材料，耐高溫可達900 ℃。

產品裝有放空口，防止鍋爐產生壓力而造成爆炸事故；同時具有低水位保護，在供水停止的情況下鍋爐將自動停止工作，防止了鍋爐干燒導致電加熱元件損害甚至燒壞的現象。

本工程電鍋爐受接入線路限制，無法全部使用。燃氣鍋爐冬季存在氣源的不穩定性，綜合以上因素，本工程確定熱源方案以燃氣鍋爐為主，電鍋爐作為備用的形式。即重要場館選用一臺燃氣鍋爐和一臺電鍋爐，兩臺互為備用。

2 改建方案

(1)全預混燃燒技術

可燃氣體與助燃氣體(空氣)在完全預混的狀態下，燃氣分子與氧分子接觸表面積大，點火時，反應有效碰撞次數多，加快反應速度，反應更完全，反應放熱多。

(2)冷凝換熱技術

從液態水變為氣態水蒸氣是吸熱過程，反之是放熱過程。這一過程中轉換的熱量稱為“汽化潛熱”；冷凝式換熱器就是利用了煙氣中水蒸氣液化所釋放的汽化潛熱。在α=1.2～1.4的燃燒工況下，將煙氣溫度降低到55 ℃以下就會有冷凝水產生，就能利用汽化潛熱來加熱鍋爐水；因此，冷凝式燃氣熱水爐的熱效率可大于100%，最高可達108%。

根據超低排放標準規定，鍋爐煙塵排放濃度不超過10 mg/Nm3，SO2排放濃度不超過35 mg/Nm3，NOx排放濃度不超過50 mg/Nm3。

本工程燃氣爐使用低氮燃燒技術，NOx排放低于30 mg/Nm3，無煙塵和SO2排放，符合相關環保標準。

熱力系統中鍋爐側包含燃氣鍋爐、電鍋爐、循環水泵、換熱器組成。本工程16個鍋爐房，其中有7個鍋爐房需要設置備用電鍋爐。循環水由水泵驅動經歷鍋爐加熱后進入換熱器釋放熱量，再回鍋爐升溫完成熱力循環。

用戶側包含換熱器、循環泵、膨脹水箱、補水泵、全自動軟化水設備組成。換熱器加熱循環水進入用戶散熱，再由循環泵驅動進入換熱器加熱。

補水泵設置兩路，實現分別能夠給鍋爐側和用戶側補水的功能。

燃氣鍋爐排煙溫度為50 ℃，排放冷凝液呈弱酸性或中性，不需要再處理，可直接排放至室內排水管道。

本項目原有19處鍋爐房鍋爐容量不同，鍋爐及附屬設備布置各異。通過現場調研，同時從設備廠家收集了各設備布置原則及外形尺寸，確定各鍋爐房現有空間能夠滿足本次改建要求，可以布置燃氣爐、電鍋爐、板式換熱器、全自動軟水器、水箱等設備，循環水泵、補水泵及供回水管道利用原有。在靠近燃氣爐布置的墻壁外側設置安全防護柵欄，用于存放燃氣罐。

各設備基礎部分利舊，部分新建，在外墻壁上開孔用于強制通風及排煙。

本工程采用SCADA數據采集與監視控制系統方式，在辦公樓設置監控室內完成各鍋爐房燃氣爐正常運行的數據采集、參數設置和鍋爐事故狀態的有關操作，在就地人員的配合下能完成鍋爐的啟停操作。

在各鍋爐房設置可編程序控制器PLC，用于采集鍋爐、循環水、電氣數據，控制調節水泵運行，各現場控制系統與監控室通信采用移動通信公司的無線網絡方式。

3 結束語

經研究分析后認為，本項目方案從燃料供應、水電供給、總平面布置、交通運輸、環境保護等主要條件來看，都是合理的、可行的。

方案無論從環保效益和節能效果來看，由于使用了效率較高的燃氣爐及電鍋爐，對環境的污染減少到了最小的程度。

因此，從投資、布置、經濟效益、環保等方面綜合考慮，作為本項目的裝機方案是可行的。

本項目主要為動物園區供熱，在技術原則上既注重了較高的實用效果，又注重了較高的經濟性，因此，方案是安全的和經濟的。