燃?xì)忮仩t的性能測(cè)試與分析

摘 要

摘要：對(duì)150臺(tái)燃?xì)忮仩t的主要性能進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)煙氣中污染物排放量、熱效率、噪聲和爐體表面溫度等測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞：燃?xì)忮仩t；燃燒煙氣；熱效率；噪聲；爐體
摘要：對(duì)150臺(tái)燃?xì)忮仩t的主要性能進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)煙氣中污染物排放量、熱效率、噪聲和爐體表面溫度等測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)建議。
關(guān)鍵詞：燃?xì)忮仩t；燃燒煙氣；熱效率；噪聲；爐體表面溫度
Performance Testing and Analysis of Gas-fired Boiler
CHEN Lisheng，LIU Lizhen，YAN Jin
Abstract：The main performances of 150 gas-fired boilers are tested.The testing results of emissions of pollutants in fuel gas，thermal efficiency，noise and surface temperature of furnace body are analyzed，and the improvement suggestions are presented.
Key words：gas-fired boiler；combustion fuel gas；thermal efficiency；noise；surface temperature of furnace body
1 項(xiàng)目背景
    北京市從2000年開始的世界銀行鍋爐貸款項(xiàng)目采用國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)性招標(biāo)方式進(jìn)行鍋爐招標(biāo)采購(gòu)工作，至2004年采購(gòu)的鍋爐已達(dá)695臺(tái)，已銷售給用戶并投入使用的鍋爐達(dá)350臺(tái)。通過(guò)1～4個(gè)供暖期的運(yùn)行，一些用戶反映鍋爐運(yùn)行費(fèi)用較高，個(gè)別鍋爐出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，因此影響了燃煤鍋爐用戶對(duì)利用世界銀行貸款進(jìn)行燃?xì)忮仩t轉(zhuǎn)換的積極性。為了消除障礙，確認(rèn)鍋爐質(zhì)量，世界銀行委托北京市燃?xì)饧叭細(xì)庥镁弋a(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站對(duì)已安裝運(yùn)行的150臺(tái)鍋爐進(jìn)行熱效率、煙氣排放、噪聲等項(xiàng)目檢測(cè)，以便通過(guò)分析數(shù)據(jù)，為用戶提供維護(hù)、維修建議，改善燃?xì)忮仩t的使用狀況。
2 測(cè)試樣本與測(cè)試內(nèi)容
   ① 測(cè)試樣本
   此次測(cè)試的燃?xì)忮仩t共150臺(tái)，測(cè)試樣本鍋爐的分布情況見(jiàn)表1。
表1 測(cè)試樣本鍋爐的分布    臺(tái)
生產(chǎn)廠家
鍋爐容量/MW
合計(jì)
0.34
0.70
1.40
2.80
4.20
7.00
A
—
—
16
15
30
—
61
B
—
—
1
25
3
2
31
C
—
—
—
—
—
9
9
D
—
2
21
—
—
—
23
E
—
1
2
3
—
—
6
F
—
—
—
9
1
4
14
G
6
—
—
—
—
—
6
   ② 測(cè)試項(xiàng)目及數(shù)據(jù)采集
   為了能充分體現(xiàn)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)GB/T 10180—2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》、GB/T 10820—2002《生活鍋爐熱效率及熱工試驗(yàn)方法》、DB 11/139—2002《鍋爐污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，主要檢測(cè)以下3方面內(nèi)容：
a.環(huán)保性能：包括煙氣中的一氧化碳含量、二氧化碳含量、氮氧化物含量、二氧化硫含量、黑度和噪聲等。
b.熱工性能：包括燃?xì)忮仩t的熱效率、排煙溫度、燃燒工況等。
c.安全性能：包括鍋爐的各項(xiàng)安全保護(hù)功能，如供氣前吹掃時(shí)間、點(diǎn)火不成功自動(dòng)斷氣、燃?xì)鈾z漏、超溫、超壓、風(fēng)壓、缺水、缺燃料保護(hù)以及設(shè)備過(guò)電流保護(hù)等功能。
    具體檢測(cè)內(nèi)容見(jiàn)表2，指標(biāo)要求取以上3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中要求較高的值。
表2 鍋爐的測(cè)試項(xiàng)目與指標(biāo)要求
測(cè)試項(xiàng)目
指標(biāo)要求
燃燒工況
不回火、不熄火、不脫火、不離焰
熱效率/%
≥80
煙氣中C0的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
≤100
煙氣中N0x的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
≤100
煙氣中S02的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
≤100
煙氣黑度
1級(jí)
運(yùn)行噪聲/dB
≤70
爐體表面溫度/℃
≤42
安全裝置
供氣前吹掃時(shí)間、點(diǎn)火不成功自動(dòng)切斷燃?xì)?、燃?xì)鈾z漏、超溫、超壓、風(fēng)壓、缺水、缺燃料保護(hù)、設(shè)備過(guò)電流保護(hù)等功能
    ③ 測(cè)試條件
   2006年之前，北京市的管道燃?xì)鈿庠词侨斯っ簹夂吞烊粴獠⒋娴?。在本次檢測(cè)活動(dòng)中，各項(xiàng)檢測(cè)均在天然氣管網(wǎng)和人工煤氣管網(wǎng)運(yùn)行壓力下進(jìn)行，運(yùn)行噪聲是在距燃燒機(jī)1m處與燃燒機(jī)等高的位置(參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)自行規(guī)定)進(jìn)行測(cè)試(燃燒機(jī)帶消音罩)。由于檢測(cè)時(shí)間在供暖期末，氣溫較高，大部分用戶鍋爐處于停爐或小火狀態(tài)，因此，燃燒工況、爐體表面溫度在鍋爐運(yùn)行30min后測(cè)試，煙氣成分、排煙溫度、熱效率在鍋爐運(yùn)行達(dá)到額定熱功率的70%以上并穩(wěn)定后測(cè)試(多數(shù)情況下達(dá)不到100%的額定熱功率)。
3 測(cè)試結(jié)果與分析
3.1 煙氣中一氧化碳的質(zhì)量濃度
   煙氣中一氧化碳質(zhì)量濃度分布比例(某一濃度范圍內(nèi)的鍋爐數(shù)量與所檢測(cè)的鍋爐總數(shù)的比值)見(jiàn)表3。煙氣中C0的質(zhì)量濃度＞100mg/m3的鍋爐有26臺(tái)，不合格率為17%。
    表4是安裝在北京市科學(xué)技術(shù)研究院的某公司生產(chǎn)的人工煤氣鍋爐的測(cè)試數(shù)據(jù)。
表3 煙氣中一氧化碳質(zhì)量濃度分布比例
C0的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
分布比例/%
0～50
76
50～100
7
100～300
6
＞300
11
表4 某人工煤氣鍋爐的測(cè)試數(shù)據(jù)
02的體積分?jǐn)?shù)/%
0.7
C0的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
2500
N0x的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
52
S02的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
74
熱效率/%
85.5
運(yùn)行噪聲/dB
73
排煙溫度/℃
121
爐體表面溫度/℃
21
通過(guò)式(1)可計(jì)算出該臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)的過(guò)剩空氣系數(shù)。
 
式中α——過(guò)剩空氣系數(shù)
    φ(02)——煙氣中氧的體積分?jǐn)?shù)，%
    φ(R02)——煙氣中三原子氣體的體積分?jǐn)?shù)，%
    該臺(tái)鍋爐的煙氣中一氧化碳含量折算成過(guò)?？諝庀禂?shù)等于1時(shí)的質(zhì)量濃度為2587mg/m3，折算成體積分?jǐn)?shù)為2068×10-6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求值。通過(guò)式(1)計(jì)算出鍋爐的過(guò)剩空氣系數(shù)為1.03，說(shuō)明造成煙氣中C0超標(biāo)的原因是過(guò)剩空氣量過(guò)少，且燃?xì)馀c空氣混合不均勻。此外，煙氣中一氧化碳含量還與爐膛壓力和煙氣流速等因素有關(guān)。
3.2 煙氣中氮氧化物的質(zhì)量濃度
    氮氧化物的質(zhì)量濃度＞100mg/m3的鍋爐有8臺(tái)，占總數(shù)的5%，即氮氧化物含量合格率為95%。煙氣中氮氧化物質(zhì)量濃度分布比例見(jiàn)表5。
表5 煙氣中氮氧化物質(zhì)量濃度分布比例
N0x的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
分布比例/%
0～50
65
50～100
30
＞100
5
    氮氧化物的生成機(jī)理比較復(fù)雜，大致可以認(rèn)為是由氮?dú)馀c氧氣在高溫下生成一氧化氮，一氧化氮與氧氣在高溫下反應(yīng)生成二氧化氮?？梢?jiàn)，氮氧化物的生成與氧的濃度有關(guān)，也與火焰溫度有關(guān)[1～2]。減少過(guò)?？諝饬浚瑒t氧濃度變小，氮氧化物生成量下降。如果過(guò)剩空氣量增加，雖然氧濃度增高有利于氮氧化物的生成，但由于燃燒溫度降低，總的結(jié)果是氮氧化物生成量減少。燃燒溫度在燃?xì)馀c空氣的當(dāng)量比等于1附近出現(xiàn)最大值，相應(yīng)的N0的生成速度也達(dá)到最大值，因此氮氧化物的生成量最高，增大或減少過(guò)?？諝庀禂?shù)，氮氧化物的生成量都會(huì)減少。由此可見(jiàn)，只要適當(dāng)?shù)卦龃蠡驕p少過(guò)?？諝饬浚涂梢詼p少氮氧化物的生成量，從而降低煙氣中氮氧化物含量。
3.3 二氧化硫含量的質(zhì)量濃度
    二氧化硫的質(zhì)量濃度＞100mg/m3的鍋爐有3臺(tái)，不合格率為2%。煙氣中二氧化硫質(zhì)量濃度分布比例見(jiàn)表6。
表6 煙氣中二氧化硫質(zhì)量濃度分布比例
S02的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
分布比例/%
0
73
＜50
22
50～100
3
＞100
2
    煙氣中的二氧化硫是由于燃?xì)庵械牧蚧锱c空氣中的氧氣反應(yīng)而生成的，煙氣中二氧化硫含量的大小主要取決于燃?xì)庵辛蚧锖康亩嗌?。因此，為了降低二氧化硫?qū)Υ髿獾奈廴?，必須?duì)燃?xì)膺M(jìn)行脫硫。也可以采用煙氣中二氧化硫凈化方法，不過(guò)這種方法通常用于燃煤鍋爐。由于人工煤氣和天然氣在輸送到客戶端時(shí)均經(jīng)過(guò)脫硫，燃?xì)庵辛蚧锏暮枯^低，即使有些鍋爐煙氣中二氧化硫超標(biāo)，也是偶爾的隨機(jī)現(xiàn)象，無(wú)需對(duì)鍋爐進(jìn)行特殊改造處理。
3.4 鍋爐熱效率
    鍋爐熱效率的分布比例見(jiàn)表7。
表7 熱效率分布比例
熱效率/%
分布比例/%
＜80
21
80～82
27
83～85
48
＞85
4
    在所檢測(cè)的150臺(tái)燃?xì)忮仩t中，多數(shù)鍋爐的熱效率為80%～85%，熱效率＜80%的鍋爐有35臺(tái)，占總數(shù)的21%。造成熱效率偏低的原因如下：
    ① 鍋爐運(yùn)行的供回水溫度通常根據(jù)用戶要求設(shè)定，且燃?xì)夤芫W(wǎng)壓力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)可預(yù)見(jiàn)偏差。
    ② 鍋爐在運(yùn)行了1～2個(gè)供暖期后，受熱面結(jié)有煙炱和水垢。1mm厚的煙炱，其熱阻與400mm厚鋼板的熱阻相當(dāng)，1mm水垢的熱阻相當(dāng)于40mm鋼板的熱阻。這些鍋爐與新出廠鍋爐相比熱效率有所降低。
    ③ 操作人員未能將鍋爐調(diào)整到最佳運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)大或鍋爐的排煙溫度較高。
    以安裝在北京京工服裝集團(tuán)公司的意大利某公司生產(chǎn)的天然氣鍋爐為例，它的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。
表8 意大利某公司天然氣鍋爐的測(cè)試數(shù)據(jù)
02的體積分?jǐn)?shù)/%
14
C0的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
93
N0x的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
27
S02的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
0
熱效率/%
67.3
運(yùn)行噪聲/dB
80
排煙溫度/℃
163
爐體表面溫度/℃
87
    用式(1)計(jì)算可得該臺(tái)鍋爐的過(guò)剩空氣系數(shù)為3.0。在鍋爐燃燒過(guò)程中，控制過(guò)?？諝庀禂?shù)的大小十分重要，過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)大或過(guò)小都會(huì)產(chǎn)生不良的后果。過(guò)大會(huì)導(dǎo)致煙氣流量增大，爐膛溫度降低；增加了排煙熱損失，熱效率降低，過(guò)小會(huì)使燃?xì)馊紵怀浞郑a(chǎn)生大量的一氧化碳，污染環(huán)境，同時(shí)也增大了不完全燃燒熱損失。過(guò)剩空氣系數(shù)的大小直接影響燃?xì)忮仩t的熱工性能，一般將過(guò)剩空氣系數(shù)控制在1.05～1.20范圍。此外，這臺(tái)鍋爐的表面溫度偏高，說(shuō)明鍋爐的保溫陛能不好，散熱損失較大。這兩個(gè)因素造成該臺(tái)鍋爐熱效率偏低。
   另一個(gè)造成熱效率偏低的原因是鍋爐的排煙溫度較高，如安裝在鐵營(yíng)醫(yī)院的某公司生產(chǎn)的天然氣鍋爐，其測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。
表9 某天然氣鍋爐的測(cè)試數(shù)據(jù)
02的體積分?jǐn)?shù)/%
8.1
C0的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
0
N0x的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
22
S02的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
0
熱效率/%
76.8
運(yùn)行噪聲/dB
72
排煙溫度/℃
205
爐體表面溫度/℃
45
   該臺(tái)鍋爐的排煙溫度較高，增大了煙氣焓，增加了排煙熱損失，造成熱效率低[3～4]。
3.5 噪聲
   運(yùn)行噪聲≤70dB的鍋爐有33臺(tái)，合格率僅為22%。
   燃?xì)忮仩t的噪聲由機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力性噪聲、傳熱噪聲和燃燒噪聲綜合組成。其中風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力性噪聲。機(jī)械噪聲由固體振動(dòng)產(chǎn)生，而空氣動(dòng)力性噪聲由氣體振動(dòng)產(chǎn)生，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片產(chǎn)生湍流噪聲和渦流噪聲。傳熱噪聲是由于流體加熱或冷卻，流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生振動(dòng)性變化而產(chǎn)生的噪聲，由于這種變化是在密閉容器內(nèi)產(chǎn)生的，故而對(duì)外部影響不大。燃燒噪聲是由于氣體進(jìn)行熱量交換，溫度和壓力發(fā)生變化，在空氣動(dòng)力性噪聲以外附加的噪聲。由此可見(jiàn)，鍋爐噪聲主要包括機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力性噪聲和燃燒噪聲，前兩項(xiàng)噪聲是由風(fēng)機(jī)造成的，欲降低噪聲，除了在風(fēng)機(jī)的出口管和入口管加裝消聲器外，還可選用帶低噪聲風(fēng)機(jī)的燃燒機(jī)。燃燒噪聲則與燃燒機(jī)和爐膛結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常通過(guò)改善燃燒機(jī)燃燒狀態(tài)來(lái)降低燃燒噪聲。
3.6 爐體表面溫度
   爐體表面溫度＞42℃的鍋爐有45臺(tái)，不合格率為30%。
    由于爐膛內(nèi)各部位的溫度不同，因此爐體各部位的表面溫度也不一樣，爐體表面溫度不僅與燃燒溫度有關(guān)，也與保溫層的材質(zhì)、厚度有關(guān)。爐體表面溫度測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇溫度較高的測(cè)點(diǎn)，而不是爐體的平均溫度。爐體表面溫度過(guò)高，爐體散熱損失加大，熱效率降低[5]。
3.7 影響因素分析
    通過(guò)以上分析我們可以看出，調(diào)整好鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)至關(guān)重要。以上各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都與過(guò)?？諝饬坑嘘P(guān)，而且各項(xiàng)指標(biāo)間相互影響，排煙溫度高，熱效率就低；煙氣指標(biāo)超標(biāo)，熱效率也低。這就要求鍋爐廠家加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員的培訓(xùn)，針對(duì)各自的鍋爐，提出適當(dāng)?shù)倪^(guò)?？諝庀禂?shù)，在鍋爐初調(diào)試時(shí)，不是單單憑借技術(shù)人員的感官經(jīng)驗(yàn)，而是通過(guò)儀器對(duì)燃?xì)忮仩t進(jìn)行調(diào)整，這種活動(dòng)不僅僅是初調(diào)試時(shí)進(jìn)行，還應(yīng)定期檢查，使鍋爐始終運(yùn)行在良好的狀態(tài)中。維護(hù)人員應(yīng)定期檢查鍋爐系統(tǒng)，清洗鍋爐受熱面的煙炱和水垢，維持鍋爐良好的傳熱性能。對(duì)于大功率鍋爐，除了要求具有比例調(diào)節(jié)功能外，還可以考慮加裝一些新型的安全節(jié)能裝置，提高產(chǎn)品的安全性能和節(jié)能效果，如可以加裝自動(dòng)控氧裝置，該裝置通過(guò)變頻風(fēng)機(jī)送風(fēng)，風(fēng)量可隨煙氣中氧含量的變化而變化，使過(guò)?？諝庀禂?shù)保持穩(wěn)定，從而提高鍋爐系統(tǒng)的熱效率。增加這些裝置會(huì)增加產(chǎn)品的成本，但從長(zhǎng)期的效果看，還是比較經(jīng)濟(jì)的。
    采用國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)性招標(biāo)方式采購(gòu)鍋爐，雖然可以給用戶節(jié)省投資費(fèi)用，但由于部分用戶在鍋爐的選型設(shè)計(jì)上缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)意識(shí)，為節(jié)省經(jīng)費(fèi)，往往選用大型鍋爐替代數(shù)臺(tái)小型鍋爐。然而大功率鍋爐的運(yùn)行成本并不經(jīng)濟(jì)，當(dāng)供暖熱輸出要求較小時(shí)，會(huì)造成鍋爐啟動(dòng)頻繁，不僅增加煙氣排放量，還降低了熱效率。因此，可以在保證供暖熱輸出的基礎(chǔ)上，選用多臺(tái)熱功率較小的鍋爐或模塊式鍋爐，使鍋爐可以交替運(yùn)行，這樣既便于鍋爐的維修，又降低了運(yùn)行費(fèi)用。
4 結(jié)論及建議
    ① 通過(guò)對(duì)這150臺(tái)鍋爐的檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析我們可以看出，這些鍋爐經(jīng)過(guò)1～4個(gè)供暖期的運(yùn)行，其技術(shù)指標(biāo)基本合格。
    ② 由于廠家技術(shù)人員的調(diào)試和操作人員的維護(hù)等原因，仍有一些鍋爐的技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到招標(biāo)要求。因此，需要加強(qiáng)對(duì)廠方調(diào)試人員和用戶操作人員的培訓(xùn)，對(duì)鍋爐的初調(diào)試應(yīng)提出具體要求，要求廠家技術(shù)人員用儀器對(duì)鍋爐進(jìn)行初調(diào)試，不要單憑直觀經(jīng)驗(yàn)。
    ③ 在保證供暖熱輸出的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量選用多臺(tái)熱功率較小的鍋爐或模塊式鍋爐，使鍋爐可以交替運(yùn)行，這樣既便于鍋爐的維修，又降低了運(yùn)行費(fèi)用。
    ④ 建議用戶在鍋爐房的設(shè)計(jì)、鍋爐的選型、鍋爐的初調(diào)試等方面征詢權(quán)威技術(shù)機(jī)構(gòu)的意見(jiàn)，通過(guò)技術(shù)部門的服務(wù)，使之更符合環(huán)保、節(jié)能的要求。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：陳力生 劉麗珍 顏謹(jǐn) 北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所 北京 100011)