覃平阳

（上汽通用五菱汽车股份有限公司制造部，广西 柳州545007）

由于历史原因，我公司某整车工厂所需热源沿用了之前的燃煤锅炉，随着时代变迁，所面临的环境污染问题日益突出，急需进行煤改气的改造工作。本文就整车制造行业煤改气项目实施过程中易忽视的各项问题逐项进行具体分析。

1 背景

近年来，随着我市经济水平快速发展，工业化步伐加快，煤炭资源消耗严重，城区空气污染问题日渐突出，特别是细颗粒物（PM2.5）的区域大气污染问题日益突出。控制煤炭消费总量，推动清洁能源利用的“煤改气”项目开始逐步提上议程。“煤改气”是指在生产生活中使用天然气替代利用效率较低且较重污染的燃煤。PM2.5的形成主要与NOx、SO2和烟尘的排放有关，根据天然气和煤炭的热值转换以及燃烧效率差异，可计算出天然气燃烧排放的SO2、NOx和烟尘量分别是煤炭燃烧排放的1.8%、15.9%和8.6%，明显少于煤炭。但如果只是简单的将公司原有燃煤蒸汽锅炉直接改为燃气蒸汽锅炉，势必会造成公司生产运行成本的增加，与公司“成本领先，与众不同”的发展宗旨相违背。如何找到既环保又节能且停产时间短便于实施的改造方案，是需要公司工程技术人员结合各个生产工艺流程从而最终去解决的问题。燃煤改燃气的燃气运用的主要形式之一是燃气锅炉，燃气锅炉房的设置，不仅要考虑锅炉按集中布置还是分区域布置，在各车间有限的可用改建面积下燃气锅炉的规格数量是否与涂装车间工艺加热所需的时间相匹配，以及燃气锅炉的选址是否符合规范安全要求。

2 改造方案

之前我公司涂装工艺热源部分由燃煤锅炉提供，换热过程经过煤→蒸汽→热水→工艺介质，换热环节多，输送距离最远1.8 km，热能利用率较低。改造前的流程工艺见图1。

图1 煤改气前工艺流程图

经过项目组分析讨论，最后改造总体方案确定为：（1）将原有制冷效率较低的蒸汽型溴化锂吸收式制冷机更换为10 kV高效离心压缩式制冷机；（2）增加自带烟气冷凝器的燃气热水锅炉；（3）调整原有热水循环管路连接路径；（4）组合送风机组原来的热水一次加热段改为燃气燃烧器直接燃烧方式。改造后的方案详见图2工艺流程图。

图2 煤改气后工艺流程图

改造后的运行费用对比见附表1。

表1 燃煤蒸汽与天然气年运行费用对比

公司使用的燃气锅炉，通过热水对工艺上加热其它物质。设计时，通过工艺计算出明晰的热量需求。计算热负荷作为选择锅炉的类型、数量、确定锅炉房间尺寸的依据。热能需求量确定之后，可按其标准蒸发量选取选用锅炉。

3 燃气热水锅炉设计注意事项

由于是改造项目，需留意燃气锅炉房选址应靠近车间外墙布置，锅炉房所在的外墙、楼地面或屋顶，是否满足相应的防爆要求，并应有相当于锅炉间占地面积10%的泄压面积，泄压方向不应选择朝向车间人员聚集的地方以及人行通道等[1]。典型的锅炉房平面图见图3。

图3 某燃气锅炉平面布置图

天然气属于易燃易爆的危险气体，而燃气锅炉房属于较为狭小的密闭空间，一旦带有压力的燃气泄漏很容易达到甲烷5%～15%（V/V）的气体爆炸极限范围。因此锅炉房燃气系统与通风系统的设计，对于锅炉房的安全极为重要，初期设计及安装直接决定日后能否长久的安全运行。所以，锅炉房燃气与通风系统的设计须同时满足《锅炉房设计规范》、《城镇燃气设计规范》和《建筑设计防火规范》。即要求燃气锅炉房应设置独立的送风及排风机。通风机组应选用防爆类型，新风量须满足每小时3次以上的整体换气量，还应注意该换气量不能包含燃烧机本身所需消耗的空气量。锅炉房向外排水应设置降温池等降温设施，以防止排出的高温水损坏室外的污水管道。锅炉房内应在顶部高位设置甲烷可燃气体探测器，当可燃气体浓度达到其爆炸极限下限（4.65%）的20%时，探测系统报警；达到爆炸下限的50%时，切断燃气供应。燃气泄漏探测及联锁排风系统见图4。

图4 燃气锅炉房燃气管示意图

热水锅炉应设置当锅炉的压力降低到热水可能发生汽化、水温升高超过规定值，或循环水泵突然停止运行时的自动切断燃料供应和停止鼓风机、引风机运行的保护装置。

3.1 烟气显热回收技术

在燃气锅炉的热损失中，最主要的是排烟损失，最重要的参数就是排烟温度，排烟温度高低决定锅炉效率的高低，一般来说，锅炉排烟温度每降低30℃，锅炉效率提高1%。在20世纪末，普遍对排烟温度不重视，燃气锅炉的设计排烟温度在100℃以上。随着节能意识的提高，在锅炉的尾部加装了烟气节能器，将锅炉排烟温度降低到90℃以下，既可防止烟气结露，又可以将锅炉效率提高1%以上。

4 组合送风机组的改造

组合送风机组的改造，采取在原初效段前增加燃气加热器的方式，初效过滤器后移至原采用热水的一次加热段，某台设备的改造见图6组合送风机组平面示意图，燃气加热器与初效过滤段之间应增设挡火板，以防止火焰加热到后面的初效过滤段。详细布置见图7。同时应增加联锁功能，即风机开启后才能启动燃气加热器，风机压差开关处于关闭状态时应自动联锁关闭燃气加热器。

图5 燃气锅炉烟气显热回收示意

图6 组合送风机组改造平面示意图

图7 送风机组改造详图

5 燃气管道能力校验

燃气用量增加后，需校验原有燃气管道输送能力。根据计算，原冬季最大小时用量为2 800 Nm3/h，煤改气项目实施后，预测计算的最大小时用量为4 500 Nm3/h，按DN200管径及550 m长度计算，管道内燃气流速为15 m/s，压降0.014 MPa，流速及压降均仍属于正常范围内。因此不需对厂区燃气主管进行扩容。

6 燃气调压计量柜的更换及安装

燃气改造后的涂装车间冬季生产启动时最大燃气用量达到4 500 Nm3/h，需对原有燃气柜进行更换。本项目在燃气柜吊装后施工单位未注意及时按照厂家要求的5/1000水平度要求进行调整，加上柜体长度较长达到7 m，导致就位后出现柜门框变形柜门无法关闭的问题。此类问题应在后期项目中避免再次发生。由于地下管道是钢制材质，燃气柜出入口均应设置绝缘接头，该绝缘接头可使得地下燃气输配管线与燃气柜设备之间相互绝缘隔离，保护燃气柜不受地下土壤化学腐蚀，延长燃气柜内设备的使用寿命。燃气柜为防止静电负荷在过滤器调压器等设备聚集应单独设置接地，接地电阻应不大于10 Ω。燃气柜内较多法兰连接且空间相对密闭，为第一时间侦测到漏气现象，进一步在柜内安装了2个甲烷可燃气体探测器，该探测器与消防控制室联锁，如柜内存在漏气消防值班室将看到报警信息。

7 安装改造注意要点

按规范燃气管道不宜敷设在屋面上，但由于本次是改造项目，考虑燃气管道施工难度及不穿越不使用燃气车间的原则，部分燃气管敷设在车间屋面上方，此时根据QXT 109-2009《城镇燃气防雷技术规范》，屋面上的燃气金属管道与建筑的避雷网应至少设置两处跨接金属线，且跨接点的间距应＜30 m。金属跨接线可采用直径≥8mm2的圆钢或≥48 mm2的扁钢[2]。

在新旧燃气管道对接时，则需要在停产期间进行燃气管的放散及切割焊接作业。此时燃气需先进行放散，放散管应注意是否进行了可靠接地，由于放散时燃气与空气混合在一起流动，如流速过高管道内杂质撞击可能引起火花，因此放散流速应不大于5 m/s的安全范围，放散时应在屋面放散口安排专人监护并检测周围燃气浓度。放散后采用高纯氮气吹扫，关于氮气吹扫时间以及用量，吹扫时间一般在15 min，吹扫用量可按吹扫管段容积的15倍进行确定。氮气置换时中需注意是否产生顶部与底部的分层问题（见图8）。即在置换时，由于天然气以较为缓慢的速度注入到新建管道内，因甲烷的相对密度比空气轻，在流速流量不足的情况下不足以扰动底部空气，天然气可能只在管道顶部流过，即只置换了管道顶部部分，而位于管道底部的空气还仍留存在管道内。此时如监测技术人员在取样口检测时，仪器将测得体积分数为90%以上纯度的甲烷，若此时中止置换，停留管道内的空气与天然气混合，有可能形成爆炸性气体，此时动火切割或焊接遇到明火可能发生爆炸危险[3]。另外动火切割需将在用燃气管阀门关闭后加装钢制盲板进行彻底隔离，以完全消除燃气阀门内漏的潜在风险。

图8 氮气与天然气的分层

新的燃气管与旧燃气钢管由于存在电位差，两者触碰时可能产生火花。因此在动火作业前应先对两种管道的电位进行平衡。通常做法是在新旧管道上用金属线进行搭接，使新旧燃气钢管的电位达到平衡状态。在用燃气管动火前需在取样口用甲烷浓度分析仪每间隔5 min检测燃气浓度在爆炸下限20%以下时才能开始动火。长时间中断动火后需重新进行燃气浓度检测。对接完成后应进行焊缝探伤及试压，试压合格后方可恢复供气，用甲烷浓度分析仪在取样口测试三次，间隔5 min，甲烷浓度需达到90%以上则可判定为供气完成。

总之，燃气设施的停气、放散、动火及通气等各项作业之前需要认真制定作业方案，对于保证生产作业的安全非常重要。作业方案一般应包括：（1）作业内容：如切割焊接，作业具体位置，停气放散范围，应有作业草图；（2）采取的安全措施：加盲板、吹扫置换、放散、现场监护、消防器材及人员配备等等。（3）作业起止时间等；（4）应急方案；作业方案应讲过审批，主管领导、职能部门对作业方案进行评审。严格执行作业方案确保在批准的限定停产时间内完成。

8 结束语

整车制造企业煤改气项目涉及改造内容较为复杂，涉及设计、安装、验收、检测等各方面的审核校验工作较多，需要整体紧密衔接，制定详细作业方案，才能在公司较短有限的停产时间内安全可靠的实施。本次改造经实践检验是较为有效的技术措施。