廣州市在用工業蒸汽鍋爐能效統計分析及節能對策

孫何瑞，伍路遙，黃曉霞，董進寧

（1.廣州市節能中心，廣東 廣州 510080；2.廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東 廣州 510080）

所謂鍋爐，是以“鍋”和“爐”為核心部分的一種熱工設備。以工業蒸汽鍋爐為例，“鍋”特指容納水和蒸汽的受壓部件，組成完整的水-汽系統；“爐”是燃料燃燒的場所，即爐膛。鍋爐是能量轉換及工業生產過程中極為重要的熱工設備，在世界范圍內，鍋爐所屬行業都具有能源消費集中、能耗基數大等特點，因此對鍋爐的節能管理是全社會能源消費總量控制的一個重要環節。我國存在鍋爐基數大、能效低等情況，這與國家大力提倡的節能減排政策相悖。近年來，政府已開始對部分高污染、低能效的工業鍋爐予以取締，但由于經濟性、實用性等原因限制，對現存工業鍋爐進行“大清洗”是不現實的，所以現存鍋爐進行能效統計分析及提出節能對策，是現階段響應國家節能減排號召，高效低污染發展工業和經濟最簡單、最直接的方式之一[1-8]。

1 我國部分地區工業鍋爐運行現狀

工業鍋爐根據所用燃料不同，分有燃氣（包括天然氣、液化石油氣、沼氣等氣體燃料）、燃油（包括輕油、重油）、電加熱、生物質鍋爐、垃圾鍋爐以及燃煤鍋爐等類型，其中燃煤鍋爐是相對傳統的鍋爐之一，我國能源結構的現狀決定了煤炭仍會在未來很長一段時間作為主要燃料，而燃煤鍋爐消耗又是消耗煤的最主要方式之一，現行國家政策要求和社會發展需求大大推動了燃煤工業鍋爐的技術創新。

邱征宇等[9]對杭州市200 臺煤改氣、煤改生物質工業鍋爐從排煙溫度、過量空氣系數及熱效率等方面進行了能效測試分析，分析結果顯示改造后的鍋爐平均排煙溫度與常年持平，過量空氣系數超標，但熱效率與改造前基本持平，說明杭州市在用工業鍋爐改造沒有對鍋爐總體運行能效產生影響，杭州市鍋爐改造基本實現；陳浩[10]對呼倫貝爾市500 余臺在用工業鍋爐開展了能效測試工作，發現呼市在用工業鍋爐運行過程中普遍存在運行負荷低、爐灰渣含碳量高、過量空氣系數大、排煙溫度高等情況，這給節能留下了巨大空間；林明遠[11]對晉江市工業鍋爐能效測試情況進行統計，發現晉江市工業鍋爐熱效率合格率僅為68%左右，熱效率偏低，隨后提出影響熱效率的因素以及提高熱效率的措施；羅賢壽[12]對三明地區143 臺燃煤工業鍋爐進行了能效普查，檢測結果表明排煙熱損失是最主要的熱損失，分析表明排煙溫度過高、過量空氣系數過高是排煙損失的主要原因；許崇濤等[13]對天津市部分在用鍋爐（共230臺）進行了能效測試，通過對比燃煤、燃氣工業鍋爐各項熱損失，發現燃氣鍋爐的各項熱損失更小，熱效率高，而燃煤鍋爐熱效率偏低，具有很大的節能空間。

數據顯示，我國工業鍋爐具有量大面廣、平均容量小、效率較低且以燃煤鍋爐為主（燃煤鍋爐是中國溫室氣體CO2和大氣污染物的主要排放源），使得我國工業鍋爐在節能和減排兩個方面都有很大的潛在空間。

2 廣州市在用工業鍋爐能耗現狀與節能潛力

根據2019 年完成的《廣州市能源消費及管理現狀與節能潛力方向研究課題項目》研究結果顯示，目前廣州市在用工業鍋爐總數約為1667 臺，其中燃氣鍋爐、燃油鍋爐、電加熱鍋爐和生物質鍋爐的保有量分別為898 臺、368 臺、165 臺和138 臺，占所統計鍋爐總數的比例分別為53.87%、22.08%、9.90%和8.28%，合計占比超過90%。此外，還有余熱鍋爐47 臺、燃煤鍋爐34臺（基本為大型熱電聯產或純發電燃煤鍋爐）、垃圾鍋爐17 臺，分別占比為2.82%、2.04%、1.02%（圖1）。

廣州市在用工業鍋爐以燃管道天然氣和輕油為主，生產實踐與研究顯示，相比燃煤鍋爐，這兩種鍋爐熱效率更高，污染排放物更少，但燃料成本更高。近五年廣州市工業鍋爐熱效率統計結果如下，以各類鍋爐對應的熱效率之和與其總臺數之比作為其計算平均熱效率值，燃天然氣鍋爐平均熱效率為88.18%，燃輕油鍋爐平均熱效率為85.18%，燃生物質顆粒鍋爐平均熱效率為75.64%，燃煤鍋爐平均熱效率為79.51%，垃圾鍋爐平均熱效率為81.73%（圖2）。

圖2 各類鍋爐平均熱效率

調查結果表明，廣州地區工業鍋爐的能耗水平相對較高，鍋爐熱效率偏低，鍋爐運行節能管理水平也明顯偏低，存在較大的節能潛力和空間。

3 廣州市在用工業蒸汽鍋爐能效統計分析

3.1 熱效率

根據《鍋爐節能技術監督管理規程》中第五條所規定[14]，鍋爐及其系統的設計應當符合國家有關節能法律、法規、安全技術規范及其相應標準的要求。鍋爐設計文件鑒定時應當對節能相關的內容進行核查，對于不符合節能相關要求的設計文件，不得通過鑒定。各類工業鍋爐設計熱效率值應當滿足表1 中限定值[15]的要求。

在808 臺天然氣蒸汽鍋爐中，熱效率最高為97.2%，熱效率最低為75.81%，平均熱效率為89.87%。

額定蒸發量D≤2t/h（或額定熱功率Q≤1.4MW）的鍋爐有255 臺，其中超過目標值的有40 臺，占比15.69%，未達到限定值的有90 臺，占比35.29%；額定蒸發量D＞2t/h（或額定熱功率Q＞1.4MW）的鍋爐有553臺，其中超過目標值的鍋爐有72 臺，占比13.02%，未達到限定值的有196 臺，占比35.44%。在808 臺天然氣蒸汽鍋爐中只有112 臺達到了目標值，即有約86.14%的鍋爐在目前的運行狀況下仍達不到目標值，而未達限定值的鍋爐比例也高達35.39%（圖3）。

圖3 不同額定蒸發量蒸汽鍋爐達標情況

調查的燃輕油蒸汽鍋爐中，額定蒸發量D＞2t/h的鍋爐有288 臺，其中低于熱效率限定值（90%）的鍋爐達223 臺，占77.43%，超過目標值（94%）的只有6 臺，最高熱效率為96.58%；額定蒸發量D≤2t/h的鍋爐227 臺，未達限定值的有174 臺，占76.65%（表2）。

表2 蒸汽鍋爐熱效率情況統計

由此可以看出，廣州市在用蒸汽鍋爐整體熱效率并不高，限定值達標率不大，而且距離目標值仍存在較大差距，能效提升潛力巨大。

3.2 影響熱效率的因素

3.2.1 鍋爐容量對熱效率的影響

額定容量D≤1t/h（額定熱功率Q≤0.7MW）的天然氣蒸汽鍋爐有165 臺，其中97 臺熱效率符合《鍋爐節能技術監督管理規程》中第五條所規定，合格率為58.79%，熱效率平均值為88.4%。1

圖4 熱效率隨容量的變化關系

對于燃輕油蒸汽鍋爐，額定容量D≤1t/h 的有163臺，其中49 臺熱效率符合《鍋爐節能技術監督管理規程》中第五條所規定，合格率僅為30.06%，熱效率為85.97%；額定容量1

表3 容量分布

3.2.2 過量空氣系數α 對熱效率的影響

過量空氣系數α 是鍋爐設備運行工作過程中一個非常重要的技術指標，通過查找鍋爐原理有關文獻，結合工程經驗得知，一般α 每降低0.3，鍋爐熱效率會提高約1%。

過量空氣系數計算公式如式（1）：

式中：α-過量空氣系數；O2-排煙處氧含量（%）。

在有效統計的802 個天然氣蒸汽鍋爐數據中，過量空氣系數最大值為4.67，最小值為1.01，過量空氣系數的平均值為1.31。超過燃天然氣工業鍋爐過量空氣系數限定值1.15 的鍋爐數量有571 臺，占71.20%。

由圖5 可以看出，廣州市工業天然氣蒸汽鍋爐過量空氣系數大部分集中在1.15～1.31 之間，過量空氣系數總體情況相對較好，只有少量鍋爐的過量空氣系數超過2.0。

圖5 過量空氣系數在各區間的數量及占比情況

3.2.3 排煙溫度和排煙熱損失對熱效率的影響

熱效率計算公式如式（2）：

式中：ηj-反平衡熱效率；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。

q2是鍋爐的主要熱損失，通過查找鍋爐原理有關文獻，結合工程經驗得知，q2一般占8%～12%。q2主要取決于tpy和α，tpy為排煙溫度，按照工程實際經驗一般來說tpy每升高12℃～15℃，q2就將增加約1%。《鍋爐節能技術監督管理規程》中第八條所規定，鍋爐排煙溫度設計應當綜合考慮鍋爐的安全性和經濟性，并且符合表4 的要求。

表4 鍋爐排煙溫度要求

統計808 臺天然氣蒸汽鍋爐的排煙溫度，最高排煙溫度為450.9℃，超過限定170℃值165%，最低排煙溫度為50.4℃。其中621 臺符合《鍋爐節能技術監督管理規程》中第八條所規定，合格率為76.86%，排煙溫度平均值為141.67℃。

排煙溫度對于熱效率的影響主要體現在對于排煙熱損失q2的影響。排煙溫度tpy≤100℃的鍋爐排煙熱損失q2平均為6.2%，排煙溫度100200℃的鍋爐排煙熱損失q2平均為4.61%。上述數據顯示，隨著排煙溫度上升，排煙熱損失下降了，這與工程實際規律和理論規律相悖。上述平均值是以所在溫度區間的所有鍋爐熱損失之和比上鍋爐總臺數求得，以此來表征排煙溫度和排煙熱損失的關系并不準確；雖然排煙熱損失主要取決于排煙溫度，但排煙熱損失q2還與別的因素有關，比如鍋爐結垢程度、過量空氣系數、燃料燃燒狀況等，所以僅以個別數據不能顯示出排煙溫度與熱損失的關系。圖6 是統計的廣州市工業天然氣蒸汽鍋爐排煙溫度和排煙帶走熱量關系散點擬合直線圖，圖中顯示的排煙溫度與排煙帶走熱量在統計結果上存在正比關系，與理論實際相符。

圖6 排煙溫度和排煙帶走熱量關系散點圖

排煙溫度tpy≤100℃的鍋爐有185 臺，其中121 臺熱效率合格，合格率為65.4%，熱效率平均值為89.09%（平均熱效率計算方法同上）。排煙溫度100℃

圖7 排煙溫度與鍋爐熱效率的擬合關系

4 結果分析與節能對策和建議

4.1 工廠熱負荷與鍋爐容量選配不合理

調研結果顯示，165 臺額定容量為D≤1t/h（額定熱功率Q≤0.7MW）的天然氣蒸汽鍋爐中只有97 臺熱效率合格，合格率僅為58.79%。廣州市有相當部分工業鍋爐的運行存在“大馬拉小車”的現象，也就是說大多數鍋爐處于低負荷運行狀態，造成鍋爐熱效率總，體不高，能源浪費嚴重。可能原因有多種，如有關鍋爐節能的法規、標準不健全，鍋爐使用管理水平較低，工廠或行業缺乏節能監督機制，鍋爐的設計、制造、使用環節中未充分考慮所需熱負荷與容量的匹配。

在供熱熱源設計時，工業鍋爐的容量是最重要的技術指標之一，如何有效避免鍋爐低負荷運行情況的發生，首要任務是合理選擇鍋爐容量。針對低負荷運行的問題，建議在鍋爐選型上，綜合供熱品質和負荷率，做到“兩手抓，兩手都要硬”；對鍋爐容量和臺數進行綜合優化考慮，根據熱負荷合理地選擇容量和臺數的搭配方案；熱源單位需要在選型時摒棄一直以來“留有富余”的觀念，將未來必然的熱負荷規劃包括進去，而把“可能”或者概率不大的熱負荷排除在外，盡量使鍋爐房和供熱系統的運行接近或達到設計負荷。

4.2 過量空氣系數α

前已述及，統計的廣州市工業天然氣蒸汽鍋爐中有71.20%的過量空氣系數超過了限定值，因為過量空氣系數對鍋爐熱效率有很大影響，廣州市鍋爐熱效率偏低的原因之一就是過量空氣系數偏高。存在多種影響α 偏高的因素，如下幾點：（1）一次風、二次風等配風不合理，送風量過大或者調風方式落后等導致過量空氣系數偏高；（2）鍋爐管道系統老化開縫，系統部件腐蝕磨損嚴重導致穿孔等因素導致系統漏風嚴重，從而導致過量空氣系數偏高；（3）鍋爐操作員操作不當，致使爐膛環境產生負壓，大量冷空氣被倒吸進入爐膛，使得平均熱效率降低導致過量空氣系數偏高等。

為了解決鍋爐過量空氣系數偏高的問題，提出以下改進建議：（1）運用在線監測技術，控制配風量，在線監測與變頻器聯動，或者根據需要結合自動控制技術建立自動配風系統，使配風隨時隨處都相對合理；（2）對鍋爐管道系統定期進行質量檢測，及時對煙風道破損部位進行修補，對腐蝕磨損嚴重部位及時更換，以減少漏風情況的發生；（3）對鍋爐系統及時進行技改，讓系統裝備保持技術先進性；（4）在操作上，當鍋爐運行時，操作員盡量減少非必要爐門的開啟。

4.3 排煙溫度

統計的808 臺天然氣蒸汽鍋爐里，有207 臺鍋爐的排煙溫度超過了《鍋爐節能技術監督管理規程》中第八條所規定的限定值（具體限定值見表4），占25.62%。一般來說，排煙溫度越高，排煙熱損失就越大，從而鍋爐熱效率就越小，因此應適當降低鍋爐排煙溫度。引起鍋爐排煙溫度過高的原因有：（1）受熱面結渣、積灰，使該處的傳熱惡化，從而使煙氣的冷卻效果變差，導致排煙溫度升高。（2）過量空氣系數過大。正常情況下，隨著爐膛出口過量空氣系數的增加，排煙溫度升高。（3）漏風系數過大。漏風處離爐膛越近，對排煙溫度升高的影響就越大。（4）燃料水分偏高。燃料中水分的增加使煙氣量增加，因此排煙溫度升高。（5）鍋爐負荷偏大。負荷增加使爐膛出口溫度增加，使其后的對流受熱面傳熱溫差增大，吸熱量增多，導致鍋爐排煙溫度過高。

解決受熱面積灰導致排煙溫度升高的措施：（1）運行中加強鍋爐吹灰，適當縮短吹灰間隔；（2）檢修人員加強日常檢修與維護，確保吹灰器的正常使用；（3）保持各受熱面的清潔，空預器加裝脈動吹灰裝置，利用燃氣爆破產生的超聲波除灰，并結合蒸汽吹灰等。

解決漏風導致排煙溫度升高的措施：（1）定期安排鍋爐本體及制粉系統的查漏和堵漏工作；（2）采用密封比較好的門、孔結構；（3）在運行時，隨時關閉各看火門、孔等。

以上對排煙溫度升高的各種原因進行了分析，找到了引起排煙溫度升高的因素，并提出了一些切實可行的措施和方案，為鍋爐設計和設備改造治理、降低了因排煙溫度升高而給鍋爐運行安全帶來的危害，為合理控制排煙溫度提供了指導。

5 結束語

本文主要研究了廣州市在用工業蒸汽鍋爐的能效現狀和節能潛力，通過測試和統計一年周期內廣州市在用蒸汽鍋爐熱效率和能源利用情況，掌握了全市共計1096 臺工業蒸汽鍋爐（其中天然氣蒸汽鍋爐808 臺，輕油蒸汽鍋爐288 臺）的熱效率狀況，討論了影響熱效率的因素。從工業鍋爐熱效率、影響熱效率的因素、燃料消耗、能耗管理、水處理及結垢情況等與鍋爐能耗相關的因素或指標等方面提出節能改造對策和建議。

目前，廣州市在用1667 臺鍋爐中有約48.17%的鍋爐運行在非經濟運行區間，能源利用效率較低，節能潛力較大。建議市節能主管部門聯合特種設備監管部門、環保部門等單位，制定鍋爐能效提升行動計劃，通過節能技術改造、加強運行管理等手段，使其熱效率至少提升4%～5%，達到《鍋爐節能技術監督管理規程》規定的熱效率限定值的要求，并盡可能向目標值靠攏。

調查結果表明，廣州地區工業鍋爐的能耗水平相對較高，鍋爐運行節能管理水平也明顯偏低，存在較大的節能潛力和空間。