鍋爐熱效率計算方法的一點(diǎn)商榷

上海投資咨詢公司 何承堯

一看到本文的標(biāo)題，或許有讀者會問：鍋爐的排煙溫度與能量守恒定律，看似是風(fēng)馬牛不相及的兩件事，為何湊到一塊兒來了。這緣于筆者前不久參加了某種型號鍋爐申報節(jié)能產(chǎn)品的評審，有檢測單位為此鍋爐提供的熱效率測試報告稱：該鍋爐的排煙溫度為60℃～70℃，其熱效率高達(dá)百分之一百零幾！參加評審的一些專家認(rèn)為這是不可能的，因?yàn)樗`反了能量守恒定律，而另外有專家認(rèn)為：按鍋爐測試規(guī)程是可能出現(xiàn)鍋爐熱效率大于百分之百的。孰是孰非，筆者認(rèn)為有必要進(jìn)行思索和研討。

1 能量守恒定律與熱平衡基本概念

能量守恒定律（又可稱為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律）是宇宙間的基本定律，對一切現(xiàn)象都適用。它可表述為：對一個封閉系統(tǒng)而言，不論系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生何種具體的變化，該系統(tǒng)變化前后的能量必然保持不變。也可表述為：各種形式的能量可以互相轉(zhuǎn)換，能量在轉(zhuǎn)換過程中，既不能創(chuàng)造，也不能消滅，轉(zhuǎn)換前后其總量保持不變。

熱能是能量的表現(xiàn)形式之一。運(yùn)用能量守恒定律來分析熱力學(xué)現(xiàn)象，就得出了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第一定律論證了熱和功可以互相轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換前后總量是相當(dāng)?shù)?。熱力學(xué)第二定律則可表述為：熱能不可能自動地從冷物體傳遞給熱物體，亦即熱機(jī)的熱效率永遠(yuǎn)小于100%。

能量平衡（簡稱能平衡）即運(yùn)用熱力學(xué)定律考察一個體系（包括：設(shè)備、裝置、系統(tǒng)或企業(yè)、單位等）的輸入能量與有效利用能量及損失能量之間的平衡關(guān)系。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，輸入能量必然等于有效利用能量與損失能量之和。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱能不可能百分之百被有效利用，即損失能量不可能為零，其能量利用率不可能為100%，一定會小于100%。

2 鍋爐的熱效率

鍋爐的熱效率包括鍋爐的毛效率和凈效率。鍋爐的毛效率是僅考察鍋爐本身所消耗燃料的有效利用率，而鍋爐的凈效率則不僅考慮鍋爐本身所消耗的燃料，而且須考慮鍋爐附屬設(shè)備（如：送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、水泵等）的能耗，并扣除鍋爐排污、蒸汽吹灰等鍋爐自身消耗的熱量之后，所計算出來的有效利用率。很顯然，鍋爐的凈效率小于鍋爐的毛效率，但通常為了方便，只關(guān)注鍋爐的毛效率。

按照鍋爐測試的方法，鍋爐熱效率又可分為鍋爐正平衡熱效率和反平衡熱效率。鍋爐正平衡熱效率是測算有效利用能量占輸入能量的份額，而鍋爐反平衡熱效率則測算：100%減去鍋爐各項(xiàng)熱損失所占的份額之后所得出的有效利用率。顯然，鍋爐反平衡熱效率由于不可避免的各項(xiàng)熱損失客觀存在，故一定會小于100%。

3 問題的癥結(jié)

通過上述簡單地重溫理論，不難發(fā)現(xiàn)：上述鍋爐熱效率測出大于100%顯然是錯誤的，因其違背了能量守恒定律、熱力學(xué)定律、熱平衡原理及鍋爐熱效率測試原理，無論如何是不應(yīng)該出現(xiàn)的，可為什么按現(xiàn)有鍋爐測試規(guī)程竟然出現(xiàn)了呢？讓我們再深入地進(jìn)行分析。

鍋爐熱效率測試中，它的輸入能量采用的是低位發(fā)熱量，而排煙溫度為60-70℃（已低于該蒸汽分壓下的露點(diǎn)），在此溫度下，燃燒產(chǎn)物（煙氣）中的水蒸氣已經(jīng)釋放出凝結(jié)熱，并通過煙氣余熱回收裝置予以回收，熱平衡計算將這部分回收熱量算作有效利用的能量，而輸入能量因采用低位發(fā)熱量卻未能計入水蒸氣的凝結(jié)熱，看起來平衡的熱平衡方程式實(shí)際上是不平衡的，以致得出該鍋爐熱效率大于100%的錯誤結(jié)論。

筆者認(rèn)為有必要闡明燃料低位發(fā)熱量QYDW和高位發(fā)熱量QYgW的區(qū)別及應(yīng)用條件。

低位發(fā)熱量QYDW是燃料完全燃燒，且燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在時所發(fā)出的熱量。

高位發(fā)熱量QYgW是燃料完全燃燒，且燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣凝結(jié)為水時所發(fā)出的熱量。

顯然，在鍋爐熱平衡測試時，對于排煙溫度較高、燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在的情況，輸入能量應(yīng)采用燃料的低位發(fā)熱量QYDW，而對于排煙溫度已低于該狀態(tài)下露點(diǎn)，燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣凝結(jié)為水的情況，則應(yīng)該采用燃料的高位發(fā)熱量QYgW作為輸入能量，否則測試的結(jié)果必然是錯誤的。

高位發(fā)熱量QYgW比低位發(fā)熱量高，其差值即為燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣凝結(jié)時所放出的凝結(jié)熱，表達(dá)式為：

式中：r——水蒸氣的凝結(jié)熱

WH2O——燃燒產(chǎn)物中水蒸氣的相對量能量守恒定律、熱力學(xué)定律歷經(jīng)數(shù)百年社會活動的實(shí)踐證明是顛撲不破的真理，而鍋爐熱平衡測試規(guī)程是依據(jù)上述定律的原理，在一定時間、一定條件下的具體應(yīng)用方法，它的應(yīng)用是有前提的，即不能違背上述定律的原理，它的應(yīng)用是有條件的，如果條件變化了，就必須根據(jù)上述定律的原理作相應(yīng)的調(diào)整，決不能不顧客觀規(guī)律，生搬硬套而得出錯誤的結(jié)論。

事實(shí)上，要解決此問題并不難，只要將燃料的高位發(fā)熱量作為輸入能量即可，而燃料的高位發(fā)熱量可進(jìn)行實(shí)測，也可根據(jù)燃料的成分分析結(jié)果，用經(jīng)驗(yàn)公式計算。

4 鍋爐的排煙溫度是否越低越好

對于鍋爐的排煙溫度是否越低越好這一問題，筆者認(rèn)為不能一概而論，而應(yīng)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會的全面綜合分析。

從技術(shù)角度看，為了回收煙氣的余熱，必須增加鍋爐尾部受熱面，從而增加煙道中煙氣流通的阻力，也就必須增加鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)及回收熱水的水泵電耗。同時由于煙氣溫度的降低，減少了煙囪中煙氣的自拔風(fēng)力，這就會進(jìn)一步增加鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的電耗。在此我們必須權(quán)衡能量的得與失，得到的是數(shù)十℃的熱水，而付出的是鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)及水泵增加的電耗，得失大小要心中有數(shù)。如本文前面所述，通常我們只考慮鍋爐的毛效率，而未考慮鍋爐的 凈效率，而鍋爐的附屬設(shè)備耗能不小，且多為用電設(shè)備，而電是寶貴的二次能源，能源的投入產(chǎn)出賬是應(yīng)該算清楚的，不然，看似鍋爐的毛效率提高了一點(diǎn)，而鍋爐的凈效率卻反而損失了，最后仍得不償失。

從經(jīng)濟(jì)角度看，為了回收煙氣的余熱，必須增加鍋爐尾部受熱面，由于煙氣溫度的進(jìn)一步降低，換熱器的溫差減小，因而為了回收同數(shù)量的熱量，必須加大換熱器的面積，當(dāng)然也相應(yīng)增加回收熱水的水泵投資。這里就必須算一算經(jīng)濟(jì)賬，所投入的是這些裝置、設(shè)備的投資以及鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)及水泵增加的用電費(fèi)用，所得到的是回收的熱水，所投入的資金多少時間可回收回來？經(jīng)濟(jì)上也應(yīng)做到得大于失才行。

從社會角度看，鍋爐屬于壓力容器設(shè)備一類，其安全性必須高度重視。鍋爐排煙溫度降得過低，如低于當(dāng)時條件下的露點(diǎn)時，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)為水，而煙氣中的酸性氣體將溶于水而形成酸，對于鍋爐尾部受熱面、引風(fēng)機(jī)、煙道及煙囪會造成腐蝕，即使鍋爐尾部受熱面可采用防腐材料（如不銹鋼）制成，但代價昂貴，而引風(fēng)機(jī)、煙道、煙囪等不可能全部采用防腐材料，仍舊存在腐蝕的可能，會造成安全隱患。腐蝕是一個漸進(jìn)的，較為緩慢發(fā)展的過程，不是一兩次熱工測試可以發(fā)現(xiàn)的，而要進(jìn)行相當(dāng)一段時間的“掛片試驗(yàn)”進(jìn)行觀察、分析、測量，方可得出結(jié)論。鍋爐系通用級設(shè)備，應(yīng)用廣泛，量大面廣，而安全性是第一位的，進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造不可不慎重。

總之，筆者認(rèn)為，鍋爐排煙溫度須從上述三方面進(jìn)行全面、綜合的分析后，才能下結(jié)論，不可輕易斷言越低越好。

以上是筆者根據(jù)經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典熱力學(xué)的原理，對鍋爐熱效率及鍋爐排煙溫度所作的思考、分析，切盼業(yè)內(nèi)專家不吝賜教。