基于MATLAB的燃油工業(yè)鍋爐節(jié)能分析

摘 要：工業(yè)鍋爐是高耗能特種設備之一，且我國燃油鍋爐實際運行熱效率偏低，所以節(jié)能分析對鍋爐的節(jié)能減排具有重大意義。通過現場對某單位燃油鍋爐進行熱工測試，建立了排煙熱損失和氣體未完全燃燒熱損失的多目標數學模型。在此模型的基礎上，采用MATLAB詳細分析了過量空氣系數和排煙溫度對排煙熱損失和氣體未完全燃燒熱損失的影響，進而基于數學模型，繪出了節(jié)能域圖。該研究能從數學角度上深入地分析過量空氣系數和排煙溫度與排煙熱損失和氣體未完全燃燒熱損失的變化趨勢，為鍋爐的設計熱效率提供理論參考值，同時對現場運行鍋爐在節(jié)能域里的優(yōu)化調節(jié)也具有一定的指導意義。

關鍵詞：工業(yè)鍋爐;節(jié)能;過量空氣系數;熱效率;優(yōu)化調節(jié)

中圖分類號：TK文獻標識碼：A

Abstract：Industrial boiler is one of high-energy special equipment，and the actual thermal efficiency of oil-fired boiler in China is low，so the energy conservation analysis is great significance of energy-saving and emissions for boiler.Through the thermal testing of a oil-fired boiler on-site，the multi-objective mathematical model of the exhaust gas heat loss and the heat loss from gas incomplete combustion was established.Based on the model，MATLAB was used for analyseing the impact of the exhaust gas heat losses and the gas incomplete combustion heat loss by excess air coefficient and exhaust gas temperature detailedly，thus based on the mathematical models，draw the energy-saving field map.The study from a mathematical point of view in-depth analysis of excess air ratio and exhaust temperature and exhaust gas heat losses and incomplete combustion heat loss trends for the design of the boiler thermal efficiency and provide a theoretical reference value，at the same time to run the boiler on-site energy-saving Optimization of the domain inside the regulator also has a certain significance.

Key words：automatic control technique;medium speed mill;fault diagnosis;least square support vector machines;kernel principal component analysis

工業(yè)鍋爐是高耗能特種設備之一，且工業(yè)鍋爐相對電站鍋爐來說其效率偏低。目前國內存在工業(yè)鍋爐總體能耗水平高、節(jié)能管理水平低，能源浪費嚴重，所以分析工業(yè)鍋爐的節(jié)能潛力、指明節(jié)能方向和研究節(jié)能措施具有重要的現實意義。

本文以某乳品廠的燃油工業(yè)鍋爐（WNS1.5-1.0-Y）為研究對象，對其進行節(jié)能分析。由于燃油鍋爐的固體未完全燃燒熱損失和灰渣物理熱損失近乎等于零，且散熱損失一般只與鍋爐負荷、鍋爐尺寸和環(huán)境溫度等參數有關，對于特定鍋爐在工作負荷運行時，其可優(yōu)化調節(jié)挖掘節(jié)能的潛力不大。基于這樣的情況下，本文只分析排煙熱損失q2和氣體未完全燃燒熱損失q3。當過量空氣系數增大，q2會適當增大，此時q3會適當降低;當排煙溫度增大時，q2會適當增大，此時q3會適當降低。由于q2和q3存在一種矛盾的邏輯關系，為了更好地分別分析q2和q3的節(jié)能潛能，本文以這兩個量為目標值建立多目標節(jié)能模型。

涉及到q2和q3的優(yōu)化模型的輸入參數有如過量空氣系數、排煙溫度、排煙中含氧量和排煙中一氧化碳含量等等參數，利用MATLAB建立節(jié)能數學模型，然后在此模型的基礎上詳細分析q2和q3變化趨勢，且編程繪制出節(jié)能域，此對鍋爐的優(yōu)化運行、節(jié)能潛力挖掘具有一定的參考意義。

1 工業(yè)鍋爐現場熱工測試

1.1 主要測量設備

1.1.1 超聲波流量計

該超聲波流量計可以方便地測量150℃以下的流體流量，其精度為±1%，該設備接在給水管中時如圖1所示。

1.1 2 綜合煙氣分析儀

綜合煙氣分析儀可以測試鍋爐排煙中的O2、CO、CO2、CnHm、SO2、NOx等各種成分，其精度為±0.8%，如圖2所示。

1.1.3 燃料量熱儀

燃料量熱儀可以對煤、油等各種燃料進行熱值分析，如圖3所示。

1.1.4 煤質工業(yè)分析儀

煤質工業(yè)分析儀可以對煤進行工業(yè)分析，研究煤的固定炭、揮發(fā)分、水分、灰分等組分含量，如圖4所示。

鑒于篇幅所限，本文數據分析記錄所用到的其他設備不再一一列出。

1.2 熱工測試測點示意圖

現場熱工測試是在鍋爐工作負荷下進行的，參數測點布置圖如圖5所示，其中1點為大氣參數測量點，2點為飽和蒸汽取樣點和鍋筒蒸汽壓力測量點，3點為排煙溫度測量點和煙氣成分測量點，4點為鍋水取樣點，5點為鍋爐給水量測量點，6點為給水壓力測量點，7點為鍋爐表面溫度測量點。

現場數據采集時間為2個小時，每隔15分鐘采集一次數據，并當場記錄下來。

1.3 熱工測試數據與計算結果

鑒于篇幅所限，現場記錄的數據、計算數據和燃油化驗數據只列出部分主要的數據，分別如表1、表2和表3所示。

2 節(jié)能分析多目標模型

2.1 模型輸入和輸出參數

2.2 多目標模型

3 節(jié)能模型分析

根據節(jié)能分析模型，繪制出排煙溫度、過量空氣系數和氣體未完全燃燒熱損失的三維關系圖，如圖6所示。

由圖6可知，在正常燃燒狀態(tài)下，q3受排煙溫度的影響不大，只是隨著過量空氣系數的增大而增大，并且過量空氣系數按0.1步長增大時，q3按0.0360和0.0361兩個不同步長遞增，如圖7所示。

排煙溫度、過量空氣系數和排煙熱損失的單位關系圖如圖8所示。

由圖8得知，排煙溫度和過量空氣系數對q2有直接的影響，且過量空氣系數對q2的影響更為敏感。

由圖9可知，隨著過量空氣系數的增大，排煙熱損失隨著排煙溫度的提高而增大的幅度將會提高。相對過量空氣系數來說，排煙熱損失對排煙溫度的敏感度不高，反而對過量空氣系數有較高的敏感度，即使過量空氣系數增大0.1，也遠比排煙溫度提高1℃時對排煙熱損失的影響大10倍以上。

將隨著過量空氣系數增大、排煙溫度增大而引起q2、q3、q2與q3之和的變化趨勢用二維圖顯示出，如圖10所示。

圖10進一步表明，排煙熱損失是主要熱損失，且主導著總熱損失的變化趨勢。

現場測試計算得知q2=10.43%，q3=0.64%。在此，利用MATLAB編程繪圖呈現出節(jié)能域。如圖11所示，由此可知在數學模型上，可指導現場如何調節(jié)過量空氣系數和排煙溫度，才能保證鍋爐效率處于較佳。

4 結論

（1）本文依據《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》，利用MATLAB建立了排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失與過量空氣系數、排煙溫度、排煙含氧量和排煙一氧化碳含量等參數之間的數學模型。

（2）結合現場實際，在節(jié)能數學模型的基礎上，分析了熱損失的變化趨勢，進而得知影響排煙熱損失的主要因素是過量空氣系數。編程繪制出節(jié)能域，為鍋爐節(jié)能指明調節(jié)方向。

（3）節(jié)能數學模型可在最大限度上為鍋爐節(jié)能潛能分析提供理論依據，且可作為鍋爐效率設計和現場鍋爐優(yōu)化運行調節(jié)的參考值。

參考文獻：

[1]李茂東，黎華，鐘志強.工業(yè)鍋爐能耗現狀分析與節(jié)能措施[J].石油和化工設備，2009，07：67-69.

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

通訊作者：李敏芳（1981-），女，漢族，廣州從化區(qū)人，工程師，廣州市新力金屬有限公司——技術研發(fā)部。