燃气工业锅炉定期能效测试分析

/ 德阳市能源监测中心

0 引言

工业锅炉为生产提供蒸汽和热量，是我国重要的热能动力设备，也是主要的能源消费大户。工业锅炉定期能效测试是工业锅炉节能减排的重要途径。2015年至2017年，原国家质检总局连续三年在全国开展燃煤锅炉节能减排攻坚战，使我国“煤改气”的燃气工业锅炉数量逐年递增，使燃煤工业锅炉保有量大幅减少。天然气作为一种不含硫、氮元素，燃烧产物只有H2O和CO2的清洁燃料，是工业企业首选燃料。然而，一方面天然气价格昂贵，致使工业企业锅炉运行成本增加[1]；另一方面在用的燃气工业锅炉还存在燃烧效率低、未安装烟气余热回收设备等现象。

目前，贵州、江苏、陕西、福建和青海等地相继对燃气工业锅炉从能效测试方法和热效率指标上进行了探讨[2-6]，但涉及燃气工业锅炉运行整体能效状况的定量分析数据研究得却不多。为此，本文选取德阳市辖区内10台具有代表性的燃气工业锅炉进行能效测试，并对测试数据进行统计与分析。通过主要能效指标分析，找出燃气工业锅炉在能效方面存在的主要问题，并提出解决方法的建议，降低企业成本，为进一步实现燃气工业锅炉高效、节能、安全、经济运行提供理论数据和技术依据。

1 燃气工业锅炉能效测试对象和方法

1.1 测试对象

选取德阳市2016年至2018年时间段内在用燃气工业锅炉10台进行简单能效测试。工质包括蒸汽、热水和有机热载体（以下所述热水锅炉和有机热载体锅炉的额定热功率按0.7 MW相当于1 t/h折算成额定蒸发量）。由于能源结构调整，德阳市在用有机热载体锅炉已经采用气体燃料。

1.2 测试依据

燃气工业锅炉定期能效测试采用GB/T 10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》[7]中的锅炉运行工况热效率简单测试方法及计算公式，指标判断依据TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》[8]和《锅炉节能技术监督管理规程》第1号修改单[9]（以下简称《第1号修改单》）中的要求。

1.3 测试仪器

燃气工业锅炉定期能效测试中各参数采集方法按照GB/T 10180-2017中的要求进行。部分所用测试计量仪器和准确度见表1。

1.4 计算方法

本文研究的在用燃气工业锅炉定期能效测试选用热效率简单测试法，计算方法采用反平衡法，分析能效指标主要是热效率、排烟温度、排烟处过量空气系数、炉体外表面温度及负荷率。

表1 燃气工业锅炉能效测试仪器汇总

按照GB/T 10180-2017要求，燃气工业锅炉反平衡热效率计算按式（1）：

式中：η—— 燃气工业锅炉反平衡热效率，%；

q2—— 排烟热损失，%；

q3—— 气体不完全燃烧热损失，%；

q4—— 固体不完全燃烧热损失，%；

q5—— 散热损失，%；

q6—— 灰渣物理热损失，%；

q7—— 石灰石脱硫热损失，%

对于燃气工业锅炉而言，所用燃料为天然气，燃料不存在q4、q7，故q4、q7均为0；而燃料燃烧后的含灰量很小，q6可以忽略不计。因此，燃气工业锅炉热损失就由q2、q3、q5决定；则：

根据GB/T 10180-2017，燃气工业锅炉q2按照式（3）计算：

式中：m、n—— 计算系数，分别取0.5、3.45；

αds—— 排烟处过量空气系数；

tds—— 排烟温度，℃；

tca—— 入炉冷空气温度，℃；

q4—— 固体不完全燃烧热损失，%

由式（3）可知，q2由q4、tds、tca、αds共同影响。本文所测试锅炉都是燃气工业锅炉，故不存在q4，即q4为0；而所测试燃气工业锅炉都是在常温下直接加入空气，故tca影响可以忽略。由此，影响q2因素主要取决于tds和αds，且tds、αds和q2成正比关系，即tds、αds值越大q2值越大，导致燃气工业锅炉热效率降低。

2 燃气工业锅炉能效测试数据统计与分析

使用德国MRU公司生产的Vario Plus型烟气分析仪测试烟气成分，将测试数据导入工业锅炉能效测试数据计算与管理平台，经整理，得到燃气工业锅炉能效测试数据见表2。表2中Dout为燃气工业锅炉输出蒸汽量（即锅炉实测负荷）。从表2可知，10台参加测试的燃气工业锅炉平均热效率为88.60%，完全符合《第1号修改单》要求的仅为1台，90%的燃气工业锅炉热效率低于最低限定值92%，与目标值98%存在较大差距，总体能效状况不容乐观，具有很大的节能空间。

由表2可知，q3数值较小，不是影响燃气工业锅炉热效率的主要因素，故不进行统计研究。影响燃气工业锅炉热效率的主要因素是：排烟热损失q2和散热损失q5，其平均值分别为6.66%、4.55%，两项损失分别占总热损失的58.42%、39.91%，两项损失之和占总热损失的98.33%。部分燃气工业锅炉q2高达11.37%，如10号锅炉；αds相差也较大，最高达1.90；tds相差同样较大，最高为214.8 ℃。

表2 燃气工业锅炉能效测试数据

2.1 燃气工业锅炉主要能效指标

1）锅炉热效率逐年提升

2015年以来，德阳市开展燃煤锅炉节能环保综合提升工程，截至2017年11月底，完成城市建成区10蒸吨及以下燃煤锅炉淘汰。2016年燃气工业锅炉平均热效率为87.78%，2017年平均热效率提升至88.81%，2018年提升至89.00%，呈现逐年提升的趋势；3 a平均热效率值分别比《第1号修改单》要求的最低限定值低4.32%、3.19%、3.00%。

2）大部分锅炉排烟温度达标

从表2可知，燃气工业锅炉平均排烟温度为151.1 ℃，总体达标合格率约为70%。其中，1号锅炉tds为 214.8 ℃，远高于 TSG G0002-2010 要求值，2、3、4、7～ 10号锅炉tds值均优于 TSG G0002-2010要求值（不高于170 ℃），而5、6号锅炉tds分别为186.4 ℃、181.2 ℃，未达到 TSG G0002-2010 要求值。

3）锅炉排烟处过量空气系数偏高

TSG G0002-2010第九条规定，负压燃气锅炉αds应不大于1.25。由表2可得，燃气工业锅炉的实测αds平均值约为1.34，单台锅炉αds达标合格率仅为50%。1、3、4、6、8号锅炉αds达标，而2、5、7、9、10号锅炉αds均比TSG G0002-2010要求值高，最高αds为1.90，超过限定值52%。

4）锅炉炉体外表面温度表现优秀

燃气工业锅炉外壁侧面和炉顶的平均表面温度分别为31.6 ℃和64.9 ℃，各容量锅炉的外壁表面平均温度均优于TSG G0002-2010限定值（炉体外表面温度不得超过50 ℃，炉顶不得超过70 ℃）。总体来说，德阳市燃气工业锅炉的保温效果较好。

5）锅炉运行负荷率普遍偏低

由表2可知，燃气工业锅炉负荷率主要分布在55%～75%，平均负荷率只有59%，整体负荷率偏低。抽取的10台燃气工业锅炉最低负荷率仅为28%，“大马拉小车”现象较为严重。

2.2 燃气工业锅炉能效存在的主要问题

1）单机容量小

从表2可知，燃气工业锅炉单机平均容量仅为6.36 t/h，大部分不超过 6 t/h，容量超过 10 t/h 的锅炉仅占总量的10%。

2）长期处于低负荷运行状态

由表2知晓，50%的燃气工业锅炉运行负荷低于60%，降低了锅炉热效率，造成锅炉q5增加。偏低原因：一是使用单位在选择燃气工业锅炉时，考虑较大裕量，造成“大马拉小车”现象；二是部分企业受季节性影响，生产不稳定，致使燃气工业锅炉实际运行中负荷常随用汽、用热负荷变化在较大范围内波动，造成不少锅炉长期处在低负荷下运转，直接导致锅炉能效不高。

3）节能技改投入不足

德阳市有近一半的燃气工业锅炉未采用任何节能技术措施。在烟气余热回收节能技术方面，大量的燃气工业锅炉未安装尾部受热面。2、4、7～10号等6台锅炉安装了尾部受热面（如省煤器或空气预热器），而1、3、5、6号锅炉均没有安装。研究表明：安装了尾部受热面的燃气工业锅炉平均热效率达到89.65%，比未安装的高2.68%。

4）使用单位管理水平落后

许多使用单位对燃气工业锅炉房的管理模式粗放，缺乏管理人才，普遍没有开展能源计量和日常节能管理；忽视燃气工业锅炉及相关设备的维护与保养；致使部分燃气工业锅炉烟道漏风严重。

5）计量仪表未配齐

由于德阳市在用燃气工业锅炉缺少排烟处氧量表、温度表、流量计等测量锅炉经济运行的计量仪表，分析设备匮乏，导致多数燃气工业锅炉使用单位不具备对循环水量、排烟温度、排烟处过量空气系数、燃气消耗量等衡量燃气工业锅炉是否经济运行参数的测量能力，限制了燃气工业锅炉运行期间热效率的提升。

3 提升燃气工业锅炉能效的建议

3.1 降低排烟热损失的建议

1）加强水质管理

德阳地区水中Ca2+、Mg2+偏高，是典型的硬水质，易形成碳酸钙水垢，其导热系数仅为钢材导热系数的1/10～1/80，通常每结垢1 mm，将多耗燃料3%～7%[10]。锅炉内水垢的积累，导致热量不能及时有效地传递给水就只能被烟气带走，造成tds过高，q2增加，降低了锅炉热效率。因此，燃气工业锅炉使用单位应安装给水处理装置，定期检测锅炉供水水质情况或进行水质预处理，保证锅炉给水符合水质指标要求，避免锅炉传热面结垢。

2）合理调节配风

一般αds每降低0.3，锅炉热效率会提高约1%[11]。αds对q2的影响比较复杂，过大或过小都会影响q2的值。空气过多，锅炉辅机负荷增大，电耗增加，过多的冷空气会带走大量热量，降低了炉膛温度，不利于燃烧，增加q2。空气不足、CO 过多导致天然气没有充分燃烧，产生炭黑。炭黑粘附在烟管内壁，降低了烟管传热系数使热效率降低。此外，部分炭黑会随烟气排入大气对环境造成污染，增大了清灰的工作量，从而使维护成本增加[3]。通过运用在线监测技术和带有变频装置的鼓风机、引风机联动，按照燃气工业锅炉负荷变化，及时调整配风；对烟管破损部位加以修补，减少漏风，保证锅炉良好燃烧，使燃气工业锅炉更经济地运行。

3）增设烟气尾部余热回收节能装置

一般tds每升高10～20 ℃，可使q2约增加1%[12]。以4 t/h的4、5、6、7号锅炉为例，4、7号锅炉安装了烟气尾部余热回收节能装置（如省煤器或空气预热器），而5、6号锅炉未安装。分析表2数据，4、7号锅炉平均排烟温度为133.3 ℃，q2平均为5.67%；而5、6号锅炉的平均排烟温度是183.8 ℃，q2平均为8.03%。可见，通过增设烟气尾部余热回收节能装置，降低了tds，并且可让q2降低近一半。

4）加大烟管日常清灰频次

积灰减小了烟气流通截面，降低了传热效率，甚至堵塞发生“短路”，造成高温烟气直接排出，增加了q2。灰垢对传热的阻碍远大于水垢，在燃气工业锅炉维护保养期间，应加大对烟管内部的灰垢进行清理。

3.2 降低散热损失q2的建议

1）定期更换保温层

燃气工业锅炉在运行过程中，保温层会随着使用年限的递增，保温效果将明显降低。因此，在锅炉使用期间应注重保温层的更换，这样才可有效地减小q5。

2）避免低负荷运行

燃气工业锅炉长期处在低负荷运行状态，锅炉燃烧器工况不佳，容易造成燃料不完全燃烧，导致q5增加，故锅炉在运行期间应避免低负荷运行。

3.3 加强业务培训，做好设备日常维护

鉴于目前燃气工业锅炉管理、运行人员在节能理念、运行操作等方面存在短板，应加大对其培训，提高他们的节能意识和操作技能。同时，建立完善的燃气工业锅炉及相关设备日常维护保养及管理制度，对烟管损坏部分及时维修，防止漏风，杜绝跑、冒、滴、漏现象发生。

3.4 完善计量仪表，加大对节能技术的研发与推广

完善安装燃气工业锅炉的计量仪表（如氧量表、温度表、流量计），使司炉工根据计量仪表对锅炉运行状态进行有效监测，合理调节锅炉运行，有效提高锅炉热效率。同时，加大锅炉节能环保基础性、前沿性和共性关键技术研发力度，攻克新型燃烧、高效余热利用及污染控制等关键核心技术，加快科技成果在燃气工业锅炉中的应用和推广。

4 结语

工业锅炉是开展节能降耗、提高能效、减少污染的主要对象之一。通过对德阳市辖区内10台在用燃气工业锅炉进行定期能效测试研究，发现燃气工业锅炉普遍存在排烟处过量空气系数偏高、运行负荷率偏低等现象。同时，分析了德阳市燃气工业锅炉能效存在的主要问题，并提出了相应的建议以提高燃气工业锅炉热效率，从而确保最终实现燃气工业锅炉高效、节能、安全、经济运行的目标。