摘要：本文按照GB/T39809－2021平板玻璃窯爐能耗測定方法，對蚌埠地區(qū)七家達(dá)到了國家發(fā)展改革委認(rèn)定的重點能耗單位的玻璃生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行實際測算，通過比較直接法和間接法在實際測算過程的影響因素，得出結(jié)論直接法更適用于建立能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，以供參考。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；能耗測算；直接法；間接法

DOI：10.12433/zgkjtz.20232541

2007年，首度在中國政府工作報告中正式展示了“資源保護(hù)和垃圾減少”的觀念。溫家寶總理強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào)，“應(yīng)更為關(guān)注資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)保，完善減低資源消耗和垃圾排放政策，廣泛建立資源降低和垃圾排放責(zé)任制度?！痹?015年巴黎氣候大會上，178個國家達(dá)成共識，共同商議并簽署了題名為“巴黎氣候變化合約”的文件，將降低全球平均氣溫作為未來的共同目標(biāo)。在2020年第75屆聯(lián)合國大會上，我國提出了“碳中和”的目標(biāo)。能源的生產(chǎn)和使用涉及可持續(xù)發(fā)展和基本民生問題。資源使用情況的改善不僅關(guān)系到企業(yè)未來的經(jīng)濟(jì)利益，還涉及溫室氣體排放和垃圾排放的總量。在當(dāng)今社會對環(huán)境問題日益敏感的情況下，資源保護(hù)和垃圾減少顯得尤為重要。

蚌埠市是硅基生產(chǎn)企業(yè)的聚集地，硅基生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模接近1000億。硅基生產(chǎn)行業(yè)一直是高能耗、高排放的行業(yè)。能源計量是確保能源政策的重要技術(shù)支持。如果沒有準(zhǔn)確的能源計量數(shù)據(jù)，就不能制定科學(xué)的能源消耗指標(biāo)、監(jiān)測實際能源消耗和評估能源結(jié)果。因此，能源計量對蚌埠這一以硅產(chǎn)業(yè)為特色的城市而言尤為重要，是實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的基礎(chǔ)。

通過對蚌埠市七家達(dá)到國家發(fā)展改革委確定的重點能耗單位的玻璃生產(chǎn)企業(yè)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)過程中的玻璃窯爐是核心能耗點，窯爐結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、熱能利用、絕熱材料、熱工測試、環(huán)境保護(hù)和控制系統(tǒng)都對窯爐的綜合能耗有很大影響。本文能耗計算方法按照GB/T39809－2021進(jìn)行，選取測量期間窯內(nèi)每千克熔融玻璃消耗的能量作為窯爐能耗。

測量方式分為非直接途徑和直接途徑兩種，非直接途徑是通過審查窯爐系統(tǒng)的熱平衡估算窯爐的能源使用，如果無法明確燃料使用量或燃料熱值，就應(yīng)采取非直接途徑。而直接方式是基于燃料的使用量、熱值和電助熔的電耗來計算窯爐的能源使用，適用于已明確燃料用量和燃料熱值的情況。

一、直接測定法

直接測定法需要測定的項目包括燃料消耗量、熱值、電助熔熱、熱值、電助熔熱、玻璃液質(zhì)量六個。其中，熱值的測定并非現(xiàn)場由計量器具直接測得，應(yīng)優(yōu)先采用檢測機(jī)構(gòu)檢測報告上的數(shù)值，也可采用國家公布的數(shù)值。蚌埠地區(qū)的窯爐主要是蚌埠市新奧燃?xì)馓峁┑奶烊粴猓焚|(zhì)及熱值相對穩(wěn)定。燃料的消耗量現(xiàn)場通過智能氣體渦輪流量計的讀數(shù)獲得。

電助熔熱的測定：用電量依據(jù)電表讀數(shù)確定，按電力折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)轉(zhuǎn)化為能量按式（1）計算，其中用電量通過窯爐區(qū)域?qū)?yīng)的三相三線智能電能表獲得。

式中：

Qd—電助熔熱，單位為千焦（kJ）；

W—用電量，單位為千瓦時（kW·h）；

A—電力折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，取0.1229kgce/（kW·h）

玻璃液質(zhì)量的測定：取測定期內(nèi)統(tǒng)計得到的玻璃液質(zhì)量，可以通過生產(chǎn)控制系統(tǒng)直接讀取。

取測定期內(nèi)燃料的消耗量、熱值、電量和玻璃液質(zhì)量，按式（2）計算能耗：

式中：

E—窯爐能耗，單位為千焦每千克（kJ/kg）；

mr—燃料的消耗量，單位為千克（kg）；

Qdw—燃料低位發(fā)熱量，單位為千焦每千克（kJ/kg）；

Qd—電助熔熱，單位為千焦（kJ）；

mb—玻璃液質(zhì)量，單位為千克（kg）。

通過直接法測定步驟相對簡單，僅燃料的消耗量、用電量、玻璃液質(zhì)量三個參數(shù)需要現(xiàn)場測得，所用計量器具可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)控。中大型企業(yè)燃料供應(yīng)品控嚴(yán)格供應(yīng)商相對固定，燃料低位發(fā)熱量在燃料品質(zhì)穩(wěn)定的情況下數(shù)值相對穩(wěn)定，不會產(chǎn)生較大變化。

二、間接測定法

依據(jù)能量平衡原理，通過測定輸出體系的總能量，得到輸入體系的總能量。測定體系包括窯爐的熔化部、澄清部、卡脖、冷卻部、小爐和蓄熱室。以窯爐的外表面和物料進(jìn)、出窯爐的界面作為體系與外界的分界面。

輸出體系能量包括玻璃液帶出顯熱、玻璃液帶出隱藏?zé)?、孔口輻射散熱、窯爐表面散熱、孔口溢流氣體顯熱、冷卻風(fēng)帶出熱、冷卻水帶出熱、煙氣顯熱和燃料化學(xué)不完全燃燒熱。輸入體系能量包括燃料燃燒熱、助燃空氣顯熱、霧化介質(zhì)顯熱、鼓泡氣體顯熱、配合料顯熱、電助熔熱共十五個項目。

玻璃熔體傳遞的熱量：需要測量玻璃熔體的溫度和質(zhì)量。測定玻璃熔體溫度的方法是采用與溫度示顯儀結(jié)合的一級鉑銠熱電偶熱量測量設(shè)備，將溫度感應(yīng)部分插入玻璃熔體中，深度約50mm，并置于溫度示顯儀的保護(hù)套管內(nèi)。在實際操作過中因玻璃液溫度極高，測量時應(yīng)注意安全防護(hù)避免灼燒皮膚，測量完成后取出熱電偶時應(yīng)等待玻璃液下滴結(jié)束后，靜置冷卻足夠時再回收測溫?zé)犭娕肌?/p>

玻璃液質(zhì)量通過測量玻璃原板的寬度及厚度計算求得一定時間內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品的總質(zhì)量，本次測量用分度值為0.01mm的外徑千分尺測量玻璃原板厚度。用Ⅰ級精度的鋼卷尺測量玻璃原板寬度。根據(jù)式（3）計算玻璃液質(zhì)量：

式中：

mb—玻璃液質(zhì)量，單位為千克每小時（kg/h）；

Vb—玻璃板拉引速度，單位為米每小時（m/h） ；

Bb—玻璃原板寬度，單位為米（m）；

hb—玻璃板厚度，單位為米（m） ；

ρ—玻璃密度，單位為千克每立方米（kg/m3）。

最后根據(jù)公式（4）計算玻璃液帶出顯熱Qbx，整個玻璃液帶出顯熱測量過程中有三個參數(shù)需要現(xiàn)場測量。

式中：

Qbx—玻璃液帶出顯熱，單位為千焦每小時（kJ/h） ；

mb—玻璃液質(zhì)量，單位為千克每小時（kg/h） ；

cbc—玻璃液在0～tbc時的平均比熱容；

tbc—出體系玻璃液溫度。

玻璃液帶出潛熱：提前測定每千克配合料含水量，該項目需提前進(jìn)行，在原料混合機(jī)下料口取樣測量，遵循JC/T 648的標(biāo)準(zhǔn)操作程序，提前一天進(jìn)行三次均勻時間的取樣測定，并取平均值。玻璃液帶出潛熱按照公式（5）計算：

式中：

Qbq—玻璃液帶出潛熱Q，單位為千焦每小時（kJ/h）；

qi—各種原料硅酸鹽形成反應(yīng)熱（以千克分解氧化物計），單位為千焦每千克（kJ/kg）；

Khi—每千克配合料（濕基）中，各種原料引入的分解氧化物質(zhì)量，單位為千克每千克（kg/kg）；

Kbf—熔成每千克玻璃液所需配合料（濕基）量，單位為千克每千克（kg/kg）；

Kfq—每千克配合料（濕基）中逸出氣體的質(zhì)量，單位為千克每千克（kg/kg）；

mb—玻璃液質(zhì)量，單位為千克每小時（kg/h）；

K—每千克配合料實測含水質(zhì)量，單位為千克每千克（kg/kg）。

窯爐表面散熱的測定：需測定體系內(nèi)窯體的表面溫度和相應(yīng)的環(huán)境溫度，窯體表面積三個參數(shù)。

窯體表面積需要通過建筑圖紙確定，在本次調(diào)查測算中部分企業(yè)存在圖紙不齊全的情況，需要提前溝通尋找確認(rèn)建筑面積。窯體的表面溫度需要根據(jù)位置均勻取點，取點位置按照表1進(jìn)行。

用最大允許誤差為±2℃（MPE±2℃）的紅外測溫儀進(jìn)行測溫，在實際過程中，因窯爐構(gòu)造及現(xiàn)場位置條件取點位置無法做到嚴(yán)格均勻選取，區(qū)域面積的劃分可能存在重疊的情況，從而影響測量結(jié)果。用二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃液體溫度計測量位于測定區(qū)域1m處的環(huán)境溫度。按照式（6）測點區(qū)域的表面散熱量，窯爐表面散熱量等于各區(qū)域表面散熱量之和。

式中：

Qsir—各區(qū)域表面散熱量，單位為千焦每小時（kJ/h）；

ai—對流輻射換熱系數(shù)，單位為千焦每平方米小時攝氏度[kJ/（m2·h·℃）]；

twi—測定區(qū)域的表面溫度平均值，單位為攝氏度（℃）；

toi—環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）；

sbi—各區(qū)域的表面積，單位為平方米（m2）。

孔口的輻射熱量測算：測算孔口敞開時的輻射溫度、孔口被磚塊覆蓋時磚塊的內(nèi)外表面溫度、孔口被金屬板遮蓋時金屬板的外表面溫度、孔口大小以及周圍環(huán)境溫度。

孔口敞開時的輻射溫度可以直接利用紅外測溫儀測定。在測定孔口輻射溫度時，不同角度可能會產(chǎn)生不同的溫度讀數(shù)，但正對孔口進(jìn)行測量通常更符合實際需求。

當(dāng)孔口被金屬板覆蓋時，可以直接使用紅外測溫儀測量金屬板的外表面溫度。

孔口尺寸可以使用Ⅰ級卷尺直接測量，而金屬板的外表面溫度可通過紅外測溫儀獲取。

磚材外觀溫度檢測采用紅外測溫儀器，鑒于安全考慮以及使用紅外測溫儀器，要翻轉(zhuǎn)磚材，但會導(dǎo)致內(nèi)部溫度降低。因此，可以使用附近的窯爐溫度熱電偶顯示內(nèi)部溫度。對于環(huán)境溫度而言，使用玻璃液體溫度計進(jìn)行測量，孔口面積可直接從圖紙中獲取。

孔口敞開輻射散熱量根據(jù)公式（7）計算：

式中：

Qkf—孔口輻射散熱量，單位為千焦每小時（kJ/h）；

Co—黑體輻射系數(shù)取20.4kJ/（m2·℃4·h）；

tfi—窯體第i個孔口的輻射溫度，單位為攝氏度（℃）；

toi—環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）；

φ1—窯體第i個孔口的門孔系數(shù)；

Ski—窯體第i個孔口的面積，單位為平方米（m2）

孔口溢流氣體顯熱的測定：需要進(jìn)行孔口溢流氣體的溫度、成分、孔口氣體內(nèi)外靜壓差三個參數(shù)測定。

進(jìn)行氣體溫度測量時，應(yīng)當(dāng)將剛玉保護(hù)套管中的單鉑銠熱電偶與溫度指示儀器組合的熱電偶溫度計安置于孔口上方，以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測定。

根據(jù)不同氣體成分采用不同氣體分析儀器，O2、CO、CO2采用奧式氣體分析儀或其他等效儀器測定；NOx可使用基于電位法或非分散紅外法原理的便攜氣體分析儀檢測成分；SO2可運用電導(dǎo)率法、電位法和非分散紅外法原理的便攜氣體分析儀進(jìn)行測試。

用最大允許誤差為1%的U型管壓力計測定氣體內(nèi)外靜壓差，確保測壓管與氣流方向垂直，避免渦流和氣體泄露對測定的影響。

根據(jù)公式（8）計算孔口溢流氣體顯熱：

式中：

Qky—孔口溢流氣體顯熱，單位為千焦每小時（kJ/h）；

Vyi—孔口溢流氣體量，單位為立方米每小時（m3/h）；

cyi—孔口溢流氣體在0～℃時的平均比熱容，單位為千焦每立方米攝氏度[kJ/（m3·℃）]；

tyi—孔口溢流氣體溫度，單位為攝氏度（℃）。

冷卻水帶出熱的測定：需要進(jìn)行冷卻水的流量、冷卻水進(jìn)、出溫度參數(shù)的測定。

直接在冷卻水進(jìn)出口處用玻璃溫度計測量溫度，冷卻水流量通過接在冷卻水管上的最大允許誤差為1%的水表直接讀取。

冷卻水帶出熱按公式（9）計算：

式中：

Q1s—冷卻水帶出熱量，單位為千焦每小時（k/h）；

mls—進(jìn)出體系的冷卻水量，單位為千克每小時（kg/h）；

t'ls—系統(tǒng)出口冷卻水溫度，單位為攝氏度（℃）；

tls—系統(tǒng)入口冷卻水溫度，單位為攝氏度（℃）。

冷卻風(fēng)帶出熱量的測定：需要進(jìn)行流量斷面的截面積、動壓、靜壓、氣體流速，吹向窯體前的冷卻風(fēng)溫度、吹向窯體后的反射風(fēng)溫度的測定。

該項測定要在氣體管道上開測孔具有一定的破壞性，提前與相關(guān)負(fù)責(zé)人溝通，在初步確定測控位置后，根據(jù)測定要求，所開測孔大小應(yīng)確保測試儀器伸入測孔內(nèi)，且盡量避免選在形變、彎曲或有閘門的地方，測孔上游直線管道長大于6D（D為管道直徑），測孔下游直線管道長大于3D。此外，提供測量完成后的測控恢復(fù)方案，確保管道運行，避免與企業(yè)產(chǎn)生糾紛。

本次測定采用最大允許誤差為1%的數(shù)字壓力計配合S型皮托管測定動壓、靜壓、流速。測量時S型皮托管測量部分與管道中氣體流向平行。

用二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃液體溫度計在風(fēng)機(jī)入口測定，用顯示誤差值應(yīng)不大于±3℃抽氣熱電偶在冷卻風(fēng)風(fēng)嘴處測定吹向窯體后的反射風(fēng)溫度。

冷卻風(fēng)帶出熱量按公式（10）計算：

式中：

Qlf—冷卻風(fēng)帶出熱量，單位為千焦（下轉(zhuǎn)第157頁）（上接第124頁）每小時（kJ/h）；

Vlf—冷卻風(fēng)量，單位為立方米每小時（m2/h）；

c'lf—0～t'lf冷卻風(fēng)平均比熱容，單位為千焦每立方米攝氏度[kJ/（m3·℃）]；

t'lf—吹向窯體后的反射風(fēng)溫度，單位為攝氏度（℃）

clf—0～tlf冷卻風(fēng)平均比熱容，單位為千焦每立方米攝氏[kJ/（m3·℃）]；

tlf—吹向窯體前的冷卻風(fēng)溫度，單位為攝氏度（℃）。

煙氣顯熱的測定：需要進(jìn)行煙氣的動壓、靜壓、速率、溫度和成分測定。

測定過程與冷卻風(fēng)帶出熱量的測定類似，根據(jù)要求在選擇適當(dāng)?shù)臏y點，使用氣體分析儀在窯爐主煙道的橫截面中央位置進(jìn)行煙氣成分的檢測，測定設(shè)備應(yīng)插入流動氣流中。采用鎧裝熱電偶與溫度顯示器組合的熱電偶溫度測量設(shè)備測量窯體各小爐支煙道的橫截面中央位置的煙氣溫度，進(jìn)行三次測定并取平均值。

煙氣顯熱按照公式（11）計算：

式中：

Qyq—出體系煙氣顯熱，單位為千焦每小時（kJ/h）；

Voy—出體系的煙氣流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

cy—0～ty煙氣平均比熱容，單位為千焦每立方米攝氏度[kJ/（m3·℃）]；

ty—煙氣出體系時平均溫度，單位為攝氏度（℃）。

燃料化學(xué)不完全燃燒熱的測定：測量煙氣流量，煙氣中CO、CnHm的成分。

用對應(yīng)的氣體分析儀在窯爐的主煙道截面中心點測定。流速數(shù)值是基于煙氣明顯熱值測定結(jié)果直接獲得的煙氣排放流速，按照公式（12）計算燃燒化學(xué)不完全燃燒熱。

式中：

Qrh—燃料化學(xué)不完全燃燒熱，單位為千焦每小時（kJ/h）；

Vco—體系煙氣中CO的含量（體積分?jǐn)?shù)），%；

體系煙氣中C、H的含量（體積分?jǐn)?shù)），%；

V—體系的煙氣流量，單位為立方米每水時（m3/h）

Voy—出體系的煙氣流量，單位為立方米每小時（m3/h）。

整個間接測定過程中共需測定參數(shù)33個，現(xiàn)場所用到的計量器具較多，包括表面熱電偶測溫儀、鋼制測量尺、紅外線溫度探測器、剛玉防護(hù)套管內(nèi)的單鉑銠熱電偶與溫度監(jiān)測器組成的熱電偶溫度計、鎧裝熱電偶與溫度監(jiān)控器組成的熱電偶溫度感應(yīng)設(shè)備、U型管壓力計或數(shù)字壓力計與皮托管、便攜式超聲波流量計、玻璃溫度計等十余種計量器具，配備及維護(hù)成本較高。

在實際測量過程中，測量點位的選取受限于場地及窯爐結(jié)構(gòu)，部分測溫點位測量人員操作危險性較高，測量結(jié)果不確定程度受人員影響較大，整個測定過程時間長，且難以實現(xiàn)在線監(jiān)控。

三、結(jié)語

目前，國家鼓勵年能耗超過3000t標(biāo)準(zhǔn)煤的企業(yè)建立能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般有以下功能：第一，實時的數(shù)據(jù)采集功能，例如，可以實時監(jiān)控電、水、氣等相關(guān)數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。第二，自動生成能耗統(tǒng)計報表的功能，例如，硅基企業(yè)生產(chǎn)所需的水、電、汽、油等不同能源的分類報表。第三，對異常能耗進(jìn)行提醒的功能。一些硅基企業(yè)需要使用窯爐，一年365天燃燒，能耗一般較固定，一旦出現(xiàn)異常，系統(tǒng)可設(shè)置報警提醒功能，消除隱患。第四，能耗管理功能，系統(tǒng)終端將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺。管理系統(tǒng)通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)和解決方案對能耗設(shè)備進(jìn)行智能控制。

為了建立能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，直接測算方法更容易實現(xiàn)在線能耗監(jiān)控及管理，在遵守GB17167－2006《電力單位能源測量設(shè)備配置和管理規(guī)定》的條件下，合理分配必要的能源測量工具，結(jié)合硅基產(chǎn)業(yè)的能耗特點，對能源測量裝置進(jìn)行分類和分級，并啟用聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。