李志敏 鄧飛忠 吳桂安 仇明貴

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引言

燃?xì)鉄崴髟谶\(yùn)行過程中，當(dāng)外界濕度較大、負(fù)荷較低、水量較大條件下容易出現(xiàn)冷凝水珠從燃燒室內(nèi)壁滴落至火排或底殼問題，由于冷凝水為弱酸性，長(zhǎng)時(shí)間的聚積滴落容易對(duì)零部件形成侵蝕存在安全隱患，由此帶來的維修成本也隨著增大。嚴(yán)重時(shí)將造成燃燒工況惡化，廢氣排放增加、熱損失增大。

本文將從理論分析入手探討冷凝水的內(nèi)部生成機(jī)理，確定影響燃?xì)鉄崴骼淠傻闹饕蛩?，從而提出相?yīng)的解決方案，達(dá)到抑制冷凝水生成的目的。

1 燃?xì)鉄崴鲀?nèi)部冷凝水生成機(jī)理

1.1 冷凝水珠的生成機(jī)理

高溫?zé)煔鉁囟仍诮档椭猎撎幍穆饵c(diǎn)溫度時(shí)，氣態(tài)水分子釋熱并開始逐漸凝結(jié)成液態(tài)水珠，而氣態(tài)分子要析出冷凝水珠需要使其水蒸汽分壓達(dá)到飽和水汽分壓時(shí)才會(huì)生成。為研究水汽分壓生成的主要影響因素，從燃燒反應(yīng)式入手進(jìn)行推導(dǎo)其影響因素之間關(guān)系[1,2]：

由燃燒前后物質(zhì)守恒定理及水氣分壓，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓完全燃燒（α=1）下燃燒產(chǎn)物中的水汽分壓為：

結(jié)合（1）及（2）可得出：

從碳?xì)浠衔锶紵磻?yīng)式（1）可以看出[1]：氣態(tài)水分子的組成一部分來源于一次空氣及二次空氣的引入，主要受環(huán)境濕度影響；其二是烴類燃料燃燒反應(yīng)所生成的高溫水蒸氣，H含量越大，生成的氣態(tài)水摩爾體積占比越大，水汽分壓越高。

為便于分析計(jì)算，忽略引入空氣中水汽分子受環(huán)境溫度變化的影響，這里作近似計(jì)算，則進(jìn)一步推導(dǎo)出不完全燃燒且α＞1的燃燒反應(yīng)中的水汽分壓為：

式中：

e—水汽分壓（Pa）；

nw及na—水汽摩爾分?jǐn)?shù)，其他干氣體摩爾分?jǐn)?shù)（%）；

nH—H元素摩爾分?jǐn)?shù)（%）；

nC—C元素摩爾分?jǐn)?shù)（%）；

nN—N元素摩爾分?jǐn)?shù)（%）；

nO—氧氣中O元素的摩爾分?jǐn)?shù)（%）；

Pn—水汽分壓（atm）；

α—過?？諝庀禂?shù)。

通過對(duì)燃?xì)鉄崴鳟?dāng)前工作狀態(tài)下的煙氣進(jìn)行取樣分析可得出各物質(zhì)含量，從上式可知水汽分壓與燃?xì)饨M分中各元素物質(zhì)的量占比及過?？諝庀禂?shù)相關(guān)，烴類燃料的燃燒產(chǎn)物的生成受燃燒固有系統(tǒng)的反應(yīng)程度影響，由式（4）結(jié)合水汽分壓與露點(diǎn)溫度的變化關(guān)系知：Pn∝1/α，即空氣過量系數(shù)α越大，Pn越小，露點(diǎn)溫度越低。

1.2 排煙溫度對(duì)冷凝水生成的影響

燃燒時(shí)若系統(tǒng)的排煙溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，煙氣中的水汽飽和度越大，越容易凝結(jié)成為液態(tài)水。一定比例的燃?xì)馀c空氣進(jìn)入燃?xì)鉄崴魅紵惑w內(nèi)燃燒，其帶入的熱量分為兩部分：燃?xì)馀c空氣的熱焓，燃?xì)獾幕瘜W(xué)熱量；燃燒產(chǎn)生的熱量去向主要分為有效吸熱量、散熱損失和排煙損失熱，根據(jù)能量守恒熱平衡方程[3-5]：

式中：

H—燃?xì)獾幕瘜W(xué)熱量，單位：kJ；

H1—燃?xì)?、空氣引入的熱量，單位：kJ；

Qe—熱水器燃燒有效吸熱量，單位：kJ；

Qs—散熱損失量，單位：kJ；

Qp—排煙損失熱，單位：kJ。

燃?xì)鉄崴鳠嵝剩ò吹蜔嶂涤?jì)算）可表示為：

式中：

Cp—排煙溫度下煙氣定壓比熱，單位：kJ/Nm3·K;

tf—排煙溫度，單位：℃；

t0—環(huán)境溫度，單位：℃；

V0—理論空氣量，Nm3/Nm3干燃?xì)猓?/p>

Vf0—理論煙氣量，Nm3/Nm3干燃?xì)狻?/p>

根據(jù)GB 6932—2015中規(guī)定的燃?xì)鉄崴鳠嵝视?jì)算式[6]，令，結(jié)合式（6）及（7）則熱效率計(jì)算式可以表示為:

式中：

ηt—熱效率，%；

M—水的比熱容，MJ/（kg·K）；

tw2—出水端溫度，℃；

tw1—進(jìn)水端溫度，℃；

V—實(shí)測(cè)燃?xì)庀牧?，m3。

從（9）式可以得出：

1）在額定熱負(fù)荷及相同換熱系統(tǒng)且可充分換熱條件下，排煙溫度tf∝1/ηt，即相同負(fù)荷下燃?xì)鉄崴鳠嵝试礁?，排煙溫度越低，排煙溫度則對(duì)應(yīng)了當(dāng)前負(fù)荷下熱量損失狀態(tài)，當(dāng)此煙氣狀態(tài)下的水汽分壓對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度與排煙溫度接近時(shí)就有冷凝水析出風(fēng)險(xiǎn)，若排煙溫度高于露點(diǎn)溫度，水汽液化可能性就低，反之則高；

2）在相同換熱系統(tǒng)且可充分換熱條件下，適當(dāng)提高某溫度區(qū)間的熱負(fù)荷（耗氣量V增加），ηt降低，排煙溫度tf升高，從而使煙氣含量增加，水汽分壓Pn減小，露點(diǎn)溫度降低。

1.3 冷凝水解決方案

通過以上分析得出了冷凝水生成的主要原因是受當(dāng)前露點(diǎn)溫度決定的，而露點(diǎn)溫度與系統(tǒng)燃燒產(chǎn)物中水汽分壓及排煙溫度具有強(qiáng)相關(guān)性，因此我們通過增大系統(tǒng)水汽分壓及提高排煙溫度來解決冷凝水問題。

1）增加風(fēng)機(jī)電流補(bǔ)償

通過增加風(fēng)機(jī)電流補(bǔ)償，提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而增大過?？諝庀禂?shù)α，其一是滿足燃?xì)獬浞秩紵璧难?，增加系統(tǒng)燃燒熱量，減少因不完全燃燒產(chǎn)生過多燃燒產(chǎn)物降低排煙溫度tf；同時(shí)在滿足燃燒器火焰穩(wěn)定的前提下增大風(fēng)量在一定程度上可降低系統(tǒng)ηt，也可達(dá)到提高排煙溫度的目的。

2）提高負(fù)荷補(bǔ)償

提高系統(tǒng)負(fù)荷的補(bǔ)償，尤其是最小負(fù)荷狀態(tài)下的負(fù)荷補(bǔ)償，通過提高燃?xì)饣瘜W(xué)總熱H，系統(tǒng)有效吸熱Qe及Qs變化不大，Qp提高進(jìn)而提高排煙溫度tf。排煙溫度tf與當(dāng)前煙氣露點(diǎn)溫度差值越大，冷凝水風(fēng)險(xiǎn)越小。

2 試驗(yàn)對(duì)比分析

本文選取一款13 L（24 kW）天然氣機(jī)型為研究對(duì)象，針對(duì)其在測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的冷凝水問題應(yīng)用上述解決方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，測(cè)試條件為：使用CH4基準(zhǔn)氣，燃?xì)庖淮螇? 000 Pa下使整機(jī)工作在各火力段的最大PiH、最小負(fù)荷PiL（樣機(jī)為三分段機(jī)型，i=1，2，3；P1H表示第1分段最大負(fù)荷，P1L表示第1分段最小負(fù)荷，依次類推），調(diào)節(jié)進(jìn)水流量使其固定在（35±2）℃，觀察燃燒室內(nèi)是否有冷凝水沿內(nèi)壁滴落（環(huán)境相對(duì)濕度：57.8 %RH ，進(jìn)水溫度20 ℃）。其測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 樣機(jī)各火力段參數(shù)及測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)在P1L及P2L火力段出現(xiàn)了間隔性冷凝水滴落問題，且在P1L段冷凝水隨著時(shí)間增長(zhǎng)冷凝水量持續(xù)增多。對(duì)其各負(fù)荷段實(shí)際所測(cè)得的煙氣指標(biāo)結(jié)合燃?xì)鈿赓|(zhì)分析（CH4（98.851 %）、N2（0.909 %）、O2（0.24 %））結(jié)果應(yīng)用式（3）計(jì)算得出不同負(fù)荷段下的水汽分壓值，查0～100 ℃對(duì)應(yīng)下的飽和蒸汽壓對(duì)照表，得出各負(fù)荷段水汽分壓值及對(duì)應(yīng)下的露點(diǎn)溫度，其結(jié)果見表2。

表2 不同火力段水汽分壓及對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度對(duì)照表

從不同負(fù)荷段得出的露點(diǎn)溫度與表1中實(shí)際排煙對(duì)比（見圖1）發(fā)現(xiàn)，在P1L段排煙溫度低于露點(diǎn)溫度，冷凝水容易析出，在P2L段煙溫已逼近于當(dāng)前露點(diǎn)溫度，冷凝水生成概率較大，可能呈間隔性滴落，這與上述試驗(yàn)分析結(jié)果吻合。

圖1 各火力段排煙溫度tf與露點(diǎn)溫度Ty均值關(guān)系

基于上述分析，對(duì)P1L段及P2L段負(fù)荷及風(fēng)機(jī)電流進(jìn)行調(diào)整（見表3），調(diào)整后整機(jī)在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見表4。

表3 風(fēng)機(jī)電流及負(fù)荷參數(shù)調(diào)整表

表4 調(diào)整后各火力段試驗(yàn)結(jié)果

在P1L及P2L火力段測(cè)試時(shí)由原來測(cè)試時(shí)長(zhǎng)15 min增加至25 min，從試驗(yàn)結(jié)果看來，在原來容易出現(xiàn)冷凝水滴落的負(fù)荷段（即圖1中tf與露點(diǎn)溫度Ty的交叉點(diǎn)或逼近點(diǎn)處）未出現(xiàn)冷凝水滴落現(xiàn)象，且從圖2所示可以看出全負(fù)荷段tf均大于Ty，最小差值出現(xiàn)在P1L點(diǎn)，差值為10.5 ℃，冷凝水滴落風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖2 調(diào)整后排煙溫度tf與露點(diǎn)溫度Ty均值關(guān)系

以上分析對(duì)燃?xì)鉄崴骼淠霈F(xiàn)在小負(fù)荷段的風(fēng)機(jī)電流之間的關(guān)系進(jìn)行了重新匹配，考慮各負(fù)荷區(qū)間內(nèi)負(fù)荷值為線性增加，為保證燃燒的充分性與穩(wěn)定性，其負(fù)荷區(qū)間中間段的風(fēng)機(jī)電流與負(fù)荷按照線性關(guān)系進(jìn)行匹配即可，如圖3所示，最終可實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷段均無(wú)冷凝水生成的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 負(fù)荷-風(fēng)機(jī)電流匹配關(guān)系

3 結(jié)論

本文對(duì)冷凝水生成及影響因素進(jìn)行了理論分析，基于此提出了一種解決應(yīng)用方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明該方案可以很好的解決了燃?xì)鉄崴骼淠蓡栴}，并得出了以下結(jié)論：

1）燃?xì)鉄崴骼淠纳芍饕墚?dāng)前水汽分壓決定的露點(diǎn)溫度影響，研究排煙溫度也是判斷其與露點(diǎn)溫度的差值來判定是否達(dá)到水汽飽和溫度點(diǎn)；水汽分壓與空氣系數(shù)α在燃燒穩(wěn)定條件下呈負(fù)相關(guān)；

2）通過對(duì)出現(xiàn)冷凝水的負(fù)荷的空燃比重新進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，可以在一定程度上降低水汽分壓值及提高排煙溫度，從而增大排煙溫度與露點(diǎn)溫度之間的差值，降低冷凝水生成風(fēng)險(xiǎn)；

3）在燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮過?？諝庀禂?shù)與各負(fù)荷段排煙溫度對(duì)露點(diǎn)溫度的影響進(jìn)而產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性。