一種有機熱載體鍋爐能效測試的新方法

張文斌 王 杰 陳征宇

（浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310020）

有機熱載體鍋爐因其“低壓高溫”的特性在印染、化工、輕紡等工業生產領域中應用廣泛。由于有機熱載體鍋爐排煙溫度較高，節能潛力巨大，是工業鍋爐節能的重要目標，有必要對有機熱載體鍋爐能效測試方法進行研究。

1 有機熱載體鍋爐能效測試現狀

1.1 無法達到定型能效測試所要求的額定工況

按照《鍋爐節能技術監督管理規程》（TSG G0002—2010）[1]的要求，鍋爐制造單位應向使用單位提供鍋爐產品定型測試報告，定型測試不符合能效要求的，制造廠家不得繼續制造該型號的鍋爐產品。《有機熱載體鍋爐》（GB/T 17410—2008）[2]也要求鍋爐批量生產前應進行型式試驗，型式試驗應包括熱效率測試，而熱效率測試的困難在于正平衡數據的準確性。上述規程中規定，鍋爐產品定型測試應在鍋爐額定工況條件（97%～105%負荷）下進行，但由于絕大多數有機熱載體鍋爐用在紡織印染行業，受企業工廠工藝、連續生產和實際熱負荷需要所限制，目前在用的有機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熱載體鍋爐進行定型測試。故現在有機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，廠內測試成本太高，每個制造單位搭建測試平臺不現實；在使用單位測試，則測試工況受制于企業生產工況，測試條件得不到保障。故鍋爐節能技術監督管理規程頒布以來，有機熱載體鍋爐的測試一直未能很好地推進。

1.2 有機熱載體流量測試可靠性差

有機熱載體鍋爐以有機熱載體為循環傳熱的介質，一般都是閉式循環運行。現場測試時，絕大多數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。因此，有機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，由于缺乏各牌號有機熱載體在不同工作溫度下的相關物性數據，往往只能以經驗值代替，由此造成有機熱載體流量測試數據不準，嚴重影響正平衡效率測試的準確性。

1.3 有機熱載體物性數據缺乏

正平衡效率的測試及計算過程中需要準確知道有機熱載體的運動粘度、比熱（或焓值）、密度等物性數據。經實際調研，有機熱載體制造廠家往往不能提供相關油品在高溫下的物性數據，即使部分廠家提供相關數據，其準確性、可靠性存疑。特別對于同一種牌號的有機熱載體，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確可靠的有機熱載體爐正平衡能效測試結果。

2 有機熱載體能效測試平臺的設計與搭建

為克服以上三個問題，設計并搭建了可移動有機熱載體鍋爐統一能效測試平臺，平臺利用自制換熱器代替用熱設備，采用測量換熱器冷卻水的進出口溫度和循環流量計算換熱量的方式，利用熱力學基礎知識，避開了目前導熱油物性參數和循環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節水位高度、水流量等適應不同負荷的鍋爐。設計中可由不同鍋爐負荷計算出所需換熱面積，制作相應面積范圍的換熱器，因而可實現異地一系列負荷有機熱載體鍋爐的能效測試。依托有機熱載體鍋爐能效測試平臺的能效測試方法研究，在國內尚屬首創。

2.1 能效測試平臺系統組成

有機熱載體鍋爐測試平臺包含儲液槽（低位槽）、循環泵、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，系統示意圖如圖1所示。本平臺采用注入式工作系統，有機熱載體經注油泵，從儲液槽注入系統，當儲液槽上方的膨脹回收接管有回油時，說明系統已充滿油。有機熱載體爐加熱后的高溫有機熱載體從換熱器進口（上）集箱進入，換熱后的低溫油由出口（下）集箱排出換熱器，再由循環泵打入有機熱載體爐繼續加熱，往復循環。換熱器內油側為蛇形換熱管束，換熱管束外的吸熱介質為水，在進出水管上同時安裝有流量計和溫度計。換熱器頂部設置有排氣口，用于排放水側受熱后所蒸發的水蒸氣，保證了換熱器箱體常壓運行，確保測試系統能夠安全、穩定。卸油泵（注油泵）接口在系統最低點，當測試完畢后，可將系統內的有機熱載體完全卸放至儲液槽中，以便下次測試。

圖1 系統示意圖

2.2 能效測試平臺測試方法

現場測試時，調節換熱器內水流量使有機熱載體爐達到穩定額定工作狀態。根據在線監測記錄的進出口水溫和流量計算出實際換熱量，與鍋爐額定負荷時的理論換熱量進行比較，從而得出有機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 —— 換熱器中循環水流量，kg/h；

hjs—— 換熱器進水焓，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 正平衡方法測試結果

由表2測試項目查表可得換熱器中水的進、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 反平衡方法測試結果

由表3測試數據，由GB/T 10180—2013《工業鍋爐熱工性能試驗規程》[1]中的相關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 燃氣鍋爐

●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℃，額定進口油溫279℃，設計燃料為天然氣。爐膛輻射受熱面積30.86m2，對流蒸發受熱面積162.06m2，本體總受熱面積192.92m2，空氣預熱器受熱面積141.6m2。測試為2個額定負荷工況，每工況正式試驗時間2h。

●3.1.2 燃料特性

根據表1所測的天然氣成分，由GB/T 10180—2013《工業鍋爐熱工性能試驗規程》[1]中的相關計算，可得到燃料收到基低位發熱量為35057kJ/m3。

表4 鍋爐反平衡效率計算（%）

3.2 燃生物質鍋爐

●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℃，額定進口油溫260℃，設計燃料為生物質成型顆粒。爐膛輻射受熱面積24m2，對流蒸發受熱面積43.9m2，空氣預熱器受熱面積65m2，總受熱面積132.9m2。測試為2個額定負荷工況，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 正平衡方法測試結果

由表6測試項目查表可得換熱器中水的進、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 反平衡方法測試結果

由表7測試數據，由GB/T 10180—2013《工業鍋爐熱工性能試驗規程》[1]中的相關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《工業鍋爐能效測試與評價規則》第3.2.2條的規定，“每次測試的正平衡與反平衡的效率之差應當不大于5%，正平衡或者反平衡各自兩次測試測得的效率之差均應當不大于2%，燃油、燃氣和電加熱鍋爐各種平衡的效率之差應當不大于1%”。因此，采用統一能效測試平臺，通過測量換熱器冷卻水的進出口溫度和循環流量計算換熱量的方法，所得測試數據有效。

表9 YY(Q)W-3500Y(Q)效率之差

表10 YLW-1600S效率之差

4 結論

1）提出一種新型有機熱載體能效測試方法，設計并搭建了一個可拆裝的統一能效測試平臺。其自制換熱器可設計為不同換熱面積，從而實現異地，對一系列負荷的有機熱載體進行定型能效測試。

2）自制換熱器水為冷卻介質，將物性參數缺乏、高溫流量測量困難的有機熱載體測量和計算，利用熱力學基礎知識，轉換為技術成熟的冷卻水進出口流量和溫度的測量與計算，測量方便。實際測試結果證明該方法符合標準要求，能效測試準確度提高。

[1]GB/T 10180—2003 工業鍋爐熱工性能試驗規程[S].

[2]GB/T 17410—2008 有機熱載體鍋爐[S].

[3]TSG G0003—2010 工業鍋爐能效測試與評價規則[S].