上海彪玛建筑工程咨询有限公司
摘要：本文作者对奥特斯项目锅炉系统的原始资料数据进行收集，包括图纸、设备台账、能源成本统计报表、锅炉的运行记录、设备说明书以及现场巡视考察，分析实际锅炉系统的安装情况和使用规律。虽然在设计阶段已经做了充分的节能考虑，部分锅炉烟道上已安装了节能器；但作为闵行区的能耗大户，我们有必要在技术层面深挖节能潜力，进行技术经济的分析比较，在现有系统上提出切实可行的节能改造方案。
关键词：锅炉；冷凝式节能器；排烟温度；效率
1.项目介绍
奥特斯项目地处上海市闵行区莘庄工业区金都路5000号，是奥地利在华投资的最大项目，是一家专业生产集成线路板的工厂。截止目前总投资已超过7亿美元，员工总人数超过4900人。总占地面积：12.16万平米；分为一厂、二厂、三厂。在过去飞速发展的十多年内，电、气、水等公用能源的能耗也迅速攀升、居高不下。中共十八大报告中明确指出将节约资源和保护环境作为我国的基本国策，各地地方政府到企事业单位，为了积极贯彻国家节能减排的号召，纷纷开展节能技改工作。以技术和管理节能作为主要抓手，努力推动企业的节能降耗发展之路。
2.锅炉能耗现状分析
2003-2010年间AT&S先后安装了7台UL-S2000（蒸发量2t/h）的蒸汽锅炉和11台UT系列1350KW热水锅炉。其技术是当时国内外最先进的，但随着节能减排技术的发展，它们已经达不到节能和环保指标，其中2台蒸汽锅炉未配置一级节能器，满负荷排烟温度为200℃左右，锅炉效率为90.5%左右；未配置一级节能器的7台热水锅炉排烟温度满负荷在180℃左右，效率为92%左右；其余9台锅炉出厂均配置一级节能器，其中5台蒸汽锅炉满负荷排烟温度为140℃，效率为94.5%左右；4台热水锅炉的排烟温度在100℃左右，效率为96.5%左右。尤其是未配置节能器的蒸汽、热水锅炉高温烟气直接排放到大气中，既不符合排放指标，同时也造成了大量的能源浪费；而已经配置一级节能器的其余锅炉均还有节能潜力，可将整体排烟温度降低，综合考虑整体系统节能。
对于锅炉的使用频率及供热需求方面，基于2016年1月~12月之间的使用记录，整理见表2.1~2.2。
表2.1热水锅炉使用台数
注：热水供80℃，热水回 60℃。
表2.2蒸汽锅炉使用台数
注：蒸汽锅炉使用冷凝水回收和热力除氧，103℃补进锅炉。
从以上描述中可以看到，在现有锅炉的配置情况下，部分锅炉排烟温度过高，如果能将这部分高温烟气的热量有效加以回收利用，就能降低排烟温度、提高系统效率，进而直接减少锅炉房的燃料消耗量，从而达到可观的经济效益，同时减少烟气排放，满足环保要求达标排放，真正实现节能减排。
3.技术节能改造方案和投资收益分析
3.1增加一级节能器
对未设置节能器的两台蒸汽锅炉和七台热水锅炉分别增加一级节能器，如图3.1。即对于两台未加节能器的蒸汽锅炉，在每台锅炉尾部增加独立设置的节能器，锅炉补水由103℃升温至133℃左右，排烟温度降到140℃，效率提升4%-5%；
一厂的锅炉房两台蒸汽锅炉全年供应蒸汽7533吨，其锅炉补水（考虑3%的排污）为7760吨；如果将这些补水从103℃加热至133℃，则温升30℃。按30kcal/kg的显热焓值计算，则全年节约热量为2.328*108kcal。按照锅炉90%的效率、燃气热值8000kcal/nm3计算，折合年节省燃料32333Nm3。按照给定燃料单价4.05RMB/Nm3，即节约资金130,950元人民币。(7760000kgX30kcal/kg=232800000kcal, 2.328*108kcal/0.9/8000=32333Nm3
图3.1 蒸汽锅炉一级节能器
对于七台未加节能器的热水锅炉，在每台锅炉尾部增加独立布置的节能器，如图3.2。使锅炉回水升温1-1.5℃，排烟温度降到100℃左右，效率提升4%-5%；
图3.2 热水锅炉一级节能器
一厂、二厂的锅炉房七台热水锅炉全年供应热量19359875Kwh，我们暂且按照效率提高4%来计算，或者锅炉循环水量（满负荷）温升1.3℃来计算，按以上理论计算，则燃料节省约90000Nm3。按照燃料单价4.05RMB/Nm3计算，即节约资金364,500元人民币。
3.2增加二级烟气冷凝式节能器
燃气锅炉排烟中水蒸气的含量较高，水蒸气的汽化潜热所占的份额相当大。理论上，每标准立方天然气在燃烧过程中可以产生1.6公斤的水蒸气，具有客观的汽化潜热，大约为3700KJ/Nm3。通过安装冷凝节能器，如图3.3，可以提高整体热回收及蒸汽系统的效率高达10%(U.S. DOE-OIT, 2014)，那么燃气锅炉的热效率则有望达到110%。热凝结水可以转回锅炉以达到节能的目的，同时冷凝水极为纯净且具有较高的热容量。增加冷凝水的回收量的做法，投资回收期平均为 1.1 年(U.S. DOE-IAC, 2013)。冷凝水也可作为热水供应，回收期平均为 0.8 年(U.S. DOE-IAC, 2013)。
图3.3 二级冷凝式节能器
根据燃油燃气锅炉房设计手册-第二版，采用燃气燃料时，燃料特性见表3.1。
表3.1锅炉燃烧特性
如上表所示，天然气高位发热值/低位发热值=110.7%。蒸汽锅炉烟气中有接近11%的热量回收资源，如果有适当的系统设计和配置，则锅炉系统效率将大幅度提高。
在国际和国内关于锅炉热效率的规范中，都以燃料低位发热值作为计算输入热量依据。众所周知，燃料高位热值主要由燃料低位热值和烟气水分汽化潜热组成。当充分利用燃料的高热值中的水蒸汽潜热，即锅炉输出热量包括燃料高热值所贡献的额外功率后，锅炉效率即会超过100%。虽然根据能源守恒定律，热效率是不可能超过100%，但是以低位热值计算，热效率是可能大于100%的。循环水温对锅炉效率及天然气凝结水量的影响如图3.4。
图3.4 循环水温对锅炉效率及天然气凝结水量的影响
上图表明烟气露点、循环冷却水与能够冷凝的水蒸气量、锅炉效率之间的关系。从图表来看，如果锅炉冷凝式节能器的进水温度为20℃，且流量完全匹配锅炉（也可以作为厂用热水），则燃料高位发热值将大部分被利用，效率接近107%；如果锅炉冷凝式节能器的进水温度为30℃，且流量完全匹配锅炉（也可以作为厂用热水），则效率超过105%；如果锅炉冷凝式节能器的进水温度为40℃，且流量完全匹配锅炉（也可以作为厂用热水），则效率超过103%。如果锅炉烟气无冷凝但配置烟气干式节能器，则效率将超过95%；如果锅炉没有节能器，则效率将只能大于等于90%。
基于厂方的使用记录，一、二、三厂提供生产和生活的锅炉同时运行的最大数量为四台，根据冷凝式节能器的系统设计，可以针对现有的三个锅炉房各做一套综合的冷凝节能系统，排烟温度降至55℃以下。即：锅炉房中蒸汽和热水锅炉目前烟囱两两合并，然后排出室外，在保留现有烟风系统的情况下，改造旁通烟道，将一厂现有5台锅炉全部合并，二厂的7台锅炉全部合并，三厂的6台锅炉全部合并，然后经冷凝式烟气节能器，提供大量的55℃以上的二次干净热水，可供生产和生活用水，如温度不够，则可以用锅炉热量换热补足。
换而言之，原有工厂如有低温水经换热器加热用于生产或生活，则这项节能措施，可以将低温水（假定10℃）升温至55℃以上，不足的生产或生活温升部分，则由原来的换热器补足（假定原有热水需求为65℃，则仅仅需要换热提升10℃）。因此，锅炉的用热负荷将大大降低，体现真正的系统节能。
由于经由一级节能器后，排烟温度均在100-140℃，该烟气中17%以上的部分是水蒸汽，由于烟气分压力由烟气和水蒸汽组成。查相关冷凝理论可知，只有在烟气温度接近60℃才可能全部冷凝。可以在全厂寻找需要低温加热供生产、生活的换热源，从而最大化利用烟气中的剩余能量。初略估算：
一厂配套的锅炉房：可回收潜在热能量为1475000Kwh；
二厂配套的锅炉房：可回收潜在热能量为1429000Kwh；
三厂配套的锅炉房：可回收潜在热能量为1694000Kwh；
如果现场具备将低温水加热供生产、生活应用的条件，假定10℃经冷凝式节能器升温至55℃以上，不足的生产或生活温升部分，则由原来的换热器补足（假定热水需求为65℃，则仅需换热提升10℃）。假定可以利用的比例分别为30%、50%、75%，则热力系统全年可节省：
按照30%的利用率：全厂回收1379400Kwh的热量，折合燃料节省15.5万Nm3，即节约627,750元燃料费用；
按照50%的利用率：全厂回收2299000Kwh的热量，折合燃料节省25.7万Nm3，即节约1,040,850元燃料费用；
按照75%的利用率：全厂回收3448500Kwh的热量，折合燃料节省38.5万Nm3，即节约1,559,250元燃料费用；
3.3投资造价及回收期
九台一级节能器设备造价约100万元整，施工改造工程成本约10万，合计110万。三个锅炉房的三套二级冷凝式节能器系统，包括设备、阀门、仪表及控制等约210万，施工改造成本约30万，合计240万。经核算，投资回收期在1.5-4年之间。
1100000÷(130950+364500)=1100000÷495450=2.22年；
2400000÷1559250=1.54年；
2400000÷1040850=2.3年；
2400000÷627750=3.82年；
4、管理节能方案
1.定时维护
没有一个好的维护系统, 燃烧器可能磨损或者无法调节。经历 2～3 后，可能使锅炉系统只能达到最初效率的20%～30%。建立锅炉维护计划时间表，可确保锅炉所有组件在高能效下运作，这可大量节能并减少空气污染物的排放。可能的节能量估计平均为 10%。
2.改进保温
一台保温良好的锅炉，即保温材料的性能好、保温厚度足够厚，其外壳的热损耗应低于 1%。一般锅炉表面的温度不得高于50度。
3.减少结垢
对锅炉管的结垢加以控制。水垢沉积时，会造成钙、镁、硅持续在锅炉热交换管壁累积。试验显示，锅炉污垢累积1 毫米会多消耗 2~5%燃料。此外，结垢会造成炉管无法使用。
4.关闭多余的热能传输线
蒸汽或热水的需求会随着时间而变化，利用率不足的话，会造成额外的热能损失。但检查多余的传输线，加以关闭，是减少传输线内热损失最有效的方法。
5.适当管道尺寸
设计管路输送系统时，一定要考虑蒸汽或热水的流速和压力降，这可避免管道选型过大。管道过大不仅攸关成本，也造成更多热能损失。相反，管道过小，容易腐蚀堵塞管道，压降增大。
6.检查是否有漏水漏气的管道和阀门
管道/阀门尤其是蒸汽疏水阀，如果3~5 年没有维护，有15〜30%会出现故障，造成蒸汽直接进入冷凝水回收系统。有定期保养计划的系统，会渗漏的疏水阀可能占不到 5%(U.S. DOE-OIT, 2013)。
5、结论
本文通过技术节能和管理节能两方面，提出了对奥特斯锅炉系统进行节能改造的方案。根据该厂对锅炉的使用频率和供热要求，通过增加一级节能器，能有效降低排烟温度，提供锅炉效率4~5%；通过增加二级烟气冷凝式节能器，使烟气在通道内通过传热面，只有壁面温度达到露点温度，就会有水蒸气凝结，可以将烟气中大量的能量加以回收，提高整体热回收及蒸汽系统的效率高达 10%以上。热凝结水可以转回锅炉以达到节能的目的，冷凝水也可作为热水供应，从而达到节能环保的效果。
参考文献
[1]燃油燃气锅炉房设计手册-第二版.
[2]U.S. DOE-OIT: Unit State Department of Energy - Office of Industrial Technology.
[3]U.S. DOE-IAC: Unit State Department of Energy - Industrial Assessment Center.
论文作者:杜娟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/13
标签：锅炉论文; 烟气论文; 节能器论文; 节能论文; 效率论文; 燃料论文; 温度论文; 《基层建设》2018年第17期论文;