對工業鍋爐能效測試的分析探討

蘇文娟 蘇利群 沈浩鋒 王小林 吳循真 毛小虎 李秀中

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院 常州 213016)

對工業鍋爐能效測試的分析探討

蘇文娟 蘇利群 沈浩鋒 王小林 吳循真 毛小虎 李秀中

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院 常州 213016)

本文通過對24例工業鍋爐簡單能效測試結果的分析，探討燃煤和燃氣工業鍋爐各項損失的影響因素，并提出降低排煙溫度和尋求最佳運行過量空氣系數是提高鍋爐熱效率的關鍵工作。本文所測工業鍋爐效率合格比例不足三成，可見工業鍋爐節能減排存在很大的潛力，需全面普及能效測試工作、積極推廣工業鍋爐的節能措施，最終實現鍋爐安全、穩定、經濟運行。

工業鍋爐 熱損失 能效測試

我國燃煤鍋爐數量多、分布廣、能耗高、污染重，長期以來一直是節能減排工作的重點和難點。2010年TSG G0002—2010《鍋爐節能技術監督管理規程》（下文簡稱“《管理規程》”）、TSG G0003—2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》（下文簡稱“《評價規則》”）相繼頒布實施，對工業鍋爐熱效率測試及系統能效評價的方法和程序等提出了具體的要求。鍋爐運行工況熱效率簡單測試是對在用工業鍋爐進行主要參數的簡單測試，用于快速判定鍋爐實際運行能效狀況。通過能效測試能了解在用的工業鍋爐能源利用效率的有關情況，分析普遍存在的影響熱效率的因素，部分省市區已就前期開展的能效測試工作展開了綜合分析[1-3]，并出具了指導性意見，但大部分文獻資料均從定性角度分析各項熱損失，并未就具體數據展開定量的分析和探討。本文將結合進行能效測試的工業鍋爐，就影響熱效率的各因素展開定性和定量的探究，為企業進一步做好鍋爐的節能減排提供參考。

1 測試

本文對一定時間段內開展的24臺簡單能效測試的工業鍋爐進行綜合分析，鍋爐類型包括燃煤蒸汽鍋爐（10臺）和燃氣蒸汽鍋爐（14臺），其中2臺為有機熱載體鍋爐?？己隋仩t能效的指標主要為熱效率、排煙溫度以及過量空氣系數。

簡單能效測試采用反平衡進行計算，相關項目按照GB/T 10180—2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》要求的方法進行測量，采用的儀器有MT-900煙氣分析儀、數字溫度計、煙氣分析儀Testo350，項目主要有：

1）排煙溫度tpy，℃；

2）排煙處過量空氣系數αpy；

3）排煙處CO含量，ppm；

4）入爐冷空氣溫度tlk，℃；

5）飛灰可燃物含量Cfh，%；

6）漏煤可燃物含量Clm，%；

7）爐渣可燃物含量Clz，%；

8）燃料工業分析；

9）測試開始和結束的時間。

測點布置見圖1，其中αpy，可以儀器測試，也可根據GB/T 10180—2003簡化計算如下。

圖1 蒸汽鍋爐測點布置圖

根據《評價規則》，反平衡計算效率的公式為：

式中：

q2—— 排煙熱損失；

q3—— 氣體未完全燃燒熱損失；

q4—— 固體未完全燃燒熱損失；

q5—— 散熱損失；

q6—— 灰渣物理熱損失。

按照《評價規則》所列方法，簡單能效測試中，各項損失采用經驗公式或者查表選取，q3，q5均根據參數進行選取。

2 結果分析

所測燃煤燃氣的鍋爐平均出力為3.9t/h，24臺參加測試的工業鍋爐按照燃料介質劃分，10臺燃煤鍋爐平均效率為77%，14臺燃氣鍋爐平均效率為89%。其中完全符合《管理規程》要求的僅為7臺，合格率為29%；其中7臺排煙氧含量過高，8臺排煙溫度高，2臺排煙氧含量高且排煙溫度高。綜合來看，雖然平均效率尚可，但有部分燃煤工業鍋爐效率僅為71%～73%，遠低于熱效率要求的最低限定值76%或78%；部分所測燃氣工業鍋爐（D＞2t/h）熱效率稍低于最低限定值90%，離目標值94%仍存在較大差距。某些鍋爐雖然熱效率達標，但排煙溫度較高或過量空氣系數較高，能源未得到有效利用，仍然存在很大的節能空間；現針對各項損失，具體分析如下。

2.1 排煙熱損失

排煙熱損失是排出煙氣焓值高于進入鍋爐冷空氣焓所造成的，煙氣離開最后一級傳熱面，仍然含有大量的熱量，這部分熱量未被利用而從煙囪排出。根據《評價規則》，排煙熱損失的計算公式為：

排煙溫度過高是在能效測試中的常見問題，在本文中，排煙溫度過高的案例占比30%以上。主要影響因素為過量空氣系數和排煙溫度，m和n主要由燃料種類決定，故燃料類別對排煙損失也有一定影響。排煙熱損失是鍋爐主要熱損失，24臺鍋爐中，排煙熱損失q2值為6.08%～22.3%，可見該部分損失之大。有文獻指出，鍋爐排煙溫度每升高12～15℃，q2將提高1%[4]。為了探討排煙溫度tpy與排煙熱損失q2的關系，現將燃煤和燃氣工業鍋爐分為兩組，將上述計算公式控制變量后進行分析。tlk取15℃，αpy的變化范圍相對較小，（1-q4/100）≈1，故αpy、q4根據不同類別，分別用數值代入。

所測燃煤工業鍋爐中，αpy平均值為2.00；固體未完全燃燒熱損失q4平均值為7.6；燃料為煙煤，按照《評價規則》，m取值0.4，n取值3.6；計算公式簡化為q2=0.0702tpy-1.05。

所測燃氣工業鍋爐中，αpy平均值為1.18；q4取值為0；按照《評價規則》，燃料為天然氣時，m取值0.5，n取值3.45；計算公式簡化為q2=0.0457tpy-0.686。

可以發現，q2和tpy可以簡化為簡單的線性關系。排煙熱損失隨著排煙溫度的上升而逐漸升高。兩種類型的工業鍋爐的簡化關系計算式見表1。將簡化計算方程與實測的燃煤、燃氣工業鍋爐排煙熱損失散點圖（見圖2、圖3）對比分析可以看出，簡化方程式基本能與散點圖吻合，當排煙溫度遠高于最大限定值時，實測值和計算值偏離稍大。對簡化計算方程進一步分析，可以發現燃煤工業鍋爐的排煙熱損失q2對排煙溫度更為敏感，燃煤鍋爐每升高14.2℃，q2將增加1%；這與文獻[4]所列數值基本吻合，而燃氣鍋爐中排煙溫度每升高21.9℃，q2增加1%。由此可見，燃煤工業鍋爐中更應嚴格控制排煙溫度，這將對節能減排起到顯著作用。

表1 q2和tpy的簡算計算方程

圖2 燃煤鍋爐排煙溫度tpy與排煙熱損失q2關系圖

圖3 燃氣鍋爐排煙溫度tpy與排煙熱損失q2關系圖

過量空氣系數的配置不合理，也會影響排煙熱損失。過量空氣系數過大，過多的冷空氣進入爐膛，會造成煙氣排放量增大，進而造成排煙熱損值加大。對實測數據而言，此時控制變量法并不適用，定量地約定tpy一個具體確定值，來簡化q2的計算值并不合理。因為tpy和過量空氣系數的變化有著內在的聯系，tpy存在較大幅度的浮動，本文中所測的排煙溫度變化范圍為135～270℃。過量空氣系數對排煙熱損失的影響較為復雜，過大或過小都會影響排煙熱損失的值，這就對鍋爐的日常運行操作提出更高的要求，需要依據設計參數，根據燃燒情況配置最佳過量空氣系數。目前工業鍋爐運行自控裝置水平較低，操作人員難以及時根據燃燒工況和負荷配置最經濟的風煤比。

此外，有的鍋爐組成和結構受限，未安裝尾氣處理裝置，本案例中的工業鍋爐均未安裝空氣預熱器，部分燃氣蒸汽鍋爐未安裝省煤器，高溫煙氣未得到充分利用從而導致排煙溫度較高，熱損失加大；再者，鍋爐受熱面的積灰或積垢影響了傳熱效果，也會造成排煙熱損失加大，有文獻指出，鍋爐本體內部每結垢1mm，熱效率將降低3%[5]。因此，能效測試應結合鍋爐定期內部檢驗的結果進行分析，更能發現影響排煙熱損失的癥結。通過定期除灰、保持受熱面清潔，降低過量空氣系數、減少漏風，來保證鍋爐良好的燃燒，從而有效降低排煙熱損失。

2.2 氣體未完全燃燒損失

氣體未完全燃燒損失是排煙中含有的可燃氣體，如CO、H2、CH4、CmHn等未被利用而造成的燃燒熱損失。通常揮發分較高的煤種氣體未完全燃燒損失較大，因揮發分析出較快，對周圍空氣的排擠作用越明顯，造成局部區域空氣不足，排煙中不完全燃燒的可燃氣體也就越多?！对u價規則》中氣體不完全燃燒損失q3在運行工況下的簡單測試中，采取的是查表取值的方法，主要根據排煙處CO的含量來選取，略去了其他可燃氣體的影響，以達到快速簡單測試的目的。

本文中所計算的氣體不完全燃燒損失q3均是根據排煙處CO的含量選值所得。部分研究者認為直接根據排煙處CO含量查表取值法不能準確反映鍋爐實際的運行狀況，提出了用經驗公式進行計算的辦法[6-7]，如q3=0.11(αpy-0.6)×30.2CO(式中CO為排煙處的含量，%)，將CO含量和過量空氣系數αpy均納入考量范疇，提高測試結果的準確性。

事實上，氣體不完全燃燒損失確實與過量空氣系數有關。為進一步探討CO含量和αpy的關系，繪制兩者的關系圖（見圖4）。顯然，從模擬曲線可以看出CO含量隨著過量空氣系數αpy的增加而增加。煤燃燒是一種復雜的化學反應。

C+O2→CO2

2C+O2→2CO

此處CO2和CO為一次產物[8]，當反應繼續進行時，繼續發生如下反應：

C+CO2→2CO

2CO+O2→2CO2

此時，CO和CO2為反應的二次產物。當過量空氣系數增大時，說明煙氣中氧氣含量增加，參與反應的氧氣量減少，碳與氧的反應完全度降低，即一次產物中CO含量增加，二次產物中CO2含量也相應減少，說明燃燒狀況惡化了。由于過量空氣系數的增加，故送進爐膛的風速較大，燃料燃燒中一次反應生成的CO尚未來得及完全燃燒就被排出了爐膛，影響了燃燒效率，造成了能源的浪費。這與何凱龍[8]等人在實例監測中所分析的結果是一致的。

圖4 燃煤鍋爐排煙處CO含量和過量空氣系數αpy關系圖

2.3 固體未完全燃燒損失

固體未完全燃燒損失q4主要由爐排漏煤、灰渣可燃物和飛灰可燃物三部分組成，燃油、燃氣鍋爐中不存在漏煤，q4可以忽略不計。此項損失影響因素較為復雜，它與燃燒方式、燃料種類、燃燒狀況有關，燃料本身成分如水分、揮發分、含碳量會影響燃煤的燃燒完全程度，此外燃料燃燒過程也是重要影響因素，諸如風煤配比、進煤速度、爐膛溫度、煤層厚度及爐排速度等。q4通常是僅次于排煙熱損失q2的一項損失[9]。

本文中所測10臺燃煤鍋爐，q4平均值為7.6%，可見此項損失所占比例較高，對鍋爐熱效率影響較大，其中最高的達到12.9%。根據《評價規則》，q4計算公式如下：

計算固體未完全燃燒損失q4時，查表先確定飛灰（αfh）、漏煤（αlm）、爐渣（αlz）含灰量占入爐燃料總灰量的重量百分比，對于一般工業燃煤鏈條爐αlz取值75%～85%，因此q4主要通過爐渣含碳量Clz得以體現，燃燒不完全會造成爐渣的含碳量較高。對所測試的燃煤鍋爐案例進行分析（見圖5），排煙處CO含量與爐渣可燃物含量Clz有一定的正向關聯性，即爐渣中可燃物含量隨著排煙處CO的含量增加而增加，這說明風煤配比欠妥，燃煤處在未完全燃燒狀態，因而CO含量和爐渣的可燃物含量同步增長。

圖5 爐渣可燃物含量Clz與排煙處CO含量的關系

2.4 散熱損失和灰渣物理熱損失

根據《評價規則》中所列，鍋爐熱效率簡單測試中，散熱損失根據鍋爐出力查表取值，散熱損失q5隨著鍋爐容量的增加而減??；q5還與負荷有關，隨著負荷的減小而增加。當實際出力低于額定出力的75%時，再進行修正。鍋爐須盡量維持在設計負荷處運行，有助于保證其熱效率。有研究表明，隨著鍋爐制造水平的提高，散熱損失已經小于表格中所列數值，用熱流計實測散熱損失比表格中所列數值要小[6]。

灰渣物理熱損失q6是灰渣排出爐外時帶走的熱量，燃油、燃氣鍋爐的灰渣物理熱損失為0，爐渣的物理熱損失主要取決于燃料種類、排渣方式?；曳趾扛叩拿悍N顯然灰渣物理熱損失較大，液態排渣爐灰渣的溫度和排渣量相比固態排渣高出許多，因而液態排渣爐q6較高。

3 結論

本文通過對簡單能效測試24個案例的綜合評定，依次分析了各項鍋爐熱損失，重點探討了排煙熱損失和固體未完全燃燒損失兩大節能潛力較大的環節。通過計算擬合，找出了排煙溫度對鍋爐熱效率的影響規律，并進一步探討了過量空氣系數在影響排煙熱損失等方面所起的作用，提出降低排煙溫度和尋求最佳運行過量空氣系數是減少鍋爐熱損失、提高鍋爐熱效率的關鍵工作，要求增加余熱回收裝置、改善調節配風，以促成各項損失的最小化。

鍋爐能效測試尚未全面推行，從所測試的24個案例中可以看出，燃煤鍋爐平均熱效率為77%，燃氣鍋爐平均熱效率為89%，合格比例不到30%。部分燃煤工業鍋爐效率僅為71%～73%，低于熱效率要求的最低限定值76%；部分所測燃氣工業鍋爐（D＞2t/h）熱效率稍低于最低限定值90%?？梢娔壳肮I鍋爐節能減排存在很大的潛力，離目標值有較大差距，尤其是燃煤鍋爐，需全面普及能效測試工作、積極推廣工業鍋爐的節能措施；通過能效測試，找出鍋爐系統、運行等方面存在的漏洞，挖掘節能潛力，以降低鍋爐熱損失，最終實現鍋爐安全、穩定、經濟運行。

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Discussion and Analysis of Thermal Efficiency Test of Industrial Boilers

Su Wenjuan Su Liqun Shen Haofeng Wang Xiaolin Wu Xunzhen M ao Xiaohu Li Xiuzhong
(Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute,

With the analysis of thermal eff ciency test results of 24 industrial boilers, this paper discusses the factors those infuence the thermal losses of the coal-f red and gas-f red industrial boilers. Types of methods such as reducing exhaust gas temperature and searching for the best excess air factor are put forward to enhance the thermal eff ciency during operating the boiler. Less than 30% of the industrial boilers involved in thermal eff ciency test in this paper are qualifed, show ing that there is a great potential for energy saving and em ission reduction of industrial boilers. Therefore, it is necessary to comprehensively popularize thermal efficiency test for industrial boilers, and actively promote the energy-saving measures, ultimately achieving safety, stability, economic operation for industrial boilers.

Industrial boilers Thermal loss Thermal eff ciency test

X 924

B

1673-257X(2017)06-0043-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.011

蘇文娟（1987～)，女，碩士，工程師，從事承壓類特種設備檢驗工作。

蘇文娟，E-mail: swjsmile2014@163.com。

2016-11-23）

Branch of Changzhou Changzhou 213016)