工业锅炉能效测试正平衡法和反平衡法浅析

ebuuhulneh

摘 要：TSG G0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》[1]对锅炉节能方面的设计、制造、安装、维修改造、使用、检驗检测、能效指标等方面做出了相应的规定，并对工业锅炉能效测试方法进行了规范。对于工业锅炉能效测试，提出了正平衡法和反平衡法两种测试方法，本文主要从工业锅炉能效测试原理出发，对上述两种测试方法进行分析比较。
关键词：工业锅炉能效测试;正平衡法;反平衡法
中图分类号：TK31 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0081-02
0 引言
工业锅炉能效测试，是工业锅炉在稳定（即正常燃烧状态下）工况下，测定其各种热工性能参数，从而对锅炉能效状况作以判断。能效测试的主要项目包括介质流量、温度、进出口压力;燃料、炉渣、漏煤、飞灰等重量;排烟温度、烟气成分分析等一系列参数。通过这些数据的测量，计算出气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失、排烟热损失、散热损失、灰渣物理热损失、锅炉热效率及锅炉出力等。通过测试，能够确定锅炉的热效率，明确锅炉各项热损失的大小，分析造成各项热损失的原因并寻求降低热损失的方法，以提高锅炉的热效率。
1 工业锅炉能效测试原理
工业锅炉能效测试原理是依据锅炉热平衡原理。锅炉热平衡是指锅炉在稳定运行状态下，锅炉的输入热量与输出热量以及各项热损失之间热量的平衡关系。
锅炉输入热量与锅炉有效利用热量及各项热损失的平衡关系，用数学公式来表示，即为锅炉的热平衡方程式。它是以1kg固体、液体燃料或标准状态下1m3气体燃料为基准来计算的[2]。其公式为：
（1）
式中：——锅炉输入热量，kJ/kg或kJ/m3;——锅炉输出热量，kJ/kg或kJ/m3;——排烟热损失，kJ/kg或kJ/m3;——气体未完全燃烧热损失，kJ/kg或kJ/m3;——固体未完全燃烧热损失，kJ/kg或kJ/m3;——散热损失，kJ/kg或kJ/m3;——灰渣物理热损失，kJ/kg或kJ/m3。
将上式两边都除以Qr再乘100，则得：
（2）
式中：（i=1～6），分别表示有效利用热及各项热损失占输入热量的百分比。
式中：——锅炉输出热量占锅炉输入热量的百分率，%;——排烟热损失，%;——气体未完全燃烧热损失，%;——固体未完全燃烧热损失，%;——散热损失，%;——灰渣物理热损失，%。
图1所示为一台锅炉的热平衡示意图。煤送入锅炉燃烧放出热量并生成高温烟气，当高温烟气流经炉膛和对流烟道时，在炉膛水冷壁、过热器、对流管束、省煤器中，将热量通过受热面传给水和蒸汽，将饱和蒸汽加热成过热蒸汽，这部分热量即为有效利用热量Q1。空气在空气预热器中吸收的热量，又随热空气送入炉膛，这部分热量在锅炉内部循环，因此在锅炉热平衡中不予考虑。锅炉输入热量中，除有效利用热以外，均为各种热损失。
根据上述原理，可将工业锅炉能效测试分为正平衡法和反平衡法。
正平衡法就是直接测量锅炉输入热量Qr和输出热量Q1来确定效率的方法，即锅炉输出热量占锅炉输入热量的百分率，利用此法求得的效率称为锅炉正平衡效率。其公式为：               （3）
反平衡法是通过测定各种燃烧产物热损失和锅炉散热损失来确定效率的方法，利用此法求得的效率称为锅炉反平衡效率。其公式为：
（4）
2 正平衡法和反平衡法的比较
2.1 正平衡法分析
正平衡法的特点是比较直观，只要能精确称量入炉燃料的质量（或体积），并精确测得其低位发热量，再测得锅炉实际出力、压力，即可运用公式计算出正平衡效率。此方法能够直接测量输入、输出热量，需要测量的量较少，但是不能测出锅炉的各项热损失。一般来说，只要所测燃料取样有较精确的代表性，测得的低位发热量与实际测试用煤很接近的话，则其效率的精确度是较高的。
对于测试结果精确度的影响，存在很多因素：（1）煤质（燃料）稳定情况。取样的代表性，称重的精度，样品的缩分等，样品的装瓶、封口、储存、运输等环节要符合标准要求。（2）煤样（燃料）的化验。所用仪器仪表的精度，人员的操作水平，都会极大影响低位发热量的精度，从而决定了测试结果是否精确。（3）测试仪器、仪表质量，精度是否满足测试要求。计量检定要在有效期内，现场安装要蒸汽，环境条件要符合要求（温度、风力等）。（4）测试对象是否正确。如锅炉出力，对饱和蒸汽锅炉只测进水流量，而不允许测蒸汽出口流量，这是因为饱和蒸汽都携带一定量的水粒，其携带量不仅对各种锅炉型式、锅内分离装置的不同而相差很大。即使上述情况均一样，由于分离装置制造质量好坏也有变化，还与测试时锅水的质量有关。（5）测试数据的判断和计算。在整个测试过程中，对某一类数据中出现个别数据差异较大，测试人员应能判别其是否正常而决定取舍。同时，在测试过程中，应经常查看几个主要参数，如给水量、给煤量等，这样可以判断出测试过程中是否正常。（6）还有一些意外情况出现，如突然出现较短时间的停电，给煤系统，鼓引风系统有故障等。
在上述影响精确度的诸多因素中，人员的技术水平是首位的。若能保证人员的技术水平，基本就可以保证测试的精确度。
2.2 反平衡法分析
反平衡法能够分析造成各项热损失的原因和找出降低热损失的方法，找出影响锅炉热效率的主要因素，但需要测量的量比较多。对于何时采用反平衡法进行能效测试，主要是在正平衡法测试有困难的情况下，其主要包含以下几点：
（1）在进行工业锅炉能效测试过程中，由于锅炉吨位很大，导致燃料消耗量巨大，用上煤小车过磅的办法难以对燃料消耗量进行计量;（2）虽然有机械化上煤称重设备，但如果在实际测试时，两台锅炉同时运行不能停炉，导致煤的称重无法分开;（3）大型煤斗是密封的，平仓较难，煤斗煤位不易控制。对锅炉进行热平衡测试就是为了计算输入热量在锅炉内部的利用情况，测算多少热量被利用，多少热量被损失，确定锅炉热效率以及损失的分布状况，进而分析产生原因，为提高锅炉的热效率寻找最佳的途径。
2.3 正平衡法和反平衡法的比较
从人为因素来看，采用正平衡法测试时，由于取样代表性不好，燃料消耗量计量以及平煤仓等存在一些人为因素，所以导致正平衡效率值相差较大。而反平衡法测试中，q2～q6值主要取决于仪器、仪表的稳定性及精度，虽然灰渣取样还受一些人为影响，但其数值相对要小很多。因此，反平衡法测试的效率人為因素要少一些。
从测试精度来看，采用正平衡法和反平衡法测试，也存在差异，在保证计量准确的情况下，反平衡法比正平衡法要高。如果全部损失与外来热量是总输入热量的10%，则其1%的测量误差将仅对热效率值造成0.1%的误差，而测量燃料重量、给水流量时，1%的误差就会对效率造成1%的误差。正是由于避免了精度很低，对测试结果影响很大的给煤量和给水流量的直接测量，而只测量占总能量份额很小、测量精度对测试整体精度的影响较小的各项损失值，反平衡法比正平衡法精确。通过大量试验分析，给出了锅炉效率试验不确定度的典型范围值，见表1所示。
从表1中可以看出，反平衡法测试的不确定度较小，这是因为用于确定效率的量，即各项损失的数值，相对于正平衡法要小很多，所以反平衡法的精度要高于正平衡法的精度。
3 结语
对于工业锅炉能效测试方法的选择，可以从测试的目的出发，如果是单纯了解锅炉热效率，采用正平衡可以得到;如果是用于锅炉设计或锅炉改造等，目的是提高锅炉热效率，则需采用反平衡法测试，了解各项热损失的大小，从中找出降低热损失的原因，进而提高热效率。
参考文献
[1] 国家质量监督检验检疫总局.工业锅炉能效测试与评价规：TSGG0003-2010[S].北京：新华出版社，2010.
[2] 林宗虎，徐通模.实用锅炉手册[M].第二版.北京：化学工业出版社，2009.