太原市在用燃氣鍋爐節能狀況與分析

● 山西省鍋爐壓力容器監督檢驗研究院 孟祥定 劉晉華

太原市在用燃氣鍋爐節能狀況與分析

● 山西省鍋爐壓力容器監督檢驗研究院 孟祥定 劉晉華

太原市燃氣鍋爐數量逐年增加，但燃氣鍋爐在節能方面還有很大空間，針對鍋爐運行負荷、排煙溫度、過量空氣系數、進風溫度等影響鍋爐效率的主要方面進行分析，提出在燃氣鍋爐使用方面應盡量提高鍋爐運行負荷、尾部宜加裝冷凝裝置、調整合適的燃空比來起到節能減排的目的。

燃氣鍋爐 節能

前言

天然氣是一種優質、清潔的鍋爐燃料，燃氣鍋爐由于具有安全、環保、節能的特點，在城市工業生產、生活中被廣泛使用。但是在實際使用過程中，使用效率平均值為88%，有的甚至低至76.43%，與燃氣鍋爐設計效率不低于90%相比，在節能使用方面還有很大空間，本文將以2013年以來太原市在用燃氣鍋爐運行工況測試數據進行分析，指出燃氣鍋爐能效方面存在的問題，并提出節能對策。

太原市在用燃氣鍋爐總體情況分析

太原市五年來燃氣鍋爐總量情況如圖1所示。

圖1　太原市五年來燃氣鍋爐總量情況

由圖1可知，太原市在用鍋爐數量五年來基本保持1 000臺左右，隨著近年來氣化山西政策的推行，以及太原市集中供熱、熱電聯產、城中村改造的進行，燃氣鍋爐數量正逐年增加，截至2015年，燃氣鍋爐已占全市鍋爐總量的45.86%。目前，太原市仍有10 t以下燃煤鍋爐249臺，根據《太原市2016年全面改善省城環境質量實施意見》及相關規定要求，2016年太原市建成區20 t及以下分散燃煤采暖鍋爐將全部清零，20 t以上分散燃煤采暖鍋爐基本實現清潔供熱替代。顯然，到2016年底，燃氣鍋爐的數量將進一步增加。

太原市在用燃氣鍋爐節能措施分析

經統計，太原市在用鍋爐運行工況測試的平均熱效率為88.13%。由TSG G0003-2010可知，氣體未完全燃燒熱損失在0.2%～1%之間，也就是說氣體未完全燃燒熱損失差距在1%范圍之內。而排煙熱損失q2平均值為7.65%，其中最大值為19.7%，最小值為1.55%；散熱損失q5平均值為3.87%，其中最大值為14.5%，最小值1.3%。顯然，散熱損失和排煙熱損失才是影響鍋爐效率的最主要方面。

1.降低鍋爐的散熱損失

經統計，鍋爐運行平均負荷在額定負荷的65%～80%之間，其中鍋爐運行負荷最低值為額定負荷的17.5%，運行效率為74%，鍋爐運行負荷低是造成鍋爐散熱損失大的主要原因之一。不同額定出力鍋爐的散熱損失如表1所示：

表1　不同額定出力鍋爐的散熱損失

當實際運行出力低于額定出力的75%時，散熱損失按公式（1）、（2）進行修正。

也就是說，實際運行出力低于額定出力的75%時，散熱損失至少為額定出力下的1.3倍，當鍋爐容量小于4 t時，散熱損失將達到4%以上，對于燃氣鍋爐來說，這個比例是相當大的。

由于企業在設計鍋爐系統時出于企業產能擴大、用源設備增多長遠發展的考慮，鍋爐容量往往選取較大，但是受經濟低迷及行業周期的波動，鍋爐出力預留的裕量不僅得不到利用，甚至鍋爐運行長期、嚴重的偏離設計參數，無法達到最佳的運行工況，這就造成鍋爐散熱損失偏大。

鍋爐容量及數量的選取，應充分考慮熱負荷需求及其變化特點，選擇不同容量大小或不同壓力的鍋爐進行調節使用，使鍋爐在最佳能效工況下運行，最好不低于鍋爐額定出力的75%，當熱負荷波動較大且頻繁時，還應當采取膨脹罐或其他儲能設備等均衡負荷的措施，使鍋爐運行負荷較為平穩，達到經濟運行的目的。另外，還要注意鍋爐本體及熱力系統的保溫，選擇保溫性能好的導熱性低的材料，減少與周圍空氣的對流散熱損失。同時，在鍋爐的鍋殼、煙道、省煤器、管道等部件采用外包保溫材料的方法，不僅可以減少散熱，而且還可以防止鍋爐爐膛和煙道漏風。

2.降低鍋爐排煙熱損失

燃氣鍋爐排煙熱損失q2可按式（3）進行計算：

由式（3）得出，可采取降低排煙溫度、提高入爐空氣溫度以及降低排煙處過量空氣系數的辦法來降低排煙熱損失。以下將從這三方面分別進行分析。

（1）降低鍋爐排煙溫度

經統計，太原市燃氣鍋爐排煙溫度算數平均值為151.57℃。其中最高值為295.2℃，測試效率為77.2%；最低值為51.6℃，測試效率為92.16%，此鍋爐為冷凝鍋爐。在相同情況下，排煙溫度越低，效率越高，不同排煙溫度下對應的效率增加量如表2所示：

由表2可知，當排煙溫度在煙氣水露點溫度55.5℃以上時，吸收的煙氣余熱為煙氣中的顯熱量，排煙溫度每降低10℃可提高鍋爐熱效率約0.5%。特別是當排煙溫度低于煙氣的露點溫度55.5℃以下時，吸收的煙氣余熱包括煙氣顯熱量和水蒸氣的凝結熱，排煙溫度每降低10℃，可以提高鍋爐熱效率約3.6%，當排煙溫度為40℃時，熱效率甚至可提高14.5%。

表2　鍋爐在不同排煙溫度下對應的效率增加量

在用鍋爐可以在保持鍋爐本體不變的情況下，在尾部加裝噴淋、管板式換熱器等裝置進行余熱回收，不僅能起到降低排煙溫度、提高鍋爐效率、節約能源及鍋爐運行費用的目的，如果排煙溫度低于煙氣的露點溫度，還能夠對CO2、SO2、NOX起到凈化減排的效果。

太原市在用工業燃氣鍋爐總容量為450 t，排煙溫度折算值為151.57℃，如果能夠在鍋爐尾部加裝冷凝設備，將煙氣顯熱以及大量水蒸氣攜帶的汽化潛熱吸收，使排煙溫度降到50℃，將提高鍋爐效率10%左右，如果按2015年平均運行100天考慮，全年共節省天然氣756萬立方，節省費用近2 000萬。

但是，加裝換熱裝置會造成排煙阻力增加、燃燒背壓增大、酸性冷凝水的腐蝕等安全方面的影響，以及增加投資、回收期拉長等經濟效益方面的因素。只有綜合考慮各個方面，開展鍋爐余熱回收，達到合理的排煙溫度值，才是最有效經濟的節能手段。

（2）降低排煙處過量空氣系數

經統計，過量空氣系數最高值為3.89，最小值為1，平均值為1.56，過量空氣系數大會增加總的煙氣量，使得更多的高溫煙氣被排走；而過量空氣系數過小，會造成燃燒不完全，氣體未完全燃燒熱損失增加，甚至造成受熱面發生積碳現象。選擇合適的過量空氣系數即控制燃氣和空氣的比例，使其達到最佳混合比例燃燒，才是節能的有效措施。

生產中由于受條件制約，調試員往往根據火焰顏色來進行空燃比的調節，由于根據火焰顏色來調節分量的辦法具有很大的主觀性，調節的比例往往并不合適，同時受天然氣來氣壓力及品質的影響，燃空比也在發生變化，所以，應采用煙氣分析法，借助儀器得出的數據，來調節鍋爐燃燒工況，提高鍋爐節能水平。使用單位可以在尾部煙道加裝氧含量分析儀，通過對煙氣中的氧含量的反饋信號與燃燒機系統進行連鎖，實現對燃燒機風機、閥組等元件的控制，使氧含量保持在1.0～1.15之間，起到降低排煙熱損失的作用。

（3）提高鍋爐進風溫度

燃燒用空氣溫度越高，則燃燒時需要從燃氣得到的熱量就越少，越節能。但是，由于空氣比熱小，傳熱系數低，煙氣的溫降和空氣溫升基本相同，回收熱量有限，僅為煙氣顯熱的一半。同時，通過空預器來降低排煙溫度需要較大的傳熱面積，則會增加尾部金屬消耗和設備初投資，經濟效益較低。而且，與燃油鍋爐相比，提高空氣的進風溫度，對燃燒狀況影響不大。實際生產過程中，不建議用戶采用安裝空預器的辦法來對燃氣鍋爐進行節能改造。

結語

太原市區燃煤鍋爐將逐步淘汰，未來太原市在用鍋爐將以燃氣鍋爐為主。本文對燃氣鍋爐的使用方面提出了以下建議：

（1）鍋爐房設計時應根據運行負荷合理選擇鍋爐，避免出現大馬拉小車的現象。設計時可選擇不同容量大小鍋爐搭配使用，對于運行負荷變化較大的，宜增加膨脹裝置來進行緩沖，保證鍋爐平穩運行。

（2）鍋爐的排煙損失是鍋爐各項損失中占比例比較大的一項，排煙溫度降低到50℃以下時，可提高鍋爐效率10%以上，建議設計時盡量選用冷凝鍋爐，在用鍋爐在尾部煙道加裝特殊換熱器，把排煙中的水蒸氣凝結下來，回收其熱量，以此提高鍋爐的經濟性。

（3）在用鍋爐應采用煙氣分析法對尾部進行監測，及時調整鍋爐燃燒狀況，使過量空氣系數長期穩定處于最佳狀態，減少鍋爐的排煙熱損失。

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