鍋爐制造過程定型產品能效影響因素分析

李勇 趙彥杰 齊曉冰 呂瓊

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016）

0 引言

作為國民經濟中常見的動力設備，工業鍋爐被廣泛應用于化工、食品等生產生活領域中。目前，我國工業鍋爐以煤（大型發電用）和石油天然氣（生產生活用）為主要能量來源，其在燃燒過程中會排放大量的CO2、NOx、SOx以及粉塵等污染物，從而造成嚴重的大氣污染。為了實現節能增效和打贏大氣污染治理攻堅戰，國家對包括工業鍋爐在內的多種高能耗特種設備實行安全監察與節能監管相結合的管理機制。近年來，國家相繼出臺了一系列的法律法規和安全技術規范，針對設計、制造、安裝、改造和維修、使用管理、檢驗檢測和能效測試、監督管理等環節做出具體的強制性規定，推進對燃煤散燒的綜合治理，推動燃氣鍋爐替代燃煤鍋爐的進程，各項工作均取得較大成效［1-3］。

通過對工業鍋爐煤改氣工作的推進，目前普遍使用的是燃氣工業鍋爐。燃氣工業鍋爐具有污染物排放量少、熱效率和自動化程度高的優點，但也存在排煙溫度、過量空氣系數及可燃物含量超標的缺點，在長期運行過程中會浪費大量的能源。在使用過程中，燃氣鍋爐內部會因受熱變化、外部保溫及環境改變等造成排煙溫度升高、可燃物含量超標增多等，從而導致鍋爐的熱效率降低。有研究表明，當排煙溫度在165～205 ℃時，過量空氣系數每降低0.1，排煙熱損失可降低0.48%～0.61%［4-5］。

本研究通過對73 臺燃氣工業鍋爐進行定型產品能效測試，根據測試數據，對可能影響燃氣工業鍋爐熱效率的因素進行分析，從而找出影響燃氣工業鍋爐能效的因素，在提高燃氣鍋爐熱效率的同時，促進節能減排工作的推進。

1 測點布置及測試儀器

測試人員可根據試驗大綱的要求來布設測點、配齊測試儀表，并對儀表進行測試前的核查，在測試現場對被測鍋爐及其系統進行檢查，測試前要對鍋爐及系統進行檢查，這是為了確保被測鍋爐及系統能夠正常運行。本研究測試點的布置圖見圖1，圖中的1至12為本研究所選取的測試點。

圖1 測點布置圖

2 測試內容與計算方法

2.1 測試內容

鍋爐的熱效率是指同一時間內鍋爐有效利用熱量與輸入熱量的百分比。根據熱平衡原理，鍋爐熱效率可通過正反平衡法求得。

2.1.1 正平衡法。該方法是通過直接測量輸入熱量和輸出熱量來確定效率。其測量項目有入爐燃料采樣的工業分析、元素成分分析以及發熱量、蒸汽鍋爐輸出蒸汽量（熱水鍋爐、有機熱載體鍋爐的介質循環流量）、自用蒸汽量，蒸汽取樣量，鍋水取樣量、排污量（連續排污量，要計入鍋水取樣量）、蒸汽鍋爐的給水溫度和給水壓力、熱水鍋爐、有機熱載體鍋爐的進出口介質溫度、過熱蒸汽溫度、蒸汽鍋爐的蒸汽壓力（熱水鍋爐、有機熱載體鍋爐的進、出口介質壓力）、飽和蒸汽濕度或過熱蒸汽品質、燃料消耗量和電加熱鍋爐耗電量以及試驗開始到結束的時間。

2.1.2 反平衡法。該方法是通過測量各種燃燒產物熱損失和鍋爐散熱損失來確定效率。按反平衡法進行能效測試時，測試的項目包括入爐燃料采樣的工業和元素成分分析以及發熱量、排煙溫度、排煙處煙氣成分、爐渣和漏煤的重量、爐渣和漏煤以及飛灰可燃物含量、入爐冷空氣溫度、試驗開始到結束的時間。

測試前要根據被測試設備的具體狀況來制定測試大綱，包括測試任務、目的與要求、測試項目、測點布置（見圖1）與所需儀表、人員組織與分工、工作程序、注意事項等［6］。測試內容詳見表1。

表1 測試內容

燃氣工業鍋爐的能效測試包括排煙溫度tpy、排煙處過量空氣系數αpy、排煙處CO的含量、入爐冷空氣溫度tlk、排煙處RO2含量、爐體外表面溫度以及測試開始和結束的時間［7-8］。

燃氣工業鍋爐能效測試采用正反平衡法，每次測試的正反平衡效率差要小于或等于1%，測量項目要符合《工業鍋爐熱工性能試驗規程》［9］、《鍋爐節能環保技術規程》［10］中的有關要求，排煙溫度、排煙處過量空氣系數、排煙處CO 含量按測量到的數據取算術平均值作為計算數值。

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2.2 計算方法

按《工業鍋爐熱工性能試驗規程》中的相關規定進行，采用正平衡法測試單一工質飽和蒸汽鍋爐輸入熱量，計算公式見式（1）。

式中：Qin為輸入熱量，kJ/kg或kJ/m3；Qnet.v.ar為收到基低位發熱值，kJ/kg；Qex為加熱燃料或外來熱量，kJ/kg 或kJ/m3；Qf為燃料物理熱，kJ/kg或kJ/m3；Qpu為自用蒸汽代入熱量，kJ/kg或kJ/m3。

飽和蒸汽鍋爐熱效率的計算公式見式（2）。

式中：η1為正平衡效率，%；Dfw為給水流量，kg/h；γ為汽化潛熱，kJ/kg；ω為飽和蒸汽濕度，%；GHum為測定蒸汽濕度時鍋水取樣量，kg/h；B為燃料消耗量，kg/h或m3/h。

采用反平衡法來測量單一工質飽和蒸汽鍋爐熱效率，計算公式見式（3）。

式中：η2為反平衡熱效率，%；q2為排煙熱損失，%；q3為氣體不完全燃燒熱損失，%；q4為固體不完全燃燒熱損失，%；q5為散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%；q7為石灰石脫硫熱損失，%。

3 測試數據

3.1 測試數據匯總

表2 測試數據

3.2 測試數據分析

對表3 中的定型產品能效測試數據進行繪圖分析，并抽取不同出力的鍋爐數據，對其進行繪圖分析，如圖2所示。

圖2 鍋爐出力與平均熱效率

由圖2 可以看出，隨著制造工藝的提升，燃氣工業鍋爐定型產品的熱效率得到顯著提高，且隨著鍋爐出力的提高，鍋爐熱效率無顯著提升或降低，如圖3所示。

圖3 鍋爐出力與排煙溫度

對測試結果進行分析，可以發現，排煙損失q2是鍋爐熱損失的主要部分，排煙溫度過高容易導致燃料燃燒產生的熱量不能充分利用，不但浪費了燃料，還使鍋爐的熱效率降低。造成排煙溫度過高的因素有結構設計不合理、受熱面不足、隔熱層破損、煙氣短路、受熱面外部積灰內部結垢等［11］。

由圖3 可以看出，隨著鍋爐出力的增大，排煙溫度整體呈下降趨勢。這是因為隨著鍋爐出力的增大，設計制造時更加注重熱效率的影響，會采取適當增大鍋爐受熱面、增加尾部節能器等措施，在降低排煙溫度的同時，提高鍋爐效率［12］。

過量空氣系數是影響工業鍋爐熱效率的一個重要因素，過量空氣系數過低或過高都會導致燃料燃燒不充分，從而造成燃料未完全燃燒，導致鍋爐的熱效率降低［13］，如圖4所示。

圖4 鍋爐出力與過量空氣系數

由表2 和圖4 可以看出，目前燃氣工業鍋爐的過量空氣系數波動較小，一般都在標準允許的范圍內，這是因為燃氣工業鍋爐的結構緊湊、包裝相對嚴密、漏風較少。過量空氣系數受燃燒機調試效果的影響，可通過選取匹配合理的燃燒機及對燃燒機進行調試等措施，降低過量空氣系數。

在排煙系統中，未完全燃燒的可燃氣體（氫氣、一氧化碳、甲烷等）會帶走一部分熱量。按照相關規定中的要求，氣體未完全燃燒熱損失q3可根據排煙處CO 的含量按經驗選取，由表2 可知，燃氣工業鍋爐氣體未完全燃燒熱損失數量很小，排煙處的CO含量一般都在100 ppm以下，這與燃氣鍋爐微正壓燃燒及燃燒機性能的提高等有很大關系［14-15］，如圖5所示。

圖5 出力與氣體未完全燃燒熱損失

4 燃氣工業鍋爐能效影響因素及節能措施

4.1 燃氣工業鍋爐能效的影響因素

對燃氣工業鍋爐能效產生顯著影響的因素有排煙溫度、過量空氣系數、氣體未完全燃燒及散熱等，這些因素產生的原因如下。

4.1.1 排煙溫度。由于鍋爐設計的受熱面積不足、受熱面布置不當、傳熱效果不良，導致燃料燃燒后產生的熱量不能完全被工質吸收；尾部換熱器選型較小，導致換熱面積不足、換熱效果不佳；爐墻損壞，煙氣短路，導致煙氣未與受熱面充分接觸換熱。

4.1.2 排煙處過量空氣系數。燃燒器選項不當，使送風量過大，導致過量空氣系數增大；鍋爐的保溫密封不嚴，導致鍋爐本體部位漏風；空氣預熱器等尾部受熱面部位存在漏風的情況。

4.1.3 氣體未完全燃燒。爐膛容積較小，煙氣在爐內的停留時間短，導致可燃氣體未燃盡；過量空氣系數過小，可燃氣體得不到充足的氧氣，從而無法完全燃燒；過量空氣系數過大會導致爐內溫度降低，不利于燃燒反應的進行，同樣也會導致氣體未完全燃燒的熱損失增大。

4.1.4 散熱損失。鍋爐外表面積大小；鍋爐外保溫材料及包覆效果。

4.2 提高在用鍋爐節能的措施

4.2.1 控制過量空氣系數。通過合理調節配風比和爐排風室密封來減少串風、增設變頻器或更換風機等，將過量空氣系數控制在最佳的范圍內。

4.2.2 控制排煙溫度。降低排煙溫度是鍋爐節能的重要途徑。對正在使用的鍋爐，可增加尾部受熱面來降低排煙溫度。

4.2.3 做好鍋爐給水軟化處理工作，避免或減少受熱面結垢。由于水垢導熱系數低，熱阻大，傳熱會受到影響，從而使煤耗增加。因此，要保證受熱面不結水垢。一是要加強水質處理從而保證不結垢，二是當受熱面結垢達到一定程度時，要及時進行清除。

4.2.4 提高鍋爐運行管理及操作水平。根據資料顯示，無須其他技術措施，僅通過改善管理就能提高5%～10%的工作效率。同樣型號的鍋爐，不同人員進行操作、調節與控制，鍋爐的消耗也是不一樣的，所以要強化鍋爐運行管理及提高相關人員的操作水平。

4.2.5 加強鍋爐運行監測。通過對鍋爐運行參數和相關指標進行監測，確定各項控制指標，為鍋爐安全高效的運行提供依據。有條件的應實現自動控制，便于隨時調整燃料量、風量、水位、汽壓、汽溫、爐膛溫度、排煙溫度、過量空氣系數等，從而實現鍋爐的安全、高效運行。

5 結語

從鍋爐型式來說，目前我國已形成能適應國情和滿足國內市場需求的、較完整的產品規格體系。鍋爐本體型式早已成熟，今后工業鍋爐行業的發展主要是隨著燃料的變化、環保要求的提高及科學技術的發展，而帶來燃燒方式和燃燒設備的改進、配套輔機附件的提高，以及檢測和自動控制水平的完善提高。技術上將迎來一個精耕細作的過程，要著眼于從有到優、從整體到細節、從單機到系統的全生命周期的優化提升，著眼于對現有經驗的理論提升和實證研究。