房丹丹,梁金國,林日億,馬 猛

(中國石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑學(xué)院,山東 青島 266580)

在環(huán)保日益受到重視的今天,天然氣作為清潔化石燃料在世界能源結(jié)構(gòu)中占比越來越高。雖然現(xiàn)今我國的天然氣能源消耗只占5%,但隨著西氣東輸工程、廣東液化天然氣工程和俄羅斯天然氣引進(jìn)工程的規(guī)劃與實(shí)施,天然氣在能源結(jié)構(gòu)中的份額將顯著提高,以天然氣為燃料的加熱爐也將得到更加廣泛的應(yīng)用。

熱效率作為加熱爐的主要性能指標(biāo),它的測試方法有兩種:正平衡法和反平衡法。與正平衡法相比,反平衡法具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)所用測試儀器少。除散熱損失外,一般只需一臺(tái)燃燒效率測試儀。(2)儀器安裝比較方便。一般只需在煙道上打一取樣孔即可。(3)測試時(shí)對(duì)熱設(shè)備所要求的穩(wěn)定時(shí)間短,測試較短。(4)測試簡單。測試時(shí),通常只需要設(shè)置儀器的打印時(shí)間間隔。

另外,盡管我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,加熱爐效率測試以正平衡法測試結(jié)果為準(zhǔn),但美國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)反平衡法更為準(zhǔn)確[1-2]。因此加熱爐反平衡效率的測試將會(huì)越來越普及。但目前燃?xì)饧訜釥t反平衡效率的計(jì)算與測試中仍存在一些不足,如未考慮助燃空氣攜帶熱量,煙氣測試時(shí)未考慮可燃?xì)怏w成分等。針對(duì)這些問題,通過分析兩種反平衡熱效率計(jì)算方法,總結(jié)出了比較合理的方法,并依據(jù)實(shí)際測試煙氣數(shù)據(jù),指出了煙氣成分分析測試中應(yīng)注意的問題并給出合理建議。

1 反平衡熱效率的分析與計(jì)算

1.1 燃?xì)饧訜釥t的熱平衡方程

圖1為燃?xì)饧訜釥t熱平衡分析模型,燃?xì)饧訜釥t的熱平衡方程式為:

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5.

(1)

式中,Q為燃?xì)饧訜釥t的輸入熱量,kJ/kg;Q1為燃?xì)饧訜釥t的輸出熱量,kJ/kg;Q2為燃?xì)饧訜釥t的排煙損失熱量,kJ/kg;Q3為燃?xì)饧訜釥t化學(xué)不完全燃燒損失熱量,kJ/kg;Q4為燃?xì)饧訜釥t機(jī)械不完全燃燒損失熱量,kJ/kg;Q5為燃?xì)饧訜釥t的散熱損失,kJ/kg。

圖1 燃?xì)饧訜釥t熱平衡分析模型

對(duì)燃?xì)饧訜釥t來說,機(jī)械不完全燃燒損失Q4是可以忽略的。燃?xì)饧訜釥t反平衡效率由公式2計(jì)算:

η=100-(q2+q3+q5).

(2)

式中,q2、q3、q5分別為燃?xì)饧訜釥t排煙熱損失、化學(xué)不完全燃燒損失和表面散熱損失。其中:

(3)

(4)

(5)

1.2 輸入熱量與排煙損失熱量的計(jì)算方法

1.2.1 未考慮助燃空氣的焓的熱量計(jì)算

在當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)中,主要采用公式(6)、(7)的方法來計(jì)算輸入熱量和排煙損失熱量。在計(jì)算輸入熱量時(shí)只考慮燃料的低位熱值和熱焓,而不包括助燃空氣的焓,這顯然是不合理的。因?yàn)橐獪y試的是加熱爐熱設(shè)備的效率,而不是燃料的效率。并且煙氣是氣體燃料與助燃空氣燃燒形成的,排煙熱損失只減去助燃空氣的焓而不減去燃?xì)獾撵?這在理論上也是不合理的。

Q=Qlhv+hng.

(6)

Q2=Vfg(hfg1-ha).

(7)

式中,Qlhv為天然氣的低位熱值,kJ/m3;Vfg為排煙處煙氣的體積,m3/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,以下同);hfg1為煙氣在排煙溫度下的焓,kJ/m3;hng為天然氣的焓,kJ/m3;ha為助燃空氣的焓,kJ/m3。

1.2.2 考慮助燃空氣的焓的熱量計(jì)算

文獻(xiàn)[3]、[4]里指出,計(jì)算加熱爐輸入熱量時(shí),應(yīng)該包含助燃空氣進(jìn)入加熱爐時(shí)所攜帶的能量，即

Q=Qlhv+hng+ha.

(8)

Q2=Vfg(hfg1-hfg2).

(9)

式中,hfg2為煙氣在環(huán)境溫度下的焓,kJ/m3。

下面用一特殊的例子來說明兩種計(jì)算方法的正誤,一個(gè)無燃料的鍋爐系統(tǒng),如圖2所示,只有鼓風(fēng)機(jī)向里送30 ℃的風(fēng),環(huán)境溫度20 ℃,被加熱介質(zhì)為10 ℃水,介質(zhì)吸熱后,出口溫度變?yōu)?1 ℃,而30 ℃的空氣放熱后,排煙溫度降為25 ℃。在這種情況下,鍋爐的效率應(yīng)該在0%到100%之間。以環(huán)境溫度為基準(zhǔn)溫度,則

Q=ha>0.

(10)

Q2=hfg1-hfg2>0.

(11)

Q2

(12)

因此效率在0%到100%之間,這與實(shí)際情況完全相符,說明該方法是正確的。

當(dāng)未考慮空氣的焓,那么:

Q2=hfg1-ha<0.

(13)

此時(shí)排煙損失熱量為負(fù)值,這顯然是不正確的。

圖2 方法比較示意圖

2 煙氣成分分析需注意的問題

燃?xì)饧訜釥t在運(yùn)行中,并不象文獻(xiàn)[5]、[6]所述,即在正常運(yùn)行時(shí),煙氣中可燃?xì)怏w含量很少,可以忽略;或者H2、CH4和CO相比很小,可以忽略。實(shí)際情況遠(yuǎn)非如此。加熱爐所使用的天然氣的成分主要是CH4(91.77%)、C2H6(1.947%)、C3H8(1.732%)等。煙氣成分分析數(shù)據(jù)及測算結(jié)果見表1。

由表1可以看出：

(1)燃?xì)庠O(shè)備在運(yùn)行效率位于最高點(diǎn)時(shí)，其過量空氣系數(shù)也較低，設(shè)備的化學(xué)不完全燃燒損失最低，煙氣中可燃?xì)怏w成分最少。但即使在這種情況下，煙氣中可燃?xì)怏w含量也不可忽略。何況在燃?xì)庠O(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，很難將它控制在最高效率下，而通常是在該工況附近運(yùn)行；當(dāng)過量空氣系數(shù)略低于該工況時(shí)，煙氣中的可燃?xì)怏w含量明顯增加，化學(xué)不完全燃燒損失迅速變大，因此，在過量空氣系數(shù)較低的情況下測算燃?xì)饧訜釥t的熱效率時(shí)，須測試煙氣中可燃?xì)怏w含量。

(2)過量空氣系數(shù)較大時(shí)，煙氣中可燃?xì)怏w含量也有較明顯增加，化學(xué)不完全燃燒損失增加較快，因此測試煙氣時(shí)需要測試煙氣中可燃?xì)怏w的含量。

(3)如果不分析煙氣中可燃?xì)怏w成分，測試得出的結(jié)論是：過量空氣系數(shù)越接近1，設(shè)備運(yùn)行效率就越高，該錯(cuò)誤結(jié)論可能導(dǎo)致設(shè)備在低效率工況下運(yùn)行。因?yàn)閺谋?中可以看出，過量空氣系數(shù)越接近1時(shí)，CH4、CO的含量不斷增加，化學(xué)不完全燃燒損失也變大，說明此參數(shù)下設(shè)備運(yùn)行并非最佳。因此在確定設(shè)備最佳運(yùn)行參數(shù)時(shí)必須測試煙氣中可燃?xì)怏w的含量。

(4)由于天然氣中CH4含量很高，如果燃燒時(shí)火焰溫度較低，煙氣中CH4含量會(huì)明顯高于H2的含量。由表1可以看出，煙氣中CH4的含量也明顯高于CO的含量。因此，在測算燃?xì)饧訜釥t反平衡熱效率時(shí)，也需要測試煙氣中CH4的含量。

(5)成分分析方程可用來校驗(yàn)煙氣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，或者通過已知?dú)怏w成分來推導(dǎo)未知?dú)怏w成分。但需要注意，由已知測量數(shù)據(jù)分析來未知測量數(shù)據(jù)時(shí)，若測量準(zhǔn)確度相差不大，應(yīng)盡量由含量低的氣體來推導(dǎo)含量高的氣體，避免由含量高的氣體來計(jì)算含量低的氣體。這是由于含量低的氣體測量不確定度對(duì)于含量高的氣體影響相對(duì)小，這樣得到的推測結(jié)果也相對(duì)可靠。

表1 煙氣成分分析數(shù)據(jù)及測算結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)在計(jì)算燃?xì)饧訜釥t反平衡效率時(shí)，應(yīng)將天然氣和空氣的焓包含在輸入加熱爐熱量內(nèi)；在排煙損失熱量中，煙氣在排煙溫度下的焓應(yīng)減去煙氣在環(huán)境溫度下的焓。

(2)在測算燃?xì)饧訜釥t反平衡熱效率時(shí)，不能僅關(guān)注過量空氣系數(shù)，還需要測試并考慮煙氣中的可燃?xì)怏w的含量。在測試可燃?xì)怏w時(shí)，需要測試CH4的含量。這樣才能較客觀的確定設(shè)備運(yùn)行的最佳參數(shù)。

(3)在使用成分分析方程推導(dǎo)未知成分時(shí)，若測量準(zhǔn)確度相差不大，應(yīng)盡量由含量低的氣體來推導(dǎo)含量高的氣體，避免由含量高的氣體來計(jì)算含量低的氣體。

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