韓樹新 趙輝

【摘要】本課題主要開發(fā)面向燃煤、燃油（氣）及有機(jī)熱載體鍋爐的集成快速能效測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠使測試人員采用集成便攜式能效測試儀及相關(guān)軟件，在線數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場樣品測試分析，在線計(jì)算，快速得出實(shí)時(shí)熱效率和各項(xiàng)熱損失；并通過該項(xiàng)目的開發(fā)，建立工業(yè)鍋爐能效評價(jià)體系，根據(jù)能效指標(biāo)判定軟件評定鍋爐節(jié)能等級(jí)，現(xiàn)場得出測試報(bào)告，指導(dǎo)企業(yè)節(jié)能改造。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)鍋爐 在線 能效測試 熱效率 節(jié)能改造

1 工業(yè)鍋爐節(jié)能減排迫切性

工業(yè)鍋爐是我國重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，主要指壓力P≤2.45MPa和容量D≤45.5 MW（或≤65t/h）的工業(yè)用蒸汽鍋爐、采暖熱水鍋爐、民用生活鍋爐、自備熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐、特種用途鍋爐和余熱鍋爐。目前，我國工業(yè)鍋爐現(xiàn)狀如下：數(shù)量：截至2009年底，我國在用鍋爐總臺(tái)數(shù)約59.52萬臺(tái)，其中：電站鍋爐約0.8萬臺(tái)，工業(yè)鍋爐約58.72萬臺(tái)（從燃料結(jié)構(gòu)上看，燃煤鍋爐占總量的80%以上，燃油、氣鍋爐約占15%，電加熱鍋爐占1%左右，其余為生物質(zhì)、垃圾鍋爐等）；分布：工業(yè)鍋爐量大面廣，平均容量小，且以燃煤為主，布點(diǎn)分散，難以集中治理；能耗：工業(yè)用煤 80%用于工業(yè)鍋爐燃燒，年耗煤量達(dá)4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。目前我國燃油、氣工業(yè)鍋爐的實(shí)際熱效率平均在80%～85%，燃煤工業(yè)鍋爐的實(shí)際熱效率平均僅為60%～65%，而發(fā)達(dá)國家的燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行熱效率平均為80%～85% 。由于工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率不高，能源浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重，每年多耗用燃煤約6000萬噸；管理：司爐工管理不到位，管理粗放，運(yùn)行浪費(fèi)嚴(yán)重；保養(yǎng)：日常維護(hù)不及時(shí)，系統(tǒng)存在跑、冒、滴、漏，傳熱部件存在積灰結(jié)碳現(xiàn)象等，同樣造成能源浪費(fèi)。

2 開展工業(yè)鍋爐快速能效測試必要性

工業(yè)鍋爐能效測試是“把脈”鍋爐能耗的最有效方法。它能夠找出造成鍋爐能量損失的主要因素，以針對性的技術(shù)指導(dǎo)幫助企業(yè)改造鍋爐，促進(jìn)節(jié)能減排。當(dāng)前，工業(yè)鍋爐節(jié)能降耗工作的瓶頸就是鍋爐能效測試技術(shù)能力嚴(yán)重不足和缺乏高效的節(jié)能監(jiān)管手段。我國工業(yè)鍋爐數(shù)量眾多，使用分散，企業(yè)節(jié)能意識(shí)淡薄，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，是節(jié)能減排的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，國家非常重視工業(yè)鍋爐的能效測試工作。國家質(zhì)檢總局近期剛頒布的《高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理辦法》；TSG G0002-2010 《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》；TSG G0003-2010 《工業(yè)鍋爐能效測試與評價(jià)規(guī)則》，就是對工業(yè)鍋爐能效測試的規(guī)范和指導(dǎo)。目前，我國工業(yè)鍋爐能效測試工作剛剛起步，許多地區(qū)能效測試工作還未展開，國家質(zhì)檢總局雖然頒布了相關(guān)規(guī)程，但并未給出具體的測試技術(shù)和實(shí)施方法，且各地開展能效測試方法多種多樣，并不統(tǒng)一，急需有效的鍋爐能效測試手段。因此，開發(fā)一種面向工業(yè)鍋爐的具有通用、快速、高效的能效測試系統(tǒng)勢在必行。該系統(tǒng)能夠使測試人員采用集成便攜式能效測試儀及軟件，在線數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場樣品測試分析，在線計(jì)算，快速得出實(shí)時(shí)熱效率和各項(xiàng)熱損失，并現(xiàn)場出測試報(bào)告。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

目前，關(guān)于鍋爐能效測試及節(jié)能監(jiān)測課題的研究主要集中在電站鍋爐上，文獻(xiàn)主要介紹了電站鍋爐熱效率軟件的開發(fā)和制作，軟件側(cè)重于離線計(jì)算，即根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行離線計(jì)算，得出鍋爐熱效率；文獻(xiàn)主要介紹了在線檢測技術(shù)用于鍋爐熱效率計(jì)算軟件的開發(fā)和制作。雖然，電站鍋爐能效測試技術(shù)開展廣泛，且手段先進(jìn)，但是電站鍋爐能效測試計(jì)算模型針對性較強(qiáng)，對測量有較高要求，計(jì)算過程復(fù)雜，并不適用于工業(yè)鍋爐能效測試。

總體來說，以上相關(guān)鍋爐能效測試課題研究主要側(cè)重于熱效率計(jì)算模型，且軟件開發(fā)過多集中在電站鍋爐能效測試上；工業(yè)鍋爐熱效率的測試大多是離線進(jìn)行，主要采用熱平衡試驗(yàn)法，而用于現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測有一定的困難；系統(tǒng)地對工業(yè)鍋爐在線測試技術(shù)研究較少，特別是便攜式（或車載式）快速在線測試儀器及軟件的集成開發(fā)幾乎沒有涉及；另外，工業(yè)鍋爐在線節(jié)能監(jiān)控裝置的研制也未涉及。因此，開展面向工業(yè)鍋爐的，具有通用、快速、高效的能效測試技術(shù)和在線節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用能夠?qū)ξ覈I(yè)鍋爐的節(jié)能降耗工作起到非常大的推進(jìn)作用。

4 研究方案和技術(shù)路線

4.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

開發(fā)面向燃煤、燃油（氣）及有機(jī)熱載體鍋爐的集成快速能效測試系統(tǒng)，能夠使測試人員采用集成便攜式能效測試儀及軟件，在線數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場樣品測試分析，在線計(jì)算，快速得出實(shí)時(shí)熱效率和各項(xiàng)熱損失現(xiàn)場得出測試報(bào)告，該測試技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）便攜式（或車載式）快速能效測試系統(tǒng)攜帶方便、便于拆裝，利于推廣應(yīng)用；

（2）快速能效測試系統(tǒng)集成現(xiàn)場能效數(shù)據(jù)采集、樣品現(xiàn)場測試分析及在線計(jì)算于一體，省去了樣品實(shí)驗(yàn)室分析和離線計(jì)算兩個(gè)步驟，使得能效測試時(shí)間快、效率高、人員少及測試結(jié)果誤差較??；

（3）能現(xiàn)場得出能效測試報(bào)告，并根據(jù)各項(xiàng)熱損失快速對企業(yè)提出鍋爐節(jié)能整改措施。

該測試系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用能夠使工業(yè)鍋爐能效檢測形成集能耗診斷、在線實(shí)時(shí)節(jié)能監(jiān)測、現(xiàn)場出報(bào)告為一體的鍋爐能耗測試完備體系。

4.2 技術(shù)路線

根據(jù)TSG G0003-2010的規(guī)定，能效測試方法分為三種，分別為鍋爐定型產(chǎn)品熱效率測試，鍋爐運(yùn)行工況熱效率詳細(xì)測試和鍋爐運(yùn)行工況熱效率簡單測試。其中，前兩種方法適用于鍋爐定型產(chǎn)品能效評價(jià)和節(jié)能診斷，后一種方法適用于運(yùn)行鍋爐定期能效快速判定。

鍋爐定型產(chǎn)品測試和運(yùn)行鍋爐詳細(xì)測試的測試方法依據(jù)GB/T 10180-2010，測試內(nèi)容復(fù)雜，項(xiàng)目繁多，測試結(jié)果精確度要高。該測試技術(shù)路線設(shè)計(jì)為：測試人員通過能效測試儀器現(xiàn)場采集能效數(shù)據(jù)，測試樣品拿回實(shí)驗(yàn)室測試分析，再通過離線計(jì)算軟件，確定鍋爐熱效率和各項(xiàng)熱損失，最后得出能效測試報(bào)告及提出鍋爐節(jié)能整改意見。因此，離線計(jì)算軟件的開發(fā)成為關(guān)鍵所在。目前，國內(nèi)電站鍋爐熱效率計(jì)算軟件的開發(fā)已很成熟，每個(gè)電廠都有適合自己鍋爐的能效計(jì)算軟件。而工業(yè)鍋爐由于品種廣泛，數(shù)量眾多，各地開發(fā)的能效計(jì)算軟件紛繁復(fù)雜，很難有效地推廣使用，因此，開發(fā)通用的工業(yè)鍋爐離線熱效率計(jì)算軟件成為本課題研究的關(guān)鍵問題之一。

鍋爐運(yùn)行工況熱效率簡單測試方法用于定期能效快速判定，重在快速，即快速檢測儀器的研制和計(jì)算軟件的開發(fā)。因此，該技術(shù)路線設(shè)計(jì)為：測試人員采用集成便攜式能效測試儀及軟件，在線數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場樣品測試分析，在線計(jì)算，快速得出實(shí)時(shí)熱效率和各項(xiàng)熱損失，然后根據(jù)不確定度分析原理優(yōu)化測試結(jié)果，再根據(jù)能效指標(biāo)判定軟件評定鍋爐節(jié)能等級(jí)，最后現(xiàn)場得出測試報(bào)告，并根據(jù)測試內(nèi)容指導(dǎo)企業(yè)節(jié)能改造。其中：集成快速便攜式能效測試儀器、通用能效測試在線計(jì)算軟件和能效指標(biāo)判定軟件的開發(fā)成為本課題研究的關(guān)鍵問題所在。

5 技術(shù)關(guān)鍵及難點(diǎn)

5.1 便攜式集成快速能效測試儀器研制

燃煤鍋爐在能效測試過程中，燃煤特性對鍋爐熱效率的計(jì)算影響很大。目前，國內(nèi)煤質(zhì)分析主要通過實(shí)驗(yàn)室工業(yè)分析儀和元素分析儀等進(jìn)行離線分析，灰渣含碳量也是采用離線設(shè)備進(jìn)行分析得出。如果能夠?qū)崿F(xiàn)煤質(zhì)、灰渣的在線分析，即從采樣傳送、預(yù)處理、煤質(zhì)分析工業(yè)分析和元素分析、灰渣含碳量全過程的無人值守在線分析系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)和溫度采集、煙氣分析等（能夠在線采集）集成成一套便攜式或車載式能效測試裝置（即在線能效參數(shù)采集與樣品現(xiàn)場分析集成），則可實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐快速能效數(shù)據(jù)采集。

效測試儀器研制的難點(diǎn)在于煤質(zhì)在線分析，灰渣在線收集及在線分析。鍋爐能效測試的溫度采集、排煙測量等可實(shí)現(xiàn)快速、在線數(shù)據(jù)采集；煤質(zhì)分析（工業(yè)分析、元素分析）主要靠離線設(shè)備實(shí)驗(yàn)室分析得出，目前煤質(zhì)的工業(yè)分析（灰份、水分和發(fā)熱量）能夠達(dá)到在線檢測的要求，國內(nèi)已有在線檢測設(shè)備；而煤燃燒后的灰渣（飛灰、灰渣）含碳量也是采用離線設(shè)備進(jìn)行分析得出，能否在線測量灰渣含碳量，是該儀器開發(fā)關(guān)鍵。5.2 煤質(zhì)元素在線分析預(yù)測模型研究

煤質(zhì)特性分析包括煤的工業(yè)分析、元素分析和燃燒特性分析。煤的元素分析是確定煤中有機(jī)物的碳、氫、氧、氮、硫等含量的百分比。它們是燃煤鍋爐能效計(jì)算中所必須的原始數(shù)據(jù)。但測定元素分析成分的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多，時(shí)間長，操作復(fù)雜，對化驗(yàn)人員的要求高，工業(yè)鍋爐使用企業(yè)甚至根本無力開展此項(xiàng)目。目前，煤的在線工業(yè)分析試驗(yàn)較簡單，已實(shí)現(xiàn)在線檢測。如果利用煤質(zhì)在線工業(yè)分析數(shù)據(jù)，建立快速計(jì)算元素分析模型，則來簡化煤質(zhì)在線測試難度，為能效測試在線計(jì)算模型的研究提供便利手段。

5.3 灰渣（飛灰、灰渣）含碳量預(yù)測模型研究

燃煤鍋爐在能效測試過程中，如果灰渣含碳量的在線檢測研究比較困難，我們可采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為工具建立鍋爐運(yùn)行中飛灰含碳量預(yù)測模型。這樣可以簡化在線測試，為工業(yè)鍋爐的熱效率在線檢測系統(tǒng)的研究提供便利手段。

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