文/余德祖 閔 德

鍋爐給水節(jié)能裝置研究

文/余德祖 閔 德

節(jié)能對(duì)高能耗鍋爐尤為重要。本文主要對(duì)一種新的鍋爐給水側(cè)節(jié)能裝置效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的建立，該裝置的理論依據(jù)，實(shí)驗(yàn)室建立，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和裝置節(jié)能效果進(jìn)行了闡述。希望該裝置的開(kāi)發(fā)能為提升我國(guó)鍋爐節(jié)能水平出份力。

節(jié)能裝置 實(shí)驗(yàn)室對(duì)比試驗(yàn) 水的汽化熱測(cè)定

我國(guó)是個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)，也是煤炭消費(fèi)大國(guó)。2012年產(chǎn)原煤37億t，占世界煤炭產(chǎn)量的一半，其中，21%用于工業(yè)鍋爐。工業(yè)鍋爐是耗能的重點(diǎn)設(shè)備，也是節(jié)能減排的重點(diǎn)對(duì)象。

全國(guó)現(xiàn)有各類(lèi)工業(yè)鍋爐約60萬(wàn)臺(tái)，消耗原煤約7.77億t/Y（由于煤爐所占比例較大，油、汽爐暫未列入）。煤鍋爐平均運(yùn)行效率約65%，若鍋爐節(jié)能率提高3%，則可減少用原煤3 586.2萬(wàn)t/Y，可減少二氧化硫排放30.84萬(wàn)t/Y，減少氮氧化物30.72萬(wàn)t/Y。

通常，工業(yè)鍋爐的節(jié)能技術(shù)基本上采用的是煙氣側(cè)的節(jié)能技術(shù)。它建立在熱力學(xué)第一定理的基礎(chǔ)上，能定量或在理論上給出該節(jié)能裝置的節(jié)能效率，且還能夠通過(guò)相應(yīng)的熱工測(cè)試來(lái)驗(yàn)證該節(jié)能裝置的節(jié)能效果是否與原設(shè)計(jì)相一致。鍋爐給水節(jié)能微觀處理關(guān)鍵技術(shù)研究所研發(fā)的節(jié)能裝置（以下簡(jiǎn)稱“節(jié)能裝置”）是一種全新的、唯一的在水側(cè)具有節(jié)能效果的裝置。該裝置已獲實(shí)用新型專利和發(fā)明專利。

目前，已有相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)試驗(yàn)證明：該裝置在同樣條件下，水在汽化過(guò)程中可減少能源消耗量，提高了鍋爐的運(yùn)行效率，節(jié)能率達(dá)到3%以上。節(jié)能裝置所產(chǎn)生的節(jié)能作用發(fā)生在鍋筒內(nèi)水—汽轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，已有實(shí)際效果的顯現(xiàn)。

一、課題研究的理論依據(jù)

鍋爐的給水與自然界的大部分水一樣，其分子排列都是處于無(wú)序狀態(tài)。由于水分子之間具有相互間的引力（即范德華力），水的正常沸騰汽化需要提供能量來(lái)克服這部分引力，使其從原本混亂無(wú)序狀態(tài)變?yōu)轫樞驙顟B(tài)，并且拉長(zhǎng)了水分子之間的距離，形成了蒸汽的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

從水到蒸汽，其工藝順序表現(xiàn)為：原本混亂無(wú)序的原水分子（吸取外部能量）→按順序排列的分子 →（在飽和狀態(tài)進(jìn)一步吸取外部能量后）被拉長(zhǎng)距離的分子（水蒸氣）。

鍋爐給水流經(jīng)本技術(shù)的“鍋爐節(jié)能系統(tǒng)”與內(nèi)部的“單體處理器單元”接觸，受釋放自由電子的作用而攜帶電子，水中攜帶的自由電子在電荷的作用下形成周?chē)?～8個(gè)水分子與之結(jié)合的水合電子，水合電子的形成，部分破壞了原有水分子之間形成的氫鍵和分子間的引力，從而降低了液態(tài)水分子之間的結(jié)合力。經(jīng)處理后的原水輸送給鍋爐，在鍋爐中燃料燃燒的能量?jī)H需進(jìn)一步拉長(zhǎng)水分子的間距即可完成汽化過(guò)程。

本研究的節(jié)能裝置核心部件“單體處理器單元”具有特異性能的稀土合金，能完成上述過(guò)程。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及建立

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

“單體處理器單元”在前期實(shí)驗(yàn)室研究中證實(shí)經(jīng)處理后的水具有水合電子。在高精度差熱分析儀數(shù)據(jù)整理后，亦發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理過(guò)的水在汽化過(guò)程中所需的外部能量減少了7%。

本課題的目標(biāo)是通過(guò)試驗(yàn)室建立模擬試驗(yàn)臺(tái)（排除在用鍋爐試驗(yàn)中影響運(yùn)行效率的不可控因素），同時(shí)，模擬鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，以獲取本節(jié)能裝置精確的、可靠的節(jié)能率，以便了解安裝了該裝置后對(duì)鍋爐系統(tǒng)的影響。如，該裝置加入系統(tǒng)后對(duì)系統(tǒng)阻力的影響等等。

2. 實(shí)驗(yàn)研究主要步驟

作為一種有特殊功能的節(jié)能裝置，我們通過(guò)試驗(yàn)來(lái)揭示并證實(shí)這個(gè)現(xiàn)象的客觀存在，并讓它為社會(huì)服務(wù)，為全國(guó)的節(jié)能減排出一份力。

① 建立試驗(yàn)室

在試驗(yàn)室中布置兩臺(tái)容量相同的電加熱鍋爐，進(jìn)行節(jié)能率變化的試驗(yàn)研究，完成揭示節(jié)能現(xiàn)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而系統(tǒng)地分析、篩選相關(guān)數(shù)據(jù)，探索改進(jìn)方法，不斷完善裝置的性能，為該產(chǎn)品定型明確路徑。

設(shè)計(jì)制作汽化潛熱檢測(cè)裝置。通過(guò)對(duì)不同壓力下，使用該節(jié)能裝置后水的汽化潛熱變化范圍進(jìn)行測(cè)量，定量地給出精確可靠的節(jié)能率。

② 工業(yè)性試驗(yàn)

和用戶結(jié)合，在各種不同燃料、不同水質(zhì)和不同容量的鍋爐上裝上該裝置，進(jìn)行同期能耗對(duì)比，逐臺(tái)檢驗(yàn)本裝置的節(jié)能效果。通過(guò)大量在用鍋爐的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以清晰地反映節(jié)能效果的真實(shí)性，為后續(xù)品質(zhì)等工作打下基礎(chǔ)。

3. 實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程

① 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)：工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率的變化，涉及到燃料品種和特性的不一致、司爐操作工技能的不一致、季節(jié)變化引起的周邊溫度不一致、鍋爐變工況運(yùn)行等等因素。若不排除這些因素，5%左右效率的提高很可能會(huì)淹沒(méi)在這些因素變化當(dāng)中而被忽視。

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)必須考慮這些因素。因此，我們選用了美國(guó)某品牌電鍋爐、標(biāo)準(zhǔn)水箱、能輸出校核系統(tǒng)、恒溫試驗(yàn)室等等，進(jìn)行平行汽化熱測(cè)定。為此研究設(shè)計(jì)并制作了水的汽化熱測(cè)定儀（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖

② 試驗(yàn)方法

對(duì)比試驗(yàn)是相對(duì)比較法試驗(yàn)，試驗(yàn)在同一臺(tái)鍋爐上進(jìn)行，具有設(shè)備性能同一性、可比性，測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差具有同向性，精度高，平行進(jìn)行水的汽化熱測(cè)定。

③ 試驗(yàn)過(guò)程

本底空白試驗(yàn)，按GB/T 10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。關(guān)閉節(jié)能器進(jìn)出水閥門(mén)，打開(kāi)旁路閥門(mén)。使鍋爐按常規(guī)鍋爐房運(yùn)行方式正常運(yùn)行。

在試驗(yàn)裝置進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，開(kāi)始正式記錄試驗(yàn)室溫度、氣壓、濕度、壓力能耗等15個(gè)數(shù)據(jù)，每5 s刷新一次。穩(wěn)定狀態(tài)的定義見(jiàn)表1。

表1 穩(wěn)定狀態(tài)的定義

鍋爐給水流量、冷卻水重量等經(jīng)稱重、記錄，蒸汽濕度用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測(cè)定并記錄。

易爾思系統(tǒng)投運(yùn)后的試驗(yàn)。開(kāi)啟易爾思系統(tǒng)進(jìn)出水閥門(mén)，關(guān)閉旁路閥門(mén)，使鍋爐系統(tǒng)按常規(guī)鍋爐房設(shè)備+易爾思系統(tǒng)方式運(yùn)行。易爾思系統(tǒng)投入試驗(yàn)后，每天進(jìn)行正式試驗(yàn)2～3次，每次正式試驗(yàn)時(shí)間2 h。

在上述試驗(yàn)同時(shí)用汽化熱測(cè)定儀（見(jiàn)圖2）平行進(jìn)行“處理前、后給水”水的汽化熱測(cè)定。

圖2 汽化熱測(cè)定儀

我們?cè)O(shè)計(jì)的汽化熱測(cè)定儀是采用直接測(cè)量法。它直接測(cè)量在一定壓力下液體汽化時(shí)所吸收的實(shí)際熱量。該方法對(duì)測(cè)量裝置（絕熱條件、測(cè)量?jī)x表和時(shí)間掌控等）的要求較高，其次對(duì)數(shù)據(jù)處理的水準(zhǔn)亦有一定要求。該裝置已獲實(shí)用新型專利。在試驗(yàn)期間，由上海市專業(yè)能源監(jiān)測(cè)站隨機(jī)檢測(cè)二次鍋爐效率。

三、實(shí)驗(yàn)研究成果

1. 研究結(jié)果證實(shí)

該水的微觀處理技術(shù)“單體處理器單元”具有減少水在汽化過(guò)程中對(duì)外部能量的需求作用。研究證實(shí)使用該技術(shù)后，鍋爐平均熱效率提高6.92%，單位蒸發(fā)量電耗下降0.048 9 kWh/kg。

2. 隨機(jī)抽檢結(jié)果

上海市檢測(cè)機(jī)構(gòu)隨機(jī)抽檢結(jié)果：平均鍋爐熱效率提高9.04%，單位蒸發(fā)量電耗下降0.069 kWh/ kg，節(jié)能率8.16%。微觀處理技術(shù)的裝置加入系統(tǒng)后，對(duì)原系統(tǒng)的阻力增加小于0.05 Mpa，這個(gè)量級(jí)的增加對(duì)鍋爐給水系統(tǒng)的系統(tǒng)阻力可以忽略不計(jì)。

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)均已達(dá)到并超過(guò)了任務(wù)書(shū)的技術(shù)指標(biāo)考核要求，在此研究基礎(chǔ)上已將成果轉(zhuǎn)化為“ES“系列產(chǎn)品“水汽相變節(jié)能裝置”。

四、主要問(wèn)題和設(shè)想

實(shí)驗(yàn)室籌建初期設(shè)想是由二套獨(dú)立的鍋爐系統(tǒng)組成，一套不安裝易爾思系統(tǒng)運(yùn)行，另一套安裝易爾思系統(tǒng)運(yùn)行，分別采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。但是，由于同一廠商、同一型號(hào)的鍋爐、計(jì)量器具等的實(shí)際誤差均不可能完全一致。同時(shí)，相關(guān)專家也建議為保證試驗(yàn)精度，應(yīng)在同一系統(tǒng)上作對(duì)比試驗(yàn)更為科學(xué)（系統(tǒng)設(shè)有旁路，可以根據(jù)試驗(yàn)需要投入或切換易爾思系統(tǒng)）。實(shí)際試驗(yàn)在同一系統(tǒng)中進(jìn)行。試驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)室大氣壓相對(duì)穩(wěn)定，室溫恒定，試驗(yàn)環(huán)境是穩(wěn)定的。試驗(yàn)采用電鍋爐，穩(wěn)定性好，最大程度地排除了環(huán)境和能源波動(dòng)對(duì)試驗(yàn)的干擾，保證了鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的一致性。

本次試驗(yàn)構(gòu)建的運(yùn)行系統(tǒng)按照常規(guī)工業(yè)鍋爐鍋爐房實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)來(lái)配置，試驗(yàn)過(guò)程按照GB/T 10180-2003標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，數(shù)據(jù)計(jì)算方法按照鍋爐正平衡效率計(jì)算，數(shù)據(jù)采集采用電腦自動(dòng)記錄，排除了人為記錄誤差，數(shù)據(jù)具有可靠性。

此試驗(yàn)確認(rèn)了鍋爐微觀處理節(jié)能技術(shù)“單體處理器單元”的有效性、可靠性和穩(wěn)定性，推測(cè)了其作用原理。但其確切的機(jī)理和理論基礎(chǔ)，建議有關(guān)部門(mén)立項(xiàng)，進(jìn)行深入和擴(kuò)大研究。

Energy saving is particularly important for high energy boiler. This paper focuses on the establishment of the experiment which is able to verify the effectiveness of a new energysaving device at boiler water feeding side. The paper describes the theory of the new device, the establishment of the laboratory, the analysis of the experimental process, and conclusions of the device. Through this new device, the paper intends to make contribution to upgrade the development level of domestic energy-saving boiler.

Energy saving devices; Laboratory experiment; The determination of heat of vaporization of water

（作者單位：上海易爾思節(jié)能系統(tǒng)有限公司）