大体量热水锅炉供热系统非供热季维护的研究和应用

摘 要：简要分析大体量热水供热系统非供热季的各种维护保养方式，比较其优缺点，并提出针对虹桥西区能源中心的维护保养建议。对采用湿保养法维护锅炉所进行的水质维护带来的非使用性能耗问题的解决方案，从多角度全方面的研究解决方案，进行可行性研究。最终提出大体量热水系统非供热季水质维护在今后设计阶段的一般性建议。

关键词：非供热季 太阳能辅助加热系统 设计创新

TK223

1 引言

腐蚀是供热锅炉安全运行的一大隐患,其危害性已被广泛认同。腐蚀不单单发生在锅炉运行中,在非供热季锅炉停运期间,如果不采取适当的保护措施,产生的腐蚀对锅炉所造成的危害往往要比运行中严重得多。因此对于非供热季采用湿保养法维护的锅炉其水质维护是有效降低腐蚀的重要环节，然而此举消费能源产生的热量不具备使用性，存在着一定程度的浪费。但目前国内的设计思路均较多的集中在锅炉运行期间的节能技术的创新和改进上，本文将降低非供热季锅炉维护必需的能源消耗作为研究内容，提出今后热水系统的设计建议。

2 维护方式的选择

锅炉维护是锅炉检修后不马上投入运行或停止运行后将锅炉作为备用炉的工艺。锅炉停炉期间（主要为非供热季）可采取较多方式进行维护保养，较为常用的有湿保养法和干保养法。

干保养法是在锅炉停用后将水放尽并保持金属表面干燥,或充填某种气体以防空气的侵入,从而达到停用保养的目的。此法在北方停炉时间较短、大气相对湿度较低、蒸汽锅炉的使用较为普遍的地区较为适用。对于上海等夏秋季节大气含湿量大的南方地区条件要求严格,操作工艺复杂,限制了使用。

根据相关文献的选择原则：蒸汽锅炉长期保养可选择干燥剂法、气相缓蚀剂法、碱液法、有机缓蚀阻垢剂法;热水锅炉及水循环系统保养可选择碱液法和有机缓蚀剂法,热水锅炉不宜采用干燥剂法。【1】热水锅炉系统较为适宜使用湿保养法，本例热水锅炉正是采用此种方式进行非供热季的维护工作。

湿保养法的原理是使锅内水中的氧与金属表面不起作用。锅内充满一定浓度的碱性溶液时，就会在金属表面上产生碱性水泡保护层，使金属不受腐蚀。【2】为避免炉内水侧水垢冷却后难以清除，影响传热效果从而降低运行期间的运行效率，因此在停炉保养期间必须对锅炉定期加热使其中热水维持在一定温度以上，对于本例使用的LOOS UT-M 50x 10型锅炉，供货商结合上海地区气象条件提供的湿保养温度下限为70℃。

然而，非供热季期间启用锅炉产热是保养过程的工艺需求，从能源利用角度不会给用户侧带来效用，而由此产生的能耗却不容忽视，根据首年非供热季统计数据，该笔费用高达7万多元。因此在满足锅炉维护工艺要求和产生非使用性能耗间存在矛盾。

3 工艺改进方式的提出

针对上述问题，可考虑对系统进行改造，改进维护工艺，从而解决这对矛盾。

2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的《中华人民共和国可再生能源法》第十七条： 国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。

太阳能作为一种清洁、高效新能源，具有环保、安全可靠、无噪声、运行费用极低、故障率低、维护简便等优点。基于国家政策和太阳能系统的优越性，设想可通过加装太阳能系统的方式对系统进行改造，由太阳能系统为非供热季维护工作提供热能，彻底停止锅炉运行，杜绝非使用性能耗的产生。同时，该套系统也能够在供热季根据天气情况选择性使用，进一步减少整年的运行费用。

4 改进方式的可行性研究

4.1 技术可行性

能源中心供热系统属二次换热系统，一次侧由锅炉系统、循环泵浦系统、补水定压系统、燃料供给系统和软水脱气等系统组成，提供供热所需的热水及其循环动力。在T2航站楼内共设置8所热力交换站房，二次侧管路与一次侧管路通过热力交换站房内的板式换热器换热实现能量传输。

加装太阳能系统仿照该设计，在锅炉房屋顶调节最佳位置设置一套集热器串并联使用，串并联组数相等、管路连接等乘的太阳能集热器系统。太阳能辅助加热系统水与原供热系统水不进行接触，采用板式换热器进行换热。采用这种换热方式的目的是将新装系统与原有系统水流进行阻隔，避免两系统水流相互干扰，即使两项系统同时运行亦不会影响各自水流量，确保了原有系统的运行安全。同时，也将杜绝供热系统内所加水质维护药剂对太阳能水系统内设备、设施因工作条件不同所可能带来的损害，防止太阳能水系统因此产生不必要的维护工作，保证系统的运行效率。系统改造原理图如图1：

图1 系统改造原理图

安装集热器时须事先预制水泥基础，再将集热器固定在基础上，确保系统安装水平。水泥基础通过减震垫置于屋顶表面，目的为不破坏屋顶防水层。水泥基础四周通过钢制支架固定于建筑女儿墙上，满足系统的防风要求。

集热系统于最高处设置不少于两处避雷装置，采用低阻扁铁与建筑本身避雷带连接，满足防雷要求。

4.2 经济可行性

投入使用首年的非供热季,能源中心采用湿保养法进行维护保养,并根据供货商提供的保养操作手册定期为锅炉系统内热水进行加热,维持水温在70℃上。该项工作在整个首年非供热季的能耗情况如表1(忽略系统循环的泵浦能耗):

由于首年系统的整体调试并未结束，系统运行及非供热季保养并不具有代表性。因此运行次年，在调试工作已基本完成，系统能够较符合设计理念进行运行时，对非供热季的运行规律进行了分析，得出系统在没有加热情况下的温降规律。能源中心非供热保养须加热水体量60m3，温升20℃的实际保养情况，可以得出单次加热产生能量及天然气耗量。

Q加热=4.2×103×60000×20=5.04×109J=5.04×106kJ

Q燃料= Q加热÷93%=5.42×106kJ

V天然气=Q燃料÷（3.5×104）=155m3

其中4.2×103J/（Kg·K）为水的定容比热；

93%为锅炉燃烧效率；

3.5×104J/ Nm3为天然气单位热值。

温降规律结合单次维护耗气量可得天然气月耗量，温降规律及其规律下的天然气耗量如表2群：

温降时间54h，月加热次数14，天然气耗量2170m3

综合运行次年（2011年）气象条件，对比10年来上海平均气象条件，如数据表3及折线图2：

表3

平均气温（℃）

月份

可知运行次年（2011年）气象数据与上海地区历年平均气象相符，数据可靠有效。且九月、十月、十一月气象条件与六月、五月、四月气象条件相似，耗气量也应相差不大，表1也证明了该论断。因此可得正常年份非供热季各月天然气耗量及运行费用。

根据表4数据，安装太阳能辅助加热系统每年可在非供热季减少24025m3的天然气耗量，完全依靠太阳能系统的零成本运行优势完成维护任务，整个非供热季可节省运行费用高达8.2万元。

此外，该套系统针对能源中心之类的大型能源站房亦可在供热季进行使用，按照可编制程序在集热系统加热至一定温度后（视系统回水温度决定）开启太阳能系统与供热系统回水管路换热设备进行换热，提高系统一次侧回水温度，降低锅炉负荷，达到供热季的节能降耗目标。

以能源中心为例，供热季太阳能平均使用天数为20天，安装面积为600m2太阳能集热器冬季加热60m3的热水将其温度从55℃提升至65℃的能力为每日2.5次。(即集热系统有日提升150m3水10℃的能力)即整个供热季可辅助提供热量1.26×108kJ，可节省天然气3875m3，折合人民币1.4元。

综合非供热季和供热季节能效果，全年共可节省运行费用9.6万元。

经市场调研，600m2集热面积规模的太阳能辅助加热系统的构建安装费用约为95万元，若在能源中心建设初期即安装该套系统可节省大约10万元的改造安装费用，即初期投资费用为80万元，并根据近年来发改委对天然气价格的调控情况，以平均每年价格增长10%计算，预计项目投资回报期为6.4年。太阳能使用寿命为20年，即从第7年开始即可实现零成本运行。

4.3 社会效益可行性

太阳热水系统的社会效益体现在因节省常规能源而减少污染物的排放，主要指标为二氧化碳的减排量。将系统寿命的节能量折算成标准煤，然后将标准煤中碳的含量折算成二氧化碳，即为太阳能热水系统二氧化碳的减排量。

根据公式

其中QCO2——系统寿命内二氧化碳减排量，吨;

Qsave——太阳能热水系统年节能量, kJ

W —— 标准煤热值，29308kJ/kg;

n —— 太阳能设备使用寿命;

Eff —— 标准煤热效率，取0.85;

2.26 ——每kg标准煤燃烧产生2.66kgCO2。

使用寿命20年内共可产生1.82×1010kJ热量，减少二氧化碳排放量共计1937吨。

4 结语

综合上述分析，加装太阳系统改造系统的改进方案在技术层面不会对原系统水力结构产生任何影响，原有供热系统和太阳能系统均可独立运行，在如今换热器技术的支持下，使用效率亦无须担心；经济层面，太阳能系统的加装每年可为能源中心节约9.6万元的运行费用，效用可观；社会效益层面，在整个太阳能系统的使用年限内，共可减少能源中心1937吨的二氧化碳排放量，环境保护效果明显。因此，在原有供热系统基础上加装太阳能系统方案切实可行。

5 设计创新及建议

锅炉的维护保养形式多种多样，针对热水锅炉的停炉保养，特别是非供热季阳光充足地区，在今后的供热系统设计阶段根据本文研究陈国即可有意识的将非供热季节能运行也作为系统的设计要求之一，加装太阳能热水系统。太阳能系统维护、运行成本均远远低于锅炉运行成本，且节约能源，减少二氧化碳排量，与当下我国乃至全球节能环保的大环境要求相得益彰。另外，太阳能系统辅助加热可实现管路内水温的平稳上升且不至温度过高，对系统管网的运行安全也有着不容忽视的益处。

参考文献

[1] 郑小静,王大坡.《供热锅炉停用时的保养》.暖通空调HV&AC 2010年第40卷第2期.

[2] 朱传标.工业锅炉技术基础[M].上海：远东出版社，1996.

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