燃?xì)夤I(yè)鍋爐定期能效測(cè)試分析

/ 德陽(yáng)市能源監(jiān)測(cè)中心

0 引言

工業(yè)鍋爐為生產(chǎn)提供蒸汽和熱量，是我國(guó)重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，也是主要的能源消費(fèi)大戶。工業(yè)鍋爐定期能效測(cè)試是工業(yè)鍋爐節(jié)能減排的重要途徑。2015年至2017年，原國(guó)家質(zhì)檢總局連續(xù)三年在全國(guó)開展燃煤鍋爐節(jié)能減排攻堅(jiān)戰(zhàn)，使我國(guó)“煤改氣”的燃?xì)夤I(yè)鍋爐數(shù)量逐年遞增，使燃煤工業(yè)鍋爐保有量大幅減少。天然氣作為一種不含硫、氮元素，燃燒產(chǎn)物只有H2O和CO2的清潔燃料，是工業(yè)企業(yè)首選燃料。然而，一方面天然氣價(jià)格昂貴，致使工業(yè)企業(yè)鍋爐運(yùn)行成本增加[1]；另一方面在用的燃?xì)夤I(yè)鍋爐還存在燃燒效率低、未安裝煙氣余熱回收設(shè)備等現(xiàn)象。

目前，貴州、江蘇、陜西、福建和青海等地相繼對(duì)燃?xì)夤I(yè)鍋爐從能效測(cè)試方法和熱效率指標(biāo)上進(jìn)行了探討[2-6]，但涉及燃?xì)夤I(yè)鍋爐運(yùn)行整體能效狀況的定量分析數(shù)據(jù)研究得卻不多。為此，本文選取德陽(yáng)市轄區(qū)內(nèi)10臺(tái)具有代表性的燃?xì)夤I(yè)鍋爐進(jìn)行能效測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。通過(guò)主要能效指標(biāo)分析，找出燃?xì)夤I(yè)鍋爐在能效方面存在的主要問(wèn)題，并提出解決方法的建議，降低企業(yè)成本，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤I(yè)鍋爐高效、節(jié)能、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供理論數(shù)據(jù)和技術(shù)依據(jù)。

1 燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效測(cè)試對(duì)象和方法

1.1 測(cè)試對(duì)象

選取德陽(yáng)市2016年至2018年時(shí)間段內(nèi)在用燃?xì)夤I(yè)鍋爐10臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)單能效測(cè)試。工質(zhì)包括蒸汽、熱水和有機(jī)熱載體（以下所述熱水鍋爐和有機(jī)熱載體鍋爐的額定熱功率按0.7 MW相當(dāng)于1 t/h折算成額定蒸發(fā)量）。由于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，德陽(yáng)市在用有機(jī)熱載體鍋爐已經(jīng)采用氣體燃料。

1.2 測(cè)試依據(jù)

燃?xì)夤I(yè)鍋爐定期能效測(cè)試采用GB/T 10180-2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》[7]中的鍋爐運(yùn)行工況熱效率簡(jiǎn)單測(cè)試方法及計(jì)算公式，指標(biāo)判斷依據(jù)TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》[8]和《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》第1號(hào)修改單[9]（以下簡(jiǎn)稱《第1號(hào)修改單》）中的要求。

1.3 測(cè)試儀器

燃?xì)夤I(yè)鍋爐定期能效測(cè)試中各參數(shù)采集方法按照GB/T 10180-2017中的要求進(jìn)行。部分所用測(cè)試計(jì)量?jī)x器和準(zhǔn)確度見表1。

1.4 計(jì)算方法

本文研究的在用燃?xì)夤I(yè)鍋爐定期能效測(cè)試選用熱效率簡(jiǎn)單測(cè)試法，計(jì)算方法采用反平衡法，分析能效指標(biāo)主要是熱效率、排煙溫度、排煙處過(guò)量空氣系數(shù)、爐體外表面溫度及負(fù)荷率。

表1 燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效測(cè)試儀器匯總

按照GB/T 10180-2017要求，燃?xì)夤I(yè)鍋爐反平衡熱效率計(jì)算按式（1）：

式中：η—— 燃?xì)夤I(yè)鍋爐反平衡熱效率，%；

q2—— 排煙熱損失，%；

q3—— 氣體不完全燃燒熱損失，%；

q4—— 固體不完全燃燒熱損失，%；

q5—— 散熱損失，%；

q6—— 灰渣物理熱損失，%；

q7—— 石灰石脫硫熱損失，%

對(duì)于燃?xì)夤I(yè)鍋爐而言，所用燃料為天然氣，燃料不存在q4、q7，故q4、q7均為0；而燃料燃燒后的含灰量很小，q6可以忽略不計(jì)。因此，燃?xì)夤I(yè)鍋爐熱損失就由q2、q3、q5決定；則：

根據(jù)GB/T 10180-2017，燃?xì)夤I(yè)鍋爐q2按照式（3）計(jì)算：

式中：m、n—— 計(jì)算系數(shù)，分別取0.5、3.45；

αds—— 排煙處過(guò)量空氣系數(shù)；

tds—— 排煙溫度，℃；

tca—— 入爐冷空氣溫度，℃；

q4—— 固體不完全燃燒熱損失，%

由式（3）可知，q2由q4、tds、tca、αds共同影響。本文所測(cè)試鍋爐都是燃?xì)夤I(yè)鍋爐，故不存在q4，即q4為0；而所測(cè)試燃?xì)夤I(yè)鍋爐都是在常溫下直接加入空氣，故tca影響可以忽略。由此，影響q2因素主要取決于tds和αds，且tds、αds和q2成正比關(guān)系，即tds、αds值越大q2值越大，導(dǎo)致燃?xì)夤I(yè)鍋爐熱效率降低。

2 燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用德國(guó)MRU公司生產(chǎn)的Vario Plus型煙氣分析儀測(cè)試煙氣成分，將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入工業(yè)鍋爐能效測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算與管理平臺(tái)，經(jīng)整理，得到燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。表2中Dout為燃?xì)夤I(yè)鍋爐輸出蒸汽量（即鍋爐實(shí)測(cè)負(fù)荷）。從表2可知，10臺(tái)參加測(cè)試的燃?xì)夤I(yè)鍋爐平均熱效率為88.60%，完全符合《第1號(hào)修改單》要求的僅為1臺(tái)，90%的燃?xì)夤I(yè)鍋爐熱效率低于最低限定值92%，與目標(biāo)值98%存在較大差距，總體能效狀況不容樂觀，具有很大的節(jié)能空間。

由表2可知，q3數(shù)值較小，不是影響燃?xì)夤I(yè)鍋爐熱效率的主要因素，故不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。影響燃?xì)夤I(yè)鍋爐熱效率的主要因素是：排煙熱損失q2和散熱損失q5，其平均值分別為6.66%、4.55%，兩項(xiàng)損失分別占總熱損失的58.42%、39.91%，兩項(xiàng)損失之和占總熱損失的98.33%。部分燃?xì)夤I(yè)鍋爐q2高達(dá)11.37%，如10號(hào)鍋爐；αds相差也較大，最高達(dá)1.90；tds相差同樣較大，最高為214.8 ℃。

表2 燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效測(cè)試數(shù)據(jù)

2.1 燃?xì)夤I(yè)鍋爐主要能效指標(biāo)

1）鍋爐熱效率逐年提升

2015年以來(lái)，德陽(yáng)市開展燃煤鍋爐節(jié)能環(huán)保綜合提升工程，截至2017年11月底，完成城市建成區(qū)10蒸噸及以下燃煤鍋爐淘汰。2016年燃?xì)夤I(yè)鍋爐平均熱效率為87.78%，2017年平均熱效率提升至88.81%，2018年提升至89.00%，呈現(xiàn)逐年提升的趨勢(shì)；3 a平均熱效率值分別比《第1號(hào)修改單》要求的最低限定值低4.32%、3.19%、3.00%。

2）大部分鍋爐排煙溫度達(dá)標(biāo)

從表2可知，燃?xì)夤I(yè)鍋爐平均排煙溫度為151.1 ℃，總體達(dá)標(biāo)合格率約為70%。其中，1號(hào)鍋爐tds為 214.8 ℃，遠(yuǎn)高于 TSG G0002-2010 要求值，2、3、4、7～ 10號(hào)鍋爐tds值均優(yōu)于 TSG G0002-2010要求值（不高于170 ℃），而5、6號(hào)鍋爐tds分別為186.4 ℃、181.2 ℃，未達(dá)到 TSG G0002-2010 要求值。

3）鍋爐排煙處過(guò)量空氣系數(shù)偏高

TSG G0002-2010第九條規(guī)定，負(fù)壓燃?xì)忮仩tαds應(yīng)不大于1.25。由表2可得，燃?xì)夤I(yè)鍋爐的實(shí)測(cè)αds平均值約為1.34，單臺(tái)鍋爐αds達(dá)標(biāo)合格率僅為50%。1、3、4、6、8號(hào)鍋爐αds達(dá)標(biāo)，而2、5、7、9、10號(hào)鍋爐αds均比TSG G0002-2010要求值高，最高αds為1.90，超過(guò)限定值52%。

4）鍋爐爐體外表面溫度表現(xiàn)優(yōu)秀

燃?xì)夤I(yè)鍋爐外壁側(cè)面和爐頂?shù)钠骄砻鏈囟确謩e為31.6 ℃和64.9 ℃，各容量鍋爐的外壁表面平均溫度均優(yōu)于TSG G0002-2010限定值（爐體外表面溫度不得超過(guò)50 ℃，爐頂不得超過(guò)70 ℃）?？傮w來(lái)說(shuō)，德陽(yáng)市燃?xì)夤I(yè)鍋爐的保溫效果較好。

5）鍋爐運(yùn)行負(fù)荷率普遍偏低

由表2可知，燃?xì)夤I(yè)鍋爐負(fù)荷率主要分布在55%～75%，平均負(fù)荷率只有59%，整體負(fù)荷率偏低。抽取的10臺(tái)燃?xì)夤I(yè)鍋爐最低負(fù)荷率僅為28%，“大馬拉小車”現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

2.2 燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效存在的主要問(wèn)題

1）單機(jī)容量小

從表2可知，燃?xì)夤I(yè)鍋爐單機(jī)平均容量?jī)H為6.36 t/h，大部分不超過(guò) 6 t/h，容量超過(guò) 10 t/h 的鍋爐僅占總量的10%。

2）長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)

由表2知曉，50%的燃?xì)夤I(yè)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷低于60%，降低了鍋爐熱效率，造成鍋爐q5增加。偏低原因：一是使用單位在選擇燃?xì)夤I(yè)鍋爐時(shí)，考慮較大裕量，造成“大馬拉小車”現(xiàn)象；二是部分企業(yè)受季節(jié)性影響，生產(chǎn)不穩(wěn)定，致使燃?xì)夤I(yè)鍋爐實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷常隨用汽、用熱負(fù)荷變化在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，造成不少鍋爐長(zhǎng)期處在低負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，直接導(dǎo)致鍋爐能效不高。

3）節(jié)能技改投入不足

德陽(yáng)市有近一半的燃?xì)夤I(yè)鍋爐未采用任何節(jié)能技術(shù)措施。在煙氣余熱回收節(jié)能技術(shù)方面，大量的燃?xì)夤I(yè)鍋爐未安裝尾部受熱面。2、4、7～10號(hào)等6臺(tái)鍋爐安裝了尾部受熱面（如省煤器或空氣預(yù)熱器），而1、3、5、6號(hào)鍋爐均沒有安裝。研究表明：安裝了尾部受熱面的燃?xì)夤I(yè)鍋爐平均熱效率達(dá)到89.65%，比未安裝的高2.68%。

4）使用單位管理水平落后

許多使用單位對(duì)燃?xì)夤I(yè)鍋爐房的管理模式粗放，缺乏管理人才，普遍沒有開展能源計(jì)量和日常節(jié)能管理；忽視燃?xì)夤I(yè)鍋爐及相關(guān)設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)；致使部分燃?xì)夤I(yè)鍋爐煙道漏風(fēng)嚴(yán)重。

5）計(jì)量?jī)x表未配齊

由于德陽(yáng)市在用燃?xì)夤I(yè)鍋爐缺少排煙處氧量表、溫度表、流量計(jì)等測(cè)量鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的計(jì)量?jī)x表，分析設(shè)備匱乏，導(dǎo)致多數(shù)燃?xì)夤I(yè)鍋爐使用單位不具備對(duì)循環(huán)水量、排煙溫度、排煙處過(guò)量空氣系數(shù)、燃?xì)庀牧康群饬咳細(xì)夤I(yè)鍋爐是否經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量能力，限制了燃?xì)夤I(yè)鍋爐運(yùn)行期間熱效率的提升。

3 提升燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效的建議

3.1 降低排煙熱損失的建議

1）加強(qiáng)水質(zhì)管理

德陽(yáng)地區(qū)水中Ca2+、Mg2+偏高，是典型的硬水質(zhì)，易形成碳酸鈣水垢，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋼材導(dǎo)熱系數(shù)的1/10～1/80，通常每結(jié)垢1 mm，將多耗燃料3%～7%[10]。鍋爐內(nèi)水垢的積累，導(dǎo)致熱量不能及時(shí)有效地傳遞給水就只能被煙氣帶走，造成tds過(guò)高，q2增加，降低了鍋爐熱效率。因此，燃?xì)夤I(yè)鍋爐使用單位應(yīng)安裝給水處理裝置，定期檢測(cè)鍋爐供水水質(zhì)情況或進(jìn)行水質(zhì)預(yù)處理，保證鍋爐給水符合水質(zhì)指標(biāo)要求，避免鍋爐傳熱面結(jié)垢。

2）合理調(diào)節(jié)配風(fēng)

一般αds每降低0.3，鍋爐熱效率會(huì)提高約1%[11]。αds對(duì)q2的影響比較復(fù)雜，過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響q2的值?？諝膺^(guò)多，鍋爐輔機(jī)負(fù)荷增大，電耗增加，過(guò)多的冷空氣會(huì)帶走大量熱量，降低了爐膛溫度，不利于燃燒，增加q2?？諝獠蛔?、CO 過(guò)多導(dǎo)致天然氣沒有充分燃燒，產(chǎn)生炭黑。炭黑粘附在煙管內(nèi)壁，降低了煙管傳熱系數(shù)使熱效率降低。此外，部分炭黑會(huì)隨煙氣排入大氣對(duì)環(huán)境造成污染，增大了清灰的工作量，從而使維護(hù)成本增加[3]。通過(guò)運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和帶有變頻裝置的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，按照燃?xì)夤I(yè)鍋爐負(fù)荷變化，及時(shí)調(diào)整配風(fēng)；對(duì)煙管破損部位加以修補(bǔ)，減少漏風(fēng)，保證鍋爐良好燃燒，使燃?xì)夤I(yè)鍋爐更經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

3）增設(shè)煙氣尾部余熱回收節(jié)能裝置

一般tds每升高10～20 ℃，可使q2約增加1%[12]。以4 t/h的4、5、6、7號(hào)鍋爐為例，4、7號(hào)鍋爐安裝了煙氣尾部余熱回收節(jié)能裝置（如省煤器或空氣預(yù)熱器），而5、6號(hào)鍋爐未安裝。分析表2數(shù)據(jù)，4、7號(hào)鍋爐平均排煙溫度為133.3 ℃，q2平均為5.67%；而5、6號(hào)鍋爐的平均排煙溫度是183.8 ℃，q2平均為8.03%?？梢姡ㄟ^(guò)增設(shè)煙氣尾部余熱回收節(jié)能裝置，降低了tds，并且可讓q2降低近一半。

4）加大煙管日常清灰頻次

積灰減小了煙氣流通截面，降低了傳熱效率，甚至堵塞發(fā)生“短路”，造成高溫?zé)煔庵苯优懦?，增加了q2?；夜笇?duì)傳熱的阻礙遠(yuǎn)大于水垢，在燃?xì)夤I(yè)鍋爐維護(hù)保養(yǎng)期間，應(yīng)加大對(duì)煙管內(nèi)部的灰垢進(jìn)行清理。

3.2 降低散熱損失q2的建議

1）定期更換保溫層

燃?xì)夤I(yè)鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，保溫層會(huì)隨著使用年限的遞增，保溫效果將明顯降低。因此，在鍋爐使用期間應(yīng)注重保溫層的更換，這樣才可有效地減小q5。

2）避免低負(fù)荷運(yùn)行

燃?xì)夤I(yè)鍋爐長(zhǎng)期處在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，鍋爐燃燒器工況不佳，容易造成燃料不完全燃燒，導(dǎo)致q5增加，故鍋爐在運(yùn)行期間應(yīng)避免低負(fù)荷運(yùn)行。

3.3 加強(qiáng)業(yè)務(wù)培訓(xùn)，做好設(shè)備日常維護(hù)

鑒于目前燃?xì)夤I(yè)鍋爐管理、運(yùn)行人員在節(jié)能理念、運(yùn)行操作等方面存在短板，應(yīng)加大對(duì)其培訓(xùn)，提高他們的節(jié)能意識(shí)和操作技能。同時(shí)，建立完善的燃?xì)夤I(yè)鍋爐及相關(guān)設(shè)備日常維護(hù)保養(yǎng)及管理制度，對(duì)煙管損壞部分及時(shí)維修，防止漏風(fēng)，杜絕跑、冒、滴、漏現(xiàn)象發(fā)生。

3.4 完善計(jì)量?jī)x表，加大對(duì)節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與推廣

完善安裝燃?xì)夤I(yè)鍋爐的計(jì)量?jī)x表（如氧量表、溫度表、流量計(jì)），使司爐工根據(jù)計(jì)量?jī)x表對(duì)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，合理調(diào)節(jié)鍋爐運(yùn)行，有效提高鍋爐熱效率。同時(shí)，加大鍋爐節(jié)能環(huán)?；A(chǔ)性、前沿性和共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)力度，攻克新型燃燒、高效余熱利用及污染控制等關(guān)鍵核心技術(shù)，加快科技成果在燃?xì)夤I(yè)鍋爐中的應(yīng)用和推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)鍋爐是開展節(jié)能降耗、提高能效、減少污染的主要對(duì)象之一。通過(guò)對(duì)德陽(yáng)市轄區(qū)內(nèi)10臺(tái)在用燃?xì)夤I(yè)鍋爐進(jìn)行定期能效測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)燃?xì)夤I(yè)鍋爐普遍存在排煙處過(guò)量空氣系數(shù)偏高、運(yùn)行負(fù)荷率偏低等現(xiàn)象。同時(shí)，分析了德陽(yáng)市燃?xì)夤I(yè)鍋爐能效存在的主要問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的建議以提高燃?xì)夤I(yè)鍋爐熱效率，從而確保最終實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤I(yè)鍋爐高效、節(jié)能、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。