工業(yè)鍋爐定型能效測試數(shù)據(jù)及節(jié)能問題分析

周黎明 向同瓊 干 兵 楊 棚

(四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 成都 610100)

工業(yè)鍋爐是重要的能量轉(zhuǎn)化設(shè)備,可以提供蒸汽或熱水以滿足企業(yè)生產(chǎn)及民用采暖需要,在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民日常生活中占據(jù)著舉足輕重的地位[1,2]。四川省天然氣鍋爐、電鍋爐和生物質(zhì)氣化鍋爐主要集中在10 t/h以下的小型鍋爐,天然氣鍋爐占比居多；燃煤工業(yè)鍋爐的分布范圍集中在15～75 t/h,且以循環(huán)流化床鍋爐居多,也有部分偏遠(yuǎn)地區(qū)有10 t/h及以下鏈條鍋爐在運(yùn)行。近年來,隨著國家對燃煤鍋爐的管控愈發(fā)嚴(yán)格、環(huán)保壓力加大及節(jié)能力度加深,對工業(yè)鍋爐節(jié)能減排尤其是定型產(chǎn)品的研究已迫在眉睫[3,4]。目前,工業(yè)鍋爐的燃料主要以煤、生物質(zhì)、天然氣和電能為主。

本文重點(diǎn)選取了四川省內(nèi)4種燃料的工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品能效測試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,分析了不同燃料鍋爐的排煙溫度、過量空氣系數(shù)、負(fù)荷率和熱效率等有關(guān)參數(shù),比較以上參數(shù)在同一燃料下隨鍋爐容量大小的變化,并對定型測試過程中所存在的典型問題進(jìn)行匯總分析,以求更準(zhǔn)確地掌握省內(nèi)工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品的層次,對使用單位選擇合適的鍋爐型號提供強(qiáng)有力的支持,也為鍋爐投用以后的節(jié)能措施提供參考。

1 工業(yè)鍋爐節(jié)能研究對象與方法

1.1 研究對象

本文選取了 20臺新安裝鍋爐,來自20 家使用單位,11 個(gè)制造單位,具體型號見表1。燃煤鍋爐 3臺,天然氣鍋爐7 臺,生物質(zhì)鍋爐7臺,電加熱鍋爐3臺。其中：蒸汽鍋爐18臺,有機(jī)熱載體鍋爐 2臺,蒸汽鍋爐額定蒸發(fā)量范圍為 0.15～25 t/h,有機(jī)熱載體鍋爐額定熱功率范圍為1.4～2.3 MW。

表1 鍋爐型號

1.2 能效測試方法

1）電加熱鍋爐采用正平衡法測試；

2）額定蒸發(fā)量≥10 t/h的燃煤鍋爐采用反平衡法測試；

3）冷凝式天然氣鍋爐,本體部分采用正反平衡法,冷凝部分采用正平衡法,然后計(jì)算鍋爐整體熱效率；

4）其他鍋爐采用正反平衡法；

5）每個(gè)工況測試時(shí)間規(guī)定為電加熱鍋爐1 h、天然氣燃料鍋爐2 h、燃煤鍋爐4 h、燃生物質(zhì)手燒鍋爐5 h ；

6）鍋爐在額定工況下測試2次[5,6]。

2 工業(yè)鍋爐定型產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)與分析

2.1 排煙溫度

排煙溫度是評價(jià)鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo),太高會使排煙熱損失增大,影響鍋爐熱效率[7,8]。測試過程中可監(jiān)測排煙溫度的變化,與設(shè)計(jì)值比較,通過技術(shù)手段進(jìn)行燃燒調(diào)節(jié),在實(shí)現(xiàn)高效燃燒的同時(shí),也可以降低鍋爐能耗和提高經(jīng)濟(jì)效益。電加熱鍋爐能效考核指標(biāo)不含排煙溫度,對3臺電加熱鍋爐不進(jìn)行對比研究,在其他17臺鍋爐排煙溫度均滿足TSG G0002—2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中要求的前提下,實(shí)測排煙溫度與設(shè)計(jì)值的對比分析如圖1所示,其中排煙溫度為測試2次工況的平均值。17臺測試鍋爐中有4臺排煙溫度超過設(shè)計(jì)值,其中差距最大的是序號15,設(shè)計(jì)值為120 ℃,實(shí)測值為168.4 ℃。

圖1 排煙溫度統(tǒng)計(jì)圖

對于燃生物質(zhì)鍋爐,序號14～16所研究的3臺鍋爐排煙溫度的實(shí)測值高于設(shè)計(jì)值,且接近TSG G0002—2010中第八條中規(guī)定的限值（170 ℃）,降低排煙溫度對于提高鍋爐熱效率仍有很大的提升空間。對于天然氣鍋爐,6臺鍋爐的實(shí)測溫度低于設(shè)計(jì)值,只有1臺稍高于設(shè)計(jì)值,目前天然氣鍋爐排煙溫度的測試值已達(dá)到比較樂觀的數(shù)值,整體而言,燃燒狀況要優(yōu)于其他鍋爐。

不同燃料鍋爐排煙溫度的實(shí)測值對比見表2。對于燃煤和燃生物質(zhì)鍋爐,隨著鍋爐出力的增加,排煙溫度逐步降低,主要是隨著鍋爐出力的增加,輔機(jī)的匹配性更加完好,受熱面的布置也相對更合理,司爐人員操作水平相對更高。從表2 可以看出,額定蒸發(fā)量小于1 t/h的立式燃生物質(zhì)鍋爐,測試的排煙溫度明顯高于其他鍋爐,其主要原因是尾部受熱面的布置相對困難。比較額定蒸發(fā)量大于等于1 t/h生物質(zhì)鍋爐和燃煤鍋爐,可以看出生物質(zhì)鍋爐在降低排煙溫度上仍有較大的提升空間。

表2 排煙溫度實(shí)測值對比 ℃

2.2 過量空氣系數(shù)

過量空氣系數(shù)能夠反映燃燒時(shí)實(shí)際鼓風(fēng)量大小的變化,太大會導(dǎo)致排煙量增加、爐膛溫度降低,排煙熱損失增加,且燃煤鍋爐會導(dǎo)致排煙飛塵增多；太小則會降低實(shí)際鼓風(fēng)量,燃燒不完全,燃料的不完全燃燒熱損失增加,尾部煙氣黑度超標(biāo)[9,10]。電加熱鍋爐能效考核指標(biāo)不含過量空氣系數(shù),對3臺電加熱鍋爐不進(jìn)行對比研究,其他17臺鍋爐過量空氣系數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖2 過量空氣系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

對于燃煤鍋爐,過量空氣系數(shù)計(jì)算值基本保持在1.21～1.3,平均值為1.25,燃燒狀況和配風(fēng)系數(shù)控制相對較好,技術(shù)相對比較成熟。對于天然氣鍋爐,過量空氣系數(shù)計(jì)算值基本保持在1.11～1.15,平均值為1.13,就測試現(xiàn)場情況而言,為保證燃料的充分燃燒并符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的大氣污染物排放限值,過量空氣系數(shù)已不可能更低。對于生物質(zhì)鍋爐,過量空氣系數(shù)計(jì)算值基本保持在1.43～1.58,平均值為1.52,TSG G0002—2010中第九條中明確規(guī)定層燃生物質(zhì)鍋爐的過量空氣系數(shù)不大于1.65,對于氣化生物質(zhì)爐,由于暫無明確規(guī)定,目前設(shè)計(jì)單位主要參考1.15或1.65的限值來設(shè)計(jì),整體而言,生物質(zhì)鍋爐過量空氣系數(shù)依然有很大的提升空間,降低生物質(zhì)鍋爐的排煙處過量空氣系數(shù)對于提高鍋爐熱效率仍有很大的進(jìn)步空間。

2.3 負(fù)荷率

工業(yè)鍋爐定型能效測試過程中,不同燃料和型號鍋爐有不同的最佳效率區(qū),研究鍋爐負(fù)荷變化對熱效率的影響,在鍋爐熱效率滿足標(biāo)準(zhǔn)限定值的基礎(chǔ)上,對于進(jìn)一步提升鍋爐熱效率仍有一定的實(shí)際意義[11]。20臺鍋爐負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)如圖3所示,鍋爐負(fù)荷率為測試2次工況的均值。

圖3 負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)圖

20臺鍋爐的負(fù)荷率最高為104.94%,最低為97.83%。3臺燃煤鍋爐的平均負(fù)荷率為103.56%,最低為101.09%。7臺天然氣鍋爐的平均負(fù)荷率為100.79%,最低為97.83%。7臺生物質(zhì)鍋爐的平均負(fù)荷率為100.92%,最低為98.33%,最高為103.38%。3臺電加熱鍋爐的平均負(fù)荷率為100.51%,最低為99.99%,最高為101.10%。

燃煤鍋爐由于燃燒狀況穩(wěn)定,使用單位蒸汽用量穩(wěn)定,一直保持較高的負(fù)荷率。WNS型天然氣鍋爐目前使用非常普遍,自動(dòng)化程度相對較高,鍋爐負(fù)荷率也較高。序號11～17研究的生物質(zhì)鍋爐負(fù)荷率波動(dòng)較大,目前使用最為廣泛的是WNS生物質(zhì)氣化爐,負(fù)荷率最高可達(dá)103.38%,可以滿足企業(yè)不同生產(chǎn)的需要。電加熱鍋爐由于運(yùn)行狀況穩(wěn)定,受其他因素的影響較低,基本保持在100%左右的負(fù)荷率運(yùn)行,正因如此,也是目前比較受中小企業(yè)歡迎的鍋爐產(chǎn)品。

2.4 熱效率

熱效率是鍋爐輸出熱量與輸入熱量的比值,直觀反映鍋爐是否節(jié)能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[12,13]。20臺鍋爐熱效率測試情況統(tǒng)計(jì)如圖4所示,其計(jì)算值為2次工況的平均值。

圖4 熱效率統(tǒng)計(jì)圖

20臺鍋爐熱效率最高為99.79%,最低為82.54%。3臺燃煤鍋爐測試平均值為88.34%,加權(quán)平均值為88.75%,高于設(shè)計(jì)平均值85.33%、加權(quán)平均值85.34%。7臺天然氣鍋爐測試平均值為96.80%,加權(quán)平均值為96.67%,高于設(shè)計(jì)平均值96.63%、加權(quán)平均值96.46%。其中：冷凝式天然氣鍋爐熱效率普遍較高,測試平均值為98.82%,加權(quán)平均值為98.91%；非冷凝式天然氣鍋爐測試平均值為94.11%,加權(quán)平均值為94.06%。7臺生物質(zhì)鍋爐測試平均值為87.04%,加權(quán)平均值為87.85%；其設(shè)計(jì)平均值為83.69%,加權(quán)平均值為86.06%,所測試的7臺鍋爐中6臺均超過設(shè)計(jì)熱效率,優(yōu)勢很明顯。3臺電加熱鍋爐測試平均值為98.16%,加權(quán)平均值為98.05%；設(shè)計(jì)熱效率平均值為98.0%,加權(quán)平均值為98.0%,電加熱鍋爐的測試情況均優(yōu)于其設(shè)計(jì)值。

從經(jīng)濟(jì)性和安全性方面考慮,冷凝式天然氣鍋爐依舊是企業(yè)的重要選擇。電加熱鍋爐由于電能和配套設(shè)置配置費(fèi)用昂貴,企業(yè)選擇時(shí)仍有顧慮,除非地方政策強(qiáng)制要求氣改電。從燃煤鍋爐和WNS型生物質(zhì)氣化鍋爐熱效率計(jì)算結(jié)果可知,生物質(zhì)鍋爐在稍低負(fù)荷率下熱效率依然較高,對人工的依賴較低,自動(dòng)化程度尚可[14]。由于煤改氣、煤改電的成本較高,生物質(zhì)作為煤的替代燃料具有良好的發(fā)展前景,部分地區(qū)由于環(huán)保要求,已禁止使用燃煤鍋爐。生物質(zhì)鍋爐由于燃料的低灰和高揮發(fā)特性,且具有高效、低排放等優(yōu)點(diǎn)[15],在能滿足企業(yè)生產(chǎn)需要的前提下,也不失為一種很好的選擇。

3 測試過程問題匯總分析

1）測試現(xiàn)場與設(shè)計(jì)不符合。測試鍋爐未按圖紙要求配置相應(yīng)的儀表,如給水管道缺少壓力表和測溫儀表；設(shè)計(jì)圖紙要求給水介質(zhì)流程為單一流程,而安裝現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)給水經(jīng)冷凝器后回水箱再進(jìn)節(jié)能器的情況；節(jié)能器布置不符合設(shè)計(jì)要求,沒有布置在尾部而布置在鍋爐頂上；燃燒器型號與設(shè)計(jì)圖紙不一致。以上問題均需在定型測試前進(jìn)行確認(rèn)解決。

2）煙氣冷凝段冷凝水隨意排放。冷凝式天然氣鍋爐使用越來越廣泛,測試現(xiàn)場經(jīng)常遇到使用單位將冷凝水管接至排水溝中隨意排放,毫無節(jié)能意識,且存在安全隱患。

3）鍋爐負(fù)荷波動(dòng)較大,壓力不穩(wěn)定。司爐工操作水平低、生產(chǎn)需求量不穩(wěn)定造成鍋爐正常運(yùn)行以后負(fù)荷和壓力波動(dòng)大,超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值而導(dǎo)致測試失敗。

4）燃煤鍋爐輔機(jī)高配,存在鍋爐出力超出額定蒸發(fā)量105%的情況。使用單位要求制造單位提高配套輔機(jī)配置,或者在圖紙中降低鍋爐的蒸發(fā)量。曾有1臺DHX20-1.25-MX循環(huán)流化床鍋爐,實(shí)際運(yùn)行中鍋爐出力達(dá)25 t/h以上,與圖紙要求嚴(yán)重不符。

5）使用單位使用燃料與設(shè)計(jì)偏差較大。在準(zhǔn)備階段,必須對準(zhǔn)備好的燃料進(jìn)行化驗(yàn),尤其是煤種,核對燃料成分和熱值是否與設(shè)計(jì)一致。燃煤鍋爐經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)Ⅱ類煙煤,實(shí)際燃燒用Ⅲ類煙煤,測試無效。

6）安全閥整定壓力過低。安全閥的整定壓力一般由使用單位依據(jù)鍋爐實(shí)際工作壓力來整定,會出現(xiàn)整定壓力過低的情況。然而,在定型能效測試時(shí)對蒸汽壓力有嚴(yán)格要求,此時(shí)安全閥就無法滿足正常測試的需要。目前,工業(yè)鍋爐安全閥的校驗(yàn)一般都是在試驗(yàn)臺上進(jìn)行的離線校驗(yàn),使用氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì)進(jìn)行校驗(yàn),這也導(dǎo)致安全閥實(shí)際起跳壓力與校驗(yàn)時(shí)相差較大,導(dǎo)致鍋爐蒸汽壓力無法達(dá)到定型測試的需要。

7）測試儀器儀表的校驗(yàn)校準(zhǔn)。測試人員經(jīng)常忽視其他儀器的校準(zhǔn)情況,如流量計(jì)、測溫儀表等,尤其是測溫儀表,在測試以前必須確定校驗(yàn)合格。用于計(jì)量給水流量的水箱,在測試前要確保水箱的液位計(jì)精度滿足要求,容量滿足一個(gè)工況的用水量。

8）對用戶使用壓力和負(fù)荷的確認(rèn)。定型測試時(shí),按照測試要求確定的壓力限值和鍋爐出力會影響企業(yè)的正常安全生產(chǎn)。部分企業(yè)由于實(shí)際工作壓力過低,且沒有相應(yīng)的減壓措施,故無法開展定型測試。

9）測試前給水溫度的確認(rèn)。定型測試以前一定要確認(rèn)好鍋爐設(shè)計(jì)的給水溫度,測試現(xiàn)場部分使用單位單獨(dú)加裝除氧器而導(dǎo)致設(shè)計(jì)給水溫度20 ℃的鍋爐,實(shí)際給水溫度可到95 ℃以上,此時(shí)則要求必須停下除氧器,還原鍋爐設(shè)計(jì)原狀重新進(jìn)行測試。

4 結(jié)論

1）燃煤鍋爐測試熱效率加權(quán)平均值為88.75%；天然氣鍋爐測試熱效率加權(quán)平均值為96.67%,其中：冷凝式天然氣鍋爐熱效率普遍偏高,熱效率加權(quán)平均值為98.91%,非冷凝式天然氣鍋爐測試熱效率加權(quán)平均值為94.06%；生物質(zhì)鍋爐測試熱效率加權(quán)平均值為87.85%；電加熱鍋爐測試熱效率的加權(quán)平均值為98.05%。冷凝式天然氣鍋爐和電加熱鍋爐的熱效率加權(quán)平均值依然較高,燃煤和生物質(zhì)鍋爐熱效率加權(quán)平均值次之。

2）分析燃煤流化床鍋爐和生物質(zhì)鍋爐的4項(xiàng)指標(biāo)測試結(jié)果得出,生物質(zhì)鍋爐相對于燃煤鍋爐可提升空間較大,通過加強(qiáng)小型鍋爐爐內(nèi)氣化和燃燒技術(shù)改造,從控制過量空氣系數(shù)和降低排煙溫度著手可進(jìn)一步提高生物質(zhì)鍋爐的熱效率。利用燃生物質(zhì)鍋爐經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的優(yōu)勢,加快偏遠(yuǎn)地區(qū)燃煤鍋爐向燃生物質(zhì)鍋爐改造進(jìn)程,推進(jìn)高效、清潔燃燒,切實(shí)推進(jìn)燃煤鍋爐的產(chǎn)品替代。

3）針對定型測試現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題,政府有關(guān)部門應(yīng)加快籌建智能化數(shù)字信息平臺,依托大數(shù)據(jù)、5G技術(shù),采集鍋爐實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù),建立鍋爐投入運(yùn)行以后的熱效率監(jiān)控機(jī)制。鼓勵(lì)企業(yè)采取有效措施定期對鍋爐進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和節(jié)能改造,將節(jié)能作為常態(tài)化工作進(jìn)行管理。

4）針對定型測試現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題,企業(yè)必須加強(qiáng)鍋爐操作人員專業(yè)水平培訓(xùn),建立相應(yīng)的節(jié)能管理制度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行制度,積極響應(yīng)國家節(jié)能方面的大政方針。特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)從源頭做好把關(guān),從設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用和檢驗(yàn)中嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),對不達(dá)標(biāo)的鍋爐及時(shí)提出整改意見,確保鍋爐安全、高效運(yùn)行。