曹生寧,續(xù)晨帆,趙亞潔,張生旺,于吉明,王玉濤

(1.青海省特種設備檢驗檢測院,青海 西寧 810000;2.青海鹽湖元品化工有限責任公司,青海 海西 816099;3.青海匯信資產管理有限責任公司,青海 格爾木 816000;4.中國特種設備檢測研究院,北京 100029)

0 引言

2013年國務院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》十條措施,成為全國大氣污染防治工作的行動指南,國家“十三五”期間將能源結構的調整和改革作為重要項目,“煤改氣”清潔能源改革政策隨之落地[1-8]。郝慶在《淺談高原條件下小型燃油鍋爐過量空氣系數的選擇》[9]一文以燃油鍋爐為對象做過相關研究,但國內鮮有燃氣鍋爐相關研究內容。在鍋爐行業(yè)對燃氣鍋爐替代燃煤鍋爐成為清潔能源使用的主流,近年燃氣鍋爐使用量逐年增加,由于燃氣鍋爐運行成本較高,鍋爐熱效率也備受關注。本文開展高原地區(qū)鍋爐過量空氣系數的選取研究,對高海拔地區(qū)鍋爐高效運行具有重要意義。

1 高原地區(qū)燃氣鍋爐熱效率現狀

燃氣鍋爐在高原地區(qū)(海拔高、氣壓低)運行中普遍存在著不完全燃燒、出力不足、熱效率低等問題,實踐證明,按標準狀態(tài)下(海拔高度0 m,大氣壓力101. 3 kPa)設計的鍋爐,如果不采取相應的改進措施,鍋爐的運行工況必然受到影響。2020～2021年,測試組在青海省內對80臺燃氣鍋爐進行了鍋爐能效測試,通過數據分析,有近三分之一的鍋爐運行效率不滿足TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術監(jiān)督管理規(guī)程》第一號修改單中鍋爐產品熱效率限定值的要求。鍋爐使用過程中,過量空氣系數均無法達到合理數值。

2 過量空氣系數

過量空氣系數是實際空氣量與理論空氣量之比,在理論空氣量的條件下,燃氣燃燒器難于保證天然氣與空氣完全混合燃燒,為了使天然氣盡可能的完全燃燒,實際供給空氣量大于理論空氣量。過量空氣系數大小會影響鍋爐能效水平。

3 過量空氣系數對鍋爐效率的影響

鍋爐運行過程中,煙氣中的過量空氣系數在TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術監(jiān)督管理規(guī)程》中規(guī)定,正壓燃油(氣)鍋爐,過量空氣系數不大于1.15。青海省內測試燃氣鍋爐均為正壓鍋爐,在使用過程中有70%的鍋爐超過了規(guī)程中的規(guī)定。過量空氣系數增加,進入爐膛的冷空氣增多,可以使燃料更加充分燃燒,但過量空氣降低了爐膛內煙氣溫度,使爐膛內輻射換熱效果減弱,對流換熱區(qū)域由于煙氣量增大,煙氣流速增加,對流換熱效果增強。過量空氣系數的大小,對鍋爐運行效率有直接影響。

3.1 過量空氣系數對輻射換熱的影響

燃氣與空氣混合燃燒生成煙氣,過量空氣系數的增加,煙氣總容積增大,增加的部分為冷空氣,主要組分為氮氣與氧氣,混合后的煙氣三原子氣體容積份額減少,三原子氣體減弱系數、固體顆粒減弱系數減小,導致發(fā)光火焰黑度與不發(fā)光火焰黑度均減小,同時玻爾茲曼準則數加大,煙氣輻射換熱效果減小,爐膛出口煙氣溫度升高。但由于進入爐膛的空氣溫度較低,與煙氣混合后降低了混合后煙氣溫度。因此增加過量空氣,爐膛輻射換熱量減小,爐膛出口煙氣溫度的變化由過量空氣系數增加量來決定。

3.2 過量空氣系數對對流換熱的影響

煙氣在對流管束區(qū)域流動,隨著過量空氣系數增加,煙氣總容積增大,管內煙氣流速增大,雷諾數、努謝爾數、螺紋管放熱系數增大,三原子氣體減弱系數與煙氣輻射放熱系數減小,由于在對流管束區(qū)域,以對流換熱為主,輻射換熱占比較小,隨著過量空氣系數增加,煙氣在對流換熱區(qū)域換熱量增大。

4 鍋爐熱力計算

本文以一臺WNS2.8MW鍋爐本體為例進行熱力計算,討論不同工況下不同過量空氣系數對鍋爐運行參數的影響。由表1、圖1及圖2可以看出,當過量空氣系數從1.05變化至1.3時,爐膛換熱量逐漸減弱、對流部分煙氣流速增加,對流換熱量增加,鍋爐本體部分排煙溫度隨過量空氣系數的增加而升高,而鍋爐效率隨過量空氣系數的增加而降低。

圖1 排煙溫度隨過量空氣系數變化

圖2 鍋爐效率隨過量空氣系數變化

表1 熱力計算匯總表

5 鍋爐能效測試

以青海省海西州格爾木市一臺WMS4.2MW鍋爐為例,在不同過量空氣系數工況下進行能效測試,能效測試結果如表2、圖3及圖4所示。在鍋爐負荷、冷空氣溫度基本相同的情況下,隨著過量空氣系數增加,鍋爐排煙溫度隨之增加,鍋爐熱效率降低。

圖3 排煙溫度隨過量空氣系數變化

圖4 鍋爐效率隨過量空氣系數變化

表2 鍋爐能效測試結果匯總

6 過量空氣系數的選取

根據理論計算與鍋爐能效測試結果,隨著鍋爐過量空氣系數的提高,鍋爐熱效率呈線性關系下降,鍋爐過量空氣系數越小,鍋爐效率越高,但在高海拔地區(qū)測試數據中,過量空氣系數為1.05時,煙氣中一氧化碳含量高達200 ppm,一氧化碳量增加,空氣與燃氣沒有完全混合,鍋爐氣體未完全燃燒熱損失增大,同時,一氧化碳為無色無味的有毒氣體,WNS爐型一般為正壓運行,煙氣泄露容易造成安全事故。過量空氣系數的選取應該根據鍋爐運行過程中煙氣組分中一氧化碳的含量,燃燒器調試過程中,在一氧化碳含量為0 ppm的前提下,盡量減小過量空氣系數。

7 結論

(1)鍋爐運行過程中,過量空氣系數的大小對鍋爐運行效率有很大影響,過量空氣系數越大,鍋爐效率越低。

(2)高海拔地區(qū)過量空氣系數的選擇應該根據鍋爐運行過程中煙氣組分中一氧化碳的含量,燃燒器調試過程中,在一氧化碳含量為0 ppm的前提下,盡量減小過量空氣系數。