燃氣冷凝鍋爐反平衡效率的分析計算

劉晉華 李 棟 劉根生 尉志明

（山西省鍋爐壓力容器監督檢驗研究院 太原 030012）

燃氣冷凝鍋爐反平衡效率的分析計算

劉晉華 李 棟 劉根生 尉志明

（山西省鍋爐壓力容器監督檢驗研究院 太原 030012）

通過對鍋爐燃燒產物煙氣成分的分析計算，求出鍋爐煙氣的露點溫度，將鍋爐排煙溫度和露點溫度的平均值作為潛熱計算的定性溫度，通過直接計量或者測量排煙處相對濕度兩種方法獲得冷凝水量，由以上數據計算求出鍋爐的冷凝放熱，進而可得出鍋爐的反平衡效率。

冷凝鍋爐 露點 反平衡效率

近年來，隨著國家對節能環保工作的重視以及人們對節能環保理念的提升，各生產廠家對鍋爐節能環保產品研究的投入也越來越多，而冷凝鍋爐以其可以吸收冷凝熱、效率高（以低位發熱值計算，能達到100%以上）、低排放，而更被各廠家和用戶所青睞。常見的冷凝鍋爐有一體式冷凝鍋爐和帶有冷凝器的鍋爐。這些冷凝鍋爐的效率應如何測試，對特種設備檢驗機構就顯得尤為重要。

對于常見的非冷凝工業鍋爐的測試，所用的標準是GB/T 10180—2003 《工業鍋爐熱工性能試驗規程》，這也是中國特檢院鍋爐能效測試數據計算與管理平臺所進行計算的根本依據，對于冷凝鍋爐的正平衡效率，可由平臺直接進行計算，但是在反平衡計算中，平臺沒有考慮到冷凝熱的影響，所以并不適用于冷凝鍋爐的測試。

本文針對山西崇光冷凝供熱設備有限公司的一臺型號為ZGLN-700的全鑄鋁預混冷凝鍋爐的測試數據提出冷凝鍋爐反平衡效率的測試方法，其中對鍋爐冷凝水量的測試運用了直接計量和測量排煙處相對濕度兩種不同的方法。

1 冷凝鍋爐反平衡測試的依據

1.1 鍋爐反平衡效率的計算公式

非冷凝鍋爐的反平衡效率的計算公式為：

式中：

η——鍋爐為鍋爐反平衡熱效率，%;

q2——排煙熱損失，%;

q3——氣體未完全燃燒熱損失，%;

q4——機械不完全燃燒熱損失，%;

q5——散熱損失，%;

q6——灰渣物理熱損失，%;

對于冷凝鍋爐的反平衡效率，在平臺所測的反平衡效率計算值的基礎上加上冷凝效率即為冷凝鍋爐的反平衡效率。

式中：

Q7——鍋爐冷凝熱，kJ；

m1——鍋爐冷凝水量，kg；

r——鍋爐冷凝溫度所對應的氣化潛熱值，kJ/kg；

B——燃料消耗量，m3；

Qr——天然氣低位發熱值，kJ/m3。

由于傳統鍋爐的反平衡效率依據GB/T 10180—2003測試即可，那么本文研究的重點即是鍋爐冷凝效率的測試。

1.2 鍋爐的冷凝過程

隨著濕煙氣在受熱面的流動，煙氣溫度逐漸降低，當低于露點溫度時，煙氣中的水分開始不斷冷凝，放出凝結潛熱，直到煙氣流過最后一節受熱面，鍋爐不再吸收煙氣中的熱量，此時作為冷凝過程的結束點。由于隨著煙氣中水蒸氣的冷凝，水蒸氣的分壓不斷減小，露點溫度也不斷減小，為了簡化理論計算，取煙氣開始冷凝的溫度即露點溫度與排煙溫度的平均值作為潛熱的計算溫度。

式中:

tp——排煙溫度；

t1d——為煙氣的露點溫度。

2 鍋爐燃燒產物特性

以下數據是對山西崇光冷凝供熱設備有限公司的一臺型號為ZGLN-700的全鑄鋁預混冷凝鍋爐進行測試所得出的結果。天然氣燃燒特性數據的計算值由中國特檢院鍋爐能效測試數據計算與管理平臺計算得出。

表1 天然氣組成及發熱量

表2 天然氣燃燒特性表

3 露點溫度的計算

燃燒所生成的干煙氣主要是由RO2、N2和少量O2組成，而濕煙氣是指干煙氣和水蒸氣的混合煙氣。濕煙氣中水蒸氣的來源有天然氣中的水分、燃燒產物中生成的水分以及空氣中的水。由于濕煙氣與濕空氣具有一定的類比性，根據濕空氣的理論特性可知道，煙氣露點取決于煙氣中水蒸氣的體積分數、燃燒空氣的含濕量、過剩空氣系數等因素。由于空氣中的水含量很小，故仍取標態下空氣的含濕量10g/kg，與GB/T 10180中計算公式相符。而天然氣中的水分、燃燒產物中生成的水分在GB/T 10180計算公式中是予以考慮的。

4 鍋爐冷凝效率的計算

4.1 在冷凝水出口處直接計量

測試過程中在冷凝水出口處計量一小時的冷凝水量為66.35kg，由式（3）可得：

4.2 測量煙氣濕度進行計算

其中冷凝水量的計量由于結構或者現場的原因不能直接計量，可以通過對排煙處煙氣濕度的測量，經過理論計算得出。

混合氣體的總摩爾質量M為各組元摩爾質量Mi與摩爾分數xi乘積之和，即各組員分子量按摩爾分數的加權平均數，

根據阿伏伽德羅定律，在同溫同壓下，混合氣體的體積分數yi與摩爾分數xi在數值上相等，則

那么，干煙氣的摩爾質量

式中：2.64%，9.78%，0.0162%分別為測試過程中煙氣分析儀所測得O2、RO2、CO的體積百分比讀數的平均數，87.5638%為N2的體積百分比。

濕煙氣的壓力等于干煙氣分壓力pa和水蒸氣分壓力pv之和，即

1kg干煙氣所帶有的水蒸氣質量稱之為含濕量，即濕煙氣中包含的水蒸氣的質量mv與其中干煙氣的質量ma之比稱為含濕量，用d表示，單位為kg/kg，

由于干空氣的分壓力pa=p-pv，于是

對于冷凝以后的濕煙氣，在煙氣出口處可測得其相對濕度，本次測試時煙氣的相對濕度為78%。

在一定大氣壓力pb下，即排煙出口煙氣壓力按大氣壓考慮，濕空氣的含濕量計算式可表示為：

又知，濕空氣的飽和蒸汽壓力與溫度之間存在一一對應的關系，即：

式中t為排煙溫度。

則根據式 (11) 、式(12)可得出冷凝以后煙氣的含濕量為0.042kg/kg。

則煙氣的冷凝水量為

由式（3）可得

通過兩種方法所得出的冷凝效率相差0.39%，小于1%，在可接受誤差范圍之內。

5 結論

1) 冷凝鍋爐的反平衡效率為鍋爐非冷凝過程的反平衡效率與冷凝效率之和。非冷凝過程的反平衡效率可由中國特檢院鍋爐能效測試數據計算與管理平臺進行計算，冷凝效率可由本文所提出的式（3）計算得出。

2) 冷凝鍋爐的反平衡效率主要影響因素為鍋爐的露點溫度、排煙溫度以及冷凝水量。而露點溫度主要取決于燃燒產物中水蒸氣的體積分數。煙氣中水蒸氣的體積分數越高，露點越高，冷凝水量越多，冷凝效率就越高。冷凝鍋爐在使用過程中，可以通過增加空氣濕度，降低過量空氣系數的方法來提高露點溫度，從而提高鍋爐的冷凝效率。

3) 鍋爐的冷凝水量可以通過直接計量或者測量煙氣濕度計算求得，測試時可根據現場條件和鍋爐機構的原因選用不同的方法。

4) 鍋爐煙氣中的水蒸氣的潛熱如果能回收利用，將會在一定程度上提高鍋爐的熱效率。那么煙氣冷凝余熱回收技術將成為以后的研究重點。

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[8] GB/T 10180—2003 工業鍋爐熱工性能試驗規程標準代號[S].

Analytical Calculation of Anti-balance Efficiency of Condensing Gas-fired Boiler

Liu Jinhua Li Dong Liu Gensheng Wei Zhiming
(Shanxi Boiler and Pressure Vessel Supervision and Inspection Institute Taiyuan 030012)

Through analytical calculation of the combustion products composition of boiler flue gas, to calculate the dew point temperature of the boiler flue gas, the average value of the boiler flue gas temperature and dew point temperature is used as a qualitative temperature of the latent heat calculations. The amount of condensed water can be measured by direct measurement or the relative humidity of smoke, and the latent heat can be calculated by the above data; further, the anti-balance efficiency could be gotten.

Condensing boiler Dew point Anti-balance efficiency

X924.2

B

1673－257X(2015)11-0055-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.11.011

劉晉華（1984～)，男，碩士，助理工程師，主要從事工業鍋爐檢驗及能效測試工作。

2015-08-28）