浦东新区燃煤工业锅炉能效监测与分析
摘 要 随着上海市浦东新区内中小型燃煤工业锅炉的数量迅速增长，环保形势及能源紧缺现状日趋严峻。以浦东新区中小型燃煤工业锅炉为研究对象，通过前期调研和实际监测，按照相应的锅炉热工试验规范进行热工试验，对锅炉的运行状况做出严格、客观的评价；然后根据各项监测指标，利用反平衡热效率法，具体分析造成锅炉热效率低和能源浪费的各方面原因。研究过程中发现，大部分锅炉节能措施实施情况较差，系统装置配备不够齐全，维修保养及改造工作落实不到位，严重制约着锅炉系统的运行效率。在测试的60台D=4t/h的燃煤工业锅炉中，经数据分析，最终被列为重点节能对象的有19台。经计算，如果全部实行节能改造，每年可节煤3989t，约占这部分锅炉年耗煤总量的9%。
关键词 燃煤工业锅炉 热工测试 能效监测 节能潜力
1 引言
燃煤工业锅炉是我国“十一五”期间重点节能改造对象。目前，我国拥有中小型燃煤工业锅炉约50万台，设计效率为72%~80%，然而实际运行效率却只能达到65%左右，比国外先进水平低10～15个百分点，年消耗煤炭总量高达~4亿吨[1]。与此同时，这些中小型燃煤工业锅炉每年排放烟尘、SO2、CO2等各类污染物总量超过10亿吨，成为我国主要煤烟型污染源[2]。由此可见，为缓解我国能源紧缺现状，建设资源节约型、环境友好型社会，燃煤工业锅炉的节能改造工作已势在必行。
上海市浦东新区是上海市位于黄浦江以东、长江口以西的一块三角形地区，经过20年开放发展，目前已发展为上海新兴高科技产业和现代化工业基地。然而近年来，随着各大工业企业纷纷落户浦东，辖区内中小型燃煤工业锅炉的数量迅速增长，环保形势日趋严峻，并且根据前期调研情况发现，部分锅炉长期处于低负荷运行状态，锅炉受热面结焦、积灰严重，运行自控水平低及排烟温度高等现象广泛存在。
因此，针对以上问题，在2008年10月由机械工业锅炉及环保产品质量监督检测中心和通标标准技术服务有限公司上海检测分公司对上海市浦东新区4t/h以上燃煤工业锅炉的运行状况与效率进行了全面测试。本文即是在此次燃煤工业锅炉能效监测工作的基础上，结合测试结果，具体分析造成锅炉热效率低、能源浪费及环境污染的各方面原因，提出了相应的节能改造措施。最后，结合锅炉运行状况的前期调研及热工测试结果，对上海市浦东新区4t/h以上燃煤工业锅炉的节能潜力进行了深入分析。
2 浦东新区燃煤工业锅炉能效监测
浦东新区燃煤工业锅炉热工测试概况
根据委托检测单位的前期调研工作，列入本次监测计划内的4t/h以上燃煤工业锅炉共计135台，落实热工测试的为84台。根据《工业锅炉热工性能试验规程》(GB/T 10180-2003)、《节能监测技术通则》(GB/T 15317-1994)及其引用标准，分别利用正、反平衡法测试了锅炉的正反平衡热效率。利用正、反平衡法测定锅炉效率的计算公式如式(1)和式(2)所示[3]。
正平衡法——直接测试锅炉的输出热量即有效利用热量占燃料输入总量的份额。即：
(1)
式中，ηg1为锅炉热效率，%；q1为输出热量分数，%；Q1为锅炉的输出热量，kJ/kg；Qr为锅炉的输入热量，kJ/kg。
反平衡法——在试验过程中，测出锅炉的各项热损失，以此来计算锅炉的热效率。即：
(2)
式中，ηg1、q1同上；q2为排烟热损失分数，%；q3气体不完全燃烧热损失分数，%；q4固体不完全燃烧热损失分数，%；q5锅炉散热热损失分数，%；q6灰渣物理热损失分数，%。
浦东新区燃煤工业锅炉能效监测结果
在本次监测的84台蒸汽锅炉中，其中蒸发量D=4t/h的工业锅炉数量为60台，占总测试数量的%，而蒸发量D＞4t/h的锅炉数量所占总测试数量的比例仅有%。所以，本文将重点围绕D=4t/h的工业锅炉在监测过程中所出现的问题展开分析。
根据《工业锅炉节能监测方法》(GB/T 15317-94)及《工业锅炉经济运行》(GB/T 17954-2000)，对于D=4t/h的蒸汽锅炉，其节能监测合格指标和经济运行合格指标（热效率，排烟温度，空气系数，炉渣含碳量，炉体外表面温度）如表1所示。
表1 各项节能监测合格指标和经济运行合格指标
标准
热效率
(%)
排烟温度
(℃)
空气系数
炉渣含碳量
(%)
炉墙侧表面温度(℃)
GB/T 15317-94
≥65
≤200
≤
≤20
≤50
GB/T 17954-2000
≥72
≤200
≤
≤18
≤50
由表1可知，对于工业锅炉各项运行指标，其节能监测合格要求整体低于经济运行合格要求。所以，通过对测试数据分析不难发现，在《工业锅炉节能监测方法》(GB/T 15317-94)标准的要求下，工业锅炉的各项测试项目达标情况良好，但在《工业锅炉经济运行》(GB/T 17954-2000)标准的要求下，本次测试的锅炉热效率达标情况较差，达标率不足50%，不同标准下各测试项目达标情况对比如图1所示。
由图2可知，上海市浦东新区燃煤工业锅炉的运行不但多数达不到《工业锅炉经济运行》(GB/T 17954-2000)的要求，而且和经济运行热效率要求相差较大。由此可见，本次所监测的60台D=4t/h的蒸汽锅炉在实际运行过程中，存在着较为严重的能源浪费现象，节能改造工作已刻不容缓。
图1 不同标准下各测试项目达标情况对比
图2 测试锅炉热效率分布图 (D=4t/h)
热效率是衡量锅炉有效用热的综合指标，体现了锅炉作为一个能源转换设备的综合性能。根据锅炉反平衡热效率计算公式(2)，在前面的监测项目中，对排烟温度和空气系数的监测，其本质是对排烟热损失的控制；对炉渣含碳量的监测，本质上是对固体不完全燃烧热损失的控制；炉墙温度的监测是对锅炉外表面散热损失的控制。由于影响这些热损失的因素千差万别，所以本次监测工作的前期调研时，分别从锅炉管理(包括计量器具、仪器仪表、运行记录)、锅炉本体(包括炉墙保温、负压燃烧、炉膛结构)、热力输送(包括计量仪表、保温状况)和节能措施(包括余热回收、冷凝回收、鼓风调节、引风调节、分层燃烧及炉拱改造)四大方面对列入本次监测的锅炉系统进行深入调研，调研结果如表2所示。
表2 锅炉系统调研情况汇总表
调研
项目
D=4t/h
N=60台
锅炉管理
锅炉本体
热力输送
节能措施
计量器具
仪器仪表
运行记录
炉墙保温
负压燃烧
炉膛结构
计量仪表
保温状况
余热回收
冷凝回收
鼓风调节
引风调节
分层燃烧
炉拱改造
较好
(台)
21
31
24
57
59
60
14
56
0
16
25
25
0
2
较差
(台)
39
29
36
3
1
0
46
4
60
44
35
35
60
58
3 浦东新区燃煤工业锅炉节能潜力分析
影响浦东新区燃煤工业锅炉经济运行的因素
在本次热工测试中，分别利用正、反平衡测量法测试了锅炉的正反平衡热效率。锅炉热效率以正平衡法测定值为准。利用反平衡测量法研究和分析影响锅炉热效率的各项因素。在本节将围绕着各项监测指标，作出尽可能全面而深入的分析，找到影响浦东新区燃煤工业锅炉经济运行的关键性因素，为锅炉系统的经济运行提出指导性建议。
(1) 排烟温度
在本次所监测的60台D=4t/h的蒸汽锅炉中，其排烟温度未达标比例占10%，最高排烟温度高达 ℃，而此时的热效率仅为%。因为排烟温度直接影响排烟热损失的大小，而排烟热损失是锅炉热损失中较大的一项，可高达10%~20%[4]。在锅炉运行中为了减少排烟热损失，应在满足燃烧反应需要的前提下尽量保持较低的空气系数，尽可能避免燃料室及各部分烟道的漏风，并装设尾部受热面，同时应防止锅炉烟气系统烟灰的结垢和堆堵。但在本次监测过程中发现，过量空气系数严重超标，达标率不足2%，余热、冷凝等节能措施在锅炉运行过程中实施较差，这些因素都将严重制约着锅炉的经济运行。
(2) 排渣含碳量
排渣含碳量主要用于反应锅炉的固体不完全燃烧热损失。造成炉渣含碳量高的原因很多，例如燃煤水分、挥发分及煤粒的大小的影响，锅炉运行参数调整不合理，炉膛温度过低及锅炉结构设计不合理等[5]。但在本次监测过程中，由于燃料的选择及相关技术人员对系统运行参数的调整，即有的锅炉本体设计较为合理，因此排渣含碳量的达标状况良好。
(3) 过量空气系数
国家《工业锅炉节能监测方法》(GB/T 15317-94)标准和《工业锅炉经济运行》(GB/T 17954-2000)标准中均严格规定了锅炉运行中过量空气系数的合格指标，并将其作为锅炉经济运行的关键指标之一进行监控。然而在本次测试中发现，锅炉运行中的过量空气系数达标情况极差，严重超标现象广泛存在。
过量空气系数，是根据燃料的性质、燃烧方式、燃烧设备等条件来确定的，当过量空气系数过大时，会造成燃煤与空气混合不均匀，有的区域出现空气不足，另外区域又严重过剩，致使炉膛温度降低，排烟量增大，带出热量增加，也就是排烟热损失增加[6]。通过对测试数据分析不难发现，造成过量空气系数超标的原因主要有锅炉烟气系统的漏风现象比较严重，锅炉燃烧过程中风量调节装置配置较差，导致风量配置不当，同时计量仪表的配备也不够齐全，大多数锅炉系统都没有安装空气过量系数表。由于上述各项原因的存在，导致过量空气系数严重超标，最终导致了锅炉的低效率运行。
(4) 炉体外表面的温度
炉体外表面温度指标主要用来反映锅炉的散热损失。对于D≤35t/h的工业锅炉，散热损失大约占总的输入热量的l%～%。从具体因素来看，炉体外表面散热损失主要取决于以下几点：①锅炉容量的大小；②是否布置尾部受热面；③炉墙的保温绝热状况；④锅炉的实际运行安装维修水平。在本次监测过程中发现，锅炉容量、炉墙保温及系统运行维修状况良好，同时由于因炉体外表面温度而导致的散热损失同其它各项热损失相比较小，所以本文不再予以详细分析。
综上可知，结合调研结果及热工测试数据，为全面提高浦东新区燃煤工业锅炉的运行效率，实现系统的经济运行。应从着重从以下几个方面入手[7]：
1) 锅炉设备本身的问题。如炉拱改造，防止受热面积灰与结垢，增强排烟系统气密性，辅机配套，提高系统自控水平等。
2) 操作运行方面的问题。如提高司炉人员的操作水平，计量仪表配备完备，详细记录运行记录，完善锅炉房管理的各项规章制度等。
3) 生产安排上的问题。主要表现为及时应对锅炉负荷的变化，按时检修，加强维护等。
4) 燃料方面的问题。如提高锅炉实际用燃料规格，尽量缩小燃料品种与设计时的偏差。
5) 强化节能措施的实施。如实现冷凝、余热回收，配备鼓风及引风调节装置，优化燃烧过程等。
浦东新区燃煤工业锅炉节能潜力分析
在本次测试中发现，对于实测的84台燃煤工业锅炉，大部分锅炉节能措施实施情况较差，锅炉配风系统及烟道的密闭性也有待进一步提高，风量调节设备配置不齐，对于一些使用年限较长的锅炉系统，维修保养及自控改造工作落实不到位，司炉人员的操作技术不够熟练，这些问题的存在都将严重制约着锅炉系统的运行效率。因此，若能够采用合理的节能措施，即可全面降低各部分热损失，最终可实现锅炉系统的高效运行。通过对前期各项测试数据的分析，对于所测试的60台D=4t/h的燃煤工业锅炉中，列为重点节能对象的有19台，未改造前，这19台锅炉的热效率及年耗煤量如图3所示。
图3重点节能对象未改造前热效率及耗煤量对比图(D=4t/h)
由图3可以看出，这19台重点节能对象，在节能改造前，其热效率绝大部分低于70%，与经济运行效率相差较大。但也有个别锅炉的热效率高于70%，之所以也被列为重点节能对象，是因为该部分锅炉的年耗煤量较大，最大可达6500t/年，因此在实施节能过程中，即使热效率的提高幅度不大，也会节省相当可观的耗煤量。
因此，基于上述分析，通过对实际锅炉运行情况的调查，估算出节能对象的具体节能情况如图4所示。
图4 重点节能对象改造后节能情况(D=4t/h)
由图4可以看出，如果对该部分锅炉进行节能改造，每年可节煤3989t，约占这部分锅炉年耗煤总量的9%。由此可见，经济效益相当客观。
4 结论
本文通过对上海市浦东新区燃煤工业锅炉运行状况的调研测试，分析了造成锅炉低效运行的原因，提出了相应的改善措施。具体结论如下：
(1) 对于工业锅炉各项运行指标，其节能监测合格要求整体低于经济运行合格要求。即当锅炉的各项运行指标达到了合理用热最低规定值，可能满足监测指标，但不一定处于经济运行状态。在本次测试的60台D=4t/h的燃煤工业锅炉中，在《工业锅炉节能监测方法》(GB/T 15317-94)标准的要求下，工业锅炉的各项测试项目达标情况良好，但在《工业锅炉经济运行》(GB/T 17954-2000)标准的要求下，本次测试的锅炉热效率达标率不足50%。
(2) 在调研过程中发现，在监测的60台D=4t/h的燃煤工业锅炉中，节能措施实施较差，如余热回收，分层燃烧和炉拱改造等节能方式在实际运行的过程中基本没有体现，在一定程度上制约着锅炉热效率的进一步提高。
(3) 在本次监测过程中发现，各项测试项目达标情况差异较大，其中排烟温度、炉渣含碳量和炉体外表面温度达标情况良好，但由于锅炉系统的风量调节装置及监测装置的配备不齐，导致排烟处空气过量系数的达标情况较差，在很大程度上影响了锅炉的热效率。
(4) 在测试的60台D=4t/h的燃煤工业锅炉中，经数据分析，最终被列为重点节能对象的有19台。如果全部进行节能改造，每年可节煤3989t，约占这部分锅炉年耗煤总量的9%，所实现的经济效益尤为可观。
