提高燃气锅炉热效率的解决方案

叶 华 上海克勒机电设备有限公司

张权良 武汉市锅炉压力容器检验研究所

1 提高燃气锅炉热效率的一个新的方法

燃煤锅炉因对大气污染严重而在使用上受到限制，不少燃煤锅炉正在被燃油燃气锅炉所取代。但我国部分燃油燃气锅炉还存在燃烧效率低，自动化程度低，尚未完全达到清洁能源利用的高效和环保。

如何进行节能技术改造，实现最佳燃烧，提高锅炉热效率？对燃油燃气锅炉而言，燃烧器是锅炉燃烧系统的核心部件, 合理组织燃烧器燃烧过程，正确控制燃烧器燃料量与空气量的配比，在充分燃烧的条件下，使助燃空气以最小限量超过理论空气量，也就是使过量空气系数最小是重要内容。

选用美国霍尼韦尔公司生产的“ControLinks空气燃料电子比例调节装置”，取代原燃烧器的“凸轮连杆的机械调节装置”就是一个有经济效益和持续有效解决问题的方案。

2 机械凸轮连杆调节与 ControLinks空气/燃料电子比例调节装置性能对比

图1 凸轮连杆空燃比调节系统示意图

2.1 机械凸轮连杆调节方式

（1） 结构原理（见图1）：

燃油（燃气）／空气比例调节器：空气和燃油（燃气）供给量由负荷控制器指令伺服电机驱动联动的阀门进行调节。

燃烧器中装有空气调节挡扳和伺服马达，根据其负荷量自动调节伺服马达，伺服马达通过凸轮、连杆，调节轴向连接的燃油（燃气）流量调节器。

油气燃烧器这样连续根据负荷实现按空燃比调节，在整个功率范围内的燃料与空气量的配合都是联动调节的,空气量与燃料量的变化基本同步。

（2）存在问题：

1）由于机械联动系统由一个底座式执行器同时控制助燃空气和燃料的配比，受结构上的局限，难以获得整个燃料/空气的曲线成比例。

2）典型的机械连接系统利用同样的控制点控制关闭和低火，导致燃烧效率降低。但有的燃烧器可以工作在低火状态下，而不需要关闭燃烧器，也可保证系统正常工作。

3）对于任何机械系统，随着时间的推移，由于精密部件磨损和损耗转移，结果将会导致损害燃料空气比和燃烧效率。

燃料空气曲线的偏移并且降低整个系统的最佳性能，影响燃料空气比和燃烧效率。

2.2 美国霍尼韦尔公司推出的ControLinks 非机械连杆式空燃比调节系统

（1）结构原理：

ControLinks非机械连杆式空燃比调节系统示意图见图2。

1）ControLinks 燃料空气比例调节系统是一套基于微处理器的可以同时控制2到4套执行器系统与全比调燃烧器协同工作，执行器可控制一次和二次燃料阀的位置以及助燃空气调节门和FGR系统。

图2 ControLinks 非机械连杆式空燃比调节系统示意图

2）二个或三个独立的执行机构通用并行定位（UPPAs）取代单一执行器使用的机械凸轮和连杆系统，在空燃曲线上可设置多达24个点位，独立的助燃空气控制、独立的主燃料控制。由ControLinks控制器指挥UPPAs，响应负载和燃烧速度的要求。

3）全套装置有1个主控制器、2个或3个执行器、系统控制面板等组成。

（2）三种调节系统空燃比（开度）曲线比较（见图3）。

图3 三种调节系统燃烧曲线比较

从以上曲线可以看出ControLinks调节曲线（灰色）在传统机械连杆调节曲线（红色）的左侧，也就是说由于电子调节曲线中每个功率负荷点，其风量、燃料量都能单独精确调整，所以每个点过剩空气量小，总的空气量就小，锅炉热效率就较高。而传统机械连杆调节曲线调整时要反复调，可能高负荷点调好了，低负荷点可能又偏了，最后只能总体上把空气量调大些，用一个执行器只能对负荷各点的空气/燃料比进行粗略调整。

使用霍尼韦尔的ControLinks锅炉燃料-空气燃烧控制系统是主要的一个节能手段。ControLinks将由微处理器控制的末端设备放到高耗能的燃气、燃油、空气等管路的执行器连杆上。这样就实现了针对每台燃烧器都可以独立的全比例调节，从而降低能耗。

3 空气/燃料电子比例调节装置应用

可口可乐（湖北）饮料有限公司锅炉上的应用：上海克勒机电设备有限公司在2013年6月，对可口可乐（湖北）饮料有限公司二台6t/h锅炉中的一台1#炉进行节能改造；在不改变该锅炉原有燃烧状况的情况下，在燃气管道阀门及风门调节处，分别安装美国霍尼韦尔公司生产的ControLinks空气燃料电子比例调节装置。这是一套基于微处理器的控制系统，可以同时控制2-4套执行器与全比例调节燃烧器协同工作。执行器可控制主要和次要燃料阀的位置、助燃空气调节风门和可选择的烟气循环控制（FGR）。该系统由R7999主控制器、Q7999A底座以及ML7999A执行器组成。它有4个独立的执行机构通用并行定位器（UPPAs），取代了使用单一执行器的机械凸轮和连杆系统，实现了天然气与助燃空气的高精度电子比例调节。

武汉东风本田汽车烘烤车间的燃气燃烧器上也有类似应用。

4 节能效益分析

（1）可口可乐（湖北）饮料有限公司燃气锅炉调节装置改造

1）第三方能效测试。

在安装该装置前、后，由第三方能效测试权威机构分别对该锅炉进行了检测，根据测试报告数据进行计算。

安装前：烟气中氧含量为5.59%、一氧化碳含量为27PPM、过剩空气系数为1.35。排烟热损失8.742%，锅炉热效率89.98%。

安装后：烟气中氧含量为2.7%、 一氧化碳含量为24PPM、过剩空气系数为1.148。排烟热损失4.929%,锅炉热效率92.47%。

安装ControLinks空气燃料电子比例调节装置后，锅炉热效率提高2.49%

2）能耗统计数据计算。

为了认证该产品的确实可行性，6月9日安装调试完毕，取6月11日至7月10日共30天的天然气耗气量数据与2012年同期对比，节约天然气4.4%（夏季）。

（2）武汉东风本田汽车烘烤车间的燃气燃烧器上应用，改造前每m³天然气原来烘烤7个车架，改造后提高到现在烘烤12个车架左右，其节能率在7%左右。

由于燃烧的燃料/空气配比独立调整，必然是最大化燃烧效率和减少燃料消耗，节约能源一般在 2%～6% ，甚至更高。通常改造的费用将在一年左右的时间收回。

5 空气燃料电子比例调节装置的特点与应用对象

（1）特点：

1）具有助燃空气及燃气流量独立调节能力；

2）通过设定燃烧曲线上24个最佳燃烧点，使效率一直保持最高；

3）减少调试时间；

4）维护相当简单；

5）人性化且友好的人机界面（HMI）；

6）控制功能有如下特点：

①非机械连杆系统电子控制更精确；

②独立并行的执行机构通用并行调节器（UPPAs）；

③执行器位置调节精度：±0.1°；

④独特的燃烧曲线可实现最高燃烧效率。

（2）应用对象：

1）在天然气或燃油锅炉及燃烧器上应用；

2）燃烧器功率在1400kW～7000kW、锅炉容量在2 t/h～10 t/h （蒸汽锅炉）；

3）使用传统机械连杆系统（改造项目）；

4）燃烧系统连续运行（节能效果将更明显）。

6 结束语

空气燃料电子比例调节装置是自控水平高、精度高、高效节能的优化产品性能的新枝术。在当前大力推进燃油燃气锅炉应用中，是一个投资少、回报快，能为用户单位降低能源成本，提高经济效益的节能改造项目。