工業鍋爐定型能效測試數據及節能問題分析

周黎明 向同瓊 干 兵 楊 棚

(四川省特種設備檢驗研究院 成都 610100)

工業鍋爐是重要的能量轉化設備,可以提供蒸汽或熱水以滿足企業生產及民用采暖需要,在社會經濟發展和人民日常生活中占據著舉足輕重的地位[1,2]。四川省天然氣鍋爐、電鍋爐和生物質氣化鍋爐主要集中在10 t/h以下的小型鍋爐,天然氣鍋爐占比居多；燃煤工業鍋爐的分布范圍集中在15～75 t/h,且以循環流化床鍋爐居多,也有部分偏遠地區有10 t/h及以下鏈條鍋爐在運行。近年來,隨著國家對燃煤鍋爐的管控愈發嚴格、環保壓力加大及節能力度加深,對工業鍋爐節能減排尤其是定型產品的研究已迫在眉睫[3,4]。目前,工業鍋爐的燃料主要以煤、生物質、天然氣和電能為主。

本文重點選取了四川省內4種燃料的工業鍋爐定型產品能效測試數據進行研究,分析了不同燃料鍋爐的排煙溫度、過量空氣系數、負荷率和熱效率等有關參數,比較以上參數在同一燃料下隨鍋爐容量大小的變化,并對定型測試過程中所存在的典型問題進行匯總分析,以求更準確地掌握省內工業鍋爐定型產品的層次,對使用單位選擇合適的鍋爐型號提供強有力的支持,也為鍋爐投用以后的節能措施提供參考。

1 工業鍋爐節能研究對象與方法

1.1 研究對象

本文選取了 20臺新安裝鍋爐,來自20 家使用單位,11 個制造單位,具體型號見表1。燃煤鍋爐 3臺,天然氣鍋爐7 臺,生物質鍋爐7臺,電加熱鍋爐3臺。其中：蒸汽鍋爐18臺,有機熱載體鍋爐 2臺,蒸汽鍋爐額定蒸發量范圍為 0.15～25 t/h,有機熱載體鍋爐額定熱功率范圍為1.4～2.3 MW。

表1 鍋爐型號

1.2 能效測試方法

1）電加熱鍋爐采用正平衡法測試；

2）額定蒸發量≥10 t/h的燃煤鍋爐采用反平衡法測試；

3）冷凝式天然氣鍋爐,本體部分采用正反平衡法,冷凝部分采用正平衡法,然后計算鍋爐整體熱效率；

4）其他鍋爐采用正反平衡法；

5）每個工況測試時間規定為電加熱鍋爐1 h、天然氣燃料鍋爐2 h、燃煤鍋爐4 h、燃生物質手燒鍋爐5 h ；

6）鍋爐在額定工況下測試2次[5,6]。

2 工業鍋爐定型產品測試數據與分析

2.1 排煙溫度

排煙溫度是評價鍋爐經濟運行的一項重要指標,太高會使排煙熱損失增大,影響鍋爐熱效率[7,8]。測試過程中可監測排煙溫度的變化,與設計值比較,通過技術手段進行燃燒調節,在實現高效燃燒的同時,也可以降低鍋爐能耗和提高經濟效益。電加熱鍋爐能效考核指標不含排煙溫度,對3臺電加熱鍋爐不進行對比研究,在其他17臺鍋爐排煙溫度均滿足TSG G0002—2010《鍋爐節能技術監督管理規程》中要求的前提下,實測排煙溫度與設計值的對比分析如圖1所示,其中排煙溫度為測試2次工況的平均值。17臺測試鍋爐中有4臺排煙溫度超過設計值,其中差距最大的是序號15,設計值為120 ℃,實測值為168.4 ℃。

圖1 排煙溫度統計圖

對于燃生物質鍋爐,序號14～16所研究的3臺鍋爐排煙溫度的實測值高于設計值,且接近TSG G0002—2010中第八條中規定的限值（170 ℃）,降低排煙溫度對于提高鍋爐熱效率仍有很大的提升空間。對于天然氣鍋爐,6臺鍋爐的實測溫度低于設計值,只有1臺稍高于設計值,目前天然氣鍋爐排煙溫度的測試值已達到比較樂觀的數值,整體而言,燃燒狀況要優于其他鍋爐。

不同燃料鍋爐排煙溫度的實測值對比見表2。對于燃煤和燃生物質鍋爐,隨著鍋爐出力的增加,排煙溫度逐步降低,主要是隨著鍋爐出力的增加,輔機的匹配性更加完好,受熱面的布置也相對更合理,司爐人員操作水平相對更高。從表2 可以看出,額定蒸發量小于1 t/h的立式燃生物質鍋爐,測試的排煙溫度明顯高于其他鍋爐,其主要原因是尾部受熱面的布置相對困難。比較額定蒸發量大于等于1 t/h生物質鍋爐和燃煤鍋爐,可以看出生物質鍋爐在降低排煙溫度上仍有較大的提升空間。

表2 排煙溫度實測值對比 ℃

2.2 過量空氣系數

過量空氣系數能夠反映燃燒時實際鼓風量大小的變化,太大會導致排煙量增加、爐膛溫度降低,排煙熱損失增加,且燃煤鍋爐會導致排煙飛塵增多；太小則會降低實際鼓風量,燃燒不完全,燃料的不完全燃燒熱損失增加,尾部煙氣黑度超標[9,10]。電加熱鍋爐能效考核指標不含過量空氣系數,對3臺電加熱鍋爐不進行對比研究,其他17臺鍋爐過量空氣系數統計如圖2所示。

圖2 過量空氣系數統計圖

對于燃煤鍋爐,過量空氣系數計算值基本保持在1.21～1.3,平均值為1.25,燃燒狀況和配風系數控制相對較好,技術相對比較成熟。對于天然氣鍋爐,過量空氣系數計算值基本保持在1.11～1.15,平均值為1.13,就測試現場情況而言,為保證燃料的充分燃燒并符合相關標準要求的大氣污染物排放限值,過量空氣系數已不可能更低。對于生物質鍋爐,過量空氣系數計算值基本保持在1.43～1.58,平均值為1.52,TSG G0002—2010中第九條中明確規定層燃生物質鍋爐的過量空氣系數不大于1.65,對于氣化生物質爐,由于暫無明確規定,目前設計單位主要參考1.15或1.65的限值來設計,整體而言,生物質鍋爐過量空氣系數依然有很大的提升空間,降低生物質鍋爐的排煙處過量空氣系數對于提高鍋爐熱效率仍有很大的進步空間。

2.3 負荷率

工業鍋爐定型能效測試過程中,不同燃料和型號鍋爐有不同的最佳效率區,研究鍋爐負荷變化對熱效率的影響,在鍋爐熱效率滿足標準限定值的基礎上,對于進一步提升鍋爐熱效率仍有一定的實際意義[11]。20臺鍋爐負荷率統計如圖3所示,鍋爐負荷率為測試2次工況的均值。

圖3 負荷率統計圖

20臺鍋爐的負荷率最高為104.94%,最低為97.83%。3臺燃煤鍋爐的平均負荷率為103.56%,最低為101.09%。7臺天然氣鍋爐的平均負荷率為100.79%,最低為97.83%。7臺生物質鍋爐的平均負荷率為100.92%,最低為98.33%,最高為103.38%。3臺電加熱鍋爐的平均負荷率為100.51%,最低為99.99%,最高為101.10%。

燃煤鍋爐由于燃燒狀況穩定,使用單位蒸汽用量穩定,一直保持較高的負荷率。WNS型天然氣鍋爐目前使用非常普遍,自動化程度相對較高,鍋爐負荷率也較高。序號11～17研究的生物質鍋爐負荷率波動較大,目前使用最為廣泛的是WNS生物質氣化爐,負荷率最高可達103.38%,可以滿足企業不同生產的需要。電加熱鍋爐由于運行狀況穩定,受其他因素的影響較低,基本保持在100%左右的負荷率運行,正因如此,也是目前比較受中小企業歡迎的鍋爐產品。

2.4 熱效率

熱效率是鍋爐輸出熱量與輸入熱量的比值,直觀反映鍋爐是否節能的一項重要指標[12,13]。20臺鍋爐熱效率測試情況統計如圖4所示,其計算值為2次工況的平均值。

圖4 熱效率統計圖

20臺鍋爐熱效率最高為99.79%,最低為82.54%。3臺燃煤鍋爐測試平均值為88.34%,加權平均值為88.75%,高于設計平均值85.33%、加權平均值85.34%。7臺天然氣鍋爐測試平均值為96.80%,加權平均值為96.67%,高于設計平均值96.63%、加權平均值96.46%。其中：冷凝式天然氣鍋爐熱效率普遍較高,測試平均值為98.82%,加權平均值為98.91%；非冷凝式天然氣鍋爐測試平均值為94.11%,加權平均值為94.06%。7臺生物質鍋爐測試平均值為87.04%,加權平均值為87.85%；其設計平均值為83.69%,加權平均值為86.06%,所測試的7臺鍋爐中6臺均超過設計熱效率,優勢很明顯。3臺電加熱鍋爐測試平均值為98.16%,加權平均值為98.05%；設計熱效率平均值為98.0%,加權平均值為98.0%,電加熱鍋爐的測試情況均優于其設計值。

從經濟性和安全性方面考慮,冷凝式天然氣鍋爐依舊是企業的重要選擇。電加熱鍋爐由于電能和配套設置配置費用昂貴,企業選擇時仍有顧慮,除非地方政策強制要求氣改電。從燃煤鍋爐和WNS型生物質氣化鍋爐熱效率計算結果可知,生物質鍋爐在稍低負荷率下熱效率依然較高,對人工的依賴較低,自動化程度尚可[14]。由于煤改氣、煤改電的成本較高,生物質作為煤的替代燃料具有良好的發展前景,部分地區由于環保要求,已禁止使用燃煤鍋爐。生物質鍋爐由于燃料的低灰和高揮發特性,且具有高效、低排放等優點[15],在能滿足企業生產需要的前提下,也不失為一種很好的選擇。

3 測試過程問題匯總分析

1）測試現場與設計不符合。測試鍋爐未按圖紙要求配置相應的儀表,如給水管道缺少壓力表和測溫儀表；設計圖紙要求給水介質流程為單一流程,而安裝現場經常出現給水經冷凝器后回水箱再進節能器的情況；節能器布置不符合設計要求,沒有布置在尾部而布置在鍋爐頂上；燃燒器型號與設計圖紙不一致。以上問題均需在定型測試前進行確認解決。

2）煙氣冷凝段冷凝水隨意排放。冷凝式天然氣鍋爐使用越來越廣泛,測試現場經常遇到使用單位將冷凝水管接至排水溝中隨意排放,毫無節能意識,且存在安全隱患。

3）鍋爐負荷波動較大,壓力不穩定。司爐工操作水平低、生產需求量不穩定造成鍋爐正常運行以后負荷和壓力波動大,超出標準規定的限值而導致測試失敗。

4）燃煤鍋爐輔機高配,存在鍋爐出力超出額定蒸發量105%的情況。使用單位要求制造單位提高配套輔機配置,或者在圖紙中降低鍋爐的蒸發量。曾有1臺DHX20-1.25-MX循環流化床鍋爐,實際運行中鍋爐出力達25 t/h以上,與圖紙要求嚴重不符。

5）使用單位使用燃料與設計偏差較大。在準備階段,必須對準備好的燃料進行化驗,尤其是煤種,核對燃料成分和熱值是否與設計一致。燃煤鍋爐經常出現設計Ⅱ類煙煤,實際燃燒用Ⅲ類煙煤,測試無效。

6）安全閥整定壓力過低。安全閥的整定壓力一般由使用單位依據鍋爐實際工作壓力來整定,會出現整定壓力過低的情況。然而,在定型能效測試時對蒸汽壓力有嚴格要求,此時安全閥就無法滿足正常測試的需要。目前,工業鍋爐安全閥的校驗一般都是在試驗臺上進行的離線校驗,使用氮氣作為介質進行校驗,這也導致安全閥實際起跳壓力與校驗時相差較大,導致鍋爐蒸汽壓力無法達到定型測試的需要。

7）測試儀器儀表的校驗校準。測試人員經常忽視其他儀器的校準情況,如流量計、測溫儀表等,尤其是測溫儀表,在測試以前必須確定校驗合格。用于計量給水流量的水箱,在測試前要確保水箱的液位計精度滿足要求,容量滿足一個工況的用水量。

8）對用戶使用壓力和負荷的確認。定型測試時,按照測試要求確定的壓力限值和鍋爐出力會影響企業的正常安全生產。部分企業由于實際工作壓力過低,且沒有相應的減壓措施,故無法開展定型測試。

9）測試前給水溫度的確認。定型測試以前一定要確認好鍋爐設計的給水溫度,測試現場部分使用單位單獨加裝除氧器而導致設計給水溫度20 ℃的鍋爐,實際給水溫度可到95 ℃以上,此時則要求必須停下除氧器,還原鍋爐設計原狀重新進行測試。

4 結論

1）燃煤鍋爐測試熱效率加權平均值為88.75%；天然氣鍋爐測試熱效率加權平均值為96.67%,其中：冷凝式天然氣鍋爐熱效率普遍偏高,熱效率加權平均值為98.91%,非冷凝式天然氣鍋爐測試熱效率加權平均值為94.06%；生物質鍋爐測試熱效率加權平均值為87.85%；電加熱鍋爐測試熱效率的加權平均值為98.05%。冷凝式天然氣鍋爐和電加熱鍋爐的熱效率加權平均值依然較高,燃煤和生物質鍋爐熱效率加權平均值次之。

2）分析燃煤流化床鍋爐和生物質鍋爐的4項指標測試結果得出,生物質鍋爐相對于燃煤鍋爐可提升空間較大,通過加強小型鍋爐爐內氣化和燃燒技術改造,從控制過量空氣系數和降低排煙溫度著手可進一步提高生物質鍋爐的熱效率。利用燃生物質鍋爐經濟、高效、環保的優勢,加快偏遠地區燃煤鍋爐向燃生物質鍋爐改造進程,推進高效、清潔燃燒,切實推進燃煤鍋爐的產品替代。

3）針對定型測試現場發現的問題,政府有關部門應加快籌建智能化數字信息平臺,依托大數據、5G技術,采集鍋爐實時運行參數,建立鍋爐投入運行以后的熱效率監控機制。鼓勵企業采取有效措施定期對鍋爐進行維護保養和節能改造,將節能作為常態化工作進行管理。

4）針對定型測試現場發現的問題,企業必須加強鍋爐操作人員專業水平培訓,建立相應的節能管理制度和經濟運行制度,積極響應國家節能方面的大政方針。特種設備檢驗機構應從源頭做好把關,從設計、制造、安裝、使用和檢驗中嚴格執行節能標準,對不達標的鍋爐及時提出整改意見,確保鍋爐安全、高效運行。