工業(yè)鍋爐運(yùn)行能效分析與研究

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(杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江 杭州 310051)

0 引言

工業(yè)鍋爐是我國(guó)重要熱能動(dòng)力設(shè)備，也是能耗和污染大戶。截至2015年底，我國(guó)鍋爐總數(shù)達(dá)57.92萬(wàn)臺(tái)[1]，其中工業(yè)鍋爐約57萬(wàn)臺(tái)，以燃煤鍋爐為主。鍋爐耗煤約24.8億t標(biāo)煤，其中工業(yè)鍋爐年耗煤量達(dá)7.2億t標(biāo)煤，約占我國(guó)能源消費(fèi)總量的20%[2]。燃煤工業(yè)鍋爐污染物排放是重要污染源，年排放煙塵、二氧化硫、氮氧化物分別占全國(guó)排放總量的33%、27%、9%[3]。燃煤工業(yè)鍋爐實(shí)際運(yùn)行效率與國(guó)際先進(jìn)水平相差10%～15%，節(jié)能減排潛力巨大。

為縮小與國(guó)際先進(jìn)水平差距，提高我國(guó)工業(yè)鍋爐整體運(yùn)行水平，應(yīng)首先對(duì)國(guó)內(nèi)工業(yè)鍋爐整體運(yùn)行狀況有所掌握。目前，我國(guó)許多能效測(cè)試機(jī)構(gòu)已開(kāi)展能效普查，相關(guān)測(cè)試研究已經(jīng)開(kāi)展。天津、廣東、浙江和云南等地都開(kāi)展了在用工業(yè)鍋爐能效統(tǒng)計(jì)分析及節(jié)能對(duì)策研究[4-7]，文獻(xiàn)[8-10]從能效測(cè)試方法和熱效率指標(biāo)上進(jìn)行了探討。但涉及整體能效指標(biāo)的定量分析數(shù)據(jù)研究很少。因此，為定量分析工業(yè)鍋爐運(yùn)行整體能效狀況，對(duì)杭州183臺(tái)工業(yè)鍋爐進(jìn)行了能效測(cè)試，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。通過(guò)能效指標(biāo)分析，查找鍋爐在能效方面存在的主要問(wèn)題，并提出解決方案，為鍋爐后續(xù)節(jié)能措施(管理節(jié)能和技術(shù)改造)提供理論數(shù)據(jù)和技術(shù)依據(jù)。

1 能效測(cè)試

1.1 測(cè)試范圍

在測(cè)試的183臺(tái)鍋爐中，燃煤/生物質(zhì)鍋爐為136臺(tái)，燃油(氣)鍋爐為47臺(tái)。具體容量分布見(jiàn)表1所示。

表1容量分布

燃煤/生物質(zhì)鍋爐燃油(氣)鍋爐額定蒸發(fā)量D<1t/h或Q<0.7MW1≤D≤2t/h或0.7≤Q≤1.4MW220t/h或Q>14MWD<1t/h1≤D≤2t/h或Q≤1.4MWD>2t/h或Q>1.4MW測(cè)試數(shù)量3615513461922

注：D：額定蒸發(fā)量/t·h-1；Q：額定熱功率/MW。

1.2 測(cè)試依據(jù)

能效測(cè)試采用TSG G0003-2010 《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》中鍋爐運(yùn)行工況熱效率簡(jiǎn)單測(cè)試規(guī)則，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》和GB/T 15317-2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)》要求。

1.3 計(jì)算方法

熱效率計(jì)算采用反平衡計(jì)算方法，分析指標(biāo)為排煙溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、爐渣含碳量、爐體外表面溫度、負(fù)荷率及熱效率。分析指標(biāo)中：

過(guò)量空氣系數(shù)計(jì)算公式如式(1)

(1)

式中α——過(guò)量空氣系數(shù)；

O2——排煙氧量/[%]。

熱效率計(jì)算公式如式(2)

ηj=100-q2-q3-q4-q5-q6

(2)

式中ηj——反平衡熱效率；

q2——排煙熱損失；

q3——?dú)怏w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。

其中：q2的計(jì)算，按照如公式(3)

(3)

式中m，n——計(jì)算系數(shù)，與燃料種類有關(guān)，具體根據(jù)實(shí)際燃料選??；

tpy——排煙溫度/℃；

tlk——入爐冷空氣溫度/℃。

q3選取依據(jù)排煙中CO百分含量來(lái)定，當(dāng)CO≤0.05%時(shí)，q3取0.2%，當(dāng)0.05%0.1%時(shí)，q3取1%。CO，%，為測(cè)試數(shù)據(jù)。

q4按照如公式(4)計(jì)算

(4)

式中Qnet,v,ar——燃料收到基低位發(fā)熱量/kJ·kg-1；

Aar——收到基灰分/[%]；

Cfh——飛灰可燃物含量/[%]；

Clm——漏煤可燃物含量/[%]；

Clz——爐渣可燃物含量/[%]。

以上參數(shù)為煤樣、渣樣實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。αfh、αlm和αlz為飛灰、漏煤和爐渣占入爐燃料總灰量的重量百分比/[%]，選取應(yīng)以鍋爐具體燃燒方式來(lái)定，但應(yīng)滿足αfh+αlm+αlz=100。燃油(氣)鍋爐q4為0。

q5選取根據(jù)鍋爐額定出力來(lái)決定，q5的取值范圍在0.8%～2.9%之間。當(dāng)鍋爐實(shí)際運(yùn)行出力低于額定出力的75%時(shí)，q5可按照如公式(5)～(6)進(jìn)行修正

(5)

(6)

式中q5ed——額定出力下的散熱損失/[%]；

Ded——額定出力/t·h-1；

Dsc——實(shí)際出力/t·h-1；

Qed——額定熱功率/MW；

Qsc——實(shí)際熱功率。

q6只計(jì)算爐渣的物理熱損失，飛灰、漏煤的物理熱損失不計(jì)，按照如公式(7)計(jì)算

(7)

式中Aar——收到基灰分/[%]，為分析數(shù)據(jù)；

(ct)lz——爐渣的焓，根據(jù)不同爐型查表選取。燃油(氣)鍋爐q6為0。

2 結(jié)果分析及對(duì)策

2.1 排煙溫度tpy

q2是鍋爐的主要熱損失，q2一般約占8%～12%。q2主要取決于tpy和α。一般tpy每升高12～15℃，q2就將增加約1%。圖1所示為燃煤/生物質(zhì)、燃油(氣)鍋爐tpy分布圖。由圖1(a)可知，136臺(tái)燃煤/生物質(zhì)鍋爐中，有62%的鍋爐tpy高于限定值。其中，最高為357℃，超過(guò)限定值110%。由圖1(b)可知，47臺(tái)燃油(氣)鍋爐中，有77%的鍋爐tpy高于限定值。其中，最高為421℃，超過(guò)限定值148%。鍋爐tpy普遍偏高，其中，燃油(氣)鍋爐平均排煙溫度為216℃，高于燃煤/生物質(zhì)鍋爐的199℃。造成燃油(氣)鍋爐平均tpy高于燃煤/生物質(zhì)鍋爐的主要原因是燃油(氣)鍋爐安裝尾部受熱面的鍋爐只有26%，而燃煤/生物質(zhì)鍋爐相對(duì)較高，占53%。

偏高原因：(1)沒(méi)有裝設(shè)尾部受熱面；(2)尾部煙道煙氣短路未經(jīng)過(guò)受熱面；(3)尾部受熱面積灰與結(jié)垢；(4)運(yùn)行負(fù)荷改變導(dǎo)致配風(fēng)不匹配；(5)鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)未保證足夠受熱面等。改進(jìn)措施：(1)利用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，根據(jù)負(fù)荷改變及時(shí)調(diào)整配風(fēng)；(2)減少漏風(fēng)；(3)避免低負(fù)荷運(yùn)行并減少鍋爐啟停次數(shù)；(4)尾部受熱面及時(shí)清灰與除垢；(5)及時(shí)更換腐蝕煙道擋板；(6)增加或改進(jìn)尾部受熱面。tpy也不是越低越好，應(yīng)根據(jù)q2和尾部受熱面金屬耗量與煙氣露點(diǎn)等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算來(lái)確定。

圖1 鍋爐tpy分布圖注：根據(jù)TSG G0002-2010第八條，D<1 t/h的蒸汽鍋爐，排煙溫度≤230℃；1 t/h ≤D或Q>1.4 MW的鍋爐，排煙溫度≤170℃。

2.2 過(guò)量空氣系數(shù)α

α在鍋爐運(yùn)行中是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。一般α每降低0.3，鍋爐熱效率會(huì)提高約1%。圖2所示為燃煤/生物質(zhì)、燃油(氣)鍋爐α分布圖。由圖2(a)可知，燃煤/生物質(zhì)鍋爐α普遍偏高，平均為3.28，有96%的鍋爐α大于限定值。其中，最高α達(dá)到了8.32，超過(guò)限定值404%。由圖2(b)可知，燃油(氣)鍋爐α相對(duì)較好，平均為1.35，但仍偏高，有68%的鍋爐α大于限定值。其中，最高α為2.87，超過(guò)限定值150%。

圖2 鍋爐α分布圖注：根據(jù)TSG G0002-2010第九條，層燃鍋爐α≤1.65；正壓燃油(氣)鍋爐α≤1.15。

偏高原因：(1)配風(fēng)不合理；(2)系統(tǒng)漏風(fēng)嚴(yán)重；(3)操作不當(dāng)，大量冷空氣進(jìn)入爐膛；(4)調(diào)風(fēng)方式落后，特別是燃煤/生物質(zhì)鍋爐。改進(jìn)措施：(1)運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，合理配風(fēng)；(2)煙風(fēng)道破損部位進(jìn)行修補(bǔ)，減少漏風(fēng)；(3)做好鍋爐節(jié)能技術(shù)改造，改進(jìn)鍋爐除渣設(shè)備和除渣門；(4)盡量減少非必要爐門開(kāi)啟；(5)在線監(jiān)測(cè)與變頻器聯(lián)動(dòng)。

2.3 爐渣含碳量Clz

Clz主要反映燃煤/生物質(zhì)鍋爐的q4，q4一般約占5%～15%。圖3所示為燃煤/生物質(zhì)鍋爐Clz分布圖。由該圖可知，燃煤/生物質(zhì)鍋爐Clz控制較好，平均Clz為13.72%，低于限定值。數(shù)量上只有35%的鍋爐Clz大于限定值，其中，最高為51%，超過(guò)限定值240%。Clz控制較好與操作人員把鼓、引風(fēng)機(jī)開(kāi)最大有關(guān)，這樣可以保證燃煤/生物質(zhì)燃燒充分，但過(guò)量空氣過(guò)多，排煙損失很大。

圖3 燃煤/生物質(zhì)鍋爐Clz分布圖注：根據(jù)GB/T 15317-2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)》5.4條，Clz≤15%。

偏高原因：(1)燃煤/生物質(zhì)粒度和水分等特性控制不合理；(2)煤層厚度、進(jìn)煤速度、風(fēng)煤配比等運(yùn)行參數(shù)調(diào)整不合理；(3)爐膛溫度過(guò)低；(4)鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。改進(jìn)措施：(1)根據(jù)燃煤/生物質(zhì)特性合理調(diào)整鍋爐運(yùn)行參數(shù)；(2)調(diào)整燃燒，避免低負(fù)荷運(yùn)行，使鍋爐爐膛溫度合理；(3)技術(shù)改造，如改進(jìn)助燃拱、爐膛水冷系統(tǒng)等；(4)合理設(shè)計(jì)鍋爐結(jié)構(gòu)。

2.4 爐體外表面溫度

爐體外表面溫度主要反映鍋爐q5。q5與爐墻結(jié)構(gòu)、保溫材料、散熱面積及其表面溫度等因素有關(guān)，q5一般約為1%～3.5%。圖4所示為鍋爐爐體外表面溫度分布圖。由該圖可知，鍋爐爐體外表面平均溫度為50.3℃，基本與限定值持平。其中，燃煤/生物質(zhì)鍋爐平均值為51℃，燃油(氣)鍋爐平均值為48℃。燃煤/生物質(zhì)鍋爐有51%的鍋爐大于限定值。其中，最高為87℃，超過(guò)限定值74%。燃油(氣)鍋爐有30%的鍋爐大于限定值。其中，最高為64℃，超過(guò)限定值28%。總體來(lái)說(shuō)，燃油(氣)鍋爐的保溫效果要好于燃煤/生物質(zhì)鍋爐。

改進(jìn)措施：(1)加強(qiáng)對(duì)爐墻和保溫層巡查，對(duì)損壞部分進(jìn)行檢修；(2)加厚保溫材料和提高絕熱材料質(zhì)量；(3)注意維護(hù)，避免受潮或損壞。

圖4 鍋爐爐體外表面溫度分布圖注：根據(jù)TSG G0002-2010第十三條，當(dāng)周圍環(huán)境溫度為25℃時(shí)，距門(孔)300 mm 以外的爐體外表面溫度不得超過(guò)50℃，爐頂不得超過(guò)70℃。

2.5 負(fù)荷率

圖5所示為燃煤/生物質(zhì)、燃油(氣)鍋爐負(fù)荷率分布圖。由圖5(a)可知，燃煤/生物質(zhì)鍋爐負(fù)荷率主要分布在40%～60%，平均負(fù)荷率只有58%。其中，最低負(fù)荷率僅為25%，“大馬拉小車”現(xiàn)象較為嚴(yán)重。由圖5(b)可知，燃油(氣)鍋爐負(fù)荷率主要分布在60%～80%，平均負(fù)荷率為70%，比燃煤/生物質(zhì)鍋爐高12%，但整體負(fù)荷率仍偏低。其中，最低負(fù)荷率僅為33%。

圖5 鍋爐負(fù)荷率分布圖

2.6 反平衡熱效率ηj

偏低原因：(1)使用單位在設(shè)計(jì)選型配置時(shí)不合理；(2)使用單位負(fù)荷季節(jié)性影響等。改進(jìn)措施：(1)選型配置時(shí)，盡量使鍋爐組合具有較好的變負(fù)荷調(diào)節(jié)能力；(2)最小出力盡量與最低負(fù)荷相匹配；(3)采用模塊化鍋爐組合。

圖6所示為燃煤/生物質(zhì)、燃油(氣)鍋爐ηj分布圖。由圖6(a)可知，燃煤/生物質(zhì)鍋爐ηj平均為69%，有63%的鍋爐ηj高于限定值，符合要求。其中，ηj最低為41%，低于限定值41%。由圖6(b)可知，燃油(氣)鍋爐ηj平均為88%，有96%的鍋爐ηj高于限定值，符合要求。其中，ηj最低為78%。燃油(氣)鍋爐ηj控制較好。另外，由該圖可知，隨著鍋爐額定蒸發(fā)量和熱功率的增加，ηj也隨之提高。總體看，鍋爐ηj基本控制較好，但與熱效率目標(biāo)值相比，特別是燃煤/生物質(zhì)鍋爐，還有較大差距。

圖6 鍋爐ηj分布圖注：在用鍋爐運(yùn)行工況下ηj限定值應(yīng)該根據(jù)TSG G0002-2010附件A1.1和A3鍋爐額定工況下ηj限定值乘以90%來(lái)得出。

偏低原因：(1)設(shè)備本身問(wèn)題：如爐膛設(shè)計(jì)不合理、受熱面積灰與結(jié)垢、爐墻漏風(fēng)、輔機(jī)配套不匹配、水處理設(shè)備不合格等；(2)操作運(yùn)行問(wèn)題：操作人員水平低、鍋爐房管理和規(guī)章制度不完善；(3)生產(chǎn)安排問(wèn)題：負(fù)荷變化大、檢修不及時(shí)等；(4)燃料方面問(wèn)題：實(shí)際燃料規(guī)格、品種與設(shè)計(jì)相差較大。改進(jìn)措施：(1)設(shè)計(jì)要合理，燃料與爐型要相適應(yīng)，輔機(jī)與鍋爐本體選型相匹配；(2)加強(qiáng)巡查，對(duì)設(shè)備本體損壞和不合理部分加以技術(shù)改造；(3)組織好燃燒，根據(jù)燃料、負(fù)荷變化情況，合理供燃料，合理供風(fēng)；(4)加強(qiáng)培訓(xùn)，提高操作人員水平，建立鍋爐房節(jié)能規(guī)章制度等。

2.7 尾部受熱面

圖7所示為鍋爐尾部受熱面對(duì)ηj影響分布圖。由該圖可知，對(duì)燃油(氣)鍋爐，安裝尾部受熱面的鍋爐平均ηj達(dá)到了90%，比未安裝的鍋爐高了3%；對(duì)燃煤/生物質(zhì)鍋爐，安裝尾部受熱面的鍋爐平均ηj為75%，比未安裝的鍋爐為高了8%，效果更加明顯。說(shuō)明加裝尾部受熱面是提高ηj的有效途徑。

圖7 鍋爐尾部受熱面對(duì)ηj影響分布圖

3 結(jié)論

對(duì)183臺(tái)工業(yè)鍋爐進(jìn)行了能效測(cè)試，采用運(yùn)行工況熱效率簡(jiǎn)單測(cè)試，熱效率采用反平衡計(jì)算方法。測(cè)試完畢，從排煙溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、爐渣含碳量、爐體外表面溫度、負(fù)荷率及熱效率等指標(biāo)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，并提出造成的原因和改進(jìn)措施。

結(jié)論如下：tpy和α普遍偏高；Clz控制較好，但與操作人員把鼓、引風(fēng)機(jī)開(kāi)最大有關(guān)；爐體外表面溫度控制較好；鍋爐負(fù)荷率偏低，“大馬拉小車”嚴(yán)重；ηj總體偏低，燃油(氣)鍋爐較好，平均值為88%，而燃煤/生物質(zhì)鍋爐為69%，還有較大差距；2 t/h以下鍋爐是淘汰重點(diǎn)，2～20 t/h鍋爐節(jié)能空間較大。

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