燃气型常压冷凝热水锅炉在供暖系统中的应用

大连大学学报

Vol.40 No.3

JOURNAL OF DALIAN UNIVERSITYJun. 2019燃气型常压冷凝热水锅炉在供暖系统中的应用

郭 明

（大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622）

摘　要：为切实改善空气质量，本文论述燃气型常压冷凝热水锅炉在“煤改气”热源改造项目中的设计和应用，重点介绍了燃气型冷凝热水锅炉的特点：低氮排放，满足环保要求，另外随着排烟温度和锅炉回水温度的降低，热效率提高。介绍了燃气型锅炉房的选址、锅炉房烟囱的选择、燃气型常压热水锅炉的系统配置、天然气气源的配置方案等几方面的内容。实践证明燃气型常压冷凝热水锅炉做为改造的热源，都取得了成功，供暖效果好，节能环保明显。

关键词：燃气型常压冷凝热水锅炉；泄爆口；全预混燃烧；分布式热源；天然气气源站；CNG；LNG；撬车中图分类号：TU832　　　　文献标识码：A　　　　文章编号：1008-2395(2019)03-0037-05收稿日期：2019-04-28

作者简介：郭明(1963-)，女，高级工程师，研究方向：供热、供燃气、通风及空调。

0 引言

近几年来，我国北方特别是京津冀地区冬季大气污染形势严峻，以可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出，伤害人民群众身体健康，影响社会和谐稳定。同时，随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，大气污染防治压力继续加大。

为切实改善空气质量，国务院在2013年提出了《大气污染防治行动计划》。总体目标是经过五年努力，全国空气质量总体改善，重污染天气较大幅度减少；京津冀、长三角、珠三角等区域空气质量明显好转。力争再用五年或更长时间，逐步消除重污染天气，全国空气质量明显改善[1]。

自2013年以来，我国北方地区加快推进供暖和生产用热源的“煤改气”、“煤改电”工程建设，到2017年，基本完成燃煤锅炉、工业窑炉、自备燃煤电站的天然气替代改造任务，稳妥推进“煤改气”“煤改电”。2018年中央又提出坚持宜电则电、宜气则气的指导方针，[1]以供定改，先立后破。加快清洁能源替代利用，鼓励发展天然气分布式能源等高效利用项目，推进天然气价格形成机制改革，

理顺天然气与可替代能源的比价关系。

1 燃气型冷凝热水锅炉的介绍及在市场上的

应用

随着清洁能源使用的持续增长，热源改造项目这几年在北方地区井喷式的增多，出现了大量的热源改造项目，这些热源改造工程中，“煤改气”几乎占有一半的市场。燃气型热水或蒸汽锅炉是“煤改气”项目的主要设备，随着这几年“煤改气”市政的持续升温和国家的环保政策的要求和扶持，众多有实力的燃气型锅炉制造厂家都取得了很好的销售业绩，全年的生产订单十分饱和，公司都顺势发展壮大。许多燃煤锅炉制造厂家及时转型、转产，有相当一部分燃煤锅炉的制造企业转型失败，没有跟上形势的变化而被淘汰。

燃气型冷凝热水锅炉这几年在市场上的所占的市场份额持续增长，目前市场上的冷凝热水锅炉按锅炉本体是否承压可分为：常压式冷凝热水锅炉和承压式冷凝热水锅炉两类，其中常压冷凝热水锅炉的承压一般为0.09 MPa，承压式冷凝热水锅炉的承压能力常见的为1.0 MPa。若按照冷凝热水锅炉的换热体的材质可分为：铸铝类和不锈钢类两大种

38

大连大类。铸铝类的冷凝热水锅炉在冷凝锅炉的市场占很大的比重，全国这类制造厂家很多；而不锈钢材质的冷凝热水锅炉还可细分为304不锈钢材质和316 L不锈钢材质两种，目前市场上这类不锈钢材质的冷凝热水锅炉较少，不超过10个品牌，且多为进口品牌或中外合资品牌。

目前市场上使用的冷凝式热水锅炉的燃烧器工作原理基本相同，都为全预混式低氮燃烧方式，采用全预混金属纤维燃烧器(见图1)。一般都采用天然气和空气前预混，即二者在进入燃烧器前需通过文丘里管，由文丘里管将空气和天然气按照最优于充分燃烧的比例来混合，混合后的空气和天然气再进入燃烧器充分的燃烧。由于采用了全预混表面燃烧技术，炉膛内的温度一般在800℃左右，这个温度不利于NOx的合成，可达到低氮排放的目的，烟气中NOx的排放浓度一般低于16～27 mg/Nm3，满足环保要求，为目前的市场所接受推广。普通的燃气型热水或蒸汽锅炉由于没有采用全预混燃烧技术，炉膛的温度可达到1500℃左右，这个温度正是产生NOx最合适的温度，所有普通的燃气型锅炉的烟气中的NOx的排放浓度一般在150～200 mg/Nm3左右，随着各地环保部门对锅炉排放烟气中的NOx的浓度值要求逐年提高，普通的燃气锅炉也很难在市场上生存。

图1 全预混金属纤维燃烧器(贝卡尔特，荷兰)

这种全预混型的燃烧器由于采用了金属纤维材质，纤维之间是很小的网孔状，这就要求天然气和空气有一定的洁净度，避免因积尘堵塞网孔而降低锅炉的燃烧效率，也容易出现燃烧器积碳的现象。京津冀地区最初应用这种冷凝热水锅炉时出现过这种现象，后来都在每台锅炉的空气入口处加装空气过滤器、清洗燃气器来解决。

学学报第40卷

燃气型冷凝热水锅炉的另一个特点是热效率高，而且随着排烟温度的降低，热效率也是逐步升高见（图2)，随着锅炉回水温度的降低，热效率逐步升高(见图3)，目前几乎所有的冷凝热水锅炉的品牌都声称热效率可达到108%，回水温度50℃时，热效率一般在98%。其实效率的高低有很多影响因素影响，如天然气的热值、室外的气温、末端用户的入住率、保温情况、锅炉进出水设定温度等等，锅炉的运行是一个系统，不是独立的单体。另外冷凝锅炉的热效率达到108%也是对效率计算方式的理解不同。

图2 冷凝热水锅炉的排烟温度和锅炉效率的曲线图

图3 冷凝热水锅炉的回水温度和锅炉效率的对应曲线图

冷凝热水锅炉的炉体设计与构造就体现了节能的理念，能源的利用更充分。市场上常见的冷凝热

水锅炉的炉体一般由一级换热体和二级换热体组成，烟气和水逆向流动。由于采用了全预混表面燃烧技术，降低了空气的需求量，提高了烟气的露点，使得烟气尽早进入冷凝阶段，冷凝放热。烟气在一级换热体内生产并和水换热，再经过二级换热体时和锅炉的回水继续换热后排出室外，这样，经过二级换热体被充分换热后的烟气，释放出烟气中的潜热，烟气凝结出大量的凝结水，此时烟气的温度一

第3期

郭 明：燃气型常压冷凝热水锅炉在供暖系统中的应用

39

般在50～60℃，一般可采用PVC管作为烟囱，或采用不锈钢烟囱排烟，这也是冷凝热水锅炉节能高效的原因。而普通燃气型热水锅炉的排烟温度在150℃左右，排烟温度高，烟气带走了大量的热量。冷凝锅炉的回水在二级换热体内吸收烟气的热量被加热后，再进入到一级换热体内继续被加热，常压冷凝锅炉的出水温度最高在90℃，一般设定冷凝锅炉的出水温度在80～85℃之间。

目前市场上有在普通的燃气型热水锅炉的排烟管道上配置一个节能器的锅炉应用形式，锅炉和节能器打包销售，有时也把这种锅炉称为冷凝式锅炉，其实这是一种“假的”冷凝锅炉，由于没有采用全预混的燃烧方式，且没有二级换热体换热、回收热量，只是通过在烟管上配置一个节能器的方式回收的热量，需配置节能器循环泵，系统复杂，回收热量少，效率一般在94%左右。

根据目前全预混燃烧器的发展水平，市场上流行的燃气型冷凝热水锅炉的最大单体的额定制热量为1050 Kw，常见的有180 Kw、293 Kw、350 Kw、439 Kw、586 Kw、700 Kw这几种小的规格序列。为迎合客户需求，有些制造厂家将两台额定制热量为1050 Kw的冷凝锅炉拼装组合在一个箱体内，这样额定制热量就是2100 Kw的冷凝热水锅炉，以此类推，两台700 Kw的单体锅炉可组合成1400 Kw的冷凝热水锅炉，其实就是两台冷凝热水锅炉的简单组合而已，内部的燃气器也是两个。

2 燃气型冷凝热水锅炉房的系统设计

这几年随着清洁能源推广使用，北方地区出现了大量的“煤改气”类热源改造项目，对于这一类的热源改造总的原则是：采用分布式热源，让热源跟着负荷走。取消传统的集中大型热源的长距离输送方式，改为热源就近供应，加大燃气管道的输送距离，这样可以减少热量在长距离输送过程中的损失，节能、省电。

对于改建或新建的采用天燃气锅炉作为热源的项目，燃气锅炉房的位置选择就是一个很关键的问题。根据《锅炉房设计规范》（GB50041-2008）第4.1.3条的规定：“当锅炉房和其他建筑物相连或设置在

其内部时，严禁设置在人员密集场所和重要部分的上一层、下一层、贴邻位置以及主要通道、疏散口的两旁，并应设置在首层或地下一层靠建筑物外墙部位”[2]。在热源改造时应该因地制宜，积极和当地的消防部门、安监部门、环评部门和锅检所沟通，选定燃气型锅炉房的位置。笔者这几年所参与研究的众多“煤改气”类的热源改造项目，一般在地上一层新建一个轻钢结构的彩板房作为锅炉房，也有许多项目的燃气锅炉房设置在地下一层的车库内，顶板或侧墙设置泄爆口或泄爆井，锅炉间的上方要求为库房类的非人员密集场所。也有很多项目利用原来的燃煤锅炉房作为燃气锅炉房，此时需拆除旧的燃煤锅炉及其附属设备。对于仍保留燃煤锅炉的改造锅炉房，改造成燃气锅炉房后，消防部门要求用户保证燃煤锅炉房不再运行使用，因为燃煤锅炉和燃气锅炉不能在一个锅炉间内同时运行。

锅炉房烟囱的选择也很关键，可以直接决定锅炉房位置的选择是否合适。燃气型锅炉房的烟气温度低、排烟量小，且不含粉尘、二氧化碳、二氧化硫等燃煤锅炉烟气的成分，燃气型冷凝热锅炉的烟气的主要成分是水气和NOx，基本上是白色的烟气。上述原因造成燃气型锅炉的烟囱一般不用配置太高，具体的高度需要根据锅炉房所处的环境，由业主委托当地的环评部门做环评后确定。规范要求烟囱的高度比周围200 m范围内的最高建筑物高2～3 m，但在实际项目操作中，燃气型锅炉的烟囱高度一般都为十几米高，对于大吨位的锅炉房其烟囱一般在24 m的高度左右，不同的项目情况不同，以环评报告的结果为准。笔者这几年所参与研究的燃气锅炉房工程，其烟囱大部分都设置成自立式烟囱，自立式烟囱的基础需和结构专业配合，充分考虑烟囱的重量和风荷载的影响。对于普通的非冷凝的燃气型锅炉，烟囱的材质为碳钢即可，对于冷凝类的燃气锅炉由于烟气的凝结水为弱酸性，腐蚀性强，烟囱应采用不锈钢材质。

目前市场上使用的燃气型冷凝热水锅炉大部分都为常压式，且由于燃气型冷凝热水锅炉单台的制热量小，对于供暖负荷较大的项目，需配置的冷凝热水锅炉的台数较多。对于燃气型冷凝热水锅炉的系统设置一般都采用常压热水锅炉+板式换热器的

40

大连大形式，热源和末端采用间接连接的方式，一次侧热源部分采用膨胀水箱定压，二次侧采用补水泵变频定压的方式。由于冷凝锅炉的台数较多，一次侧的水系统干管需要设计为同程式，这样可以保证每台锅炉的水系统阻力平衡，每天锅炉出力均匀[3]。笔者这几年所参与研究处理过把一次侧的多台冷凝热水锅炉的水系统设计成异程式的情况，造成锅炉的出力不均，系统远端几台锅炉的热量带不出去，出现高温报警，自动停机的情况；但由于一次侧热源的出力不够，造成二次侧的供暖效果差，用户室内的供暖温度上不去。

正是由于冷凝热水锅炉的吨位小，配置的台数较多，锅炉本体自带的群控系统就显得十分重要。目前各生产厂家都研发出自己的群控系统，控制原理基本一致，一个群控系统可以控制8～12台锅炉，将任一台锅炉为主机，其它的锅炉设为辅机，主控锅炉可根据一次侧回水干管上的温度传感器的温度信号来控制锅炉的开启台数，控制运行着的锅炉的负荷率。另外，还可根据管路系统中气候补偿器提供的室外温度信号，根据室外温度自动调整锅炉的运行情况，节能运行。

由于天然气的价格较燃煤要高，为降低燃气型热水锅炉房的运行费用，节约能源，就要对供暖系统做精准的控制。燃气型热水锅炉房一般都需要配置一台弱电PLC控制系统，在一次侧的供、回水干管上设置温度传感器、压力传感器，在二次侧的高、中、低区供暖系统的供回水干管上分别设置温度、压力传感器，由PLC控制系统根据各采暖系统分区的回水温度信号来调整锅炉的运行情况，循环水泵的变频情况等，最大限度的节能。

对于供暖面积较小的项目，有些工程项目采用燃气型冷凝热水锅炉＋回水管快速启闭阀的系统，不采用板式换热器换热，常压冷凝热水锅炉直供末端供暖系统。对于这种采用快速启闭阀的供暖系统，除了对启闭阀的质量要求高且有保证外，系统热水循环泵的扬程要比闭式系统的高，不利于节能，不建议采用。

3 天然气气源的常用解决方案

随着清洁能源使用的持续增长，“煤改气”这

学学报第40卷

种热源改造方式占有很大的市场份额，这也造成天然气市场的同样火爆，2017冬季甚至出现了气源紧张、气价高的现象，2018年国家加强了天然气LNG的进口量，全国五大燃气集团也加紧储气，今冬的天然气供应十分稳定，气源充足，一段时间内还出现了LNG降价的情况。2018年中央提出了宜电则电、宜气则气的指导方针，以供定改，先立后破[4]。这就要求在采用“煤改气”这种热源改造方案时，要先了解清楚改造项目所在地的能源结构情况，是否有天然气气源供应，气量是否充足，天然气的价格如何，能否保供等影响因素。

对于有天然气供应的地区，若有管道气，则应优先选用管道气，不但能保障供应，而且管道气的价格便宜。若改造项目的附近没有管道气，气源站距离本项目较远，则可采用以下三种方式解决气源的供应问题。

第一种是采用瓶组(也称为杜瓦瓶)的方式供气，对于每天的用气量较小的项目，可考虑采用这种方式供气，每个瓶组可储存50 m³的NG（天然气），一般可根据用气量将10个杜瓦瓶组成一个较小的集装箱来运输天然气到，瓶组运抵现场后和锅炉的燃气管道连接即可使用。这样一个集装箱式的瓶组可一次性供应500 m³的天然气，项目现场可一次性多储存几个这样的箱式瓶组，减少运输的次数。

第二种方式是采用撬车的方式运输天然气，撬车运输的是CNG（压缩天然气），一般一个撬车一次可运行5000 m³的天然气，这种方式可解决较大用气量的项目供应。撬车抵达现场后，连接现场的减压装置减压后即可使用。

第三种供气方式是建设固定式的天然气气站，这种建站方式可解决天然气用量很大的项目。这种固定式气站一般储存LNG（即液化天然气），根据天然气的用量配置一定容积的储罐，满足用户一定天数内的天然气用量。LNG是将天然气压缩成液体后在-162℃的温度下保温储存，使用时需要对液体的LNG加热使其气化方可使用，固定式LNG气站都需配置加热气化装置，加热的方式各异，1吨的LNG气化后可提供1400 m³的天然气。

第3期

郭 明：燃气型常压冷凝热水锅炉在供暖系统中的应用

41

4 结语

近几年笔者参与了很多“煤改气”的热源改造项目，很多项目都采用燃气型常压冷凝热水锅炉做为改造的热源，都取得了成功，供暖效果好，节能明显。由于冷凝热水锅炉单体的体积小，可并排安装，十分节省空间，很适合改造类的项目。在目前要求节能、环保的大环境下，这种冷凝热水锅炉有很多的发展空间，应用前景广阔。

参考文献：

[1] 中国城镇供热协会. 供热相关政策汇编[M]. 2018: 1-23.[2] 中国机械工业联合会. 锅炉房设计规范GB50041-2008: 第

一版[S]. 北京, 中国计划出版社, 2008: 7-82.

[3] 住房和城乡建设部工程质量安全监管司, 中国建筑标准设

计研究院. 全国民用建筑工程设计技术措施－暖通空调•动力[M]. 北京：中国计划出版社, 2009: 185-238.[4] 刘兰斌, 付林, 肖常磊, 等. 天然气锅炉供暖系统若干常

见问题分析[J]. 暖通空调, 2008, 38(12): 129-133.

Application of Gas-type Atmospheric Pressure Condensing

Hot Water Boiler in Heating System

GUO Ming

(College of Civil and Architectural Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China)

Abstract: In order to effectively improve the air quality, this paper discusses the design and application of gas-type atmospheric pressure condensing hot water boiler in heat source reconstruction project of coal reforming into gas. This article mainly introduces the characteristics of the gas-type condensing hot water boiler: low nitrogen emission, meeting environmental protection requirements, and with the reduction of smoke discharge temperature and boiler return temperature, heating of efficiency is provided. There are several aspects such as the site selection of gas-type boiler house, the selection of chimney types, the system configuration of gas-type at morphemic pressure hot water boiler, and the configuration scheme of gas source and so on. It proves that gas-type condensing hot water boiler as the heat source of the transformation has been successful in good heating effect and the obvious energy saving and environmental protection.

Key words: gas-type atmospheric hot water boiler; venting port; full premixed combustion; distributed heat source; natural gas source station; CNG; LNG; brakes