提高燃氣鍋爐熱效率的解決方案

葉 華 上海克勒機電設備有限公司

張權良 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所

1 提高燃氣鍋爐熱效率的一個新的方法

燃煤鍋爐因對大氣污染嚴重而在使用上受到限制，不少燃煤鍋爐正在被燃油燃氣鍋爐所取代。但我國部分燃油燃氣鍋爐還存在燃燒效率低，自動化程度低，尚未完全達到清潔能源利用的高效和環保。

如何進行節能技術改造，實現最佳燃燒，提高鍋爐熱效率？對燃油燃氣鍋爐而言，燃燒器是鍋爐燃燒系統的核心部件, 合理組織燃燒器燃燒過程，正確控制燃燒器燃料量與空氣量的配比，在充分燃燒的條件下，使助燃空氣以最小限量超過理論空氣量，也就是使過量空氣系數最小是重要內容。

選用美國霍尼韋爾公司生產的“ControLinks空氣燃料電子比例調節裝置”，取代原燃燒器的“凸輪連桿的機械調節裝置”就是一個有經濟效益和持續有效解決問題的方案。

2 機械凸輪連桿調節與 ControLinks空氣/燃料電子比例調節裝置性能對比

圖1 凸輪連桿空燃比調節系統示意圖

2.1 機械凸輪連桿調節方式

（1） 結構原理（見圖1）：

燃油（燃氣）／空氣比例調節器：空氣和燃油（燃氣）供給量由負荷控制器指令伺服電機驅動聯動的閥門進行調節。

燃燒器中裝有空氣調節擋扳和伺服馬達，根據其負荷量自動調節伺服馬達，伺服馬達通過凸輪、連桿，調節軸向連接的燃油（燃氣）流量調節器。

油氣燃燒器這樣連續根據負荷實現按空燃比調節，在整個功率范圍內的燃料與空氣量的配合都是聯動調節的,空氣量與燃料量的變化基本同步。

（2）存在問題：

1）由于機械聯動系統由一個底座式執行器同時控制助燃空氣和燃料的配比，受結構上的局限，難以獲得整個燃料/空氣的曲線成比例。

2）典型的機械連接系統利用同樣的控制點控制關閉和低火，導致燃燒效率降低。但有的燃燒器可以工作在低火狀態下，而不需要關閉燃燒器，也可保證系統正常工作。

3）對于任何機械系統，隨著時間的推移，由于精密部件磨損和損耗轉移，結果將會導致損害燃料空氣比和燃燒效率。

燃料空氣曲線的偏移并且降低整個系統的最佳性能，影響燃料空氣比和燃燒效率。

2.2 美國霍尼韋爾公司推出的ControLinks 非機械連桿式空燃比調節系統

（1）結構原理：

ControLinks非機械連桿式空燃比調節系統示意圖見圖2。

1）ControLinks 燃料空氣比例調節系統是一套基于微處理器的可以同時控制2到4套執行器系統與全比調燃燒器協同工作，執行器可控制一次和二次燃料閥的位置以及助燃空氣調節門和FGR系統。

圖2 ControLinks 非機械連桿式空燃比調節系統示意圖

2）二個或三個獨立的執行機構通用并行定位（UPPAs）取代單一執行器使用的機械凸輪和連桿系統，在空燃曲線上可設置多達24個點位，獨立的助燃空氣控制、獨立的主燃料控制。由ControLinks控制器指揮UPPAs，響應負載和燃燒速度的要求。

3）全套裝置有1個主控制器、2個或3個執行器、系統控制面板等組成。

（2）三種調節系統空燃比（開度）曲線比較（見圖3）。

圖3 三種調節系統燃燒曲線比較

從以上曲線可以看出ControLinks調節曲線（灰色）在傳統機械連桿調節曲線（紅色）的左側，也就是說由于電子調節曲線中每個功率負荷點，其風量、燃料量都能單獨精確調整，所以每個點過剩空氣量小，總的空氣量就小，鍋爐熱效率就較高。而傳統機械連桿調節曲線調整時要反復調，可能高負荷點調好了，低負荷點可能又偏了，最后只能總體上把空氣量調大些，用一個執行器只能對負荷各點的空氣/燃料比進行粗略調整。

使用霍尼韋爾的ControLinks鍋爐燃料-空氣燃燒控制系統是主要的一個節能手段。ControLinks將由微處理器控制的末端設備放到高耗能的燃氣、燃油、空氣等管路的執行器連桿上。這樣就實現了針對每臺燃燒器都可以獨立的全比例調節，從而降低能耗。

3 空氣/燃料電子比例調節裝置應用

可口可樂（湖北）飲料有限公司鍋爐上的應用：上海克勒機電設備有限公司在2013年6月，對可口可樂（湖北）飲料有限公司二臺6t/h鍋爐中的一臺1#爐進行節能改造；在不改變該鍋爐原有燃燒狀況的情況下，在燃氣管道閥門及風門調節處，分別安裝美國霍尼韋爾公司生產的ControLinks空氣燃料電子比例調節裝置。這是一套基于微處理器的控制系統，可以同時控制2-4套執行器與全比例調節燃燒器協同工作。執行器可控制主要和次要燃料閥的位置、助燃空氣調節風門和可選擇的煙氣循環控制（FGR）。該系統由R7999主控制器、Q7999A底座以及ML7999A執行器組成。它有4個獨立的執行機構通用并行定位器（UPPAs），取代了使用單一執行器的機械凸輪和連桿系統，實現了天然氣與助燃空氣的高精度電子比例調節。

武漢東風本田汽車烘烤車間的燃氣燃燒器上也有類似應用。

4 節能效益分析

（1）可口可樂（湖北）飲料有限公司燃氣鍋爐調節裝置改造

1）第三方能效測試。

在安裝該裝置前、后，由第三方能效測試權威機構分別對該鍋爐進行了檢測，根據測試報告數據進行計算。

安裝前：煙氣中氧含量為5.59%、一氧化碳含量為27PPM、過剩空氣系數為1.35。排煙熱損失8.742%，鍋爐熱效率89.98%。

安裝后：煙氣中氧含量為2.7%、 一氧化碳含量為24PPM、過剩空氣系數為1.148。排煙熱損失4.929%,鍋爐熱效率92.47%。

安裝ControLinks空氣燃料電子比例調節裝置后，鍋爐熱效率提高2.49%

2）能耗統計數據計算。

為了認證該產品的確實可行性，6月9日安裝調試完畢，取6月11日至7月10日共30天的天然氣耗氣量數據與2012年同期對比，節約天然氣4.4%（夏季）。

（2）武漢東風本田汽車烘烤車間的燃氣燃燒器上應用，改造前每m3天然氣原來烘烤7個車架，改造后提高到現在烘烤12個車架左右，其節能率在7%左右。

由于燃燒的燃料/空氣配比獨立調整，必然是最大化燃燒效率和減少燃料消耗，節約能源一般在 2%～6% ，甚至更高。通常改造的費用將在一年左右的時間收回。

5 空氣燃料電子比例調節裝置的特點與應用對象

（1）特點：

1）具有助燃空氣及燃氣流量獨立調節能力；

2）通過設定燃燒曲線上24個最佳燃燒點，使效率一直保持最高；

3）減少調試時間；

4）維護相當簡單；

5）人性化且友好的人機界面（HMI）；

6）控制功能有如下特點：

①非機械連桿系統電子控制更精確；

②獨立并行的執行機構通用并行調節器（UPPAs）；

③執行器位置調節精度：±0.1°；

④獨特的燃燒曲線可實現最高燃燒效率。

（2）應用對象：

1）在天然氣或燃油鍋爐及燃燒器上應用；

2）燃燒器功率在1400kW～7000kW、鍋爐容量在2 t/h～10 t/h （蒸汽鍋爐）；

3）使用傳統機械連桿系統（改造項目）；

4）燃燒系統連續運行（節能效果將更明顯）。

6 結束語

空氣燃料電子比例調節裝置是自控水平高、精度高、高效節能的優化產品性能的新枝術。在當前大力推進燃油燃氣鍋爐應用中，是一個投資少、回報快，能為用戶單位降低能源成本，提高經濟效益的節能改造項目。