燃气锅炉设备系统及运行：商用供暖供热水实例
本文结合济南市某工程实例，对燃气锅炉供暖和供生活热水系统做一定阐述。本工程为某既有建筑改造项目，建筑位于XX路商业街核心地带，地上17层，地下一层，为一类公建。地上部分为商店、办公、客房、餐饮、办公，采暖面积约40000m2，其中有客房300间，设备间位于半地下一层，有可开启外窗，生活热水和中央用调风机盘管冬季用热水自设备间引出。
结合项目周边的市政条件，经过多方面论证和比较以及和建设方的沟通，最后选用变频离心式制冷机组加风机盘管末端的空调冷暖方式，冬季空调热水由设备间燃气锅炉提供，生活热水由设备间燃气热水器提供。燃气锅炉和燃气热水器设置在半地下一层设备间内。本工程为作者2012年初设计，2013年底竣工，截至目前已投入运行5年。根据建设方物业部门的反馈，空调及生活热水系统运行良好，相比原有空调和热水系统，节能效果明显。
1 燃气锅炉加风机盘管末端供暖系统
燃气锅炉采暖与市政供暖相比，灵活可控，可根据用户需求灵活控制。适用于高档酒店客房及对采暖有较高要求的高档场所。可以无人值守，远程控制。
燃气锅炉热效率高，燃气锅炉所有的水道为铜或者青铜制作，铜的换热系数是铸铁的6~7倍，采用铜翅片管热交换器——最佳的热能传输，所有整体翅片式铜热交换器可进行最大的传热。自折流式可促进大的传热量。
燃气锅炉控制温度精确，可以自动平衡各模块运行时间，根据目标供水温度控制锅炉的启停组合，控制系统可以自动故障识别，精确到1℃的温度设定，可选远程控制面板，多级控制；可根据需求热负荷自动匹配燃气输入及输出热量，最大限度节省能源。燃气锅炉体积小巧，安装灵活，节省机房占地面积，安装便利，适应性强。
节能环保，燃气锅炉采用天然为为燃料，燃烧充分，可预混燃烧，可以保证良好的燃烧工况，燃烧烟气少，排烟温度低。热效率高。有助于减少氮氧化物的排放。图1为锅炉采暖原理图。
图1 锅炉采暖原理图
2 燃气锅炉生活热水直供系统
传统的锅炉热水系统一般由锅炉、一次侧循环水泵、软化水装置、板式换热器、二次侧循环水泵、热水储热水箱以及变频供水泵等七个主要设备组成。热水由锅炉产生到输送到用水点环节多、热损失大、占地面积多、维修故障点多，用户在支付燃气费用的同时还需支付水泵电费。
商用燃气锅炉热水直供系统可以节省运行费用及初投资。由于容积式热水炉自带内胆，贮热量基本满足规范要求，无需配置储热水箱，因此可省去热水箱及热水炉与热水箱间的循环水泵等附件，节省了初投资。同时，由于简化的热水系统可免去相应的热损耗，提高了系统的热效率，节省了运行费用。
商用容积式燃气热水炉单台容积校小于500L，功率小于99kW，符合《小型和常压热水锅炉安全技术监察规定》中“额定热功率小于100kW；最大水容积不超过500L”不属于锅炉的规定，无需独立建造锅炉房，无需专人值守。
采用多台商用容积式燃气热水炉并联的供水系统，热水压力来自冷水给水压力，无需额外变频供水泵，无需额外设置储热水箱，无需换热装置及配套循环水泵。
2.3 燃气锅炉热水直供系统优势
（1）舒适，由于冷、热水压力均衡，混水阀混水时舒适便捷；对于酒店等建筑可实现末端10s内出热水；此外由于没有鼓风机、减少了三组水泵，整个系统静音运行，不会给周围环境带来噪音污染。
（2）卫生，传统储热水箱使用时内部存在众多滞水区，容易滋生细菌，如不及时定期清洗将有害健康，并且水箱容易遭到腐蚀对水质造成再次污染。
（3）节能，没有储热水箱散热损失、没有换热损失（板换随着水垢的积累换热损失增加）、减少水泵运行电费，热水直供系统为客户大大降低了系统损失，节省运行成本。
（4）占地面积小，直供系统设备间面积通常不足传统锅炉系统锅炉房面积的1/4。
（5）维护管理成本低、系统稳定性高，系统简洁、故障点少，直供系统几乎没有管理维护成本。
由于采用多台模块并联组合，一台设备故障时系统仍可正常运行；而传统锅炉系统中任何一个环节出现故障系统均无法运行。
图2 多台模块并联组合系统图
3 实际应用案例及负荷计算选型
3.1 工程概况
济南XX大厦（含XX酒店）位于济南市XX路商业区中心地带，工程由商店、办公、客房、餐饮、地下车库等部分组成，采暖面积约40000m2，其中有客房300间，设备间位于半地下一层，由设备间提供生活热水和中央用调风机盘管冬季用热水。
3.2 生活热水负荷计算及选型
根据《建筑给排水设计规范》（GB50015-2003）“热水用水定额”，酒店客房每床每日的热水用水定额取120L/d（60℃），小时变化系数为3.33。冷水计算温度20℃，则客房的热水负荷需求的计算为：
设计小时耗热量（热负荷）按下式计算：
式中：
Qh──热水设计小时耗热量（W）；
m──用水计算单位数（床位数），取600；
rq──客房每床每日的热水用水定额，酒店取120L/d；
C ──水的比热，C=4187(J/kg·℃)
rt ──热水温度（℃），60℃；
lt──冷水温度（℃），取20℃；
ρr──热水密度（kg/L），计算中取1；
Kh──小时变化系数3.33；
计算得酒店客房热水负荷为：
=464KW
酒店热水供应按高度采用高低区热水直供，共采用商用容积式燃气热水炉BTR-338，单台容积322L，单台功率99kW。图3为酒店燃气热水炉已竣工设备安装照片。
图3 酒店燃气热水炉已竣工设备安装
3.3 空调热水负荷计算及选型
参考《城市热力网设计规范》GBCJJ34-2002及《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003之规定：采暖热指标推荐值为60W/m2。
该值适用范围为我国东北、西北、华北。
则本案采暖所需的供暖总热负荷为：Q=60W/m2×40000m2=2400kW
设计选用4 台商用燃气热水炉，其单台输入功率为：657kW。
按天然气价格为：3.61元/m³，单台GB-2500耗气量为65m³/h。
根据《国家规范宾馆设计标准》计算用采暖期天数山东大部分区域每年冬季供暖天数为120 天，根据实际情况可以分为三个阶段：
11月15日~12月24日为第一阶段，此时气候特征是初冬季节，刚进入冬天，气温变化不大。
每天平均有效运行时间为10h（折算为2 台热水炉开启的时间）， 则该阶段每天耗气量为：65×2×10=1300m³/d
该阶段总耗气量为：1300×40=52000m³
12 月25 日~2月4 日为第二阶段，此时气候特征是气温变化快，温度是每年平均的最低点，为热消耗最大的季节。
每天平均有效运行时间为10 小时（折算为4 台同时开启的时间），则该阶段每天耗气量为：65×10×4=2600m³/d
该阶段总耗气量为：2600×40=104000m³
2月5日~3月15日是第三阶段，此时气候特征同第一阶段相似，严冬过后气温回升，夜间温度在0℃左右，特别进入2月底，白天温度大都在10℃左右，是热消耗最小的时候。
每天平均有效运行时间为10h（折算为2台热水炉开启的时间）， 则该阶段每天耗气量为：65×2×10=1300m³/d
该阶段总耗气量为：1300×40=52000m³
三个阶段耗气量为：
52000+104000+52000=208000m³
以当地天然气收费标准3.61元/m³
则一个标准采暖燃气费用在该项目的体现为：
208000方×3.61元/m³=750880元
折算到每采暖季每平方米的燃气费用为：
750880 元÷40000m2=18.78元/m³
该方案不需要专人看守，不需要专门的人工费，满足20℃±2℃的要求。
系统实际运营近5年，经建设方反馈，实际每个采暖季采暖成本约21元/m2。
下图为已竣工设备安装照片
图4 已竣工设备安装照片
生活热水采用直供系统使得热水系统得到简化，在提高了舒适、卫生、安全性的同时减少了系统热量损失环节，并节省燃气、电力消耗，直供系统管理维护简单运行稳定，直供系统在高层建筑的应用使热水供应系统变得更加简洁、高效。
采暖系统运行可靠，污染少，噪音低，可无人值守；采暖季可根据室外温度自动调节进出水水温，还可启停相应模块，节能效果明显。
4 腐蚀现象及特征分析
4.1 水质对锅炉腐蚀的影响
锅炉的用水指标直接关系着锅炉的寿命及运行效率，依照锅炉安全监察规定，热水锅炉的水质标准应符合表1规定。
杂质含量(主要是硬度)较大的给水进入锅炉后，不断蒸发浓缩，达到过饱和程度时，在锅炉内侧的金属表面形成水垢，通过对不同锅炉的水垢取样分析，发现中原地区水垢的主要化学成分为碳酸盐(以CaCO3为主)，含量占50%以上，呈微黄色，质地坚硬致密，遇盐酸大部分可以被溶解生成CO2气体，结垢现象常导致传热效率下降，受热不均，局部区域产生缝隙腐蚀(见图1)，缝宽为0.025mm~0.100mm，在腐蚀过程中，由于缝隙达到了滞流程度，缝内的氧得不到及时补充，从而形成氧浓差电池。缝内为阴极，在电位推动下Fe被氧化溶解，腐蚀产物进一步堵塞缝口，从而形成闭塞电池(见图2)且内部呈酸性，腐蚀进一步加剧。
4.2温度对锅炉腐蚀的影响
北方常用的卧式快装炉，出、回水的温度分别为95℃，70℃，虽然均低于100℃， 但在实际锅炉并联管路中，由于水的流量和受热不均，可能出现局部汽化现象造成水击，形成冲刷腐蚀，使器壁被冲刷部位减簿，强度下降，造成安全隐患。
此外, 由于热水锅炉出水温度相对较低, 周期启动和停炉过程中烟气易在锅炉尾部结露，烟气中含有SO2，SO3，温度下降到硫酸露点以下时，在烟道设备表面形成硫酸，这对碳钢设备会造成严重的电化学腐蚀，
腐蚀阳极：Fe→Fe2++2e
腐蚀阴极：2H++2e→H2
4.3锅炉清洗中的腐蚀因素
锅炉化学清洗具有效果好、工艺简单、操作方便、费用低等特点，清洗剂主要采用含有缓蚀剂的盐酸，清洗过程中氧化铁垢逐渐溶解为Fe3+，而Fe3+是典型的高价金属离子类去极剂，随着Fe3+浓度的增加，腐蚀速度增加，在阴极发生Fe3++e→Fe2+的还原反应，迅速消耗阳极溶解时Fe→Fe2++2e所产生的电子，促使腐蚀反应加剧，实验表明：ρ(Fe3+)＞500mg/L时，产生点蚀的可能性很大；清洗过程中加入JF-206作还原剂几乎可将Fe3+全部还原，同时腐蚀速度基本与无Fe3+时相当。
4.4锅炉给水处理工艺对锅炉腐蚀的影响
氧气对锅炉的危害最大，所以给水除氧是防止金属腐蚀的根本措施，是保证锅炉热力系统安全运行的重要手段，钢铁在水中的电化学腐蚀过程主要受阴极过程即溶解氧的去极化作用控制，电化学反应式如下：
阳极反应：Fe→Fe2++2e 阴极反应：O2+ H2O+4e→4OH-
溶解中：Fe2++2OH-→Fe(OH)2Fe(OH)2+O2→Fe2O3˙H2O
目前工业锅炉常采用化学除氧法，因为联氨除氧既能防止氧腐蚀，又能作为还原剂减缓锅炉内氧化铁结垢，同时发生反应：N2H4+O2= N2+2H2O，反应物不污染水质， 但联氨是碱性物质，在热水循环过程中极易在局部区域造成碱浓缩现象，致使材料发生苛性应力腐蚀破裂即碱脆。
4.5 空气对锅炉腐蚀的影响
热水锅炉周期性检修、清洗过程中常有空气进入管路形成气塞，影响正常运行，在停炉期间，炉体表面吸收空气中的水分形成水膜，水膜中的氧气和铁发生电化学作用生成铁锈，使锅炉腐蚀。被腐蚀的锅炉再次投入运行后，铁锈在高温条件下又会加剧腐蚀的深度、扩大腐蚀面积，使氧化铁皮不断剥落，降低钢板强度，严重时导致锅炉爆炸事故。
5 预防和减缓锅炉腐蚀的措施
5.1 防止水垢形成
操作过程中应严格控制给水系统及锅炉的水质标准，采用正确的软化水处理工艺, 定期检验水质，实施水质监控，控制系统失水，合理利用碱性药剂保持pH值为10~11，从而增加腐蚀钝化性，同时在系统回水进入锅炉之前应先经除污器，防止产生二次水垢。目前对于防止或减少结垢和腐蚀的研究开展得较多，如近年来开发的膦基聚羧酸缓蚀阻垢剂，在低钙离子浓度下应用较好，但聚羧酸在高钙离子浓度下会产生钙凝胶，抑制磷酸钙且锌盐沉积性差，故最新研究以马来酸酐、烯丙基磺酸钠和丙烯酰胺为单体(其单体配比为1.0：1.0：0.6)合成的高分子聚合物具有很好的阻垢分散效果，这种阻垢剂阻垢效果明显提高，且对氧化铁具有分散作用和缓蚀性能。
5.2防止低温结露腐蚀
防止硫酸露点腐蚀要在锅炉启动时先经旁路管路进行短路循环，使进入锅炉的循环水很快升温，然后逐步关小旁路阀门、开启网路阀门，直至正常供热。由于碳钢极不耐硫酸腐蚀，因此，在温度低于硫酸露点部位应采取相应的防护措施，如对于温度低于硫酸露点的管段设计使用耐硫酸露点腐蚀的不锈钢、低合金钢(如09CuWSn)等。
5.3选择合适的化学清洗剂
清洗剂的选择以能快速溶解氧化铁及钙镁盐类的溶剂为主，大部分工业锅炉用20号钢为材质，其化学清洗多采用含有缓蚀剂的盐酸作清洗剂，清洗过程中由于氧化铁或铁垢的溶解，使清洗液中Fe3+浓度增加，从而使腐蚀速率增加，因此清洗过程中要控制ρ(Fe3+)＜500mg/L，当ρ(Fe3+)＞500mg/L时需加还原剂，最新研究表明，在锅炉清洗中，以还原剂JF-206的除Fe3+效果最佳。
5.4 防止碱浓缩
锅炉中水保持一定碱性可起到腐蚀钝化的作用，但当锅炉系统及管网循环系统中局部区域循环不畅或存有死角时，该区域常因水分蒸发造成碱浓缩，从而使钢材碱脆，易腐蚀破裂，故设计时应注意避免循环不畅及死角产生。
5.5注重锅炉停炉、检修期的保养
热水锅炉停炉期间，若长期露置空气中会造成空气对钢材的腐蚀，因此，应在停炉或检修期将炉体实施密封保护，同时使用气相缓蚀剂，如亚硝酸二环已胺和碳酸已胺，它们具有较高的蒸汽压，能在金属表面形成吸附膜而发挥缓蚀作用。