燃氣鍋爐的節(jié)能優(yōu)化與運行控制研究

林海 LIN Hai

（紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司新疆卷煙廠，烏魯木齊 830000）

0 引言

燃氣鍋爐是一種利用燃氣作為燃料產(chǎn)生熱能的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活領(lǐng)域。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境保護意識的增強，提高能源利用效率和減少環(huán)境污染已成為燃氣鍋爐行業(yè)面臨的重要問題。在燃氣鍋爐的運行過程中，存在能量損失和環(huán)境排放問題，如燃燒不充分、煙氣中含有大量未利用的熱能等。因此，研究燃氣鍋爐的節(jié)能優(yōu)化與運行控制，對于提高能源利用效率、減少能源消耗和環(huán)境污染具有重要意義。

1 現(xiàn)有鍋爐系統(tǒng)設(shè)備運行現(xiàn)狀分析

1.1 鍋爐設(shè)備概況

新疆卷煙廠動力中心的鍋爐系統(tǒng)設(shè)備包括一臺出汽量為6t/h 的勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S600）和兩臺出汽量為16t/h 的勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S1600）。這些鍋爐設(shè)備是供應(yīng)廠區(qū)熱能和動力所必需的關(guān)鍵設(shè)備。

勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S600）是一種常見的燃氣鍋爐，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1 和圖2 所示。該鍋爐采用煙管式設(shè)計，具有三回程的煙氣通道，能夠提高熱效率和煙氣排放效果。其出汽量為6t/h，可以滿足廠區(qū)的熱能需求。

圖1 勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S600）

圖2 勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S600）工作原理

勞斯三回程煙管鍋爐（UL—S1600）與UL—S600 相似，但出汽量更大，為16t/h。這種鍋爐適用于大規(guī)模的熱能需求，能夠提供更多的蒸汽供應(yīng)。

除了鍋爐設(shè)備，該廠還配置了兩臺型號為HPCY-25的除氧設(shè)備。這些除氧設(shè)備設(shè)計流量為25m3/h，設(shè)計壓力為0.02MPa，設(shè)計溫度為110℃。除氧設(shè)備在燃氣鍋爐系統(tǒng)中起著重要的作用，能夠有效地去除水中的氧氣，防止鍋爐水腐蝕和氧化。

1.2 鍋爐設(shè)備運行效率分析

根據(jù)表1 所示，鍋爐設(shè)備運行效率的分析結(jié)果如下：

表1 鍋爐設(shè)備運行效率

在新疆卷煙廠動力中心，勞斯三回程煙管鍋爐UL—S600 的出汽量為6t/h，年運行小時數(shù)為3000 小時，年蒸汽產(chǎn)量為18,000 噸。根據(jù)數(shù)據(jù)計算，該鍋爐設(shè)備的運行效率為80%。這意味著在燃燒天然氣的過程中，有20%的能量損失未能被充分利用，存在一定的節(jié)能潛力。

同樣地，勞斯三回程煙管鍋爐UL—S1600 的出汽量為16t/h，年運行小時數(shù)為3000 小時，年蒸汽產(chǎn)量為48，000 噸。根據(jù)數(shù)據(jù)計算，該鍋爐設(shè)備的運行效率為85%。相較于UL—S600，UL—S1600 的運行效率更高，表示更高比例的燃料能被轉(zhuǎn)化為蒸汽，能源利用效率更高。

通過對鍋爐設(shè)備的運行效率分析，可以看出存在一定的節(jié)能潛力。為了提高鍋爐設(shè)備的能源利用效率，有必要對燃燒控制系統(tǒng)、煙氣回收和余熱利用等方面進行優(yōu)化。這將有助于減少能源消耗、降低生產(chǎn)成本，并減少對環(huán)境的負面影響。下一步的研究將著重探討燃氣鍋爐的節(jié)能優(yōu)化方案，以提高鍋爐設(shè)備的運行效率和能源利用效率。

2 燃氣鍋爐的節(jié)能優(yōu)化方案

2.1 鍋爐熱效率提升方案

2.1.1 改進燃燒控制系統(tǒng)

提高燃氣鍋爐熱效率的核心在于燃燒控制系統(tǒng)的技術(shù)升級。對燃燒過程進行精細化管理，不僅可確保燃料完全燃燒，降低有害排放，還能實現(xiàn)高效的熱能轉(zhuǎn)化。

技術(shù)細節(jié)上，首先應(yīng)采用高靈敏度的燃燒器檢測傳感器，持續(xù)監(jiān)測燃燒器的工況，確保其處于最佳燃燒狀態(tài)。引入自適應(yīng)算法來動態(tài)調(diào)整燃料供給速率，使其隨時與實際的熱負荷保持一致，消除能源過度消耗。進一步，根據(jù)實時數(shù)據(jù)，自動調(diào)整空氣和燃料的混合比，確保在所有工況下都能達到近乎完美的空燃比。

最新的燃燒控制技術(shù)，如基于機器學(xué)習(xí)的控制策略，可以實時預(yù)測鍋爐的負荷需求，并自動調(diào)節(jié)燃燒參數(shù)以滿足即時需求。此外，引入閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使得控制策略在面對外部擾動時仍能維持燃燒的穩(wěn)定性[1]。

在實施中，每項技術(shù)方案都需要經(jīng)過模擬和實際測試，來驗證其在實際運行中的效果和穩(wěn)定性。持續(xù)的監(jiān)測和維護，結(jié)合高度自動化的技術(shù)手段，是確保燃燒控制系統(tǒng)持續(xù)高效運行的關(guān)鍵。綜合應(yīng)用這些高端技術(shù)，可以有效地提升燃氣鍋爐的整體性能，為實現(xiàn)企業(yè)的綠色高效運行做出實質(zhì)性貢獻。

2.1.2 優(yōu)化煙氣回收

燃氣鍋爐的熱效率提升，離不開煙氣回收技術(shù)的精細化應(yīng)用。為了充分捕捉煙氣中潛藏的熱能，必須采納高效的技術(shù)策略，確保每一步操作都達到能量利用的最大化。

選擇先進的煙氣余熱回收裝置是至關(guān)重要的。例如，采用高效熱傳導(dǎo)材料和先進的換熱結(jié)構(gòu)的煙氣余熱換熱器，可以提高熱交換效率，從而確保盡可能多的熱能從煙氣中傳遞到冷卻水或空氣。對于煙氣余熱鍋爐，利用超導(dǎo)熱管和增強型換熱面，可以在較低的溫差下實現(xiàn)更高的熱轉(zhuǎn)移率。

其次，引入煙氣再循環(huán)技術(shù)，不僅需要重新導(dǎo)入部分煙氣參與燃燒，而且需配備傳感器與控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測并調(diào)整煙氣的流速和量，確保其在最佳的條件下進入燃燒室，從而提高整體的熱效率。

此外，通過流體動力學(xué)模擬，可以對煙氣的流動路徑進行優(yōu)化，減少因湍流和死角導(dǎo)致的熱損失。并且，還可以采用變頻驅(qū)動的風(fēng)機，根據(jù)實時需求動態(tài)調(diào)整煙氣流速，進一步降低能耗[2]。

總之，通過技術(shù)手段深度優(yōu)化煙氣回收系統(tǒng)，不僅能大幅提高燃氣鍋爐的熱效率，更能為企業(yè)節(jié)省大量的能源成本，實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的雙重效益。

2.1.3 加強余熱利用

燃氣鍋爐的能源利用優(yōu)化中，技術(shù)層面的余熱回收和再利用顯得尤為關(guān)鍵。這一過程不僅能顯著提高能效，還有助于減少對環(huán)境的負面影響。

具體地說，高效的余熱回收裝置，如螺旋板式余熱換熱器或帶有高導(dǎo)熱材料的余熱蓄熱器，可以確保鍋爐煙氣中的熱量被充分轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化利用熱量，無論是供暖、工藝熱或產(chǎn)生熱水，都顯得效率極高。在更高級的設(shè)計中，即使在較小的溫差下，微通道熱交換器也可以提供更高的熱傳遞效率。

除了傳統(tǒng)的余熱回收裝置，熱管技術(shù)和吸熱式熱泵也可以進一步提高低溫余熱的利用效率。例如，吸熱式熱泵可以利用低溫余熱為其他系統(tǒng)提供高溫?zé)嵩矗恍枰~外的能源輸入。

運行策略上的優(yōu)化也極為關(guān)鍵。通過智能傳感器和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測煙氣和余熱的參數(shù)，從而動態(tài)調(diào)整運行條件，確保余熱被最大程度地利用。這也涉及到復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，以預(yù)測并調(diào)整鍋爐的運行狀態(tài)，實現(xiàn)最佳的熱效率[3]。

總之，技術(shù)驅(qū)動的余熱利用策略可以顯著提高燃氣鍋爐的運行效率，同時為企業(yè)帶來經(jīng)濟收益，為環(huán)境提供了實質(zhì)性的保護。

2.2 燃料的選擇與優(yōu)化

燃燃氣鍋爐運行效率的優(yōu)化，在很大程度上依賴于燃料選擇與處理技術(shù)。通過引入先進的燃料分析與處理技術(shù)，我們可以有效提高燃燒效率，從而減少能源開銷和環(huán)境污染。

燃料特性分析技術(shù)允許對不同的燃料進行詳盡的化學(xué)和熱學(xué)評估。例如，采用高分辨率質(zhì)譜或紅外光譜技術(shù)可以提供關(guān)于燃料組成和燃燒特性的詳細信息，從而為選擇最佳的燃料提供科學(xué)依據(jù)。對于天然氣，其高甲烷含量和低硫含量使其在燃氣鍋爐中具有高效和清潔的燃燒特性。而針對煤炭等固態(tài)燃料，可以采用氣化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化為合成氣，再進行優(yōu)化處理以滿足燃燒需求。

其次，燃料處理技術(shù)，如脫硫、脫氮和水分控制技術(shù)，可以進一步優(yōu)化燃料質(zhì)量，提高燃燒效率并降低排放。例如，采用膜分離技術(shù)或吸附技術(shù)可以從燃料中有效去除硫化合物或氮化合物，從而減少煙氣中的SOX和NOX排放。

智能控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)測燃料的物理和化學(xué)特性，自動調(diào)整燃燒參數(shù)，以確保燃氣鍋爐始終在最佳燃燒狀態(tài)下運行。

總之，結(jié)合先進的燃料分析、處理和控制技術(shù)，不僅可以選擇最適合的燃料，還可以優(yōu)化燃料的燃燒特性，從而在技術(shù)層面確保燃氣鍋爐的高效運行[4]。

3 燃氣鍋爐的運行控制措施

3.1 鍋爐負荷調(diào)節(jié)控制

在燃氣鍋爐的高效操作中，實施先進的負荷調(diào)節(jié)控制技術(shù)對于優(yōu)化性能和確保設(shè)備安全至關(guān)重要。精準的負荷調(diào)節(jié)可以避免熱效率降低、設(shè)備疲勞和潛在的過載風(fēng)險。

首先，基于現(xiàn)代計算方法，如機器學(xué)習(xí)或時間序列分析，可以進行實時負荷預(yù)測，從而更精準地預(yù)測不同時段和季節(jié)的熱需求，為鍋爐負荷提供明確指導(dǎo)。

核心技術(shù)在于燃燒器的精細控制。燃燒器的燃料噴射率和噴射模式可以通過先進的電磁閥和PID 控制技術(shù)進行微調(diào)，以實現(xiàn)熱輸出的精確控制。同時，通過安裝高精度的空氣流量傳感器和燃料流量計，可以實時監(jiān)控燃燒器的空/燃料比，確保最佳燃燒效率。

為了進一步增強負荷調(diào)節(jié)的準確性，鍋爐的工藝參數(shù)如水位、蒸汽壓力和水化學(xué)狀態(tài)都可以通過智能傳感器進行持續(xù)監(jiān)測。例如，采用超聲波水位傳感器可以確保水位的高精度監(jiān)測，而微處理器控制的壓力調(diào)節(jié)閥可以實時調(diào)整蒸汽壓力以滿足系統(tǒng)需求[1]。

對于聯(lián)鎖多鍋爐系統(tǒng)，先進的負載分配算法可以自動調(diào)整各鍋爐的工作狀態(tài)，如啟動、負荷或停機，以確保系統(tǒng)總負荷均勻分配，同時優(yōu)化整體熱效率。此外，引入的冗余和自適應(yīng)控制策略可以自動應(yīng)對系統(tǒng)擾動，從而保障鍋爐在各種工況下的穩(wěn)定和高效運行。

3.2 除氧設(shè)備的運行控制

在燃氣鍋爐系統(tǒng)中，高精度除氧設(shè)備對鍋爐水質(zhì)的維護至關(guān)重要。該設(shè)備有效地移除水中的氧分子，從而避免了在鍋爐內(nèi)部的腐蝕和氧化作用，進而延長了鍋爐的使用壽命，并保障了其運行效率。

關(guān)于除氧設(shè)備的操作，先進的傳感器技術(shù)如電化學(xué)氧傳感器被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測水中的氧含量。根據(jù)這些讀數(shù)，微處理器控制系統(tǒng)可實時調(diào)節(jié)除氧塔的操作參數(shù)，例如介質(zhì)流速和加熱溫度，確保最大的除氧效率。此外，持續(xù)的水質(zhì)分析能夠監(jiān)測到潛在的水質(zhì)變化，比如離子濃度的變化，這是通過離子交換色譜儀完成的。這樣的信息不僅對調(diào)整除氧參數(shù)有幫助，還有助于決定何時以及如何投加特定的水處理化學(xué)品。

除此之外，集成的PLC 控制系統(tǒng)不僅可以實時監(jiān)測除氧器的運行狀態(tài)，還可以自動響應(yīng)任何異常，如超出設(shè)定的氧濃度閾值。這種系統(tǒng)通過先進的算法和自適應(yīng)控制策略，可以與鍋爐的主控系統(tǒng)、循環(huán)泵和其他相關(guān)設(shè)備協(xié)同工作，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[5]。

最后，為確保系統(tǒng)的整體協(xié)同運作，鍋爐與除氧設(shè)備之間的通訊接口及標準化的協(xié)議至關(guān)重要。例如，通過Modbus 或Profibus 等通訊協(xié)議，這種集成可以確保在鍋爐負荷變化時，除氧設(shè)備能夠相應(yīng)地自動調(diào)整，實現(xiàn)最優(yōu)的水質(zhì)條件和能效。

4 效果評估

根據(jù)表2 所示的數(shù)據(jù)，可以對燃氣鍋爐系統(tǒng)的優(yōu)化效果進行評估和分析。

表2 優(yōu)化后的鍋爐設(shè)備運行效率

首先，針對勞斯三回程煙管鍋爐UL—S600，經(jīng)過優(yōu)化措施的實施，鍋爐的效率從初始的80%提高到了優(yōu)化后的85%。這意味著在相同的出汽量下，鍋爐能夠更有效地轉(zhuǎn)化燃料能量為蒸汽能量，減少了能源的浪費和損耗。通過對燃燒控制系統(tǒng)的改進，燃料的燃燒更充分，煙氣中的熱量回收更高效，同時加強了余熱的利用。優(yōu)化后的鍋爐設(shè)備能夠更高效地滿足生產(chǎn)需求，提高了能源利用效率。

對于勞斯三回程煙管鍋爐UL—S1600，經(jīng)過優(yōu)化措施的實施，鍋爐的效率從初始的85%提高到了優(yōu)化后的88%。通過改進燃料的選擇和優(yōu)化燃燒過程，鍋爐能夠更有效地轉(zhuǎn)化燃料能量為蒸汽能量，提高了能源的利用效率。同時，通過加強余熱利用，鍋爐的熱損失減少，提高了整體的能源回收效果。優(yōu)化后的鍋爐設(shè)備能夠更高效地滿足生產(chǎn)需求，降低了生產(chǎn)成本，同時也減少了對環(huán)境的影響。通過對比優(yōu)化前后的效率數(shù)據(jù)，可以看出兩臺鍋爐設(shè)備在節(jié)能優(yōu)化措施的實施下均取得了顯著的改進。勞斯三回程煙管鍋爐UL—S600 的優(yōu)化效率為6.25%，而勞斯三回程煙管鍋爐UL—S1600 的優(yōu)化效率為3.53%。這表明優(yōu)化措施在提高鍋爐設(shè)備的效率和性能方面取得了良好的效果。

5 結(jié)語

本文研究了燃氣鍋爐的節(jié)能優(yōu)化與運行控制。通過分析現(xiàn)有系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，提出了包括改進燃燒控制、優(yōu)化煙氣回收、加強余熱利用和燃料選擇在內(nèi)的一系列優(yōu)化措施。實施這些建議后，鍋爐的熱效率和能源利用得到顯著提升，同時降低了能源消耗和環(huán)境污染。特別地，鍋爐負荷的調(diào)節(jié)和除氧設(shè)備的控制對保證其穩(wěn)定高效運行至關(guān)重要。未來的研究將進一步探討這一領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，旨在為燃氣鍋爐的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展提供更多貢獻。