摘 要

建立鍋爐熱效率計(jì)算數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Matlab軟件編程和VB軟件顯示可視化界面，完成鍋爐熱效率在線計(jì)算和可視化。通過對(duì)熱平衡的分析，指出灰渣含碳量在鍋爐熱平衡中的核心地位，提出了改善燃料燃燒、減少灰渣含碳量、提高鍋爐熱效率的措施。

 摘　要：建立鍋爐熱效率計(jì)算數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Matlab軟件編程和VB軟件顯示可視化界面，完成鍋爐熱效率在線計(jì)算和可視化。通過對(duì)熱平衡的分析，指出灰渣含碳量在鍋爐熱平衡中的核心地位，提出了改善燃料燃燒、減少灰渣含碳量、提高鍋爐熱效率的措施。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；  熱效率；數(shù)學(xué)模型；在線計(jì)算

Qnline Calculation of Thermal Efficiency and Energy-saving Analysis of Coal-fired Boiler

Abstract：The mathematical model for thermal efficiency calculation of coal-fired boiler is built，and the online calculation and visualization of thermal efficieney of coal．．fired boiler are achieved by Matlab soft-ware for programming and VB software for displaying the visualization interface．The core position of the carbon content of ash in the boiler heat balance is indicated by the heat balance analysis．The measures of improving fuel combustion，reducing the carbon content ofash and increasing the thermal efficiency of the boiler are proposed．

Keywords：coal-fired boiler；thermal efficiency；mathematical model；online calculation

 

1　概述

熱效率是鍋爐綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是檢測(cè)和評(píng)價(jià)鍋爐能源轉(zhuǎn)換與利用好壞的重要標(biāo)志。鍋爐熱效率在線計(jì)算是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行狀況、考核鍋爐運(yùn)行水平、優(yōu)化鍋爐運(yùn)行的有效手段和重要依據(jù)。目前，由于鍋爐熱效率計(jì)算與試驗(yàn)復(fù)雜，受鍋爐運(yùn)行參數(shù)測(cè)量與技術(shù)條件限制，熱效率在線計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)，尋求合理的鍋爐熱效率在線計(jì)算方法是科技人員關(guān)注和研究的課題。為此，黃睿^[1]等人、朱春梅^[2]、胡鑫^[3]等人先后進(jìn)行了積極的工作，提出了燃油燃?xì)忮仩t熱效率簡(jiǎn)化計(jì)算方法、簡(jiǎn)化鍋爐排煙熱損失計(jì)算、鍋爐灰渣含碳的在線軟測(cè)量方法，對(duì)鍋爐熱效率的在線計(jì)算做了有益嘗試，值得借鑒。但是，仍然沒有完全實(shí)現(xiàn)鍋爐熱效率實(shí)時(shí)在線計(jì)算。

筆者運(yùn)用Matlab軟件對(duì)燃煤鍋爐(下文鍋爐均指燃煤鍋爐)熱效率計(jì)算數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，采用VB軟件顯示可視化界面，完成了鍋爐熱效率的在線計(jì)算和可視化。

2　鍋爐熱效率計(jì)算數(shù)學(xué)模型^[4-5]

2.1　鍋爐熱效率計(jì)算

鍋爐熱效率有兩種計(jì)算方法：正平衡法和反平衡法。

正平衡熱效率計(jì)算公式為：

h＝Q1/Qr　　　　          (1)

式中h——鍋爐熱效率

Q1——鍋爐的有效利用熱量，kJ／kg

Qr——單位質(zhì)量燃料燃燒提供給鍋爐的熱量，kJ／kg

反平衡熱效率計(jì)算公式為：

h＝1-(q2+q3+q4+q5+q6)      (2)

式中q2——排煙熱損失率

q3——可燃?xì)怏w不完全燃燒熱損失率

q4——固體不完全燃燒熱損失率

q5——散熱損失率

q6——灰渣(包括爐渣、飛灰)物理熱損失率

正、反平衡兩種方法互為補(bǔ)充，相互校核，兩種方法計(jì)算得到的熱效率相對(duì)誤差應(yīng)小于5％。

2.2　鍋爐熱損失計(jì)算

①排煙熱損失

排煙熱損失率計(jì)算公式為：

q2＝(Q2,gy+Q2,s)Qr 　　　   (3)

式中Q2,gy——單位質(zhì)量燃料燃燒產(chǎn)生的干煙氣帶走的熱量，kJ／kg

Q2,s——單位質(zhì)量燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中所含水蒸氣帶走的熱量，kJ／kg

干煙氣帶走的熱量計(jì)算公式為：

Q2,gy＝Vgycpgy(tpy-t0) 　　　   (4)

式中Vgy——單位質(zhì)量燃料燃燒生成的干煙氣體積，m³／kg

cpgy——干煙氣的平均單位體積定壓熱容，kJ／(m³·K)

tpy——排煙溫度，℃

t0——環(huán)境溫度，℃

煙氣中所含水蒸氣帶走的熱量計(jì)算公式為：

Q2,s＝Vscps(tpy-t0)           (5)

式中Vs——單位質(zhì)量燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中所含水蒸氣的體積，m³／kg

cps——水蒸氣的平均單位體積定壓熱容，kJ／(m³·K)

②可燃?xì)怏w不完全燃燒熱損失

可燃?xì)怏w不完全燃燒熱損失率計(jì)算公式為：

q3＝(VgyQCOjCO)/Qr　　　　　　　　(6)

式中QCO——CO的熱值，kJ／m³，取12636kJ／m³

jCO——煙氣中CO的體積分?jǐn)?shù)

③固體不完全燃燒熱損失

固體不完全燃燒熱損失率計(jì)算公式(主要考慮爐渣)為：

q4＝(Qcm1zwc,1z)/Qr　　　　　　(7)

式中Qc——碳的熱值，kJ／kg，取33727kJ／kg

m1z——單位質(zhì)量燃料燃燒產(chǎn)生的爐渣質(zhì)量，kg／kg

wc,1z——爐渣中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

④散熱損失

散熱損失率計(jì)算公式為：

q5＝(me/ms)q5,e 　　　   (8)

式中me、ms——鍋爐的額定蒸發(fā)量、實(shí)際蒸發(fā)量，t／h

q5,e——額定蒸發(fā)量下的散熱損失率

式(8)的應(yīng)用條件是當(dāng)實(shí)際蒸發(fā)量與額定蒸發(fā)量相差超過25％，但是因?yàn)樯釗p失比較小，采用以上簡(jiǎn)化公式一般影響不大。

⑤灰渣物理熱損失

灰渣物理熱損失率計(jì)算公式：

 

式中wh——燃料中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

w1z、wfh——爐渣、飛灰中灰分占燃料總灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

t1z——爐渣溫度，℃

c1z、cfh——爐渣、飛灰的比熱容，kJ／(kg·K)

wc,fh——飛灰中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3　熱效率仿真計(jì)算

運(yùn)用Matlab軟件對(duì)上述鍋爐熱效率計(jì)算數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，通過VB軟件進(jìn)行可視化界面顯示，Matlab軟件與VB軟件通過Active X實(shí)現(xiàn)連接，可實(shí)現(xiàn)在線的數(shù)據(jù)傳遞和后臺(tái)的計(jì)算反饋。數(shù)據(jù)記錄操作界面見圖1(受實(shí)際情況限制，圖1中使用的名詞和量符號(hào)與文內(nèi)使用的名詞和量符號(hào)沒有完全對(duì)應(yīng))。

 

在數(shù)據(jù)記錄操作界面輸入燃料特性參數(shù)(圖1中C^y表示收到基中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其他同理)和鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)(如環(huán)境溫度、排煙溫度、排渣溫度、煙氣組成)等。鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入可以采用兩種方式：一是與鍋爐現(xiàn)有的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)連接，直接獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，二是在數(shù)據(jù)記錄操作界面人工輸入。數(shù)據(jù)輸入后，單擊“確認(rèn)”按鈕即可計(jì)算出鍋爐各項(xiàng)熱損失率(q2、q3、q4、q5、q6)、過?？諝庀禂?shù)(文內(nèi)沒有給出計(jì)算公式)、鍋爐熱效率，見圖2(圖2中預(yù)期值是指鍋爐檢測(cè)報(bào)告中提供的各項(xiàng)熱損失率；“熱效率n”指反平衡熱效率，“熱效率n¢”指正平衡熱效率)。計(jì)算信息將被保存到數(shù)據(jù)庫中，并可以將數(shù)據(jù)上傳，便于日后考察和評(píng)價(jià)鍋爐時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。

 

以某熱電廠75t／h循環(huán)流化床鍋爐為例，按照上述熱效率計(jì)算數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得到鍋爐反平衡熱效率為89.166％，與按照GB／T 10180—2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》計(jì)算得到的鍋爐熱效率值(90.018％)非常接近，說明此熱效率計(jì)算數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確、可靠。

4　熱平衡項(xiàng)目分析

從鍋爐反平衡熱效率計(jì)算公式不難看出，除了散熱損失外，其他熱損失項(xiàng)均與灰渣含碳量(爐渣含碳量和飛灰含碳量)有著不同程度直接或間接的關(guān)系。因此，可以明確指出，灰渣含碳量是反映鍋爐運(yùn)行狀況最具代表性的參數(shù)之一，即為鍋爐熱效率的核心參數(shù)。通過計(jì)算可知，鍋爐熱效率隨著灰渣含碳量的增加而逐漸下降。

鍋爐熱效率可分為燃燒效率和傳熱效率兩部分^[6]，其中燃燒效率占主要份額，對(duì)鍋爐熱效率起決定作用。灰渣含碳源于燃燒過程不完全，分析其原因：一是與鍋爐的燃燒方式和燃燒設(shè)備的完善程度有關(guān)，二是與燃料燃燒過程的組織和運(yùn)行操作的合理性有關(guān)。對(duì)于在線運(yùn)行鍋爐而言，主要原因是后者，因此，提高鍋爐熱效率的首要任務(wù)就是合理組織燃燒過程，改善燃燒條件，降低灰渣含碳量，提高燃燒效率。這也是實(shí)現(xiàn)鍋爐節(jié)能減排的基本要求。

5　提高燃燒效率的措施

①根據(jù)燃料特性變化調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)

燃料特性是指燃料的各種組成、燃料的顆粒度及顆粒分布等，燃料特性的變化對(duì)鍋爐燃燒有著直接影響。例如，鏈條鍋爐對(duì)燃料特性變化十分敏感，燃料特性中某一因素變化都會(huì)改變?nèi)剂显跔t內(nèi)的燃燒進(jìn)程，如果不能及時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，使之與燃料特性變化相適應(yīng)，就會(huì)導(dǎo)致不良燃燒。

②使燃料在爐膛內(nèi)均勻分布

燃料進(jìn)入爐膛的均勻程度，在很大程度上將會(huì)影響燃料受熱的均勻性，以及與空氣接觸混合的程度，對(duì)燃料能否及時(shí)著火、完全燃燒都有直接影響。比如，鏈條鍋爐煤層厚度在爐排上的均勻性、顆粒分布、密實(shí)程度等，決定煤層的導(dǎo)熱性、通風(fēng)率等，導(dǎo)熱性、通風(fēng)率不好，可能導(dǎo)致局部異常燃燒，造成不完全燃燒。再如，循環(huán)流化床鍋爐，投料量在爐膛截面上是否均勻，直接影響密相區(qū)燃料的流態(tài)化狀況，同樣會(huì)影響燃料正常、穩(wěn)定地燃燒。

③保持合理的爐膛溫度

合理的溫度是燃料燃燒的必要條件之一。為保證燃料正常燃燒，爐膛溫度必須保持在燃料著火溫度以上，使燃料盡快完成預(yù)熱并及時(shí)著火燃燒。爐膛溫度是爐內(nèi)供給熱量與支出熱量平衡的結(jié)果，運(yùn)行中應(yīng)注意供、支熱量平衡的調(diào)節(jié)，保持正常的爐膛溫度。僅從燃燒角度講，爐膛溫度越高，越有利于燃料的燃燒，但是，還應(yīng)考慮爐膛出口溫度的要求。

④供給足夠的空氣量

空氣是燃料燃燒的另一個(gè)必要條件。實(shí)際供給的空氣量應(yīng)能滿足輸入燃料量燃燒的要求，在保證完全燃燒的前提下，供給的空氣量盡量接近理論空氣量。應(yīng)當(dāng)注意的是，在爐膛內(nèi)燃料的燃燒過程是分階段進(jìn)行的，因此，在向鍋爐供給空氣時(shí)，除了滿足空氣總量要求之外，還應(yīng)注意燃料燃燒不同階段對(duì)空氣量的需求，兩者要匹配。例如，鏈條鍋爐采取分區(qū)分段送風(fēng)。

⑤使空氣與燃料接觸混合良好

燃料燃燒只有空氣量還不夠，還必須使空氣與燃料有良好的接觸混合，這是保證燃料燃燒完全的關(guān)鍵。相關(guān)因素主要有空氣流與燃料的相對(duì)位置、空氣流與燃料的相對(duì)速度、空氣在爐膛內(nèi)的分布(均勻性)、燃料在爐內(nèi)的分布等。在實(shí)際工作中，供給的空氣量一般能夠滿足，而空氣與燃料的接觸混合情況，由于不容易觀測(cè)而被人們忽視，這往往是導(dǎo)致燃料不能完全燃燒、灰渣含碳量高的重要原因。為此，應(yīng)當(dāng)給予足夠重視，認(rèn)真分析查找原因，創(chuàng)造良好的空氣與燃料接觸混合條件。

⑥合理分配空氣量(一次風(fēng)和二次風(fēng))

對(duì)于室燃爐和循環(huán)流化床鍋爐，一次風(fēng)、二次風(fēng)的分配供給情況直接影響燃料燃燒過程。例如，對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，一次風(fēng)量(風(fēng)速)應(yīng)能保證燃料的正常流態(tài)化，使密相區(qū)達(dá)到溫度要求；二次風(fēng)量應(yīng)能使稀相區(qū)燃料完全燃燒，爐膛溫度控制在合理的水平。

在實(shí)際工作中，注意上述措施應(yīng)與具體的爐型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有針對(duì)性地開展工作，以便取得實(shí)效。

6　結(jié)論

建立鍋爐熱效率計(jì)算數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行編程和VB軟件進(jìn)行可視化對(duì)接，完成鍋爐熱效率的在線計(jì)算和界面顯示，為實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行、考核鍋爐運(yùn)行管理水平、優(yōu)化鍋爐運(yùn)行提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。

通過熱平衡項(xiàng)目分析，明確灰渣含碳量是影響鍋爐熱效率的核心參數(shù)，提高燃燒效率是提高鍋爐熱效率的關(guān)鍵。在鍋爐運(yùn)行中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)熱負(fù)荷變化調(diào)節(jié)，從燃料特性、燃料輸入的均勻性、爐膛溫度、供給空氣量、空氣量分配、空氣與燃料的接觸混合情況等方面，根據(jù)爐型結(jié)構(gòu)合理組織燃燒過程，有針對(duì)性地采取措施，創(chuàng)造良好的燃燒條件，優(yōu)化鍋爐運(yùn)行，從而減少灰渣含碳量，提高鍋爐熱效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

 

參考文獻(xiàn)：

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本文作者：李俊瑞  秦娜  郝志鵬

作者單位：天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

  天津城建大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院