鍋爐負荷變化時最優運行策略分析

王鑫,周亞素,鄧少慧,鄭建范

1.東華大學 環境科學與工程學院 2.寧波恒大印染有限責任公司

0 前言

據不完全統計，全國工業鍋爐的總量以達到50萬臺，年耗煤量達5億噸。但在實際生產中，由于初期設計不合理以及企業效益等原因，多數工業鍋爐在運行過程中負荷變化很大，且長期處于低負荷狀態下運行。當負荷低于50%時，鍋爐就無法按照最初設計的額定工況運行，會出現以下諸多問題：

1）影響正常生產：燃燒不穩，床溫易波動，不易調節，床溫會偏低，返回調節不易控制，可能會造成熄火；

2）影響鍋爐內部換熱管道的壽命：低負荷燃燒，會出現給煤量和回灰量不均衡，造成換熱管道受熱不均，易導致管道局部超溫，引起管壁過熱，長時間運行會增加爆管發生的幾率；

3）增加尾部換熱管道的腐蝕：長期低負荷運行，排煙溫度會有所下降，尾部布置的換熱管道的低溫腐蝕發生幾率增加；

4）低負荷運行還會破壞水循環。

與此同時，最為重要的一點就是鍋爐運行效率與負荷有關，低負荷運行會在很大程度上影響鍋爐的熱效率。在設計合理、運行正常的情況下,負荷降低以后,氣體與固體未完全燃燒將會增加，鍋爐效率大都呈下降趨勢。鍋爐運行的最佳效率區大約在額定蒸發量的85%-100%范圍內。低于80% 的負荷下運行或短時超出100%負荷運行,鍋爐效率將急劇下降。這是一般工業鍋爐負荷與熱效率之間的關系。圖1所示的為一臺6t/h鍋爐的效率曲線,它很具有代表性[1]。此外，負荷波動對于鍋爐效率也會產生很大的影響。一般來講,負荷的波動如果在額定值的5%范圍內,這對工業鍋爐是完全正常的;如波動在10%,影響開始加劇。負荷變化過于頻繁會直接影響燃燒過程的穩定性和經濟性。

為了解決鍋爐低負荷運行帶來的各種影響，文獻[2-4]提供了包括技術改造、燃煤合理摻燒、調整配氧量和加強管理等解決措施，收到了良好的效果。但如果能采取有效的措施，使得鍋爐長期在額定工況下穩定運行，這樣既可以省去改造費用，又可以更好的保障其安全性和經濟性。下面將以某印染廠為例提出一種在低負荷需求下保證鍋爐在最佳效率區運行的策略。

1 企業用能情況及鍋爐概述

1.1 企業用能情況

印染廠主要進行針織物染色以及后整理加工，消耗能源以煤、電和蒸汽為主。擁有燃煤鍋爐一臺，主要負責加熱導熱油，通過導熱油循環為后整理車間的開幅定型機提供熱量。蒸汽來源于附近的熱電廠，用于染色車間染缸使用。

1.2 鍋爐概述

鍋爐最大燒煤量為26t/d，后整理車間共有四臺開幅定型機。正常情況下，開啟兩臺定型機需耗煤15t/d，開啟三臺定型機耗煤18t/d，開啟四臺定型機耗煤22t/d，而在大多數情況下，通常只需要開啟兩臺定型機。這樣鍋爐就長期處在50%左右的低負荷下運行，且當需要開啟三臺或四臺的時候，運行負荷變化很大。鍋爐的基本參數如表1所示：

表1 鍋爐基本參數

2 鍋爐最優運行策略分析

通過對企業用能及鍋爐運行情況分析，企業對鍋爐的負荷要求通常只在50%左右，鍋爐長期處在低負荷運行工況下，耗煤量約為15t/d。要使鍋爐在最佳效率區運行，就必須提高對鍋爐負荷要求，使得耗煤量達到26t/d。這樣做勢必會產生多余的熱能，如果可以將這部分熱能合理的運用到生產中去，既保證總的能源成本不增加，同時又能使得鍋爐在最佳效率區運行。

企業在能源消耗上，除了煤和電以外，還需要大量的蒸汽，日耗量大約在150t左右。蒸汽主要來源于附近電廠，價格為205元/t蒸汽。產生蒸汽需要吸收大量的熱能，而為保證鍋爐正常運行會產生大量的余熱，如果配備蒸汽發生器，這樣運行過程中多余的熱能就可以通過蒸汽發生器產生蒸汽供企業使用。保持鍋爐在額定工況下運行，耗煤量為26t/d，主要用于加熱導熱油，滿足導熱油所需熱量之后，多余的熱量用于產生蒸汽。企業蒸汽用量大，大部分仍將來源于附近電廠，蒸汽發生器產生的蒸汽只占總用量的一部分。將蒸汽發生器自產的蒸汽和電廠來的蒸汽并在一起供入車間，在兩者之間安裝一個自動閥。當定型機所需負荷發生變化時，由于總耗煤量不變，蒸汽發生器產量也將變化，這樣自動閥就可以調整電廠來的蒸汽用量，使得二者加起來的總量不變，保證生產正常運行。

表2 自產蒸汽噸耗費用

經過對企業所購燃煤的熱值分析，燒1t煤可能產生5000kcal（1kcal=4.158kJ）以上的熱能，這樣就可以產生約5.5-6.5t蒸汽。保持鍋爐額定耗煤量26t/d，除去用于加熱導熱油的15t/d，正常情況下每天可以有10t左右的煤用于產生蒸汽，這樣每天可產60t左右的蒸汽供生產使用。每天自產多少蒸汽，將相應的減少從電廠購入的蒸汽量。

通過以上分析可得，在低負荷要求以及符合變化時，仍保持鍋爐在額定工況下運行，將多余的熱量去產生生產所需的蒸汽，這種鍋爐的最優運行策略是可行的。

3 運行策略經濟性分析

本文提出鍋爐運行策略旨在避免鍋爐在低負荷和變符合下運行，保證其在最佳效率區運行，同時保持甚至降低企業的用能成本。因此在分析過加入蒸汽發生器自產蒸汽的運行策略可行性之后，還要對其經濟性進行分析。

3.1 運行費用比較

新的運行策略雖然減少了從電廠的購汽費用，但是蒸汽發生器產生蒸汽也需要一定的成本。下面將自產蒸汽與從電廠購汽成本進行比較，分析是否可以在一定程度上節約使用蒸汽的成本，具體分析見表2。

電廠買來的蒸汽為205元/t蒸汽，通過比較分析可得，如采用蒸汽發生器自產部分蒸汽，每天可節約成本：（205-177.9）×50=1355（元），每年可節約40萬余元。

3.2 回收年限

新的運行策略需要購入一臺蒸汽發生器，在實際操作過程中，企業用于蒸汽發生器以及自動閥的初投資為18萬元，根據簡單投資回收年限計算約5-6個月即可收回成本。

在做經濟性分析時，做了保守估計，假設在新的運行策略下，鍋爐的熱效率與以前相同。實際運行過程中，由于鍋爐在最佳效率區運行，熱效率將有很大的提升，鍋爐的維護費用相對于低負荷運行也將大大降低，因而總的經濟性要比上面所計算的還要好得多。

4 結論

1）通過對企業實際生產用能情況的分析，抓住鍋爐長期低負荷運行以及生產需要大量蒸汽的特點，新的運行策略加入了蒸汽發生器，這樣不但可以使鍋爐長期保持在最佳效率區運行，避免了低負荷運行帶來的種種問題，并且，在保證正常生產的同時，還在一定程度上大大節約了生產成本。

2）以上所述的鍋爐最優運行策略在同類情況下上可以大力推廣。對于鍋爐長期處于低負荷運行的企業，如果它們同時要消耗大量熱能，完全可以讓鍋爐保持在額定工況下運行，多余的熱能提供生產需要。這樣發展下去，即便企業不需要這些多余的熱能，也可以通過生產蒸汽和熱水等形式出售給附近需要的企業。這樣做既可以保證了鍋爐的正常運行，又可以產生一定的經濟收益。

[1]楊興成，王占義.鍋爐負荷變化對運行效率的影響及控制[J].應用能源技術，2001（2）：21-22。

[2]呂雪艷，石玉萍，李志遠.20t/h蒸汽鍋爐低負荷運行產生的問題分析及解決措施 [J].運行管理，2009（3）：47-49。

[3]樓樟云.35t/h CFB鍋爐低負荷運行改造[J]. 能源與環境，2010（5）：88-89。

[4]雷巧中.1160t/h W火焰燃煤鍋爐低負荷運行技術探討[J]. 華中電力，2000（5）：6-8。