提高燃氣鍋爐熱效率的解決方案

葉 華 上海克勒機電設備有限公司

張權(quán)良 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所

1 提高燃氣鍋爐熱效率的一個新的方法

燃煤鍋爐因?qū)Υ髿馕廴緡乐囟谑褂蒙鲜艿较拗?，不少燃煤鍋爐正在被燃油燃氣鍋爐所取代。但我國部分燃油燃氣鍋爐還存在燃燒效率低，自動化程度低，尚未完全達到清潔能源利用的高效和環(huán)保。

如何進行節(jié)能技術(shù)改造，實現(xiàn)最佳燃燒，提高鍋爐熱效率？對燃油燃氣鍋爐而言，燃燒器是鍋爐燃燒系統(tǒng)的核心部件, 合理組織燃燒器燃燒過程，正確控制燃燒器燃料量與空氣量的配比，在充分燃燒的條件下，使助燃空氣以最小限量超過理論空氣量，也就是使過量空氣系數(shù)最小是重要內(nèi)容。

選用美國霍尼韋爾公司生產(chǎn)的“ControLinks空氣燃料電子比例調(diào)節(jié)裝置”，取代原燃燒器的“凸輪連桿的機械調(diào)節(jié)裝置”就是一個有經(jīng)濟效益和持續(xù)有效解決問題的方案。

2 機械凸輪連桿調(diào)節(jié)與 ControLinks空氣/燃料電子比例調(diào)節(jié)裝置性能對比

圖1 凸輪連桿空燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

2.1 機械凸輪連桿調(diào)節(jié)方式

（1） 結(jié)構(gòu)原理（見圖1）：

燃油（燃氣）／空氣比例調(diào)節(jié)器：空氣和燃油（燃氣）供給量由負荷控制器指令伺服電機驅(qū)動聯(lián)動的閥門進行調(diào)節(jié)。

燃燒器中裝有空氣調(diào)節(jié)擋扳和伺服馬達，根據(jù)其負荷量自動調(diào)節(jié)伺服馬達，伺服馬達通過凸輪、連桿，調(diào)節(jié)軸向連接的燃油（燃氣）流量調(diào)節(jié)器。

油氣燃燒器這樣連續(xù)根據(jù)負荷實現(xiàn)按空燃比調(diào)節(jié)，在整個功率范圍內(nèi)的燃料與空氣量的配合都是聯(lián)動調(diào)節(jié)的,空氣量與燃料量的變化基本同步。

（2）存在問題：

1）由于機械聯(lián)動系統(tǒng)由一個底座式執(zhí)行器同時控制助燃空氣和燃料的配比，受結(jié)構(gòu)上的局限，難以獲得整個燃料/空氣的曲線成比例。

2）典型的機械連接系統(tǒng)利用同樣的控制點控制關(guān)閉和低火，導致燃燒效率降低。但有的燃燒器可以工作在低火狀態(tài)下，而不需要關(guān)閉燃燒器，也可保證系統(tǒng)正常工作。

3）對于任何機械系統(tǒng)，隨著時間的推移，由于精密部件磨損和損耗轉(zhuǎn)移，結(jié)果將會導致?lián)p害燃料空氣比和燃燒效率。

燃料空氣曲線的偏移并且降低整個系統(tǒng)的最佳性能，影響燃料空氣比和燃燒效率。

2.2 美國霍尼韋爾公司推出的ControLinks 非機械連桿式空燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)

（1）結(jié)構(gòu)原理：

ControLinks非機械連桿式空燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖見圖2。

1）ControLinks 燃料空氣比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一套基于微處理器的可以同時控制2到4套執(zhí)行器系統(tǒng)與全比調(diào)燃燒器協(xié)同工作，執(zhí)行器可控制一次和二次燃料閥的位置以及助燃空氣調(diào)節(jié)門和FGR系統(tǒng)。

圖2 ControLinks 非機械連桿式空燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

2）二個或三個獨立的執(zhí)行機構(gòu)通用并行定位（UPPAs）取代單一執(zhí)行器使用的機械凸輪和連桿系統(tǒng)，在空燃曲線上可設置多達24個點位，獨立的助燃空氣控制、獨立的主燃料控制。由ControLinks控制器指揮UPPAs，響應負載和燃燒速度的要求。

3）全套裝置有1個主控制器、2個或3個執(zhí)行器、系統(tǒng)控制面板等組成。

（2）三種調(diào)節(jié)系統(tǒng)空燃比（開度）曲線比較（見圖3）。

圖3 三種調(diào)節(jié)系統(tǒng)燃燒曲線比較

從以上曲線可以看出ControLinks調(diào)節(jié)曲線（灰色）在傳統(tǒng)機械連桿調(diào)節(jié)曲線（紅色）的左側(cè)，也就是說由于電子調(diào)節(jié)曲線中每個功率負荷點，其風量、燃料量都能單獨精確調(diào)整，所以每個點過?？諝饬啃?，總的空氣量就小，鍋爐熱效率就較高。而傳統(tǒng)機械連桿調(diào)節(jié)曲線調(diào)整時要反復調(diào)，可能高負荷點調(diào)好了，低負荷點可能又偏了，最后只能總體上把空氣量調(diào)大些，用一個執(zhí)行器只能對負荷各點的空氣/燃料比進行粗略調(diào)整。

使用霍尼韋爾的ControLinks鍋爐燃料-空氣燃燒控制系統(tǒng)是主要的一個節(jié)能手段。ControLinks將由微處理器控制的末端設備放到高耗能的燃氣、燃油、空氣等管路的執(zhí)行器連桿上。這樣就實現(xiàn)了針對每臺燃燒器都可以獨立的全比例調(diào)節(jié)，從而降低能耗。

3 空氣/燃料電子比例調(diào)節(jié)裝置應用

可口可樂（湖北）飲料有限公司鍋爐上的應用：上?？死諜C電設備有限公司在2013年6月，對可口可樂（湖北）飲料有限公司二臺6t/h鍋爐中的一臺1#爐進行節(jié)能改造；在不改變該鍋爐原有燃燒狀況的情況下，在燃氣管道閥門及風門調(diào)節(jié)處，分別安裝美國霍尼韋爾公司生產(chǎn)的ControLinks空氣燃料電子比例調(diào)節(jié)裝置。這是一套基于微處理器的控制系統(tǒng)，可以同時控制2-4套執(zhí)行器與全比例調(diào)節(jié)燃燒器協(xié)同工作。執(zhí)行器可控制主要和次要燃料閥的位置、助燃空氣調(diào)節(jié)風門和可選擇的煙氣循環(huán)控制（FGR）。該系統(tǒng)由R7999主控制器、Q7999A底座以及ML7999A執(zhí)行器組成。它有4個獨立的執(zhí)行機構(gòu)通用并行定位器（UPPAs），取代了使用單一執(zhí)行器的機械凸輪和連桿系統(tǒng)，實現(xiàn)了天然氣與助燃空氣的高精度電子比例調(diào)節(jié)。

武漢東風本田汽車烘烤車間的燃氣燃燒器上也有類似應用。

4 節(jié)能效益分析

（1）可口可樂（湖北）飲料有限公司燃氣鍋爐調(diào)節(jié)裝置改造

1）第三方能效測試。

在安裝該裝置前、后，由第三方能效測試權(quán)威機構(gòu)分別對該鍋爐進行了檢測，根據(jù)測試報告數(shù)據(jù)進行計算。

安裝前：煙氣中氧含量為5.59%、一氧化碳含量為27PPM、過?？諝庀禂?shù)為1.35。排煙熱損失8.742%，鍋爐熱效率89.98%。

安裝后：煙氣中氧含量為2.7%、 一氧化碳含量為24PPM、過?？諝庀禂?shù)為1.148。排煙熱損失4.929%,鍋爐熱效率92.47%。

安裝ControLinks空氣燃料電子比例調(diào)節(jié)裝置后，鍋爐熱效率提高2.49%

2）能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算。

為了認證該產(chǎn)品的確實可行性，6月9日安裝調(diào)試完畢，取6月11日至7月10日共30天的天然氣耗氣量數(shù)據(jù)與2012年同期對比，節(jié)約天然氣4.4%（夏季）。

（2）武漢東風本田汽車烘烤車間的燃氣燃燒器上應用，改造前每m3天然氣原來烘烤7個車架，改造后提高到現(xiàn)在烘烤12個車架左右，其節(jié)能率在7%左右。

由于燃燒的燃料/空氣配比獨立調(diào)整，必然是最大化燃燒效率和減少燃料消耗，節(jié)約能源一般在 2%～6% ，甚至更高。通常改造的費用將在一年左右的時間收回。

5 空氣燃料電子比例調(diào)節(jié)裝置的特點與應用對象

（1）特點：

1）具有助燃空氣及燃氣流量獨立調(diào)節(jié)能力；

2）通過設定燃燒曲線上24個最佳燃燒點，使效率一直保持最高；

3）減少調(diào)試時間；

4）維護相當簡單；

5）人性化且友好的人機界面（HMI）；

6）控制功能有如下特點：

①非機械連桿系統(tǒng)電子控制更精確；

②獨立并行的執(zhí)行機構(gòu)通用并行調(diào)節(jié)器（UPPAs）；

③執(zhí)行器位置調(diào)節(jié)精度：±0.1°；

④獨特的燃燒曲線可實現(xiàn)最高燃燒效率。

（2）應用對象：

1）在天然氣或燃油鍋爐及燃燒器上應用；

2）燃燒器功率在1400kW～7000kW、鍋爐容量在2 t/h～10 t/h （蒸汽鍋爐）；

3）使用傳統(tǒng)機械連桿系統(tǒng)（改造項目）；

4）燃燒系統(tǒng)連續(xù)運行（節(jié)能效果將更明顯）。

6 結(jié)束語

空氣燃料電子比例調(diào)節(jié)裝置是自控水平高、精度高、高效節(jié)能的優(yōu)化產(chǎn)品性能的新枝術(shù)。在當前大力推進燃油燃氣鍋爐應用中，是一個投資少、回報快，能為用戶單位降低能源成本，提高經(jīng)濟效益的節(jié)能改造項目。