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摘要：在集中供热系统中，燃气锅炉的应用范围非常广泛。当前，在使用燃气供热锅炉的过程中，还存在烟气排放温度过高的情况，因此需要有效降低烟气排放温度，并对烟气余热进行回收，这可以有效提高燃气供热锅炉的供热效率，并积极发挥其良好的节能作用。通常情况下，燃气供热锅炉在运行过程中需要安装烟气余热回收装置，但是该装置容易受供热系统回水温度高温限制，导致烟气余热回收装置在对烟气中大量潜热进行回收的过程中，还存在烟气余热回收效率低下的问题。为了有效提高燃气供热锅炉烟气余热回收效率，本文重点研究水源热泵在燃气供热锅炉烟气余热回收中的应用。
关键词：水源热泵；燃气供热锅炉；烟气余热回收
引言：燃气供热锅炉的排烟热损失，直接对锅炉的运行效率产生影响。燃气供热锅炉在运行的过程中，在烟气温度每下降20℃的情况下，燃气供热锅炉的运行效率会相应提高，效率值在1%左右。因为锅炉排烟中会含有大量水汽，这些水蒸气在蒸发的过程中会发生冷凝结反应，进而产生大量白色的“烟”，这些“烟”在进入到大气层之后会造成大气层污染。这就进一步表明在燃气供热锅炉运行过程中，烟气排放虽然较为清洁，但是仍然无法避免热量损失和污染的问题，这也是导致城市雾霾现象频发的主要原因，所以实现对燃气供热锅炉烟气的处理是很有必要的。
一、系统原理
在城镇建筑中，供暖的方式主要包括了市政热力集中供暖、锅炉房集中供暖、分户供暖等方式，其中燃气锅炉房集中供暖是北京地区常用的一种供暖方式。通常情况下，燃气供热锅炉的排烟温度较高，可以达到130℃~250℃左右。烟气余热回收的目的是为了降低燃气供热锅炉排烟温度，同时也是为了在燃气供热锅炉运行过程中起到节能减排的效果。烟气余热回收通常可以分为显热回收和潜热回收。比如将排烟温度控制在烟气露点温度以下，也就是55℃以下，采用冷凝的方式对烟气潜热进行回收，可以提高燃气供热锅炉的供热效率，效率值高达7%~9%左右，因此具有很高的应用价值。燃气供热锅炉烟气余热回收的方法多样，如水源热泵回收、烟气冷凝热回收等，这些方法都需要将相应的装置设置在燃气供热锅炉的尾部烟道处，形成一种相对独立的燃气供热锅炉系统，同时还有利于对相关运行参数进行调节，可以有效避免供热系统回水参数对燃气供热锅炉供热效率造成影响。燃气供热锅炉的运行效率与锅炉排烟温度有密切的联系。如下图1所示，为燃气供热锅炉效率与排烟温度的关系曲线。
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图1中a为烟气露点温度，通过对图1进行分析我们可以发现，烟气的露点温度存在差异。在过量空气系数为1.1的时候，烟气露点温度在55℃左右。当排烟温度降低20℃的时候，燃气供热锅炉的运行效率会提升1%左右。如果排烟温度低于露点温度，使得燃气供热锅炉的运行效率得到大幅提升，最大效率提升值超过110%。通常情况下，普通燃气供热锅炉的排烟温度在110℃~150℃区间内，在安装了烟气余热回收装置以后，可以有效降低烟气排放温度40℃~90℃左右，同时会提高大概95%的燃气供热锅炉运行效率。水源热泵在燃气供热锅炉烟气余热回收中，主要是利用双级烟气余热回收的方法，在燃气供热锅炉尾部烟道部位安装两级烟气余热回收装置。其中，一级烟气余热回收装置与普通烟气余热回收系统基本一致，主要是通过供热系统二次网回收达到降低排烟温度的效果，在这个阶段，回收烟气显热。二级烟气余热回收系统的冷媒是自来水，属于二次排烟降温的一种方式，主要针对排烟过程中存在的烟气潜热进行处理。在自来水升温后，其主要作为水源热泵的低温热源，随后需要进入到系统的蒸发器中并持续放热，随后二次网回水会进入到热泵冷凝器中进行持续吸热处理，在二次网回水升温后会被传输到二次网中。一级烟气余热回收装置与水源热泵都需要和供热系统板式换热器同时运行。通过研究表明当自来温度升高的时候，排烟温度会相应得到下降。比如当自来水温度升高10℃，则排烟温度会下降60℃左右，同时系统的二次网回水温度会升高10℃左右。
二、工程案例与节能分析
（一）工程情况
本文以北京市A小区某锅炉房为例，重点对水源热泵在燃气供热锅炉烟气余热回收中的应用进行探究。该锅炉房中共设有三台7MW燃气供热锅炉，供暖面积超过10万m2，在A小区建成之后，三台燃气供热锅炉的总供暖面积在30万m2左右。在A小区内部，部分楼栋长期处于低温运行的状态，所以通常由1台锅炉进行运行，就可以满足小区的基本供暖需求。A小区锅炉房内燃气供热锅炉的排烟温度在90℃左右，在锅炉尾部排烟管道位置安装了一级烟气余热回收装置之后，有效降低了40℃左右的排烟温度。在进行研究之前，我们对A小区锅炉房进行了现场勘查，同时对物业人员进行了面对面调查，初步了解到了锅炉房的运行情况。通过调查发现，该锅炉房内富余电容量大概在30KW左右[1]。而为了避免在电力增容的情况下导致投资难度和项目实施难度增加，本文主要结合A小区锅炉房富余电容量合理选择水源热泵机组，水源热泵机组的具体参数如下图2所示。
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在该项目中，选用YR-7.0型号的装置，额定烟气余热回收量在450KW左右；同时在燃气供热锅炉的总烟道位置设置二级烟气余热回收装置，选用YR-2.1的装置型号，额定烟气余热回收量在136KW左右。
（二）系统控制方式
本项目所设置的水源热泵机组，主要将机组负荷调节分成三挡，分别将负荷率控制在30%、60%、100%。控制方式主要以控制蒸发器的出水温度为基准，同时需要综合考虑控制冷凝器的出水温度。比如在蒸发器出水温度较低的情况下，水源热泵机组应当适量减载，反之如果蒸发器出水温度过高，，则需适量对水源热泵机组进行加载处理。实际上系统运行情况和燃气供热锅炉的负荷变化有非常密切的联系，主要是因为在燃气供热锅炉负荷出现变化的情况下，会对二级烟气余热回收装置的热量回收造成影响。在燃气供热锅炉负荷较小的情况下，二级烟气余热回收装置的回售热量会比蒸发器吸收的热量更低，同时在蒸发器出水温度逐渐降低的过程中，比如在降低到设定温度的情况下，热泵会减载，在这样的情况下二级烟气余热回收装置的热量就明显比热泵蒸发器吸收的热量更高，温度在升高到热泵的正常运动状态的时候，需要对冷凝器的出水温度进行判断，比如在冷凝器出水温度比设定值更低的情况下，热泵会加载，进而会导致蒸发器的出水温度降低，所以可以通过反复操作的方式达到烟气余热回收的效果[2]。而在二级烟气余热回收装置回收温度与蒸发器吸收的热量相等的情况下，蒸发器进出水温度会持续处于一个相对稳定的状态。
三、经济和环境效益分析
（一）经济效益分析
通过对上述案例进行分析我们发现，基于水源热泵的燃气供热锅炉烟气余热回收的方式，在烟气经过一级烟气余热回收装置的时候，温度有非常明显的下降，下降幅度在50℃左右；而利用二级烟气余热回收装置进行处理的谷草中，温度也会得到相应的下降，大概在5℃左右。根据节能量在10%、单位面积供暖耗气量取佛山地区区域集中供暖约束至9.0m3/（m2·a），那么节气量大概在0.9m3/（m2·a）。按照2.36元/m2的价格来算，则可以有效降低2.1元/（m2·a）左右的支出。这种新的烟气余热处理系统的投资回收期，主要会受热泵机组市场价格、燃气价格、电价等因素的影响[3]。同时，水源热泵机组价格还会受蒸发器侧水温度的影响。一般情况下，传统的水源机组蒸发器测水温在10℃到25℃的区间内。在对水温有升高要求的情况下，会加大对机组投入，所以会进一步延长投资回收周期。在项目具体实施的过程中，需要充分考虑燃气价格升高、电价降低等各类价格因素，确保长期将系统投资回收期控制在指定范围内。
（二）环境效益分析
水源热泵应用的燃气供热锅炉烟气余热回收的过程中，可以节省大概10%左右的燃气，以供暖耗气量50亿立方米为例，能够节省大概5亿立方米左右的燃气，同时还可以减少二氧化碳排放量，相应范围内排放量大概在33.3万吨左左右。比如每燃烧1m3,大概会产生1.6kg左右的水分，这就表明在燃气供热锅炉持续运行的过程中，每消耗25亿立方米燃气，就会向大气排放大概400万吨左右的水蒸气。在燃气供热锅炉运行的过程中，如果排烟温度有效降低了30℃，这就表明排烟过程张红水蒸气回收率已经超过了80%，也就是说每400万吨水蒸气，就可以回收超过320吨水蒸气，这对于降低大气污染、缓解雾霾现象有良好的效果[4]。
四、存在的问题和解决方法
（一）问题分析
本文在对水源热泵燃气供热锅炉烟气余热回收系统进行分析的过程中，发现该系统有很强的实用性，在实际应用过程中有较强的环保作用，在满足城市基本供暖需求的情况下，还可以降低对大气环境的污染，不过在实际应用过程中仍然存在一些亟需解决的问题：（1）电价峰值运行的时候，该系统经济性不强，会进一步延长回收周期；（2）一般小区锅炉房的富余电容量有限，同时针对燃气锅炉房的电力增容投资对资金需求较大，结合锅炉房现有富余电容量来选择水源热泵，无法充分将该系统的烟气余热回收的优势发挥出来，所以本文在研究的过程中发现，在应用了水源热泵之后，烟气温度通常只能够下降到40℃左右。（3）在设计该系统的过程中，如果选择普通中低温水源热泵，对蒸发器和冷凝器的出水温度有严格的要求，一般蒸发器的出水温度需要控制在25℃以下，而冷凝器的出水温度需要严格控制在55℃左右[5]。
（二）解决方法
显而易见，水源热泵在燃气供热锅炉烟气余热回收中还存在一些亟需解决的问题，因此我们可以采用以下几点措施：（1）实现对热泵的分时控制，确保在用电峰值阶段，热泵可以自动停止运行；（2）为了解决后期扩充锅炉房电容量和在锅炉房富余电容量过小导致热泵选型过小的问题，在设计燃气供热锅炉房的过程中，需要考虑到后续可能会使用水源热泵，因此需要提前设计充足的电容量；（3）对控制算法进行进一步优化，重点在用电峰值的时候热泵自动停止运行，在谷段使用低温水提前置换或冲洗蒸发器内部的高温水，随后再启动热泵，使热泵进行正常运行的状态。也可以使用对蒸发器侧水温要求较高的热泵机组，不过需要充分考虑热泵机组的价格问题，在采用该方法的情况下可能会延长投资周期。
结语：水源热泵在燃气供热锅炉烟气余热回收中的应用，能够有效提高燃料的燃烧效率，效率值大概在10%左右。所设置的一级烟气余热回收装置，主要是对烟气的显热进行回收，装置通常设置在锅炉尾部的烟道部位，这样可以有效提高燃气的燃烧效率；而设置的二级烟气余热回收装置，主要针对烟气的潜热进行回收，能够将燃料的燃烧效率提高到5%以上。该技术不仅有效促进了燃气供热锅炉运行过程中燃料利用效率提升，还可以有效减少水蒸气的排放量，能够降低锅炉运行过程中对大气环境的影响，是一项值得深入研究的技术。
参考文献：
[1]李清,赵耀宗,高峻,王逊.燃气锅炉烟气余热回收方案比选[J].煤气与热力,2019,39(11):17-20+42.
[2]孙志勇.烟气余热回收技术在燃气供热锅炉中的应用[J].中国战略新兴产业,2018,{4}(20):151.
[3]张迪,丁琦,魏巍,王雨,穆连波.水源热泵在燃气供热锅炉烟气余热回收中的应用[J].暖通空调,2018,48(04):57-60+70.
[4]纪迎迎. 燃气锅炉烟气冷凝余热回收与净化模拟研究[D].北京建筑大学,2017.
[5]陈改辉. 基于燃—蒸联合循环电厂烟气余热回收的供热系统集成研究[D].燕山大学,2017.