高原WNS型燃氣熱水鍋爐能效測試與數據分析

于吉明 笪耀東 張井坤 車得福 王玉濤

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

（2.西安交通大學 能源與動力工程學院，動力工程多相流國家重點實驗室 西安 710049)

（3.青海省特種設備檢驗檢測院 西寧 810005)

近十幾年來，西部大開發戰略的實施極大加快了西部經濟能源產業的發展。西部高原地區能源需求密度低、生態環境脆弱的特征使其供熱設備多以燃氣鍋爐為主[1]。以青海省為例，截止到2019年12月，青海共有各類鍋爐5 149臺，其中燃氣鍋爐3 988臺，占鍋爐總量的77%。然而，高原條件下燃氣鍋爐運行中出現的能效水平降低的問題在工業生產中日益突顯。因此針對高原燃氣鍋爐具體分析其能效的影響因素，對進一步指導其高效運行具有重要意義。

已有研究表明，高原低氣壓條件對燃氣鍋爐的燃燒和傳熱均會產生影響。此前理論分析和實際鍋爐運行案例均表明海拔的升高會導致鍋爐排煙溫度升高，排煙熱損失增加，進一步造成鍋爐熱效率降低[2-4]。另外，高原條件也會影響鍋爐爐膛尺寸設計。隨著海拔升高氣壓降低，燃料燃燒速率下降，燃盡時間增加，則應保證足夠的爐內停留時間。故相比平原地區，高原燃氣鍋爐容積熱負荷應比平原地區小，相應的爐膛容積應適當放大。此外，隨著環境壓力降低，燃氣火焰長度也會增加，因而對于臥式內燃鍋爐的爐膽長度也應隨之增加。

高原低氣壓也會直接對燃氣燃燒器功率的選擇產生影響。一般選擇燃氣燃燒器時應保證火焰形狀與爐膛尺寸匹配，即火焰充滿度好。同時，燃燒器應能夠保證鍋爐可以達到額定出力[5]。李占武等人[6]在研究高原地區對燃氣鍋爐燃燒器的選型時認為，高原地區選擇燃燒器的輸出功率應按照氣壓下降的比例而放大。但也有學者認為簡單選擇更大功率燃燒器的方法對小型燃氣鍋爐的設計基本可行，對于容量稍大一些的鍋爐，可能會造成爐內溫度降低過多而影響燃燒穩定性和熱效率，應針對氣壓變化對鍋爐參數做出相應修正[1]。

本文基于青海省燃氣鍋爐的能效測試數據，進一步分析了高原條件對燃氣鍋爐排煙溫度、熱效率、爐膛尺寸和燃燒器選型的影響，為高原燃氣鍋爐高效清潔運行提供參考。

1 能效測試情況

近年來，中國特種設備檢測研究院（以下簡稱中國特檢院）聯合青海省特種設備檢驗檢測院（以下簡稱青海特檢院）和西安交通大學（以下簡稱西安交大），對青海省在用鍋爐進行了能效測試。本次抽取其中18臺燃氣鍋爐的測試數據進行分析，其測試地點分別位于西寧市（海拔2 295 m）、格爾木市（海拔2 808 m）和德令哈市（海拔2 982 m），容量范圍為1.2～14 MW，均為WNS型熱水鍋爐。能效測試按照TSG G0003—2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》采用運行工況熱效率詳細測試方法進行測試，其中額定熱功率≥14 MW的鍋爐采用反平衡法，其余鍋爐同時采用正平衡法與反平衡法進行測試[7]。

2 能效測試結果與分析

2.1 排煙溫度

表1[4，8]給出了青海省本次測試的18臺與2016年青海特檢院聯合青海大學開展測試的26臺燃氣鍋爐排煙溫度。由表1可知，青海地區燃氣鍋爐排煙溫度較高，均在100 ℃以上，雖未超過TSG G0002—2010《鍋爐節能技術監督管理規程》的規定值170 ℃[9]，但有很大的節能空間。同時，從表1中也可以看出本次測試部分燃氣鍋爐排煙溫度低于2016年測試燃氣鍋爐，這主要是由于本次測試部分鍋爐負荷較低、燃料量減小所致。

表1 燃氣鍋爐排煙溫度測試結果

為分析高原條件對燃氣鍋爐排煙溫度的影響，選取與本次測試燃氣鍋爐容量范圍一致的北京地區運行與青海2016測試的燃氣熱水鍋爐的排煙溫度數據進行對比，如圖1所示。由圖1可知，北京地區不同容量的燃氣鍋爐排煙溫度普遍低于青海地區。負荷率對鍋爐排煙溫度也有很大影響，故選取兩地負荷相近的燃氣鍋爐排煙溫度數據進行對比，見表2[4，8]。在相近負荷率運行時，北京地區燃氣鍋爐的排煙溫度低于青海地區。綜合以上分析來看，高原條件是導致燃氣鍋爐排煙溫度高于平原地區的重要因素，降低排煙熱損失是高原地區燃氣鍋爐節能的重要方法之一。

圖1 北京和青海不同容量燃氣鍋爐排煙溫度對比

表2 負荷率相近條件下北京與青海地區燃氣鍋爐排煙溫度測試結果

2.2 熱效率

表3[4，8]分別給出了北京節能環保中心、青海特檢院、中國特檢院燃氣鍋爐熱效率測試的結果，可以看出北京地區燃氣鍋爐熱效率基本處于93%以上，而青海地區燃氣鍋爐熱效率普遍低于北京地區，部分在運行燃氣鍋爐熱效率低于90%，且50%以上的燃氣鍋爐熱效率未達到TSG G0002—2010第1號修改單給出的限定值[9]。

表3 燃氣鍋爐熱效率測試結果

表4[4，8]給出了負荷相近條件下北京與青海地區燃氣鍋爐熱效率測試結果。由表4可知，青海地區負荷率相近的燃氣鍋爐熱效率也低于北京地區。研究表明鍋爐排煙溫度降低12～15 ℃，熱效率將提高1%[10]，青海高海拔地區排煙溫度普遍較高，這會導致排煙熱損失增加，熱效率也隨之降低。此外鍋爐在較高負荷運行，散熱損失相對較小，可以達到較高的熱效率。而青海地區能效測試的18臺燃氣鍋爐中約90%長期處于50%以下負荷運行，這一現象在青海省高海拔地區較為普遍，這是因為高海拔條件下為保證正常生產，鍋爐選型時一般都會加大裕量，導致其長期低負荷運行。而北京地區能效測試的100臺燃氣熱水鍋爐基本處于70%負荷以上運行，有的甚至接近滿負荷運行。

表4 負荷相近條件下北京與青海地區燃氣鍋爐熱效率測試結果

2.3 爐膛尺寸

表5給出了青海省本次測試的16臺燃氣鍋爐爐膛尺寸和爐膛容積熱負荷。根據鍋爐制造企業設計經驗，一般情況下，燃氣鍋爐容積熱負荷在1 150～1 800 kW／m3的范圍內選取。由表5可以看出部分鍋爐廠家在爐膛設計時已經考慮高海拔對燃料燃燒的影響，選擇了較低的爐膛容積熱負荷。同時，也可以看出隨著海拔升高容積熱負荷有進一步減小的趨勢，尤其是海拔2 808 m和2 982 m有8臺燃氣鍋爐，其容積熱負荷已低于推薦值。

表5 青海本次測試鍋爐爐膛尺寸和爐膛容積熱負荷

此外，由于大氣壓力降低，在相同負荷下，進入爐膛的空氣體積和煙氣體積較平原地區增大，燃燒室高溫區域膨脹，火焰長度增加，見表5。在本次測試中，通過鍋爐后側觀火孔觀察燃燒狀況，發現其中5臺鍋爐在升負荷過程中，由于火焰長度增加沖刷回燃室后管板，導致無法升到額定負荷。然后通過調整火焰尺寸，增大火焰直徑，減小火焰長度，情況有一定程度改善，但由于火焰直徑的增大，火焰又將沖刷爐膽，從而造成燃氣鍋爐實際運行無法達到額定負荷。這主要是由于燃燒器與爐膛的設計匹配不合理所致。

2.4 高原燃燒器選型

表6給出了青海省本次測試的9臺燃氣鍋爐燃燒器選型。由表6可知，青海格爾木、德令哈兩地燃氣鍋爐燃燒器輸出功率選擇偏大，基本在1.2倍以上，甚至個別鍋爐所配燃燒器達到2.5倍。在考慮鍋爐實際熱效率的情況下，可以認為基本上是按照氣壓下降或者說空氣密度下降的比例而放大。這種燃燒器選型方法與李占武等人[6]在研究高原地區燃氣鍋爐燃燒器的選型時給出的方法基本一致。但簡單按照氣壓下降的比例對燃燒器進行修正時仍有可能造成火焰長度拉長，進一步使爐膛出口煙溫升高，嚴重影響燃氣鍋爐運行的經濟性與安全性。有必要進一步研究燃燒器與爐膛結構設計優化及相互之間匹配方法，從而指導高原燃氣鍋爐高效清潔運行。

表6 青海本次測試燃氣鍋爐燃燒器選型

3 結論

本文基于青海省燃氣鍋爐的能效測試數據，進一步分析了高原條件對燃氣鍋爐排煙溫度、熱效率、爐膛尺寸和燃燒器選型的影響，結論如下：

1）相比平原地區，高原地區不同容量的燃氣鍋爐排煙溫度較高，雖未高于TSG G0002—2010的規定值170 ℃，但仍有較大的節能潛力。相同負荷運行時，排煙溫度隨海拔升高仍表現出增加的趨勢。

2）高原地區排煙溫度較高導致排煙熱損失增加是影響高原燃氣鍋爐熱效率的重要原因。

3）相比平原地區，高原地區燃氣鍋爐容積熱負荷取值應更小，且應關注燃燒器火焰形狀與爐膛結構的匹配。

4）隨著海拔升高、氣壓降低，為保證鍋爐達到額定出力和較高的熱效率，現有高原燃燒器選型基本按照氣壓下降的比例而放大，但現場測試發現部分功率放大后的燃燒器與爐膛尺寸匹配不當仍造成火焰沖刷回燃室后管板，導致鍋爐不能滿負荷運行，嚴重影響鍋爐運行的經濟性與安全性。