高海拔地區(qū)燃?xì)忮仩t過(guò)量空氣系數(shù)的選取

曹生寧,續(xù)晨帆,趙亞潔,張生旺,于吉明,王玉濤

(1.青海省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院,青海 西寧 810000;2.青海鹽湖元品化工有限責(zé)任公司,青海 海西 816099;3.青海匯信資產(chǎn)管理有限責(zé)任公司,青海 格爾木 816000;4.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029)

0 引言

2013年國(guó)務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》十條措施,成為全國(guó)大氣污染防治工作的行動(dòng)指南,國(guó)家“十三五”期間將能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和改革作為重要項(xiàng)目,“煤改氣”清潔能源改革政策隨之落地[1-8]。郝慶在《淺談高原條件下小型燃油鍋爐過(guò)量空氣系數(shù)的選擇》[9]一文以燃油鍋爐為對(duì)象做過(guò)相關(guān)研究,但國(guó)內(nèi)鮮有燃?xì)忮仩t相關(guān)研究?jī)?nèi)容。在鍋爐行業(yè)對(duì)燃?xì)忮仩t替代燃煤鍋爐成為清潔能源使用的主流,近年燃?xì)忮仩t使用量逐年增加,由于燃?xì)忮仩t運(yùn)行成本較高,鍋爐熱效率也備受關(guān)注。本文開(kāi)展高原地區(qū)鍋爐過(guò)量空氣系數(shù)的選取研究,對(duì)高海拔地區(qū)鍋爐高效運(yùn)行具有重要意義。

1 高原地區(qū)燃?xì)忮仩t熱效率現(xiàn)狀

燃?xì)忮仩t在高原地區(qū)(海拔高、氣壓低)運(yùn)行中普遍存在著不完全燃燒、出力不足、熱效率低等問(wèn)題,實(shí)踐證明,按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(海拔高度0 m,大氣壓力101. 3 kPa)設(shè)計(jì)的鍋爐,如果不采取相應(yīng)的改進(jìn)措施,鍋爐的運(yùn)行工況必然受到影響。2020～2021年,測(cè)試組在青海省內(nèi)對(duì)80臺(tái)燃?xì)忮仩t進(jìn)行了鍋爐能效測(cè)試,通過(guò)數(shù)據(jù)分析,有近三分之一的鍋爐運(yùn)行效率不滿足TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》第一號(hào)修改單中鍋爐產(chǎn)品熱效率限定值的要求。鍋爐使用過(guò)程中,過(guò)量空氣系數(shù)均無(wú)法達(dá)到合理數(shù)值。

2 過(guò)量空氣系數(shù)

過(guò)量空氣系數(shù)是實(shí)際空氣量與理論空氣量之比,在理論空氣量的條件下,燃?xì)馊紵麟y于保證天然氣與空氣完全混合燃燒,為了使天然氣盡可能的完全燃燒,實(shí)際供給空氣量大于理論空氣量。過(guò)量空氣系數(shù)大小會(huì)影響鍋爐能效水平。

3 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)鍋爐效率的影響

鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,煙氣中的過(guò)量空氣系數(shù)在TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中規(guī)定,正壓燃油(氣)鍋爐,過(guò)量空氣系數(shù)不大于1.15。青海省內(nèi)測(cè)試燃?xì)忮仩t均為正壓鍋爐,在使用過(guò)程中有70%的鍋爐超過(guò)了規(guī)程中的規(guī)定。過(guò)量空氣系數(shù)增加,進(jìn)入爐膛的冷空氣增多,可以使燃料更加充分燃燒,但過(guò)量空氣降低了爐膛內(nèi)煙氣溫度,使?fàn)t膛內(nèi)輻射換熱效果減弱,對(duì)流換熱區(qū)域由于煙氣量增大,煙氣流速增加,對(duì)流換熱效果增強(qiáng)。過(guò)量空氣系數(shù)的大小,對(duì)鍋爐運(yùn)行效率有直接影響。

3.1 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)輻射換熱的影響

燃?xì)馀c空氣混合燃燒生成煙氣,過(guò)量空氣系數(shù)的增加,煙氣總?cè)莘e增大,增加的部分為冷空氣,主要組分為氮?dú)馀c氧氣,混合后的煙氣三原子氣體容積份額減少,三原子氣體減弱系數(shù)、固體顆粒減弱系數(shù)減小,導(dǎo)致發(fā)光火焰黑度與不發(fā)光火焰黑度均減小,同時(shí)玻爾茲曼準(zhǔn)則數(shù)加大,煙氣輻射換熱效果減小,爐膛出口煙氣溫度升高。但由于進(jìn)入爐膛的空氣溫度較低,與煙氣混合后降低了混合后煙氣溫度。因此增加過(guò)量空氣,爐膛輻射換熱量減小,爐膛出口煙氣溫度的變化由過(guò)量空氣系數(shù)增加量來(lái)決定。

3.2 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)對(duì)流換熱的影響

煙氣在對(duì)流管束區(qū)域流動(dòng),隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加,煙氣總?cè)莘e增大,管內(nèi)煙氣流速增大,雷諾數(shù)、努謝爾數(shù)、螺紋管放熱系數(shù)增大,三原子氣體減弱系數(shù)與煙氣輻射放熱系數(shù)減小,由于在對(duì)流管束區(qū)域,以對(duì)流換熱為主,輻射換熱占比較小,隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加,煙氣在對(duì)流換熱區(qū)域換熱量增大。

4 鍋爐熱力計(jì)算

本文以一臺(tái)WNS2.8MW鍋爐本體為例進(jìn)行熱力計(jì)算,討論不同工況下不同過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響。由表1、圖1及圖2可以看出,當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)從1.05變化至1.3時(shí),爐膛換熱量逐漸減弱、對(duì)流部分煙氣流速增加,對(duì)流換熱量增加,鍋爐本體部分排煙溫度隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加而升高,而鍋爐效率隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加而降低。

圖1 排煙溫度隨過(guò)量空氣系數(shù)變化

圖2 鍋爐效率隨過(guò)量空氣系數(shù)變化

表1 熱力計(jì)算匯總表

5 鍋爐能效測(cè)試

以青海省海西州格爾木市一臺(tái)WMS4.2MW鍋爐為例,在不同過(guò)量空氣系數(shù)工況下進(jìn)行能效測(cè)試,能效測(cè)試結(jié)果如表2、圖3及圖4所示。在鍋爐負(fù)荷、冷空氣溫度基本相同的情況下,隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加,鍋爐排煙溫度隨之增加,鍋爐熱效率降低。

圖3 排煙溫度隨過(guò)量空氣系數(shù)變化

圖4 鍋爐效率隨過(guò)量空氣系數(shù)變化

表2 鍋爐能效測(cè)試結(jié)果匯總

6 過(guò)量空氣系數(shù)的選取

根據(jù)理論計(jì)算與鍋爐能效測(cè)試結(jié)果,隨著鍋爐過(guò)量空氣系數(shù)的提高,鍋爐熱效率呈線性關(guān)系下降,鍋爐過(guò)量空氣系數(shù)越小,鍋爐效率越高,但在高海拔地區(qū)測(cè)試數(shù)據(jù)中,過(guò)量空氣系數(shù)為1.05時(shí),煙氣中一氧化碳含量高達(dá)200 ppm,一氧化碳量增加,空氣與燃?xì)鉀](méi)有完全混合,鍋爐氣體未完全燃燒熱損失增大,同時(shí),一氧化碳為無(wú)色無(wú)味的有毒氣體,WNS爐型一般為正壓運(yùn)行,煙氣泄露容易造成安全事故。過(guò)量空氣系數(shù)的選取應(yīng)該根據(jù)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中煙氣組分中一氧化碳的含量,燃燒器調(diào)試過(guò)程中,在一氧化碳含量為0 ppm的前提下,盡量減小過(guò)量空氣系數(shù)。

7 結(jié)論

(1)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中,過(guò)量空氣系數(shù)的大小對(duì)鍋爐運(yùn)行效率有很大影響,過(guò)量空氣系數(shù)越大,鍋爐效率越低。

(2)高海拔地區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)的選擇應(yīng)該根據(jù)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中煙氣組分中一氧化碳的含量,燃燒器調(diào)試過(guò)程中,在一氧化碳含量為0 ppm的前提下,盡量減小過(guò)量空氣系數(shù)。