建筑能源应用技术-课件 第6章 燃气应用技术

建筑能源应用技术第六章燃气应用技术燃气分类与输配·燃气供热锅炉·冷热电三联供本章核心本章沿“气源—输配—燃烧换热—梯级利用”展开：先认识燃气类别及质量要求，再理解城镇燃气的分级输配与安全布线，继而学习燃气锅炉的燃烧、传热和热水循环，最后掌握冷热电三联供的组成与负荷匹配。01第6章燃气应用技术02学习目标1了解燃气的分类、性质及城镇燃气输配系统；2熟悉建筑室内燃气输配系统的设计；3掌握燃气锅炉及冷热电三联供的原理和选型要点。03本章主要内容•6.1燃气的分类及性质：四类燃气与质量要求。•6.2城镇燃气输配系统：构成、压力级制、系统选择与管道布线。•6.3燃气供热锅炉：构造、工作过程、燃烧设备和热水锅炉。•6.4燃气应用新技术：冷热电三联供的组成与规划。第6章燃气应用技术04燃气在建筑能源系统中的应用链气源与质量城镇输配燃烧与换热冷、热、电服务天然气具有优质、高效、低碳和清洁等特点。建筑燃气应用从气源性质出发，经过安全输配和燃烧换热，最终满足供暖、热水、制冷和发电等需求。沿箭头说明物质、能量或压力如何逐级传递。第6章燃气应用技术绪论056.1燃气的分类及性质城镇燃气按类别和燃烧特性指标分类。本章从天然气、人工燃气、液化石油气和生物气四类气源入手，并进一步给出主要质量要求。本节学习路径：分类与基本性质→天然气/LPG/人工燃气质量要求第6章燃气应用技术来源：《建筑能源应用技术》教材初稿，第6章06燃气的四类来源天然气天然蕴藏于地层，以甲烷为主的烃类和非烃类混合气。人工燃气固体或液体燃料经过热加工制得的可燃气体。液化石油气以凝析气田气、石油伴生气或炼厂气为原料加工制得。生物气有机物在隔绝空气条件下，经微生物作用产生，也称沼气。课堂提示：天然气、液化石油气和人工燃气可作为城镇气源；生物气主要作为农村能源。6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质第6章燃气应用技术071）天然气主要成分以甲烷为主，也含少量二氧化碳、硫化物和氮气等。输送条件地下开采时压力较高，有利于远距离输送。燃烧特性热值高、容易燃烧、燃烧效率高。用途既可作为燃料，也可作为化工原料。天然气是混合气体，质量和燃烧特性需要稳定控制。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质08天然气的进一步分类按矿藏特点气田气、石油伴生气和凝析气田气。按烃类组分干气与湿气、贫气与富气。分类意义不同来源与组分影响处理、输送和利用。课堂抓手回答分类问题时先说明分类依据。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质1）天然气092）人工燃气定义以固体或液体燃料为原料，经热加工制得的可燃气体。干馏煤气煤在焦炉或直立炭化炉中干馏制取，包括焦炉煤气等。气化煤气固体燃料在气化炉中与气化剂高温反应制得。油制气石脑油或重油经热加工制得。人工燃气分类取决于原料、加工方法与设备。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质103）液化石油气原料凝析气田气、石油伴生气或炼厂气。主要成分丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。少量组分还含少量戊烷及其他杂质。质量关注蒸气压、组分、残留物、硫化物、腐蚀与游离水。表6.2进一步给出液化石油气的质量技术要求。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质114）生物气形成条件有机物在隔绝空气条件下发酵。生成机制在微生物作用下发生生化反应。主要成分甲烷和二氧化碳，另有少量氮气和一氧化碳。数据热值约22MJ/m³（标态）。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质12四类燃气的来源比较天然形成•天然气：地层中天然形成。•液化石油气：油气开采或炼制副产物加工。人工转化或生化生成•人工燃气：固体/液体燃料热加工。•生物气：有机物厌氧发酵。比较来源、主要成分和典型用途，不把名称混为一谈。第6章燃气应用技术6.1.1燃气的分类及基本性质6.1燃气的分类及性质13为什么要控制燃气质量?•保证输配、储存和用户使用过程的安全。•减少管道和设备的腐蚀、堵塞与燃气损失。•减少环境污染，并保障系统运行的经济合理性。•不同来源燃气需要采用相应的质量控制指标，并保持质量稳定。质量指标服务于安全、可靠、环保和经济四个目标。第6章燃气应用技术6.1.2城镇燃气的质量要求6.1燃气的分类及性质14表6.1天然气的技术指标项目一类二类三类高位发热量/(MJ·m⁻³)≥36.031.431.4总硫/(mg·m⁻³)≤60200350硫化氢≤620350二氧化碳/%≤2.03.0—水露点燃气管道交接点处的水露点，应比管道输送条件下的最低环境温度低5℃。（GB50028《城镇燃气设计标准》）一、二类天然气主要用作民用燃料，三类主要用作工业原料或燃料。第6章燃气应用技术6.1.2城镇燃气的质量要求6.1燃气的分类及性质15表6.2液化石油气的技术要求（详见《液化石油气》GB11174）项目商品丙烷丙丁烷混合物商品丁烷蒸气压(37.8℃)/kPa定烃类组分/%≥959595蒸发残留物/[mL·(100mL)⁻¹]≤0.050.050.05铜片腐蚀(40℃,1h)/级≤111游离水无无无第6章燃气应用技术6.1.2城镇燃气的质量要求6.1燃气的分类及性质16表6.3人工燃气的技术要求（摘录）项目一类气二类气共同要求低热值/(MJ·m⁻³)>14>10—焦油和灰尘/(mg·m⁻³)——<10硫化氢/(mg·m⁻³)——<20氨/(mg·m⁻³)——<50含氧量/%<2<1—一氧化碳量/%——<10第6章燃气应用技术6.1.2城镇燃气的质量要求6.1燃气的分类及性质17本节小结：燃气分类与质量的知识闭环先辨气源明确天然气、人工燃气、LPG或生物气。再看组分组分决定热值、燃烧、安全和处理要求。再核质量发热量、硫、杂质、露点和腐蚀等指标需受控。最后匹配用途民用、工业与分布式能源对燃气质量和压力要求不同。下一节进入燃气如何从气源安全输送到用户。第6章燃气应用技术6.1燃气的分类及性质186.2城镇燃气输配系统现代城镇燃气输配系统由门站、管网、储气、调压、管理与监控设施组成，目标是连续、可靠、安全地供气，并便于检修和故障隔离。本节学习路径：系统构成→压力级制→系统选择→管道布线第6章燃气应用技术191）城镇燃气输配系统的构成燃气门站燃气管网储气设施调压设施管理与监控各设施共同保证不间断可靠供气。系统还应能在检修或故障时关断局部管段，而不影响全系统运行。课堂提示：沿箭头说明物质、能量或压力如何逐级传递。第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统202）城镇燃气管网的压力级制一级系统仅用一种压力级制，通常为低压或中压，适合小城镇。二级系统采用两种压力级制，如中压B—低压或中压A—低压。三级系统采用三种压力级制，如高压—中压—低压。多级系统采用三种以上压力级制，各级管道通过调压装置连接。课堂提示：压力级制越多，输配层次越细，系统也更复杂。第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统213)采用不同压力级制的必要性：高压输送大部分燃气由较高压力管道输送时，管径可减小。允许压降较高压力管道允许较大的单位长度压力损失。节省管材对大流量、远距离输送更经济。专用管线大型工业用户可设置压力较高的专用输气管线。压力选择同时影响管径、材料和输送能力。（1）经济性第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统22（2）用户需求的燃气压力不同居民用户通常需要低压燃气。小型商业用户通常使用低压燃气。大型工业用户可能需要中压或更高压力燃气。调压连接不同级别管网通过调压设施实现压力匹配。3)采用不同压力级制的必要性：第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统23（3）消防安全老城区条件建筑密集、街道和人行道狭窄。人口密度人员集中使事故后果更严重。压力限制从安全运行和管理角度，不宜敷设高压或次高压管道。历史因素老城区原有管道设计压力通常低于近期建设管道。压力级制必须与城市空间和风险条件相适应。3)采用不同压力级制的必要性：第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统24管网系统选择因素（1）气源情况燃气种类、性质、供气量、供气压力和气源发展规划。城镇规模远景规划、街区道路、建筑特点、人口密度与用户分布。既有设施原有燃气供应设施及其可利用程度。储气设施储气设施的类型与调峰能力。先明确供需和城市条件，再比较管网方案。4）燃气管网系统的选择：第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统25管网系统选择因素（2）地形与障碍河流、湖泊、铁路等天然和人工障碍。地下空间既有地下管线与地下建构筑物的现状。改扩建规划未来道路、地下设施和燃气系统扩建条件。技术经济比较在技术指标与可靠性相同的基础上选择经济合理方案。不能只比较初投资，还要比较可靠性与未来适应性。4）燃气管网系统的选择：第6章燃气应用技术6.2.1城镇燃气管网系统及其选择6.2城镇燃气输配系统26管道布线依据（1）燃气压力压力等级影响安全间距和线路选择。地下管线考虑其他管道的密集程度和布置。交通与路面考虑交通量、路面结构及运输干线。含湿量与地形考虑必要坡度与街道地形变化。地下燃气管道宜沿道路、人行便道或绿化带敷设。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统城镇燃气管道的布线是指在原则上选定了城镇燃气管网系统后，进一步确定各燃气管段的具体位置。1）城镇燃气管道的布线依据27管道布线依据（2）用户分布考虑连接用户数量及其用气情况。障碍物识别河流、铁路、道路等穿越条件。土壤条件关注腐蚀性能与冰冻线深度。施工与故障影响评估对交通和居民生活的影响。布线是安全、施工、运行和城市协调的综合决策。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统1）城镇燃气管道的布线依据282）高压燃气管线布线原则地区等级按沿线建筑密集程度划分地区等级并相应设计。敷设方式宜采用埋地敷设；局部架空时必须采取防护措施。避让区域不应通过军事设施、易燃易爆仓库、重点文保区、机场、车站和港口等。受限穿越确需通过受限区域时，必须采取安全防护措施。高压管线以输气为主，并通过调压站向较低压力环网配气。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统293）次高压、中压及低压管道布线建筑避让地下燃气管道不得从建构筑物下方穿越。低压环网每环边长一般控制为300～600m。最小覆土机动车道0.9m、非机动车道0.6m、车辆不到达处0.3m。湿燃气应位于冰冻线以下，坡向凝水缸的坡度不宜小于0.003。交叉穿越穿越其他管沟需征得相关部门同意并设套管；穿越交通干线宜垂直。河流穿越可采用河底穿越、管桥或利用道路桥梁跨越。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统30本节小结：从气源到用户的压力与设施链门站接收高/中压输送调压与储气低压配气用户用气输配系统的核心是用合适压力经济输送，再通过调压、储气和监控实现安全、可靠、连续供气。沿箭头说明物质、能量或压力如何逐级传递。第6章燃气应用技术6.2.2城镇燃气管道布线6.2城镇燃气输配系统316.3燃气供热锅炉燃气锅炉通过燃烧把燃料化学能转化为热能，再经受热面把热量传给水或蒸汽。本节依次讲构造、工作过程、锅炉房设备、燃烧设备和热水锅炉。本节学习路径：基本知识→燃烧设备→热水锅炉第6章燃气应用技术32基本知识：•锅炉利用燃料燃烧释放的热能或其他热源，加热水或其他工质，获得规定参数和品质的蒸汽、热水或其他热介质。•在供热和制冷系统中，锅炉是供热之源。•民用建筑一般采用中小型锅炉：单台额定出力不大于14MW，额定工作压力0.1～1.6MPa。•本节重点是民用建筑常用的燃气供热锅炉。第6章燃气应用技术6.3燃气供热锅炉33（1）锅炉的基本构造图6.1WNS型燃气（油）锅炉示意图•锅炉由汽锅（锅筒）和炉子两大部分组成。•炉子完成燃料燃烧，把化学能转化为高温烟气的热能。•汽锅金属受热面把烟气热量传给水，使水升温并产生热水或蒸汽。第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程34（2）锅炉的工作过程燃料燃烧烟气向工质传热水受热升温或汽化三个过程在锅炉中同时发生：（1）燃烧决定热量来源；（2）传热决定热量如何进入工质；（3）水的升温或汽化决定最终供热介质。沿箭头说明物质、能量或压力如何逐级传递。第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程35燃料的燃烧过程•燃气和空气的混合物由燃烧器喷入火筒并燃烧生成烟气。•良好燃烧需要高温环境、必要空气量以及燃料与空气充分混合。•还需连续供应燃料和空气，并及时排出烟气。•燃烧完善是锅炉正常工作的根本条件。燃烧器承担配比、混合、喷射与稳定火焰的任务。（2）锅炉的工作过程第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程36烟气向水或蒸汽的传热过程•燃烧产生高温烟气，首先通过辐射和对流向受热面传热。•烟气沿流程冲刷水冷壁、过热器、对流管束及尾部受热面，温度逐步降低。•省煤器预热给水，空气预热器预热助燃空气。•目标是在安全条件下尽可能回收烟气热量，并以经济的排烟温度排出。沿烟气路径识别受热面及其作用。（2）锅炉的工作过程第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程37水的受热、汽化与循环•受热面中的水吸收烟气热量，温度升高。•上升管中受热较强的汽水混合物向上流动，下降管中密度较大的水向下流动。•汽水混合物在锅筒上部经过汽水分离。•蒸汽由顶部引出送往用户，分离水继续循环蒸发。此详细过程为蒸汽锅炉的水循环与汽水分离过程。（2）锅炉的工作过程第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉1）锅炉的基本构造和工作过程382）锅炉房设备的组成锅炉本体完成燃烧、传热和工质加热。燃气输送把燃气安全送至燃烧器。送引风供应燃烧空气并组织烟气排放。水、汽系统完成水处理、给水；蒸汽或热水输送。污染控制控制排放并保障环境要求。仪表控制监测流量、压力和运行状态，执行自动调节。锅炉本体与辅助设备共同构成锅炉房设备。第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉39（1）锅炉本体的主要部分汽锅水冷壁管、上下锅筒和对流管束组成，承担蒸发作用。炉子燃气锅炉中由燃烧器、炉胆和火管组成。辅助受热面：过热器把饱和蒸汽进一步加热为过热蒸汽。辅助受热面：省煤器与空预器分别预热给水和助燃空气，利用尾部烟气余热。用“燃烧空间—受热面—辅助受热面”理解锅炉本体。2）锅炉房设备的组成第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉40燃气供应系统图6.2典型的燃气供应系统示意图•系统主要由煤气表、过滤器、调压器和压力表等组成。•锅炉燃气输送还包括输气管道、调压装置、吹扫和放散设备等。•燃气锅炉不产生灰渣，因此无须设置排渣出灰装置。（2）

锅炉房辅助设备2）锅炉房设备的组成第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉41送引风系统、水汽系统与仪表控制送引风系统WNS型锅炉微正压燃烧且烟道阻力小，可不设引风机。给水系统水处理设备、水箱和给水泵持续提供合格给水。蒸汽系统蒸汽通常先进入分汽缸，再分送至用户。仪表控制监测蒸汽量、水量、压力、燃气和风压，并实施自动控制。辅助系统保障锅炉安全、经济、连续运行。（2）

锅炉房辅助设备2）锅炉房设备的组成第6章燃气应用技术6.3.1锅炉的基本知识6.3燃气供热锅炉42燃烧设备是指通过燃烧反应，将储存在煤、油、气及其他如生物质等燃料中的化学能转化为热能的装置，燃烧装置中产生的热量被锅炉换热面吸收，从而生产出蒸汽或者热水。稳定着火燃料能够及时、连续、稳定地着火。高燃烧效率尽可能实现充分、完全燃烧。高热负荷单位炉排面积或炉膛容积内经济燃烧更多燃料。安全可靠低负荷稳定、调节灵敏，具有良好燃料适应性。结构经济减小锅炉尺寸与钢材消耗。自动化满足机械化和自动控制要求。第6章燃气应用技术6.3.2燃气锅炉的燃烧设备6.3燃气供热锅炉1）燃烧设备的基本要求432）室燃炉基本形式不设炉排，燃料悬浮在炉室空间中燃烧。适用燃料可燃用粉状固体、液体或气体燃料。燃烧器按比例、速度和方向把燃料与空气喷入炉内。炉膛提供燃烧空间；燃烧强度越高，所需空间和燃尽时间越小。民用建筑燃气供热锅炉多采用室燃炉。第6章燃气应用技术6.3.2燃气锅炉的燃烧设备6.3燃气供热锅炉44燃气燃烧设备的特点（1）单相反应气体燃料容易着火和燃烧，没有煤粉挥发与焦炭燃烧过程。无需雾化与燃油不同，燃气燃烧器不需要雾化装置。混合决定燃烧燃气与空气混合越好，燃烧越快、越完全，火焰越短。无灰渣炉内不设炉排，也不需要排渣出口和除渣设备。燃烧器性能直接影响燃气锅炉运行工况。3）燃气燃烧设备第6章燃气应用技术6.3.2燃气锅炉的燃烧设备6.3燃气供热锅炉45爆炸风险突然熄火或燃气与空气形成一定比例混合物时，可能形成爆炸性气体。自动保护应设置火焰监测、燃烧调节、熄火保护和防爆设施。结构紧凑燃烧过程简单、时间短，炉膛容积可减小。严密性微正压燃烧要求炉膛可靠严密，避免造成人员和设备损害。燃气燃烧设备的特点（2）3）燃气燃烧设备第6章燃气应用技术6.3.2燃气锅炉的燃烧设备6.3燃气供热锅炉46热水锅炉的特点•与蒸汽相比，热水泄漏量小、管路损失少，便于调温，运行安全，房间温度波动小。•热水供暖可节约燃料20%～30%。•民用建筑单纯供暖时，供热介质应采用热水。•热水锅炉工质不发生相变，传热温差大，水质要求低，结构较简单，操作较方便，安全可靠性较高。第6章燃气应用技术6.3.3热水锅炉6.3燃气供热锅炉在供热工程中，热媒有热水和蒸汽两种。来源：《建筑能源应用技术》教材初稿，第6章47强制流动与自然循环热水锅炉强制流动•循环水泵提供动力。•通常不设锅筒，受热面由管排和集箱组成。•结构紧凑，制造安装方便，钢耗量少。自然循环•依靠下降管与上升管水温差产生的密度差驱动。•循环压头较小，水循环可靠性是关键。•需优化循环回路、锅内装置和截面比。区分锅内流动动力来源。第6章燃气应用技术6.3.3热水锅炉6.3燃气供热锅炉48自然循环锅炉——WNS型卧式烟管热水锅炉图6.3WNS型燃油（气）卧式烟管热水锅炉•烟气采用三回程流程：炉胆内由前向后为第一回程，后向前为第二回程，再由前向后为第三回程。•第二回程烟气温度高、体积流量大，因此烟管直径较大。•回水经入口引射装置与热水混合，并进入锅内自然循环。第6章燃气应用技术6.3.3热水锅炉6.3燃气供热锅炉496.4燃气应用新技术——冷热电三联供冷热电三联供利用一种一次能源，同时生产冷、热、电三种能量。系统在用户处生产并实施能量梯级利用，以减少输送损失并提高一次能源利用率。本节学习路径：概念与梯级利用→系统组成→系统规划第6章燃气应用技术50CCHP（冷热电三联供）的基本知识英文名称CombinedCooling,HeatingandPower，简称CCHP。又称分布式能源技术。产品形式同时生产冷、热、电三种能量。位置特点在用户处生产，可避免长距离输送损耗。系统适用于同时具有电力需求和热负荷的场合。第6章燃气应用技术6.4燃气应用新技术——冷热电三联供51CCHP能源梯级利用图6.4CCHP能源梯级利用图•高品质天然气首先在原动机中做功并发电。•原动机排出的余热继续用于供热、制冷或其他热利用。•“先功后热”按照能量品位逐级利用，可提高一次能源利用率。第6章燃气应用技术6.4燃气应用新技术——冷热电三联供52CCHP系统图6.5CCHP系统示意图•系统包括原动机、发电机、余热利用系统和制冷系统等部分。•原动机把燃料化学能转化为机械功，通常驱动发电机。•余热可直接供热、驱动吸收式制冷，或供热泵使用。第6章燃气应用技术6.4.1CCHP系统的组成6.4燃气应用新技术——冷热电三联供53原动机与发电原动机作用把天然气化学能转化为机械功。设备类型燃气轮机、微型燃气轮机、燃料电池、斯特林发动机等。主要用途绝大部分系统用于驱动发电机发电。直接驱动也可直接驱动制冷或制热设备，如发动机制冷机和燃气热泵。原动机功率范围可从1kW到几百MW。第6章燃气应用技术6.4.1CCHP系统的组成6.4燃气应用新技术——冷热电