利用鍋爐熱源實(shí)施智能控制“燃油低燒”項(xiàng)目的效益評(píng)價(jià)

袁文忠，柴偉

(蘭州鐵路局計(jì)劃統(tǒng)計(jì)處，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

根據(jù)《鐵路節(jié)能技術(shù)政策》(鐵計(jì)［1999］117號(hào))“采用低標(biāo)號(hào)柴油替代高標(biāo)號(hào)柴油技術(shù)，降低燃料費(fèi)用支出”的要求，鐵路系統(tǒng)北方部分路局先后實(shí)施了利用電加熱技術(shù)的“燃油低燒”改造工程，在冬季使用0#柴油代替高標(biāo)號(hào)的 －10#或－20#柴油，以節(jié)約燃料費(fèi)用的支出。

2008年蘭州鐵路局先后在嘉峪關(guān)、武威南、白銀西、大武口四個(gè)燃油存儲(chǔ)點(diǎn)進(jìn)行了電加熱“燃油低燒”改造工程。從實(shí)際使用效果來(lái)看，雖然與使用負(fù)號(hào)柴油相比成本有所節(jié)約，但由于油庫(kù)加熱設(shè)備功率高達(dá)295 kW，長(zhǎng)期使用電能消耗較大，相應(yīng)抵減了部分節(jié)約的費(fèi)用，而且利用電加熱柴油存在極大的安全隱患。為進(jìn)一步挖掘“燃油低燒”的經(jīng)濟(jì)效益，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，蘭州鐵路局經(jīng)過(guò)充分調(diào)研和論證，研發(fā)了利用鍋爐熱源這種低運(yùn)行成本的燃油低燒技術(shù)，并對(duì)管內(nèi)蘭州車(chē)輛修配段、迎水橋機(jī)務(wù)段油庫(kù)實(shí)施了改造，較好地解決了燃油低燒的問(wèn)題，達(dá)到了節(jié)約燃料成本的目的。該方法與電加熱技術(shù)相比，使用效果更經(jīng)濟(jì)，使用過(guò)程更加安全可靠，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了智能控制。

2 低燒原理及工藝流程

2.1 低燒原理

“燃油低燒”就是在冬季氣溫較低的環(huán)境下，內(nèi)燃機(jī)車(chē)和客車(chē)發(fā)電車(chē)應(yīng)使用負(fù)號(hào)柴油而通過(guò)技術(shù)措施或手段來(lái)達(dá)到使用0#柴油，其目的就是節(jié)省負(fù)號(hào)柴油與0#柴油之間的價(jià)格差，減少使用成本。利用鍋爐熱源(蒸汽或熱水)的熱交換器，提高柴油溫度，解決冬季低溫天氣使用 0#柴油在“卸、貯、上、用”四個(gè)環(huán)節(jié)上冷凝的問(wèn)題，使其保持良好的流動(dòng)特性，達(dá)到正常使用要求。

根據(jù)0#柴油的冷凝點(diǎn)為4℃、－10#柴油和－20#柴油的冷凝點(diǎn)分別為－5℃和－14℃，閃點(diǎn)為65℃的特性，要想實(shí)現(xiàn)燃油低燒，就要相應(yīng)地保持柴油的溫度在其冷凝點(diǎn)之上，而要確保安全，防止柴油燃燒或爆炸等隱患，又要確保其溫度低于閃點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析判斷，內(nèi)燃機(jī)車(chē)和客車(chē)發(fā)電車(chē)柴油溫度應(yīng)維持在10℃左右，油罐內(nèi)的柴油維持在45℃左右，則既能實(shí)現(xiàn)低燒，又能確保安全。

設(shè)計(jì)方案確定為用133℃、0.2 MPa及以上的飽和蒸汽，通過(guò)一級(jí)換熱器，將常溫水換熱至110℃、0.2 MPa的飽和熱水;再用熱水，通過(guò)二級(jí)換熱器，將溫度較低的柴油加熱至45℃左右，實(shí)現(xiàn)提高油溫的目的。對(duì)熱水鍋爐，可直接利用鍋爐熱水與柴油進(jìn)行換熱，同樣可實(shí)現(xiàn)將柴油加熱的技術(shù)要求，而且可以節(jié)省一級(jí)換熱器，減少部分投資。圖1為迎水橋機(jī)務(wù)段油庫(kù)加熱控制系統(tǒng)原理。圖2為控制系統(tǒng)設(shè)備平面圖。

圖1 迎水橋機(jī)務(wù)段迎水橋油庫(kù)加熱控制系統(tǒng)原理圖

2.2 工藝流程

該系統(tǒng)主要有三個(gè)功能，就是利用加熱后的柴油，完成卸油、上油和儲(chǔ)油罐柴油保溫作業(yè)。

2.2.1 卸油:將油庫(kù)柴油抽出，經(jīng)換熱器加熱后注入到已結(jié)蠟的待卸油罐車(chē)中，熔化結(jié)蠟柴油，完成卸油作業(yè)。

2.2.2 上油:將油罐柴油抽出，經(jīng)換熱器加熱到設(shè)定溫度后，注入汽車(chē)油罐內(nèi)，保證汽車(chē)罐車(chē)在到達(dá)上油點(diǎn)前，柴油不會(huì)在途中析蠟，完成域外加油作業(yè)。

2.2.3 保溫:將油庫(kù)柴油抽出，經(jīng)換熱器加熱后返回油庫(kù)儲(chǔ)油罐并循環(huán)加熱，使儲(chǔ)油罐內(nèi)柴油始終保持在不會(huì)結(jié)蠟的溫度范圍，完成儲(chǔ)油罐保溫作業(yè)。

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)設(shè)定溫度控制條件，油管路和熱管路具有自動(dòng)循環(huán)和啟停功能。

3 主要設(shè)備及相關(guān)工程［1］

鍋爐熱源低燒改造除鍋爐外，主要有管路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分。管路系統(tǒng)包括油管路、水(汽)管路、換熱設(shè)備、油(水)泵等，控制系統(tǒng)包括控制柜、工控機(jī)、電動(dòng)閥、變頻器以及溫度、壓力傳感器等電器設(shè)備以及管路保溫、設(shè)備儀器安裝等工程。

3.1 主要設(shè)備

蒸汽或熱水鍋爐:就近利用現(xiàn)有鍋爐設(shè)備及設(shè)施，為加熱柴油提供熱源。

圖2 迎水橋機(jī)務(wù)段油庫(kù)加熱控制系統(tǒng)設(shè)備平面布置圖

全焊板式換熱器:主要由換熱芯體和壓緊板、外殼等組成，換熱芯體是由換熱板片周邊交錯(cuò)組焊而成。外部有燃油進(jìn)口、燃油出口，循環(huán)水進(jìn)出口。

配電柜:為油庫(kù)燃油低燒改造系統(tǒng)提供總電源和其它電氣裝置。包括變頻器、油泵及水泵空氣開(kāi)關(guān)等。

控制柜:用于油庫(kù)燃油低燒改造系統(tǒng)溫度、壓力、機(jī)車(chē)上油、汽車(chē)上油、罐車(chē)卸油等作業(yè)控制的核心裝置，包括可編程控制器PLC、作業(yè)操作觸摸屏以及自動(dòng)報(bào)警儀器等。

觸摸屏:為人機(jī)對(duì)話(huà)，設(shè)定條件或人工操作界面，配置為400 MHz CPU，128 Mb內(nèi)存、16:9的10吋寬屏，65536色TFT LCD，分辨率800×480。

軟件:軟件分為工控軟件和監(jiān)控軟件兩部分。工控軟件主要根據(jù)設(shè)定條件執(zhí)行電機(jī)、油泵等設(shè)備的啟動(dòng)和停止;監(jiān)控軟件主要顯示數(shù)據(jù)，如:油罐中油的液位、溫度等數(shù)據(jù)和水泵和油泵的工作狀態(tài)等。

3.2 相關(guān)工程

鍋爐熱源低燒改造項(xiàng)目除設(shè)備外，有大量的保溫工程和相關(guān)的設(shè)備安裝工程及機(jī)車(chē)車(chē)輛改造工程。保溫工程主要有:機(jī)車(chē)車(chē)輛上的油管以及輸油管路、油罐罐體、蒸汽(熱水)管道、車(chē)輛等的保溫。設(shè)備安裝主要有:熱交換器、電機(jī)以及油(水)泵、相關(guān)控制閥門(mén)、連接管道等的安裝和軟件調(diào)試等。機(jī)車(chē)車(chē)輛改造工程主要有:機(jī)車(chē)加裝回油管路和客車(chē)發(fā)電車(chē)加裝油管路預(yù)熱系統(tǒng)等。

4 使用效果

安裝調(diào)試后，在全自動(dòng)控制狀態(tài)下和手動(dòng)狀態(tài)下，分別進(jìn)行了油罐保溫加熱、0#柴油解凍卸載、機(jī)車(chē)車(chē)輛加油試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，油罐內(nèi)53 t 5℃的0#柴油加溫至20℃用時(shí)14 min、60 t 0#柴油解凍用時(shí)22 min、內(nèi)燃機(jī)車(chē)加3 000 L 0#柴油用時(shí)9 min，完全能夠滿(mǎn)足使用要求，且操作簡(jiǎn)便、效果良好。目前已連續(xù)使用二個(gè)冬季低溫期，尤其2010年11月至2011年3月份，蘭州地區(qū)最低氣溫達(dá)到 －17℃、迎水橋地區(qū)最低氣溫達(dá)到－25℃，“燃油低燒”所有設(shè)備正常運(yùn)行、狀態(tài)良好。

5 投資效益分析

2009年蘭州局投資440.8萬(wàn)元，實(shí)施利用鍋爐熱源的燃油低燒改造，其中240.8萬(wàn)元用于改造全局28輛空調(diào)發(fā)電車(chē)、200萬(wàn)元改造蘭州車(chē)輛修配段和迎水橋機(jī)務(wù)段油庫(kù)系統(tǒng)。2009年10該項(xiàng)工程完工，并經(jīng)過(guò)試運(yùn)行后，投入使用。

5.1 柴油消耗及成本

兩個(gè)單位2009年11月至2010年3月的柴油使用情況見(jiàn)表1、2。

迎水橋機(jī)務(wù)段使用低燒燃油的數(shù)量為1 641t，相應(yīng)的節(jié)約價(jià)值為99.95萬(wàn)元。

表1 迎水橋機(jī)務(wù)段柴油使用情況

表2 蘭州車(chē)輛修配段發(fā)電車(chē)柴油使用情況

蘭州車(chē)輛修配段使用低燒燃油的數(shù)量為2 562 t，相應(yīng)的節(jié)約價(jià)值為199.6萬(wàn)元。

5.2 燃煤增加及成本

由于使用鍋爐熱源，相應(yīng)要增加鍋爐的燃煤消耗，經(jīng)測(cè)算，2009年11月至2010年3月間，增加煤炭消耗1 037 t，價(jià)值39.4萬(wàn)元。

5.3 投資回收期計(jì)算

440.8 /(99.95+199.6－39.4)=1.69(a)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不到二個(gè)使用周期就可以收回投資。回收期將隨著能源價(jià)格的變動(dòng)和柴油消耗量的增減會(huì)縮短或延長(zhǎng)。

2010年11月至2011年3月，蘭州車(chē)輛修配段實(shí)際消耗0#柴油 2 801 t，按0#柴油與 －20#柴油的平均差價(jià)720元計(jì)算，節(jié)省201.7萬(wàn)元;迎水橋機(jī)務(wù)段實(shí)際消耗 0#柴油 1 745 t，按0#柴油與－20#柴油的平均差價(jià)780元計(jì)算，節(jié)省136.1萬(wàn)元。合計(jì)節(jié)約298.4萬(wàn)元(201.7+136.1－39.4 =298.4)

6 結(jié)論

根據(jù)二個(gè)冬季低溫期的使用情況，利用鍋爐熱源改造的“燃油低燒”項(xiàng)目良好地解決了冬季使用低標(biāo)號(hào)柴油的技術(shù)難題，并避免了利用電加熱存在的電能消耗過(guò)大且存在安全隱患的問(wèn)題。投入運(yùn)行以來(lái)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常、安全可靠、效果良好;根據(jù)實(shí)際使用效果，不到二個(gè)使用周期就可以完全收回投資，經(jīng)濟(jì)效益突出，運(yùn)行成本低。而且有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)設(shè)計(jì)合理。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采取油罐“體外”加熱，即單獨(dú)設(shè)置換熱間對(duì)柴油進(jìn)行加熱。一是便于施工，大部分施工在油庫(kù)外進(jìn)行，不對(duì)庫(kù)內(nèi)油罐直接改造加熱，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)小;二是便于檢修，系統(tǒng)故障或定期檢修時(shí)，減少了庫(kù)內(nèi)作業(yè)量，既方便，又安全。

(2)簡(jiǎn)單高效。板式換熱器體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換熱效率高，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)即時(shí)的加熱。即冷介質(zhì)一旦流經(jīng)換熱器即可瞬間被加熱至所需溫度。

(3)運(yùn)行安全。采取兩級(jí)換熱器，實(shí)現(xiàn)柴油與鍋爐的物理隔離，安全系數(shù)高。在設(shè)備運(yùn)行中，可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)油、水管路壓力變化，防止了串液或滲漏問(wèn)題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)警功能，若油、水管道壓力或溫度超過(guò)設(shè)定的安全值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，強(qiáng)制停機(jī)。

(4)智能控制。系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了人工手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。

人工控制狀態(tài):在鍋爐房值班室安裝聲光告警裝置或直接采用電話(huà)聯(lián)系方式通知鍋爐房值班人員開(kāi)啟或關(guān)閉蒸汽閥門(mén)。自動(dòng)控制方式:利用水路啟動(dòng)循環(huán)或停止循環(huán)的水流量信號(hào)控制電動(dòng)閥的開(kāi)和關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)蒸汽或熱水的給、?？刂?柴油加熱可通過(guò)人機(jī)對(duì)話(huà)界面設(shè)定溫控條件，實(shí)現(xiàn)熱油循環(huán)泵自動(dòng)啟停。自動(dòng)控制更加簡(jiǎn)便可靠。

7 建議

(1)加強(qiáng)聯(lián)勞協(xié)作、密切配合。卸油、加熱、上油作業(yè)系統(tǒng)性較強(qiáng)，涉及鍋爐供熱單位、用油單位、油罐車(chē)調(diào)度和推送作業(yè)等三家單位，各單位要分工協(xié)作、密切配合，才能良好地完成卸油、給氣(水)加熱、上油等一套作業(yè)程序。

(2)健全規(guī)章制度、嚴(yán)格操作。由于油庫(kù)是防火防爆重點(diǎn)單位，作業(yè)工藝又需要各單位良好合作，為此要建立健全相應(yīng)的規(guī)章制度，明確各相關(guān)單位的職責(zé)和分工，嚴(yán)格按操作規(guī)程作業(yè)，使各單位作業(yè)環(huán)節(jié)接點(diǎn)和時(shí)間按順序推進(jìn);同時(shí)要加強(qiáng)管理、維護(hù)等工作，消除各種隱患，確保系統(tǒng)安全正常運(yùn)行。

［1］ 蘭州鐵路局科研技術(shù)監(jiān)督所.蘭州鐵路局燃油低燒改造實(shí)施方案設(shè)計(jì)［R］.2009.10.