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供暖燃气锅炉效率测试及分析 摘要 对11家国家驻京机关单位的采暖燃气锅炉效率进行测试，其中包括正平衡效率和反平衡效率，进而对目前采暖燃气锅炉的实际运行水平进行了评价，从节能角度归纳分析其存在的主要问题，其中包括锅炉循环水温度和锅炉排烟温度偏高、调试运行水平较差、锅炉频繁启停等问题，并针对不同的问题给出了相应的解决的方法，提出了一些关于燃气锅炉的运行管理合理的建议。 关键词 燃气锅炉 正平衡效率 反平衡效率 测试1 引言 随着中国社会的发展，环境问题越来越成为关注的焦点，大中型城市都在积极推行“煤改气”，以改善城市生活环境，这同时给天然气能源供应带来了巨大的压力，国家“十一五”规划明确提出了节约能源的战略规划目标。全面了解目前正在投入使用的燃气锅炉的实际运行情况，针对存在的的问题进行分析解决，提高燃气锅炉的运行效率，对降低建筑采暖能耗起着关键的作用，对节约天然气能源有着深远的意义。 受国务院机关事务管理局委托，清华大学建筑技术科学系于2005年2006年采暖季对国家林业局等11个驻京国家机关锅炉房的28台燃气锅炉进行了效率测试，总共测得41个运行工况的锅炉效率值及相关参数，希望对目前正在投入使用的采暖燃气锅炉的运行水平进行评价，发现并分析存在的问题，为下一步采暖节能工作的全面深入开展打下基础。2 测试仪器及方法 燃气锅炉效率的测试主要用到烟气分析仪、超声波流量计、温度自记仪等仪器，各种仪器的明细如表1所示： 表1 测试仪器明细仪器名称型号精度生产厂家烟气分析仪MRU95/3CD1.5级德国MRU超声波流量计SCL-6301.5级唐山汇中温度自记仪RHLOG0.3清华同方燃气流量以每个锅炉各自配备的燃气流量计为准。 根据温度自记仪和压力表分别可以得到锅炉进出水温度和压力，从而确定锅炉进出水的焓差，并应用超声波流量计得到相应的锅炉循环水流量，进而得出锅炉出力；同时读取燃气表的流量，从而可以得到锅炉的输入热量；锅炉出力与相应时间内输入热量相除便得出锅炉的正平衡效率数值。根据烟气分析仪测得烟气中O2、CO2、CO、SO2、NOx含量，排烟温度值和空气过量系数，依据相关手册计算得出锅炉的反平衡效率数值。3 测试结果及问题分析测试的28台燃气锅炉41个运行工况的部分参数及锅炉效率值如表2所示。通过表中列出的测试结果和现场测试了解，将目前燃气锅炉实际运行状况以及存在的主要问题归纳分析如下： 表2 部分锅炉测试参数及锅炉效率值锅炉房编号锅炉编号锅炉容量MW状态锅炉进水温度 进出水温差 过量空气系数排烟温度 正平衡效率 %反平衡效率 %1#1#4.2 比例49.0 23.5 1.35117.3 83.5 93.3 2#7.0 比例46.0 20.0 1.61101.5 92.8 93.4 3#2.8 比例49.0 19.8 1.28125.9 86.9 93.2 4#2.8 比例48.2 21.7 1.29120.5 79.7 93.4 2#1#2.5 5.9 1.5278.0 94.7 2#2.5 43.1 5.9 1.6780.2 89.2 94.7 3#1#1.4 大火45.5 23.9 1.48151.4 85.3 90.4 小火48.2 11.2 3.05122.0 82.3 84.0 2#1.4 大火46.2 20.2 1.29147.5 83.0 91.8 小火50.4 9.6 1.83123.8 78.7 90.5 3#2.8 大火44.7 17.8 1.76140.6 86.4 89.7 小火43.8 10.1 1.97121.0 85.8 90.3 4#1#1.4 大火39.1 17.5 1.43190.3 72.8 88.3 中火CO超标（4000ppm）小火38.4 9.6 1.27128.9 73.8 92.7 3#4.2 大火39.4 21.0 1.37193.6 83.0 88.3 中火39.1 15.0 1.46159.9 84.7 89.7 5#1#4.2 大火43.6 21.1 1.01153.4 89.2 92.5 小火57.8 14.7 97.5 2#4.2 大火46.5 20.7 1.11159.1 92.6 92.7 小火1.28136.9 92.5 3#4.2 大火45.4 20.5 1.03171.3 90.4 92.6 小火56.5 15.9 CO超标135.6 98.3 4#4.2 大火45.2 20.4 1.08154.8 87.7 93.0 小火55.9 14.8 CO超标127.8 91.8 6#1#1.4 50.4 28.9 1.13152.5 90.5 92.5 2#1.4 57.6 32.3 1.14149.8 65.9 92.6 3#1.4 57.6 15.9 CO超标154.5 77.0 7#1#1.4 大火54.5 16.9 1.44139.0 79.1 91.5 小火53.7 12.5 1.56106.2 81.1 93.2 2#2.8 60.8 13.2 3.02103.0 85.4 87.9 8#2#1.4 比例41.6 14.3 1.1961.6 98.2 96.7 5#4.2 比例44.2 10.6 1.3871.7 90.0 95.5 9#2#4.4 大火故障小火58.3 22.9 1.06121.5 90.6 94.7 3#7.7 大火60.9 27.0 CO超标110.4 80.3 小火54.7 18.0 1.0290.6 93.3 96.3 10#1#2.8 比例43.4 8.3 2.2267.1 93.8 2#1.4 比例43.0 21.3 1.26197.0 88.3 89.3 3#1.4 比例故障11#1#2.8 小火44.3 9.1 1.25129.7 93.2 4#2.8 大火42.9 14.7 1184.5 83.5 91.3 小火37.2 6.2 1.79117.3 87.2 91.6 3.1 目前燃气锅炉运行效率参差不齐，仅有28 %的运行工况的正平衡效率超过90 %，约有54 %的运行工况的正平衡效率介于80 % 90 %之间，还有18 %的锅炉运行效率低于80 %。3.2 锅炉的进出水温度普遍低于锅炉额定的进出水温度115/70，一般锅炉出水温度介于60 80之间，进水温度介于45 60之间，进出水温差介于10 25之间。锅炉循环水温度低，使锅炉排烟温度较低，将近15 %的运行状态的排烟温度低于100，超过一半的运行状态排烟温度低于135，因此这对减少排烟热损失，提高锅炉效率是有利的，根据理论计算得到排烟温度每升高10，锅炉效率大概降低0.52%；但同时容易造成了烟气凝结水对锅炉尾部受热面的腐蚀，影响锅炉使用寿命。3.3 锅炉整体的运行调试水平较差，主要表现锅炉运行的过量空气系数控制不合理。3.3.1 从所有锅炉运行状态的空气过量系数来看，只有11.4 %的运行状态的空气过量系数介于1.1 1.2之间，还有11.4 %的空气过量系数小于1，将近一半的锅炉空气过量系数高于1.35，最高的甚至达到3.05。3.3.2 从不同调节方式的锅炉空气过量系数来看，近50%的锅炉采用大小火的调节方式，30%的锅炉采用比例调节方式，21%的锅炉只有一个火段运行；目前大小火调节的锅炉中只有36%的能够保证两个状态的空气过量系数都比较合理，几乎全部比例调节的锅炉空气过量系数随比例段的滑动变化很大，因此在大部分比例段锅炉处于低效率运行状态。3.3.3 还有1台锅炉和1台锅炉的大火状态因故障无法运行，占测试锅炉状态总数的4.9%。3.4 锅炉的出力的调整不能与末端热负荷的需求一致，造成能源浪费。存在这种问题的原因主要是缺少末端用户热负荷变化与锅炉进出水温度变化的响应曲线，无法根据末端热负荷情况准确调节锅炉的运行，目前司炉人员主要依据锅炉进水温度或气象预报经验控制锅炉的启停和运行的台数，造成末端用户普遍存在房间过热的现象。3.5 部分锅炉运行存在频繁启停的现象。存在频繁启停现象比较严重的几台锅炉有二号锅炉房1#炉 、2# 炉和六号锅炉房2# 炉，其锅炉运行过程中1小时的锅炉进出水温度变化曲线如下图1、图2所示。图1 图2由温度变化曲线可以明显看出，锅炉启停的频率为7次/小时左右，通过反平衡效率值、锅炉进气量和锅炉频繁启停的出力，根据公式（1）计算得到启停造成热损失，主要是锅炉启停时的吹扫损失，比如，二号锅炉房2#炉为31.4MJ/次，六号锅炉房2#炉为96.2MJ/次，造成两者热损失值之间的差异还与锅炉循环水的温度有关，前者出水温度为48.8，后者为89.9。 （1）其中： 锅炉频繁运行过程中启停一次热损失量，MJ； 锅炉稳定运行效率，%； 天然气低位热值，取值陕甘宁天然气热值35.16MJ/m3； 燃气流量，m3/h；、 锅炉出水和锅炉进水焓值，MJ/kg； 锅炉循环水流量，kg/h；累计测试时间内锅炉启停次数。对于二号锅炉房的两台锅炉，锅炉频繁启停主要是由锅炉启停控制参数设置不合理造成的。当锅炉的进水温度低于设定进水温度时，开始吹扫启炉，当出水温度达到设定出水温度时就停炉吹扫，实际运行时，控制锅炉启停的设定温度范围远小于锅炉循环水的波动范围，造成了锅炉的频繁启停，因此可以通过将控制锅炉启停的温度范围调大的方法来解决。对于六号锅炉房的2# 炉，根据设定出水温度的上下限控制锅炉的启停，目前设定为90 95，出水温度低于90启炉，达到95停炉。造成锅炉的频繁启停主要原因是：a.系统分配给锅炉的负荷远小于锅炉出力，导致锅炉进水温度较高。当锅炉出力大于系统负荷时，部分锅炉供水会通过换热器旁通管直接跟回水混合再送回锅炉，可将锅炉的进水温度维持在57.6的高温。b.锅炉循环水流量太小，导致锅炉循环水升温降温速度快，出水温度波动较大。2#锅炉的循环水流量仅有14.2m3/h,不及相同型号1#炉和3#炉循环流量的40 %，如果2#炉能够稳定运行，143.7 m3/h的燃气进气量能够维持78的进出水温差，出水温度将达到136，远远超出了设定停炉的出水温度95，由图2可以看出，启炉后5分钟就能将锅炉出水加热到95；同时停炉后出水温度降低比较快，大概3分钟就能降到90。c.锅炉目前只能启停控制，控制温度为90 95，并且由于缺乏锅炉燃烧器相应控制参数设置方面的资料，控制温度值无法进行修改，由上面b可知其控制温差范围远小于出水温度的可能波动范围，造成锅炉频繁启停。3.6 部分锅炉房设备的配置不合理，主要表现在两个方面：3.6.1 少数锅炉燃气管道设计进气量偏小，最明显的是二号锅炉房的两台锅炉，设计最大进气量140m3/h，只有大火额定进气量的一半，说明锅炉只能小火运行，出现“大马喂小料”的现象。3.6.2 将近50 %的锅炉循环水流量设计不合理。一方面锅炉循环水流量过小，输入同样的热量，其循环水温度高，导致排烟温度升高，如图3所示，排烟热损失增加，降低了锅炉效率，在3.2中已说明；此外，循环水温度波动大而快，影响锅炉使用寿命，甚至会导致锅炉的频繁启停；另一方面如果锅炉循环水流量过大，会增加水泵能耗，增加运行费用。 图3 不同锅炉进出水平均温度与排烟温度关系曲线3.7 部分锅炉设备老化现象严重。 3.7.1 超过一半的锅炉燃烧器挡风板在锅炉停止运行后关闭不严，炉膛内形成负压，将炉外的冷空气吸入，对流吸热带走旁通锅炉循环水的热量，通过相关测试数据计算得到这部分热量损失占总热量的0.2% 0.5%左右。3.7.2 少数锅炉控制器的温度探头测温不准，使得锅炉的实际运行状态会偏离设定状态，无法对锅炉的运行状态进行准确的调节。 4 结论建议 目前采暖燃气锅炉的运行效率参差不齐，运行水平比较低。是由于锅炉空气过量系数控制不合理、出力与末端负荷匹配不当、频繁启停、设备老化等问题造成的，针对目前存在的这些问题，提出以下建议： 1.定期对每台燃锅炉各项参数进行校核调节，特别是保证锅炉不同状态的空气过量系数在合理范围内，确保锅炉的能够高效率运行。2.针对不同系统的采暖水平制定每个锅炉房合理的锅炉控制策略和锅