于吉明 笪耀東 張井坤 車得福 王玉濤

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029)

（2.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049)

（3.青海省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院 西寧 810005)

近十幾年來(lái)，西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施極大加快了西部經(jīng)濟(jì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。西部高原地區(qū)能源需求密度低、生態(tài)環(huán)境脆弱的特征使其供熱設(shè)備多以燃?xì)忮仩t為主[1]。以青海省為例，截止到2019年12月，青海共有各類鍋爐5 149臺(tái)，其中燃?xì)忮仩t3 988臺(tái)，占鍋爐總量的77%。然而，高原條件下燃?xì)忮仩t運(yùn)行中出現(xiàn)的能效水平降低的問(wèn)題在工業(yè)生產(chǎn)中日益突顯。因此針對(duì)高原燃?xì)忮仩t具體分析其能效的影響因素，對(duì)進(jìn)一步指導(dǎo)其高效運(yùn)行具有重要意義。

已有研究表明，高原低氣壓條件對(duì)燃?xì)忮仩t的燃燒和傳熱均會(huì)產(chǎn)生影響。此前理論分析和實(shí)際鍋爐運(yùn)行案例均表明海拔的升高會(huì)導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高，排煙熱損失增加，進(jìn)一步造成鍋爐熱效率降低[2-4]。另外，高原條件也會(huì)影響鍋爐爐膛尺寸設(shè)計(jì)。隨著海拔升高氣壓降低，燃料燃燒速率下降，燃盡時(shí)間增加，則應(yīng)保證足夠的爐內(nèi)停留時(shí)間。故相比平原地區(qū)，高原燃?xì)忮仩t容積熱負(fù)荷應(yīng)比平原地區(qū)小，相應(yīng)的爐膛容積應(yīng)適當(dāng)放大。此外，隨著環(huán)境壓力降低，燃?xì)饣鹧骈L(zhǎng)度也會(huì)增加，因而對(duì)于臥式內(nèi)燃鍋爐的爐膽長(zhǎng)度也應(yīng)隨之增加。

高原低氣壓也會(huì)直接對(duì)燃?xì)馊紵鞴β实倪x擇產(chǎn)生影響。一般選擇燃?xì)馊紵鲿r(shí)應(yīng)保證火焰形狀與爐膛尺寸匹配，即火焰充滿度好。同時(shí)，燃燒器應(yīng)能夠保證鍋爐可以達(dá)到額定出力[5]。李占武等人[6]在研究高原地區(qū)對(duì)燃?xì)忮仩t燃燒器的選型時(shí)認(rèn)為，高原地區(qū)選擇燃燒器的輸出功率應(yīng)按照氣壓下降的比例而放大。但也有學(xué)者認(rèn)為簡(jiǎn)單選擇更大功率燃燒器的方法對(duì)小型燃?xì)忮仩t的設(shè)計(jì)基本可行，對(duì)于容量稍大一些的鍋爐，可能會(huì)造成爐內(nèi)溫度降低過(guò)多而影響燃燒穩(wěn)定性和熱效率，應(yīng)針對(duì)氣壓變化對(duì)鍋爐參數(shù)做出相應(yīng)修正[1]。

本文基于青海省燃?xì)忮仩t的能效測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析了高原條件對(duì)燃?xì)忮仩t排煙溫度、熱效率、爐膛尺寸和燃燒器選型的影響，為高原燃?xì)忮仩t高效清潔運(yùn)行提供參考。

1 能效測(cè)試情況

近年來(lái)，中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)特檢院）聯(lián)合青海省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院（以下簡(jiǎn)稱青海特檢院）和西安交通大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱西安交大），對(duì)青海省在用鍋爐進(jìn)行了能效測(cè)試。本次抽取其中18臺(tái)燃?xì)忮仩t的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其測(cè)試地點(diǎn)分別位于西寧市（海拔2 295 m）、格爾木市（海拔2 808 m）和德令哈市（海拔2 982 m），容量范圍為1.2～14 MW，均為WNS型熱水鍋爐。能效測(cè)試按照TSG G0003—2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》采用運(yùn)行工況熱效率詳細(xì)測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，其中額定熱功率≥14 MW的鍋爐采用反平衡法，其余鍋爐同時(shí)采用正平衡法與反平衡法進(jìn)行測(cè)試[7]。

2 能效測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 排煙溫度

表1[4，8]給出了青海省本次測(cè)試的18臺(tái)與2016年青海特檢院聯(lián)合青海大學(xué)開(kāi)展測(cè)試的26臺(tái)燃?xì)忮仩t排煙溫度。由表1可知，青海地區(qū)燃?xì)忮仩t排煙溫度較高，均在100 ℃以上，雖未超過(guò)TSG G0002—2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》的規(guī)定值170 ℃[9]，但有很大的節(jié)能空間。同時(shí)，從表1中也可以看出本次測(cè)試部分燃?xì)忮仩t排煙溫度低于2016年測(cè)試燃?xì)忮仩t，這主要是由于本次測(cè)試部分鍋爐負(fù)荷較低、燃料量減小所致。

表1 燃?xì)忮仩t排煙溫度測(cè)試結(jié)果

為分析高原條件對(duì)燃?xì)忮仩t排煙溫度的影響，選取與本次測(cè)試燃?xì)忮仩t容量范圍一致的北京地區(qū)運(yùn)行與青海2016測(cè)試的燃?xì)鉄崴仩t的排煙溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。由圖1可知，北京地區(qū)不同容量的燃?xì)忮仩t排煙溫度普遍低于青海地區(qū)。負(fù)荷率對(duì)鍋爐排煙溫度也有很大影響，故選取兩地負(fù)荷相近的燃?xì)忮仩t排煙溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2[4，8]。在相近負(fù)荷率運(yùn)行時(shí)，北京地區(qū)燃?xì)忮仩t的排煙溫度低于青海地區(qū)。綜合以上分析來(lái)看，高原條件是導(dǎo)致燃?xì)忮仩t排煙溫度高于平原地區(qū)的重要因素，降低排煙熱損失是高原地區(qū)燃?xì)忮仩t節(jié)能的重要方法之一。

圖1 北京和青海不同容量燃?xì)忮仩t排煙溫度對(duì)比

表2 負(fù)荷率相近條件下北京與青海地區(qū)燃?xì)忮仩t排煙溫度測(cè)試結(jié)果

2.2 熱效率

表3[4，8]分別給出了北京節(jié)能環(huán)保中心、青海特檢院、中國(guó)特檢院燃?xì)忮仩t熱效率測(cè)試的結(jié)果，可以看出北京地區(qū)燃?xì)忮仩t熱效率基本處于93%以上，而青海地區(qū)燃?xì)忮仩t熱效率普遍低于北京地區(qū)，部分在運(yùn)行燃?xì)忮仩t熱效率低于90%，且50%以上的燃?xì)忮仩t熱效率未達(dá)到TSG G0002—2010第1號(hào)修改單給出的限定值[9]。

表3 燃?xì)忮仩t熱效率測(cè)試結(jié)果

表4[4，8]給出了負(fù)荷相近條件下北京與青海地區(qū)燃?xì)忮仩t熱效率測(cè)試結(jié)果。由表4可知，青海地區(qū)負(fù)荷率相近的燃?xì)忮仩t熱效率也低于北京地區(qū)。研究表明鍋爐排煙溫度降低12～15 ℃，熱效率將提高1%[10]，青海高海拔地區(qū)排煙溫度普遍較高，這會(huì)導(dǎo)致排煙熱損失增加，熱效率也隨之降低。此外鍋爐在較高負(fù)荷運(yùn)行，散熱損失相對(duì)較小，可以達(dá)到較高的熱效率。而青海地區(qū)能效測(cè)試的18臺(tái)燃?xì)忮仩t中約90%長(zhǎng)期處于50%以下負(fù)荷運(yùn)行，這一現(xiàn)象在青海省高海拔地區(qū)較為普遍，這是因?yàn)楦吆０螚l件下為保證正常生產(chǎn)，鍋爐選型時(shí)一般都會(huì)加大裕量，導(dǎo)致其長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行。而北京地區(qū)能效測(cè)試的100臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t基本處于70%負(fù)荷以上運(yùn)行，有的甚至接近滿負(fù)荷運(yùn)行。

表4 負(fù)荷相近條件下北京與青海地區(qū)燃?xì)忮仩t熱效率測(cè)試結(jié)果

2.3 爐膛尺寸

表5給出了青海省本次測(cè)試的16臺(tái)燃?xì)忮仩t爐膛尺寸和爐膛容積熱負(fù)荷。根據(jù)鍋爐制造企業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，燃?xì)忮仩t容積熱負(fù)荷在1 150～1 800 kW／m3的范圍內(nèi)選取。由表5可以看出部分鍋爐廠家在爐膛設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮高海拔對(duì)燃料燃燒的影響，選擇了較低的爐膛容積熱負(fù)荷。同時(shí)，也可以看出隨著海拔升高容積熱負(fù)荷有進(jìn)一步減小的趨勢(shì)，尤其是海拔2 808 m和2 982 m有8臺(tái)燃?xì)忮仩t，其容積熱負(fù)荷已低于推薦值。

表5 青海本次測(cè)試鍋爐爐膛尺寸和爐膛容積熱負(fù)荷

此外，由于大氣壓力降低，在相同負(fù)荷下，進(jìn)入爐膛的空氣體積和煙氣體積較平原地區(qū)增大，燃燒室高溫區(qū)域膨脹，火焰長(zhǎng)度增加，見(jiàn)表5。在本次測(cè)試中，通過(guò)鍋爐后側(cè)觀火孔觀察燃燒狀況，發(fā)現(xiàn)其中5臺(tái)鍋爐在升負(fù)荷過(guò)程中，由于火焰長(zhǎng)度增加沖刷回燃室后管板，導(dǎo)致無(wú)法升到額定負(fù)荷。然后通過(guò)調(diào)整火焰尺寸，增大火焰直徑，減小火焰長(zhǎng)度，情況有一定程度改善，但由于火焰直徑的增大，火焰又將沖刷爐膽，從而造成燃?xì)忮仩t實(shí)際運(yùn)行無(wú)法達(dá)到額定負(fù)荷。這主要是由于燃燒器與爐膛的設(shè)計(jì)匹配不合理所致。

2.4 高原燃燒器選型

表6給出了青海省本次測(cè)試的9臺(tái)燃?xì)忮仩t燃燒器選型。由表6可知，青海格爾木、德令哈兩地燃?xì)忮仩t燃燒器輸出功率選擇偏大，基本在1.2倍以上，甚至個(gè)別鍋爐所配燃燒器達(dá)到2.5倍。在考慮鍋爐實(shí)際熱效率的情況下，可以認(rèn)為基本上是按照氣壓下降或者說(shuō)空氣密度下降的比例而放大。這種燃燒器選型方法與李占武等人[6]在研究高原地區(qū)燃?xì)忮仩t燃燒器的選型時(shí)給出的方法基本一致。但簡(jiǎn)單按照氣壓下降的比例對(duì)燃燒器進(jìn)行修正時(shí)仍有可能造成火焰長(zhǎng)度拉長(zhǎng)，進(jìn)一步使?fàn)t膛出口煙溫升高，嚴(yán)重影響燃?xì)忮仩t運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。有必要進(jìn)一步研究燃燒器與爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及相互之間匹配方法，從而指導(dǎo)高原燃?xì)忮仩t高效清潔運(yùn)行。

表6 青海本次測(cè)試燃?xì)忮仩t燃燒器選型

3 結(jié)論

本文基于青海省燃?xì)忮仩t的能效測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析了高原條件對(duì)燃?xì)忮仩t排煙溫度、熱效率、爐膛尺寸和燃燒器選型的影響，結(jié)論如下：

1）相比平原地區(qū)，高原地區(qū)不同容量的燃?xì)忮仩t排煙溫度較高，雖未高于TSG G0002—2010的規(guī)定值170 ℃，但仍有較大的節(jié)能潛力。相同負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，排煙溫度隨海拔升高仍表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

2）高原地區(qū)排煙溫度較高導(dǎo)致排煙熱損失增加是影響高原燃?xì)忮仩t熱效率的重要原因。

3）相比平原地區(qū)，高原地區(qū)燃?xì)忮仩t容積熱負(fù)荷取值應(yīng)更小，且應(yīng)關(guān)注燃燒器火焰形狀與爐膛結(jié)構(gòu)的匹配。

4）隨著海拔升高、氣壓降低，為保證鍋爐達(dá)到額定出力和較高的熱效率，現(xiàn)有高原燃燒器選型基本按照氣壓下降的比例而放大，但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)部分功率放大后的燃燒器與爐膛尺寸匹配不當(dāng)仍造成火焰沖刷回燃室后管板，導(dǎo)致鍋爐不能滿負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。