鍋爐制造過(guò)程定型產(chǎn)品能效影響因素分析

李勇 趙彥杰 齊曉冰 呂瓊

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450016）

0 引言

作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中常見的動(dòng)力設(shè)備，工業(yè)鍋爐被廣泛應(yīng)用于化工、食品等生產(chǎn)生活領(lǐng)域中。目前，我國(guó)工業(yè)鍋爐以煤（大型發(fā)電用）和石油天然氣（生產(chǎn)生活用）為主要能量來(lái)源，其在燃燒過(guò)程中會(huì)排放大量的CO2、NOx、SOx以及粉塵等污染物，從而造成嚴(yán)重的大氣污染。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效和打贏大氣污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)，國(guó)家對(duì)包括工業(yè)鍋爐在內(nèi)的多種高能耗特種設(shè)備實(shí)行安全監(jiān)察與節(jié)能監(jiān)管相結(jié)合的管理機(jī)制。近年來(lái)，國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列的法律法規(guī)和安全技術(shù)規(guī)范，針對(duì)設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造和維修、使用管理、檢驗(yàn)檢測(cè)和能效測(cè)試、監(jiān)督管理等環(huán)節(jié)做出具體的強(qiáng)制性規(guī)定，推進(jìn)對(duì)燃煤散燒的綜合治理，推動(dòng)燃?xì)忮仩t替代燃煤鍋爐的進(jìn)程，各項(xiàng)工作均取得較大成效［1-3］。

通過(guò)對(duì)工業(yè)鍋爐煤改氣工作的推進(jìn)，目前普遍使用的是燃?xì)夤I(yè)鍋爐。燃?xì)夤I(yè)鍋爐具有污染物排放量少、熱效率和自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，但也存在排煙溫度、過(guò)量空氣系數(shù)及可燃物含量超標(biāo)的缺點(diǎn)，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)浪費(fèi)大量的能源。在使用過(guò)程中，燃?xì)忮仩t內(nèi)部會(huì)因受熱變化、外部保溫及環(huán)境改變等造成排煙溫度升高、可燃物含量超標(biāo)增多等，從而導(dǎo)致鍋爐的熱效率降低。有研究表明，當(dāng)排煙溫度在165～205 ℃時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)每降低0.1，排煙熱損失可降低0.48%～0.61%［4-5］。

本研究通過(guò)對(duì)73 臺(tái)燃?xì)夤I(yè)鍋爐進(jìn)行定型產(chǎn)品能效測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)可能影響燃?xì)夤I(yè)鍋爐熱效率的因素進(jìn)行分析，從而找出影響燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效的因素，在提高燃?xì)忮仩t熱效率的同時(shí)，促進(jìn)節(jié)能減排工作的推進(jìn)。

1 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試儀器

測(cè)試人員可根據(jù)試驗(yàn)大綱的要求來(lái)布設(shè)測(cè)點(diǎn)、配齊測(cè)試儀表，并對(duì)儀表進(jìn)行測(cè)試前的核查，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)對(duì)被測(cè)鍋爐及其系統(tǒng)進(jìn)行檢查，測(cè)試前要對(duì)鍋爐及系統(tǒng)進(jìn)行檢查，這是為了確保被測(cè)鍋爐及系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。本研究測(cè)試點(diǎn)的布置圖見圖1，圖中的1至12為本研究所選取的測(cè)試點(diǎn)。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

2 測(cè)試內(nèi)容與計(jì)算方法

2.1 測(cè)試內(nèi)容

鍋爐的熱效率是指同一時(shí)間內(nèi)鍋爐有效利用熱量與輸入熱量的百分比。根據(jù)熱平衡原理，鍋爐熱效率可通過(guò)正反平衡法求得。

2.1.1 正平衡法。該方法是通過(guò)直接測(cè)量輸入熱量和輸出熱量來(lái)確定效率。其測(cè)量項(xiàng)目有入爐燃料采樣的工業(yè)分析、元素成分分析以及發(fā)熱量、蒸汽鍋爐輸出蒸汽量（熱水鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐的介質(zhì)循環(huán)流量）、自用蒸汽量，蒸汽取樣量，鍋水取樣量、排污量（連續(xù)排污量，要計(jì)入鍋水取樣量）、蒸汽鍋爐的給水溫度和給水壓力、熱水鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐的進(jìn)出口介質(zhì)溫度、過(guò)熱蒸汽溫度、蒸汽鍋爐的蒸汽壓力（熱水鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐的進(jìn)、出口介質(zhì)壓力）、飽和蒸汽濕度或過(guò)熱蒸汽品質(zhì)、燃料消耗量和電加熱鍋爐耗電量以及試驗(yàn)開始到結(jié)束的時(shí)間。

2.1.2 反平衡法。該方法是通過(guò)測(cè)量各種燃燒產(chǎn)物熱損失和鍋爐散熱損失來(lái)確定效率。按反平衡法進(jìn)行能效測(cè)試時(shí)，測(cè)試的項(xiàng)目包括入爐燃料采樣的工業(yè)和元素成分分析以及發(fā)熱量、排煙溫度、排煙處煙氣成分、爐渣和漏煤的重量、爐渣和漏煤以及飛灰可燃物含量、入爐冷空氣溫度、試驗(yàn)開始到結(jié)束的時(shí)間。

測(cè)試前要根據(jù)被測(cè)試設(shè)備的具體狀況來(lái)制定測(cè)試大綱，包括測(cè)試任務(wù)、目的與要求、測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)布置（見圖1）與所需儀表、人員組織與分工、工作程序、注意事項(xiàng)等［6］。測(cè)試內(nèi)容詳見表1。

表1 測(cè)試內(nèi)容

燃?xì)夤I(yè)鍋爐的能效測(cè)試包括排煙溫度tpy、排煙處過(guò)量空氣系數(shù)αpy、排煙處CO的含量、入爐冷空氣溫度tlk、排煙處RO2含量、爐體外表面溫度以及測(cè)試開始和結(jié)束的時(shí)間［7-8］。

燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效測(cè)試采用正反平衡法，每次測(cè)試的正反平衡效率差要小于或等于1%，測(cè)量項(xiàng)目要符合《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》［9］、《鍋爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)程》［10］中的有關(guān)要求，排煙溫度、排煙處過(guò)量空氣系數(shù)、排煙處CO 含量按測(cè)量到的數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值作為計(jì)算數(shù)值。

在室內(nèi)設(shè)計(jì)中靈活的應(yīng)用人性化設(shè)計(jì)理念，可以提升用戶的視覺(jué)、觸覺(jué)、審美等多方面的體驗(yàn)。建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)公司在其室內(nèi)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)中應(yīng)該主動(dòng)積極地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)的應(yīng)用原則與應(yīng)用規(guī)范，靈活的應(yīng)用“人性化”的設(shè)計(jì)理念，從而較好的滿足用戶需求，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 計(jì)算方法

按《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，采用正平衡法測(cè)試單一工質(zhì)飽和蒸汽鍋爐輸入熱量，計(jì)算公式見式（1）。

式中：Qin為輸入熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qnet.v.ar為收到基低位發(fā)熱值，kJ/kg；Qex為加熱燃料或外來(lái)熱量，kJ/kg 或kJ/m3；Qf為燃料物理熱，kJ/kg或kJ/m3；Qpu為自用蒸汽代入熱量，kJ/kg或kJ/m3。

飽和蒸汽鍋爐熱效率的計(jì)算公式見式（2）。

式中：η1為正平衡效率，%；Dfw為給水流量，kg/h；γ為汽化潛熱，kJ/kg；ω為飽和蒸汽濕度，%；GHum為測(cè)定蒸汽濕度時(shí)鍋水取樣量，kg/h；B為燃料消耗量，kg/h或m3/h。

采用反平衡法來(lái)測(cè)量單一工質(zhì)飽和蒸汽鍋爐熱效率，計(jì)算公式見式（3）。

式中：η2為反平衡熱效率，%；q2為排煙熱損失，%；q3為氣體不完全燃燒熱損失，%；q4為固體不完全燃燒熱損失，%；q5為散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%；q7為石灰石脫硫熱損失，%。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

對(duì)表3 中的定型產(chǎn)品能效測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，并抽取不同出力的鍋爐數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行繪圖分析，如圖2所示。

圖2 鍋爐出力與平均熱效率

由圖2 可以看出，隨著制造工藝的提升，燃?xì)夤I(yè)鍋爐定型產(chǎn)品的熱效率得到顯著提高，且隨著鍋爐出力的提高，鍋爐熱效率無(wú)顯著提升或降低，如圖3所示。

圖3 鍋爐出力與排煙溫度

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，排煙損失q2是鍋爐熱損失的主要部分，排煙溫度過(guò)高容易導(dǎo)致燃料燃燒產(chǎn)生的熱量不能充分利用，不但浪費(fèi)了燃料，還使鍋爐的熱效率降低。造成排煙溫度過(guò)高的因素有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、受熱面不足、隔熱層破損、煙氣短路、受熱面外部積灰內(nèi)部結(jié)垢等［11］。

由圖3 可以看出，隨著鍋爐出力的增大，排煙溫度整體呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著鍋爐出力的增大，設(shè)計(jì)制造時(shí)更加注重?zé)嵝实挠绊?，?huì)采取適當(dāng)增大鍋爐受熱面、增加尾部節(jié)能器等措施，在降低排煙溫度的同時(shí)，提高鍋爐效率［12］。

過(guò)量空氣系數(shù)是影響工業(yè)鍋爐熱效率的一個(gè)重要因素，過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)低或過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致燃料燃燒不充分，從而造成燃料未完全燃燒，導(dǎo)致鍋爐的熱效率降低［13］，如圖4所示。

圖4 鍋爐出力與過(guò)量空氣系數(shù)

由表2 和圖4 可以看出，目前燃?xì)夤I(yè)鍋爐的過(guò)量空氣系數(shù)波動(dòng)較小，一般都在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，這是因?yàn)槿細(xì)夤I(yè)鍋爐的結(jié)構(gòu)緊湊、包裝相對(duì)嚴(yán)密、漏風(fēng)較少。過(guò)量空氣系數(shù)受燃燒機(jī)調(diào)試效果的影響，可通過(guò)選取匹配合理的燃燒機(jī)及對(duì)燃燒機(jī)進(jìn)行調(diào)試等措施，降低過(guò)量空氣系數(shù)。

在排煙系統(tǒng)中，未完全燃燒的可燃?xì)怏w（氫氣、一氧化碳、甲烷等）會(huì)帶走一部分熱量。按照相關(guān)規(guī)定中的要求，氣體未完全燃燒熱損失q3可根據(jù)排煙處CO 的含量按經(jīng)驗(yàn)選取，由表2 可知，燃?xì)夤I(yè)鍋爐氣體未完全燃燒熱損失數(shù)量很小，排煙處的CO含量一般都在100 ppm以下，這與燃?xì)忮仩t微正壓燃燒及燃燒機(jī)性能的提高等有很大關(guān)系［14-15］，如圖5所示。

圖5 出力與氣體未完全燃燒熱損失

4 燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效影響因素及節(jié)能措施

4.1 燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效的影響因素

對(duì)燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效產(chǎn)生顯著影響的因素有排煙溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、氣體未完全燃燒及散熱等，這些因素產(chǎn)生的原因如下。

4.1.1 排煙溫度。由于鍋爐設(shè)計(jì)的受熱面積不足、受熱面布置不當(dāng)、傳熱效果不良，導(dǎo)致燃料燃燒后產(chǎn)生的熱量不能完全被工質(zhì)吸收；尾部換熱器選型較小，導(dǎo)致?lián)Q熱面積不足、換熱效果不佳；爐墻損壞，煙氣短路，導(dǎo)致煙氣未與受熱面充分接觸換熱。

4.1.2 排煙處過(guò)量空氣系數(shù)。燃燒器選項(xiàng)不當(dāng)，使送風(fēng)量過(guò)大，導(dǎo)致過(guò)量空氣系數(shù)增大；鍋爐的保溫密封不嚴(yán)，導(dǎo)致鍋爐本體部位漏風(fēng)；空氣預(yù)熱器等尾部受熱面部位存在漏風(fēng)的情況。

4.1.3 氣體未完全燃燒。爐膛容積較小，煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間短，導(dǎo)致可燃?xì)怏w未燃盡；過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)小，可燃?xì)怏w得不到充足的氧氣，從而無(wú)法完全燃燒；過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)溫度降低，不利于燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，同樣也會(huì)導(dǎo)致氣體未完全燃燒的熱損失增大。

4.1.4 散熱損失。鍋爐外表面積大小；鍋爐外保溫材料及包覆效果。

4.2 提高在用鍋爐節(jié)能的措施

4.2.1 控制過(guò)量空氣系數(shù)。通過(guò)合理調(diào)節(jié)配風(fēng)比和爐排風(fēng)室密封來(lái)減少串風(fēng)、增設(shè)變頻器或更換風(fēng)機(jī)等，將過(guò)量空氣系數(shù)控制在最佳的范圍內(nèi)。

4.2.2 控制排煙溫度。降低排煙溫度是鍋爐節(jié)能的重要途徑。對(duì)正在使用的鍋爐，可增加尾部受熱面來(lái)降低排煙溫度。

4.2.3 做好鍋爐給水軟化處理工作，避免或減少受熱面結(jié)垢。由于水垢導(dǎo)熱系數(shù)低，熱阻大，傳熱會(huì)受到影響，從而使煤耗增加。因此，要保證受熱面不結(jié)水垢。一是要加強(qiáng)水質(zhì)處理從而保證不結(jié)垢，二是當(dāng)受熱面結(jié)垢達(dá)到一定程度時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行清除。

4.2.4 提高鍋爐運(yùn)行管理及操作水平。根據(jù)資料顯示，無(wú)須其他技術(shù)措施，僅通過(guò)改善管理就能提高5%～10%的工作效率。同樣型號(hào)的鍋爐，不同人員進(jìn)行操作、調(diào)節(jié)與控制，鍋爐的消耗也是不一樣的，所以要強(qiáng)化鍋爐運(yùn)行管理及提高相關(guān)人員的操作水平。

4.2.5 加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)和相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定各項(xiàng)控制指標(biāo)，為鍋爐安全高效的運(yùn)行提供依據(jù)。有條件的應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，便于隨時(shí)調(diào)整燃料量、風(fēng)量、水位、汽壓、汽溫、爐膛溫度、排煙溫度、過(guò)量空氣系數(shù)等，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐的安全、高效運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

從鍋爐型式來(lái)說(shuō)，目前我國(guó)已形成能適應(yīng)國(guó)情和滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的、較完整的產(chǎn)品規(guī)格體系。鍋爐本體型式早已成熟，今后工業(yè)鍋爐行業(yè)的發(fā)展主要是隨著燃料的變化、環(huán)保要求的提高及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，而帶來(lái)燃燒方式和燃燒設(shè)備的改進(jìn)、配套輔機(jī)附件的提高，以及檢測(cè)和自動(dòng)控制水平的完善提高。技術(shù)上將迎來(lái)一個(gè)精耕細(xì)作的過(guò)程，要著眼于從有到優(yōu)、從整體到細(xì)節(jié)、從單機(jī)到系統(tǒng)的全生命周期的優(yōu)化提升，著眼于對(duì)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的理論提升和實(shí)證研究。