集中供熱系統運行中綠色節能技術的運用分析

劉 濤

（山西省安裝集團股份有限公司 山西太原 030032）

引言

城市集中供熱系統主要包括熱源、熱網、用戶3 個部分，其中熱源主要指區域鍋爐房和熱電站。對于區域鍋爐房而言，工業區域通常采用蒸汽式鍋爐，而民用區域則主要采用熱水鍋爐，燃料以煤、天然氣、燃油和電為主[1][2]。通過對實踐工作經驗總結認為，導致集中供熱系統高耗能的參數主要包括鍋爐熱效率、爐渣含碳量、排煙溫度以及排煙量等。為解決城市集中供熱鍋爐運行能耗高、資源浪費問題，切實提升城市集中供熱系統運行質量，可根據供熱鍋爐運行現狀，選擇適宜的綠色節能技術。一方面可顯著提升集中供熱鍋爐節能效果，另一方面對改善城市環境質量也有明顯幫助，有利于實現集中供熱鍋爐環保效益和經濟效益的最大化。

1 現狀調查

隨著能源和資源需求量逐年提升，為確保供熱質量和效率，降低資源浪費現象，需要提高并加強綠色節能技術在城市集中供熱系統運行效率的認識[3]。本研究以某城市集中供熱鍋爐為例，對城市中心區、邊緣區域、郊區住宅不同燃料供熱面積及平均能耗開展全面調查，結果如表1、表2所示。

表1 集中供熱鍋爐不同燃料類型供熱面積調查結果（單位：萬m2）

表2 集中供熱鍋爐平均能耗調查結果

從表1 中數據可以看出，城市中心區、邊緣區域、郊區集中供熱鍋爐燃料類型均以煤為主，郊區燃煤鍋爐更是超過99%。通過表2 可知，無論是普查還是典型調查結果，集中供熱鍋爐均表現出較高單位面積高耗氣量情況，通過深入調查發現，3 個區域住宅集中供熱鍋爐運行時普遍存在冷凝水腐蝕情況，在降低供熱鍋爐使用年限的同時，也造成集中供熱鍋爐熱效率低下。總體而言，集中供熱鍋爐供熱狀態并不理想。

2 原因分析

2.1 供熱鍋爐選型不正確

供熱鍋爐類型選擇不適當會導致鍋爐運行效率下降，與煤相比，天然氣燃燒更加充分，且更具清潔型。目前，某城市集中供熱鍋爐以燃煤鍋爐為主，能源利用率比較低，加之不同類型鍋爐煙氣排放標準存在差異，不僅會增加對資源的浪費，還會帶來環境污染問題[4][5]。而且，不同類型供熱鍋爐安裝布置要求不同，如未能正確選擇鍋爐，也會對煙囪布置、排煙系統設計造成嚴重影響。除此之外，不同類型鍋爐維護要求不同，一旦鍋爐選型存在偏差，會因維護不當而造成鍋爐運行性能下降，增加能耗。

2.2 煙氣排放溫度不合理

供熱鍋爐排煙溫度不合理會引發諸多問題，如排煙溫度過高、鍋爐損壞、耗電增加等。當供熱鍋爐排煙溫度過高時，不僅會增加大氣污染的風險，還有可能導致鍋爐本身部件損壞。由于發動機內形成熱量的能量消耗會導致熱力數量減少，造成爐體溫度過低，因而爐襯材料會受到冷凝傷害，以至于損壞鍋爐[6]。當排煙溫度不合理時，還會影響供熱鍋爐耗電量，通常情況下，排出煙氣溫度過低，將增大爐膛內部熱量損失，使消耗能量變多，從而導致耗電量增加，而煙氣溫度過高，則會明顯增加供熱機械抽風機運轉，也會導致能耗增加[7]。

2.3 燃煤鍋爐改造不徹底

燃煤鍋爐改造不徹底屬于普遍問題，主要原因包括4 個方面，即①資金投入不足，僅局部改造無法實現徹底改造，導致節能效果低于預期；②技術原因，由于燃煤鍋爐改造復雜，對技術的要求比較高，技術限制成為無法完成徹底改造的關鍵原因[8]；③材料原因，燃煤鍋爐改造需要使用很多新興材料，一旦材料質量不達標，則會縮短鍋爐使用壽命，無法達到預期結果；④通過深入調查證實，客觀環境原因也會對某城市集中供熱燃煤鍋爐改造產生較大影響，如室外溫度、氣壓、濕度等因素。

2.4 供熱系統智能化水平低

目前，某城市集中供熱系統智能化水平低，主要表現為缺乏智能監控設備，導致供熱效率低、供熱運行成本高、供熱質量不合格等問題。其中，由于缺乏智能監控設備，導致無法有效掌控管網內供熱流量和熱網運行狀況，使得大量熱量資源被浪費，且供熱效率也被降低。同時，由于缺乏智能監控設備也無法及時監控鍋爐運行狀態，使得額外維修成本增加[9]。此外，由于智能化水平低，無法對熱力和壓力等指標進行有效監測，因此為改善這種狀況應加強技術創新、加強智能化技術推廣應用。

3 綠色節能技術在集中供熱系統運行中的具體應用

3.1 優先選擇綠色節能鍋爐類型

在選擇鍋爐類型時，應滿足集中供熱系統工作性能需要，并綜合考慮能源利用率、噪聲、煙氣排放等指標；同時，為滿足綠色節能技術要求，還需優先選擇節能型鍋爐，并針對鍋爐內部介質作業要求進行分析，在沒有特別要求的情況下，建議將熱水作為內部介質。如，內部介質為蒸汽，則需要考慮蒸汽飽和度指標，如果該指標指數越高，那么集中供熱鍋爐節能效果越好。在實際選型時，還需結合相關規定，計算容器中熱介質、供熱負荷量，確定鍋爐熱容量，避免鍋爐出現持續低負荷運行情況，如住宅供暖熱負荷計算可采用式（1）單位體積熱指標法[10]。

Q=rvV（sn-sm） （1）

式中Q—住宅供暖熱負荷；rv—單位體積供暖熱指標，kW/m3·℃；V—根據外部尺寸計算的建筑物體積，m3；sn—室內供暖計算溫度，℃；sm—室外供暖計算溫度，℃。

根據式（1）計算出供暖熱負荷計算結果，然后對鍋爐熱容量進行確定，不僅能夠降低鍋爐運行能耗，還可滿足住宅供熱總體需要。因為在特定條件下，供暖熱負荷計算通常考慮熱負荷峰值，所以需分析住宅在最冷天氣條件下最大熱負荷，從而保證供熱系統即使在最惡劣情況下也能夠滿足供熱需求。通常情況下，在確定鍋爐熱容量時，也需考慮系統效率，因而鍋爐實際輸出熱量可能會受到系統效率的影響。系統效率是指鍋爐在將燃料轉化為熱能時的能量利用效率，通常鍋爐額定熱容量會考慮到系統效率，確保實際輸出能夠滿足供熱需要。因此，為確保供熱系統可靠性和穩定性，鍋爐熱容量應略大于供暖熱負荷，以確保供熱系統滿足住宅供熱總體需要，并且留有一定備用容量，用于應對突發寒冷天氣或供熱系統故障情況。

3.2 合理控制供熱鍋爐排煙溫度

由于集中供熱鍋爐體積大，為確保供熱鍋爐正常運行，且不會對周圍環境造成嚴重影響，需綜合考慮安裝位置要求、煙囪選型、排煙系統設計、安全設計等問題。因此，為合理控制鍋爐排煙溫度，可利用節能技術進行優化。首先，增加鍋爐能效，減少燃料消耗，從而降低鍋爐排煙溫度。通過燃燒調節、煙氣再循環、鍋爐煙氣再生活化、煙氣解析等技術，全面提高煙氣回收率，降低鍋爐排煙溫度。同時，在實踐中發現設計逆流煙罩、增加排煙等級，不但技術操作簡單，而且費用比較低，還可有效降低鍋爐排煙溫度。其次，因為供熱鍋爐燃燒過程需要氧氣參與，且過高或過低的氧量都會影響燃燒效率和排煙溫度，所以需要做好氧量調節和燃燒控制。通過調節燃燒設備中空氣供應量，確保燃燒過程中適當氧量，有效控制排煙溫度；通過調節燃料供應和燃燒空氣量比例，控制燃燒過程溫度和熱量輸出，從而影響排煙溫度。與此同時，供熱鍋爐排出的煙氣中含有大量熱量，而通過煙氣余熱回收裝置可將部分煙氣中熱量回收利用，不僅可提高燃燒系統效率，還能降低排煙溫度。如，加裝燃燒室散熱器、煙氣冷卻器等進行余熱利用，在降低煙氣溫度的基礎上，減少煙氣排放。最后，建立健全鍋爐操作系統，確保鍋爐安全運行，加強管理，定期做好鍋爐維護、維修工作，發現老化部件及時予以更換，也可確保鍋爐性能穩定，避免排煙系統受到影響[11]，合理控制排煙溫度。

3.3 優化鍋爐分層給煤裝置設計

相比于傳統燃煤鍋爐，燃氣鍋爐引進了綠色節能技術，能實現高效率、低污染的現代化熱能供應，以及實現降低耗能的目的。實踐證明，將傳統燃煤鍋爐改造成燃氣鍋爐，不僅提高了熱力供應系統工作效率，還對改善燃燒環境具有顯著幫助。改造時更換了燃料和散熱器，在燃煤鍋爐入口處安裝自動燃氣控制器，確保穩定進風量和進氣壓力；更換原有碳鋼熱風爐，安裝不銹鋼、鋁合金等隔熱材料燃氣調節器，提高熱能傳遞效率，發揮最大節能效果。另外，如果無法進行改造，則需對燃煤鍋爐分層給煤裝置設計進行優化，考慮供熱鍋爐燃料消耗情況，可增加通風口數量，合理設計散熱和通風系統，完善燃料和氣體分配機制，提高節能效果。除此之外，考慮分層給煤裝置給煤容量、給煤模式，還可增加燃燒時間，使燃燒更加充分且均勻，減少有害物質。

優化鍋爐分層給煤裝置設計，可根據鍋爐特點和煤料性質選擇合適的給煤方式。常見的給煤方式包括層狀給煤、噴煤、飛灰再燃等。由于不同給煤方式會影響煤料分布和燃燒效果，因而需要根據具體情況選擇。另外，過高氧濃度會導致燃燒不完全，并增加煙氣中氧化物生成風險，因此在此過程中還需持續監測和控制煙道氧濃度，保證燃燒過程氧量適當。與此同時，在分層給煤裝置設計中，煤料可通過多個給煤口分層投入爐膛，且不同層次的煤料在爐膛內逐漸燃燒，實現燃燒過程均勻和穩定，提高燃燒時間和空間分布，減少煤料之間相互干擾作用，降低燃燒過程波動性，提高燃燒效率。

3.4 構建智能供熱鍋爐監控系統

構建智能供熱鍋爐監控系統，可實現對鍋爐運行狀態實時監測和控制，以及提高運行效率、降低能耗。因此，可安裝傳感器和儀表，采集鍋爐運行參數，如溫度、壓力、流量等，并通過無線網絡將數據傳輸到監控系統中。同時，建立數據庫或云平臺，存儲和管理采集到的鍋爐運行數據，方便后續的數據分析和決策；通過監控系統用戶界面，實現對集中供熱鍋爐遠程監控和控制，便于實時查看鍋爐運行狀態、報警信息和歷史數據。

立足于供熱鍋爐高耗能現狀，提出將基于智能技術運用到集中供熱系統運行狀態分析中，前期結合鍋爐運行評估實際需要選取評價指標，并對運行狀態劣化度進行準確計算，構建系統運行狀態智能化評價模型，全面掌握供熱鍋爐供熱量、煤炭消耗量、供回水溫度等關鍵信息，尋找系統運行潛在風險，設置4 個運行狀態評價等級，即健康狀態（I 級）、良好狀態（Ⅱ級）、預警狀態（Ⅲ級）、故障狀態（Ⅳ級）[12]。同時，在運行監控終端配置可視化測試平臺、服務器、核處理器、主頻、運行內存、磁盤陣列、存儲空間，并將各類供熱鍋爐作為評價對象，智能化評價其運行狀態，再根據監測時序將評價結果反饋給測試平臺前端進行感知。因此，通過構建智能供熱鍋爐監控系統，記錄鍋爐運行狀態，可加強系統運行日常監測，徹底改變“事后整改”問題，實現“事前預防”，從而提高運行效率，合理控制能耗，達到節能降耗的目的。

結語

綜上所述，應用節能環保技術，對提高集中供熱鍋爐節能效率、避免環境污染以及實現綠色發展具有重要意義。通過對案例城市集中供熱鍋爐供熱面積、平均能耗的調查，剖析造成供熱鍋爐能耗高、供熱效率低、資源利用率低等問題的原因，并針對原因指出綠色節能技術在集中供熱系統運行中的具體應用。值得注意的是，改進城市集中供熱鍋爐運行狀況，除加強綠色節能技術應用外，還應加強對新能源的研究，如風能、太陽能/熱水、湍流發電等新能源技術，為集中供熱鍋爐提供能量供應，以達到更高節能效果。