常勇强;李季;吴冰;齐国利瞬时速度中心
【摘 要】Condensing boilers can retrieve both the latent heat and sensible heat in fule gas,which lead to boiler efficiency can up to 105％.Because of its energy saving features,condensing boilers develop rapidly recent years in our country.The calculational methods of heat loss of exit gas in both GB/T10180-2003 "Thermal performance test code for industrial boilers" and relevant information are only used in the absence of condensate.The paper researches heat loss of exit gas calculation method of condensing boilers.%冷凝式锅炉回收了排烟中的显热和水蒸气的凝结潜热,锅炉效率可达105％以上.由于其节能环保的特点,近年来冷凝锅炉在国内得到了快速发展.目前GB/T 10180-2003《工业锅炉热工性能试验规程》以及相关资料中的排烟热损失均只在无冷凝水析出的情况下适用,对于烟气中有冷凝的情况无法进行计算,本文对天然气冷凝锅炉排烟热损失计算方法进行了初步探讨. 酚醛纸板【期刊名称】《节能技术》
【年(卷),期】2017(035)002
【总页数】4页(P117-119,127)
【关键词】冷凝式锅炉;排烟热损失;烟气显热;烟气潜热;低位发热量
【作 者】常勇强;李季;吴冰;齐国利
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【作者单位】中国特种设备检测研究院,北京100029;中国石油大庆石化分公司,黑龙江大庆163714;中国石油大庆石化分公司,黑龙江大庆163714;中国特种设备检测研究院,北京100029
【正文语种】中 文
【中图分类】TK229
燃气锅炉与燃煤锅炉相比具有污染小、效率高、结构紧凑等优越性，但是燃气价格较高，和煤相比，天然气发热量高，可比价格(同等发热量下燃料价格比)约为煤的2～3倍(表1)。这不仅提高了设备的初投资，而且提高了锅炉的运行费用，造成居民供暖费用提高。一般
天然气热水锅炉排烟温度在160℃以上，蒸汽锅炉在180℃以上，有时甚至高达300℃，浪费了大量的能源[1]。
所谓冷凝式燃气锅炉就是使用冷凝式换热器将燃气锅炉排烟中部分或全部水蒸气冷凝下来，以提高锅炉热效率的燃气锅炉[2]。目前锅炉热效率均以低位发热值计算，尽管名义热效率较高，但由于天然气的高位发热量比低位发热量高10%左右，因而，大约10%的热量由水蒸气带走。冷凝锅炉将烟气中的水蒸气冷凝，回收了排烟中的部分显热和水蒸气的凝结潜热，明显提高锅炉热效率，充分利用了能源，降低了使用费用[3]。烟气中水蒸汽冷凝过程对部分气体，如SOx、NOx等，有一定吸收作用，降低了污染物的排放。冷凝式锅炉首先在西方国家得到开发与应用，20世纪70年代早期的能源危机促进了高效率冷凝式锅炉的发展[4]。由于其节能环保的特点，近年来冷凝锅炉在我国也得到了快速发展。然而，目前GB/T 10180-2003《工业锅炉热工性能试验规程》以及相关资料中的排烟热损失均只在无冷凝水析出的情况下适用，对于烟气中有冷凝的情况无法进行计算，本文对天然气锅炉排烟热损失的计算方法进行了探讨。
与固体燃料煤不同，天然气以C和H为主要可燃成分(煤以C为主)，由于含有相当多的氢元
素，烟气中水蒸气量较大，含有大量的水蒸气汽化潜热，大约10%的热量被随烟气排放出的水蒸气带走。表2给出了不同过量空气系数下烟气中水蒸气的容积成份(未冷凝情况下)。
烟气冷凝换热包括水蒸气冷凝换热和干烟气冷却换热。烟气从换热器进口到换热器出口，由于水蒸气的凝结造成烟气的组成发生变化，烟气的物性和冷凝换热系数均发生变化。当冷凝换热器的表面温度低于烟气露点温度时，烟气中水蒸气发生冷凝。烟气的冷凝过程是一个变化的过程，随着烟气温度的降低，当换热器壁面温度首先等于露点时，烟气中靠近壁面的水蒸气发生局部冷凝，此时烟气的主流温度高于露点。随着换热的进行，烟气主流温度低于露点，烟气开始主流区域也发生冷凝[5]。
若按理论计算，天然气烟气中水蒸气在烟气温度低于烟气中水露点温度时才发生冷凝。但在实际情况中，排烟温度低于100℃时已有冷凝液产生，这是由于换热器壁面温度低于露点温度，烟气中的水蒸气靠近壁面的发生局部冷凝。目前，烟气冷凝率还无法通过计算来确定的。在测试中需要根据测量冷凝段进出口烟气含湿量或称重冷凝水量来确定。
2.1 正平衡法
GB/T 10180-2003《工业锅炉热工性能试验规程》规定了锅炉热效率的测试和计算方法。在该规程中，热效率是以低位发热量为基准进行计算的。对于正平衡法，按照该规程，冷凝式燃气锅炉和普通燃气锅炉的热效率计算方法相同，计算公式为
式中 G(hcs-hjs)——输出热量/kJ; BQr——输入热量/kJ。
由于冷凝式燃气锅炉回收了排烟中水蒸气的潜热，而上述计算公式以低位发热量为基准进行计算，因此输出热量G(hcs-hjs)可以大于输入热量BQr，即冷凝式燃气锅炉的热效率有可能大于100%。
2.2 冷凝式燃气锅炉排烟热损失的计算
对于燃气锅炉，由于气体燃料燃烧后几乎没有灰分，更没有固体、液体燃料的机械不完全燃烧现象，即机械不完全燃烧热损失q4、灰渣物理热损失q6均为零；在锅炉正常运行的情况下，化学不完全燃烧热损失q3接近于零；散热损失q5和锅炉的炉型及维护结构有关，对于燃气锅炉，一般都是小型的快装炉，外表面积较小，并采用了高热阻及封闭的外罩壳作为保温层，q5也不大，并且随锅炉容量的增大而减少，如2.8 MW热水锅炉的q5约为2%。因此，燃气锅炉的最为主要的热损失是排烟热损失q2。
龙灯制作所谓的排烟热损失是指烟气离开末级受热面带走的热量，它取决于排烟温度和排烟量[6-7]。冷凝式燃气锅炉的烟气是高水分烟气，排烟温度低，有冷凝水出现，而《工业锅炉热工性能试验规程》以及相关资料中的排烟热损失均只在无冷凝水析出的情况下使用。分析认为，在有冷凝水析出的情况下，冷凝潜热的释放为高位热值能量的使用，当以低位发热量为基准进行计算时，该项热量可以理解为锅炉在低位发热量基础上额外利用的热量，这部分热量应在排烟热损失中予以排除。
轴流风机启动排烟热损失的计算公式
式中 Hlk——冷空气焓/kJ·Nm-3; Hpy——排烟处烟气焓/kJ·Nm-3; Hr——烟气中水冷凝释放潜热/kJ·Nm-3。
式中 Hgy——排烟中干烟气的焓值/kJ·Nm-3； Hps——排烟中水蒸气的焓值/kJ·Nm-3。
式中 αpy——排烟处过量空气系数； V0——理论空气量/Nm3·Nm-3； (ct)lk——冷空气平均低压比热容/kJ·Nm-3·℃-1； tlk——冷空气温度/℃。
式中 mls——单位体积燃气燃烧后的冷凝水量/kg·Nm-3； hr——水的汽化潜热/kJ·kg-1。
利用该方法计算锅炉的排烟热损失时，当烟气冷凝率大到一定程度的时候，排烟热损失的计算值会出现负值，这是由于烟气冷凝回收的潜热量大于烟气的显热损失，如果以高位发热量为基础，则不会出现这种情况。利用该方法计算锅炉的热效率，需要知道燃料的成分参数，锅炉排烟温度tpy，锅炉排烟处的过量空气系数α，燃烧空气的温度tlk，单位体积燃气燃烧后的冷凝水量mls，冷凝水的温度tls，即可算出锅炉的排烟热损失。
以一台LSS2-1.0-Q冷凝蒸汽锅炉(见图1)及一台添加了冷凝式换热器的WNS0.7-1.0/95/70-Q热水锅炉运行数据为例进行计算。
3.1 LSS2-1.0-Q锅炉计算
LSS2-1.0-Q锅炉运行中的天然气成分见表3，运行中燃料消耗量为Bb=158.7Nm3/h，给水流量Dgs=1 980 kg/h，冷凝器进口的给水温度tgs=20℃，冷凝器出口水温tjs=68℃，出口饱和蒸汽压力为0.92 MPa(表压)。冷凝水量mls=22 kg/h，冷凝器进口排烟温度为212℃，冷凝器出口排烟温度为86℃。排烟处过量空气系数α=1.128。
通过以上计算比较发现，使用本文推荐计算方法计算的LSS2-1.0-Q锅炉测试效率，冷凝器前后正平衡效率差为7.161%，反平衡效率差为7.072%，两者基本吻合。
3.2 WNS0.7-1.0/95/70-Q锅炉测试与计算数据
通过以上计算比较发现，WNS0.7-1.0/95/70-Q锅炉测试效率，冷凝器前后正平衡效率差为11.085%，反平衡效率差为11.332%，两者也基本吻合。
文中指出了，在有冷凝水析出的情况下，冷凝潜热的释放为高位热值能量的使用，当以低位发热量为基准进行计算时，该项热量可以理解为锅炉在低位发热量基础上额外利用的热量，这部分热量应在排烟热损失中予以排除。提出了适合冷凝水量有法计量的冷凝式燃气锅炉排烟热损失计算方法。
另外，在冷凝式燃气锅炉测试中，发现有的锅炉烟囱中冷凝水与冷凝器中的冷凝水从同一个冷凝回收口排出，或者几台锅炉冷凝水通过同一根管道排出，造成锅炉冷凝器的冷凝水量无法精确计量。因此，冷凝锅炉冷凝率测试及计算方法的进一步研究很有必要。
【相关文献】
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[2]车得福.冷凝式锅炉及其系统[M].北京:机械工业出版社，2002．
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[3]周振峰,冯楚隆,朱嘉俊，等.气气热交换器对燃气锅炉烟气热回收的节能效果分析[J]．节能技术，2016，34(2):146-148，168．
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