一種附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)

張文濤　夏文慶

摘 要：附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)利用高壓蒸汽作為動力源，高壓蒸汽受到引射作用后產(chǎn)生1個(gè)低壓區(qū)，利用水在低壓下具有的蒸發(fā)溫度降低特性，可從周圍環(huán)境或其他難以利用的低品位熱源中吸收熱量，達(dá)到“以熱制熱”的目的，從而提高鍋爐系統(tǒng)的熱效率。具體分析了附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)的組成、工作原理和研究意義等，總結(jié)了其相比于傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，以期為今后鍋爐節(jié)能技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：鍋爐系統(tǒng)；附加能量；熱量；熱效率

中圖分類號：TK221 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.102

能源是人類生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是社會發(fā)展必不可少的源動力。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，能源已成為當(dāng)今各國政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和外交等領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。世界各國都在大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)，達(dá)到降低能源消耗的目的。而在我國，有80%的工業(yè)用煤用于鍋爐燃燒，且工業(yè)燃煤鍋爐的運(yùn)行熱效率僅有65%左右，與發(fā)達(dá)國家相比有很大差距。因此，提高鍋爐的熱效率將成為我國節(jié)能減排中的關(guān)鍵問題。

1 系統(tǒng)的主要組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)的主要組成部分

附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)的主要組成部分包括主鍋爐、高壓蒸汽發(fā)生器、水分離器、分汽缸、低壓熱交換器、低品位熱源、一級引射器、二級引射器、三級引射器和閥門等部件。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)相比，新增了高壓蒸汽發(fā)生器、引射器和低壓熱交換器等部件，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且附加能量式節(jié)能鍋爐主鍋爐內(nèi)部會根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)運(yùn)行，出口狀態(tài)可為蒸汽或熱水。因此，高壓蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)工況參數(shù)應(yīng)高于主鍋爐，且可以調(diào)節(jié)。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

鍋爐給水分為3路：第一路連接主鍋爐的補(bǔ)水口、第二路連接高壓蒸汽發(fā)生器的補(bǔ)水口、第三路連接低壓熱交換器的補(bǔ)水口。因3路的補(bǔ)水壓力不同，可在分路上加裝不同程度的減壓閥。工作原理為：高壓蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水會吸收燃料（比如燃煤）燃燒釋放的熱量，生成高溫、高壓的蒸汽；蒸汽經(jīng)過水分離器，其中的水會分離出去；蒸汽進(jìn)入分汽缸；分汽缸的出口與多級引射器的噴嘴相連，即分汽缸的多路出口分別與單個(gè)引射器的主噴嘴相連，第一級引射器的抽氣管與上述低壓熱交換器的出汽口相連，次一級引射器的抽氣管與上一級噴射器的出口相連，出口可直接與主鍋爐相連，也可與下一級引射器的抽氣管相連；通過閥門控制，最后一級噴射器的出口與主鍋爐的入口相連，或最后一級不使用。經(jīng)過引射器的引射作用，在低壓換熱器的上方會形成低壓區(qū)，使換熱器下方的水處于低壓環(huán)境，從而降低飽和水蒸汽的溫度。此時(shí)，換熱器內(nèi)的水可吸收熱源熱量，以補(bǔ)充被引射器抽走的蒸汽，從而維持平衡。在引射器中，引射蒸汽與被引射蒸汽混合，并被下一級引射器引射，反復(fù)此環(huán)節(jié)后，待最終混合蒸汽的壓力高于主鍋爐時(shí)，直接供給主鍋爐使用。

1.3 系統(tǒng)熱力理論分析

該鍋爐系統(tǒng)的熱力學(xué)原理圖如圖1所示。從圖1中可以看出，各個(gè)點(diǎn)分別代表附加能量式節(jié)能鍋爐部件的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)：點(diǎn)“0”表示給水狀態(tài)，點(diǎn)“1”表示高壓蒸汽發(fā)生器出口蒸汽的狀態(tài)，點(diǎn)“6”表示低壓換熱器的給水狀態(tài)，點(diǎn)“5”表示低壓換熱器出口蒸汽的狀態(tài)，點(diǎn)“4”表示一級引射器出口狀態(tài)，點(diǎn)“3”表示二級引射器出口的狀態(tài)，點(diǎn)“2”代表三級引射器出口的狀態(tài)。低壓換熱器中的水吸收的熱源熱量由點(diǎn)6狀態(tài)變?yōu)辄c(diǎn)5狀態(tài)；點(diǎn)1狀態(tài)的蒸汽通過一級引射器的噴嘴（假設(shè)引射器絕熱）經(jīng)過絕熱膨脹變成點(diǎn)5狀態(tài)，并與點(diǎn)5狀態(tài)的蒸汽在引射器接受段與混合段中充分混合形成點(diǎn)5”狀態(tài)的蒸汽；點(diǎn)5”狀態(tài)的蒸汽進(jìn)入擴(kuò)壓段后絕熱壓縮，最終變?yōu)辄c(diǎn)4狀態(tài)蒸汽；點(diǎn)1狀態(tài)的高壓蒸汽再次通過二級引射器；引射點(diǎn)4狀態(tài)的蒸汽變?yōu)辄c(diǎn)3狀態(tài)蒸汽；經(jīng)過三級引射器，將點(diǎn)3狀態(tài)的蒸汽最終變成將點(diǎn)2狀態(tài)的混合蒸汽（或汽液混合物）后，輸送至主鍋爐。

在引射器中，引射蒸汽和被引射蒸汽均處于絕熱過程。因此，由點(diǎn)1狀態(tài)的單位質(zhì)量的高壓蒸汽引射所產(chǎn)生的附加能量值為：

式（1）中：q1為附加能量值；μ1為一級噴射器1 kg高壓蒸汽引射的鍋爐給水量；h表示單位質(zhì)量的焓值。

則可將引射效率ε定義為引射吸收的能量與引射投入能量的比值：

式（2）中：ε為引射效率；μ2，μ3分別表示二級、三級噴射器1 kg蒸汽引射的前級鍋爐汽液混合物量；h0表示環(huán)境溫度下給水的焓值。

通過式（2）可計(jì)算通過引射器多級引射作用所增加能量的百分比，也可計(jì)算鍋爐系統(tǒng)熱效率的提高程度。

2 系統(tǒng)性能的對比分析

目前，提高鍋爐熱效率的方法有很多種，比如在鍋爐爐膛內(nèi)使用拱爐、分層燃燒技術(shù)、煙氣余熱利用等，這些技術(shù)均可減少能量損失、提高能源利用率。但就目前鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行熱效率看，這些技術(shù)的應(yīng)用并沒有起到預(yù)期的效果。在熱電廠等鍋爐使用場所，通過回收部分被排入到環(huán)境中的能量，理論上可使熱效率達(dá)到95%以上，但因系統(tǒng)龐大，并不適宜推廣，且目前鍋爐系統(tǒng)的排煙溫度較高（不宜<200 ℃），這在無形中浪費(fèi)了大量的熱量。

本文介紹的附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“以熱制熱”，

而不像傳統(tǒng)鍋爐以提高熱量利用率為出發(fā)點(diǎn)。附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)在原有的熱量利用率下，將產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換成動能，并以動能作為能量源“制造”新的熱能。由此可見，與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)相比，附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)在能源利用率上有了很大的提高。附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)通過低壓換熱器，可吸收自然環(huán)境中的熱能，而自然環(huán)境中的能量是巨大、可再生和無污染的，從而使鍋爐系統(tǒng)對環(huán)境造成的污染也很小。附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)在提高鍋爐熱效率的同時(shí)，還可制冷，達(dá)到了一機(jī)多用、充分利用能源和減少能源消耗的目的。

3 結(jié)束語

本文通過介紹附加能量式節(jié)能鍋爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)原理等，為提高鍋爐系統(tǒng)的熱效率提供了一種嶄新的方法，拓寬了提高鍋爐系統(tǒng)熱效率的途徑。同時(shí)，該方法突破了傳統(tǒng)提高鍋爐系統(tǒng)熱效率方法的瓶頸，尤其是可使鍋爐系統(tǒng)的熱效率得到質(zhì)的提高，且具有節(jié)能減排、無污染的優(yōu)點(diǎn)，可為提高鍋爐系統(tǒng)熱效率的研究提供參考，從而為我國的節(jié)能減排作出更大的貢獻(xiàn)。

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〔編輯：張思楠〕