一種有機(jī)熱載體鍋爐能效測試的新方法

張文斌 王 杰 陳征宇

（浙江省特種設(shè)備檢驗研究院 杭州 310020）

有機(jī)熱載體鍋爐因其“低壓高溫”的特性在印染、化工、輕紡等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。由于有機(jī)熱載體鍋爐排煙溫度較高，節(jié)能潛力巨大，是工業(yè)鍋爐節(jié)能的重要目標(biāo)，有必要對有機(jī)熱載體鍋爐能效測試方法進(jìn)行研究。

1 有機(jī)熱載體鍋爐能效測試現(xiàn)狀

1.1 無法達(dá)到定型能效測試所要求的額定工況

按照《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》（TSG G0002—2010）[1]的要求，鍋爐制造單位應(yīng)向使用單位提供鍋爐產(chǎn)品定型測試報告，定型測試不符合能效要求的，制造廠家不得繼續(xù)制造該型號的鍋爐產(chǎn)品?！队袡C(jī)熱載體鍋爐》（GB/T 17410—2008）[2]也要求鍋爐批量生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行型式試驗，型式試驗應(yīng)包括熱效率測試，而熱效率測試的困難在于正平衡數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。上述規(guī)程中規(guī)定，鍋爐產(chǎn)品定型測試應(yīng)在鍋爐額定工況條件（97%～105%負(fù)荷）下進(jìn)行，但由于絕大多數(shù)有機(jī)熱載體鍋爐用在紡織印染行業(yè)，受企業(yè)工廠工藝、連續(xù)生產(chǎn)和實際熱負(fù)荷需要所限制，目前在用的有機(jī)熱載體鍋爐基本上沒有工作在額定工況，因此很難找出完全符合定型測試工況條件要求的有機(jī)熱載體鍋爐進(jìn)行定型測試。故現(xiàn)在有機(jī)熱載體爐的定型測試陷入了一個尷尬的狀況：對制造廠家而言，廠內(nèi)測試成本太高，每個制造單位搭建測試平臺不現(xiàn)實；在使用單位測試，則測試工況受制于企業(yè)生產(chǎn)工況，測試條件得不到保障。故鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程頒布以來，有機(jī)熱載體鍋爐的測試一直未能很好地推進(jìn)。

1.2 有機(jī)熱載體流量測試可靠性差

有機(jī)熱載體鍋爐以有機(jī)熱載體為循環(huán)傳熱的介質(zhì)，一般都是閉式循環(huán)運行?，F(xiàn)場測試時，絕大多數(shù)情況下無法拆開管路安裝渦輪、渦街等接觸式流量計。有些鍋爐系統(tǒng)本身配備了此類流量計，但很多往往沒有有效的校驗憑證，不能作為流量測試的依據(jù)。因此，有機(jī)熱載體流量的測量一般只能采用非接觸式的測量方式，目前可行的就是超聲波流量計。但超聲波流量計使用時需要輸入被測液體的物性參數(shù)，由于缺乏各牌號有機(jī)熱載體在不同工作溫度下的相關(guān)物性數(shù)據(jù)，往往只能以經(jīng)驗值代替，由此造成有機(jī)熱載體流量測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，嚴(yán)重影響正平衡效率測試的準(zhǔn)確性。

1.3 有機(jī)熱載體物性數(shù)據(jù)缺乏

正平衡效率的測試及計算過程中需要準(zhǔn)確知道有機(jī)熱載體的運動粘度、比熱（或焓值）、密度等物性數(shù)據(jù)。經(jīng)實際調(diào)研，有機(jī)熱載體制造廠家往往不能提供相關(guān)油品在高溫下的物性數(shù)據(jù)，即使部分廠家提供相關(guān)數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性、可靠性存疑。特別對于同一種牌號的有機(jī)熱載體，由于使用溫度、使用時間的不同，物性的變化情況又有所不同，這些因素造成不能獲得準(zhǔn)確可靠的有機(jī)熱載體爐正平衡能效測試結(jié)果。

2 有機(jī)熱載體能效測試平臺的設(shè)計與搭建

為克服以上三個問題，設(shè)計并搭建了可移動有機(jī)熱載體鍋爐統(tǒng)一能效測試平臺，平臺利用自制換熱器代替用熱設(shè)備，采用測量換熱器冷卻水的進(jìn)出口溫度和循環(huán)流量計算換熱量的方式，利用熱力學(xué)基礎(chǔ)知識，避開了目前導(dǎo)熱油物性參數(shù)和循環(huán)流量測量可靠性差的難題。此外，換熱器具有不同高度的出水口，實際測試中可通過調(diào)節(jié)水位高度、水流量等適應(yīng)不同負(fù)荷的鍋爐。設(shè)計中可由不同鍋爐負(fù)荷計算出所需換熱面積，制作相應(yīng)面積范圍的換熱器，因而可實現(xiàn)異地一系列負(fù)荷有機(jī)熱載體鍋爐的能效測試。依托有機(jī)熱載體鍋爐能效測試平臺的能效測試方法研究，在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)。

2.1 能效測試平臺系統(tǒng)組成

有機(jī)熱載體鍋爐測試平臺包含儲液槽（低位槽）、循環(huán)泵、換熱器、閥門管道以及測試儀表等部件，各部件布置緊湊，均固定于鋼架平臺之上，吊裝、移動方便，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。本平臺采用注入式工作系統(tǒng)，有機(jī)熱載體經(jīng)注油泵，從儲液槽注入系統(tǒng)，當(dāng)儲液槽上方的膨脹回收接管有回油時，說明系統(tǒng)已充滿油。有機(jī)熱載體爐加熱后的高溫有機(jī)熱載體從換熱器進(jìn)口（上）集箱進(jìn)入，換熱后的低溫油由出口（下）集箱排出換熱器，再由循環(huán)泵打入有機(jī)熱載體爐繼續(xù)加熱，往復(fù)循環(huán)。換熱器內(nèi)油側(cè)為蛇形換熱管束，換熱管束外的吸熱介質(zhì)為水，在進(jìn)出水管上同時安裝有流量計和溫度計。換熱器頂部設(shè)置有排氣口，用于排放水側(cè)受熱后所蒸發(fā)的水蒸氣，保證了換熱器箱體常壓運行，確保測試系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定。卸油泵（注油泵）接口在系統(tǒng)最低點，當(dāng)測試完畢后，可將系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)熱載體完全卸放至儲液槽中，以便下次測試。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2.2 能效測試平臺測試方法

現(xiàn)場測試時，調(diào)節(jié)換熱器內(nèi)水流量使有機(jī)熱載體爐達(dá)到穩(wěn)定額定工作狀態(tài)。根據(jù)在線監(jiān)測記錄的進(jìn)出口水溫和流量計算出實際換熱量，與鍋爐額定負(fù)荷時的理論換熱量進(jìn)行比較，從而得出有機(jī)熱載體鍋爐的換熱效率，并作為鍋爐正平衡測試效率。

●2.2.1 鍋爐正平衡測試效率計算

有機(jī)熱載體鍋爐正平衡測試效率計算公式[1]為

式中：

G —— 換熱器中循環(huán)水流量，kg/h；

hjs—— 換熱器進(jìn)水焓，kJ/kg；

hcs—— 換熱器出水焓，kJ/kg；

B —— 燃料消耗量，m3/h；

Qr—— 換熱器輸入熱量，kJ/m3。

●2.2.2 鍋爐反平衡測試效率計算

有機(jī)熱載體鍋爐反平衡測試效率計算公式[1]為

表1 燃料收到基成分分析（%）

●3.1.3 正平衡方法測試結(jié)果

由表2測試項目查表可得換熱器中水的進(jìn)、出口焓值，由式（1）計算得到鍋爐的正平衡效率為91.0%（工況1）、91.3%（工況2）。

表2 鍋爐正平衡測試項目

●3.1.4 反平衡方法測試結(jié)果

由表3測試數(shù)據(jù)，由GB/T 10180—2013《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》[1]中的相關(guān)計算可得到反平衡測試中的各項熱損失，見表4。

式中：

q2—— 排煙熱損失，%；

q3—— 氣體未完全燃燒熱損失，%；

q4—— 固體未完全燃燒熱損失，%；

q5—— 散熱損失，%；

q6—— 灰渣物理熱損失，%。

表3 鍋爐反平衡測試項目

3 能效測試平臺試用案例（測試實例）

3.1 燃?xì)忮仩t

●3.1.1 鍋爐基本情況

鍋爐型號為 YY（Q)W-3500Y（Q)，額定熱功率3.5MW，最高允許工作壓力1.0MPa，額定出口油溫300℃，額定進(jìn)口油溫279℃，設(shè)計燃料為天然氣。爐膛輻射受熱面積30.86m2，對流蒸發(fā)受熱面積162.06m2，本體總受熱面積192.92m2，空氣預(yù)熱器受熱面積141.6m2。測試為2個額定負(fù)荷工況，每工況正式試驗時間2h。

●3.1.2 燃料特性

根據(jù)表1所測的天然氣成分，由GB/T 10180—2013《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》[1]中的相關(guān)計算，可得到燃料收到基低位發(fā)熱量為35057kJ/m3。

表4 鍋爐反平衡效率計算（%）

3.2 燃生物質(zhì)鍋爐

●3.2.1 鍋爐基本情況

鍋爐型號為YLW-1600S，額定熱功率1.6MW，額定壓力0.8MPa，額定出口油溫280℃，額定進(jìn)口油溫260℃，設(shè)計燃料為生物質(zhì)成型顆粒。爐膛輻射受熱面積24m2，對流蒸發(fā)受熱面積43.9m2，空氣預(yù)熱器受熱面積65m2，總受熱面積132.9m2。測試為2個額定負(fù)荷工況，每工況正式試驗時間2h。

●3.2.2 燃料特性

化驗得到燃料收到基成分（見表1）及低位發(fā)熱量為14600kJ/kg。

表5 燃料收到基成分分析（%）

●3.2.3 正平衡方法測試結(jié)果

由表6測試項目查表可得換熱器中水的進(jìn)、出口焓值，由式（1）計算得到鍋爐的正平衡效率為80.6%（工況1）、81.2%（工況2）。

表6 鍋爐正平衡測試項目

●3.2.4 反平衡方法測試結(jié)果

由表7測試數(shù)據(jù)，由GB/T 10180—2013《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》[1]中的相關(guān)計算可得到反平衡測試中的各項熱損失，見表8。

表7 鍋爐反平衡測試項目

表8 鍋爐反平衡效率計算（%）

3.3 測試平臺可靠性分析

考慮換熱器熱效率經(jīng)驗值98%～99%，取其平均值98.5%，由此計算得到鍋爐效率之差，見表9、表10。YY（Q)W-3500Y（Q)與 YLW-1600S 的效率之差皆滿足TSG G0003—2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》第3.2.2條的規(guī)定，“每次測試的正平衡與反平衡的效率之差應(yīng)當(dāng)不大于5%，正平衡或者反平衡各自兩次測試測得的效率之差均應(yīng)當(dāng)不大于2%，燃油、燃?xì)夂碗娂訜徨仩t各種平衡的效率之差應(yīng)當(dāng)不大于1%”。因此，采用統(tǒng)一能效測試平臺，通過測量換熱器冷卻水的進(jìn)出口溫度和循環(huán)流量計算換熱量的方法，所得測試數(shù)據(jù)有效。

表9 YY(Q)W-3500Y(Q)效率之差

表10 YLW-1600S效率之差

4 結(jié)論

1）提出一種新型有機(jī)熱載體能效測試方法，設(shè)計并搭建了一個可拆裝的統(tǒng)一能效測試平臺。其自制換熱器可設(shè)計為不同換熱面積，從而實現(xiàn)異地，對一系列負(fù)荷的有機(jī)熱載體進(jìn)行定型能效測試。

2）自制換熱器水為冷卻介質(zhì)，將物性參數(shù)缺乏、高溫流量測量困難的有機(jī)熱載體測量和計算，利用熱力學(xué)基礎(chǔ)知識，轉(zhuǎn)換為技術(shù)成熟的冷卻水進(jìn)出口流量和溫度的測量與計算，測量方便。實際測試結(jié)果證明該方法符合標(biāo)準(zhǔn)要求，能效測試準(zhǔn)確度提高。

[1]GB/T 10180—2003 工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程[S].

[2]GB/T 17410—2008 有機(jī)熱載體鍋爐[S].

[3]TSG G0003—2010 工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則[S].