文/余德祖 閔 德

鍋爐給水節(jié)能裝置研究

文/余德祖 閔 德

節(jié)能對高能耗鍋爐尤為重要。本文主要對一種新的鍋爐給水側(cè)節(jié)能裝置效果驗證實驗的建立，該裝置的理論依據(jù)，實驗室建立，實驗過程和裝置節(jié)能效果進行了闡述。希望該裝置的開發(fā)能為提升我國鍋爐節(jié)能水平出份力。

節(jié)能裝置 實驗室對比試驗 水的汽化熱測定

我國是個產(chǎn)煤大國，也是煤炭消費大國。2012年產(chǎn)原煤37億t，占世界煤炭產(chǎn)量的一半，其中，21%用于工業(yè)鍋爐。工業(yè)鍋爐是耗能的重點設備，也是節(jié)能減排的重點對象。

全國現(xiàn)有各類工業(yè)鍋爐約60萬臺，消耗原煤約7.77億t/Y（由于煤爐所占比例較大，油、汽爐暫未列入）。煤鍋爐平均運行效率約65%，若鍋爐節(jié)能率提高3%，則可減少用原煤3 586.2萬t/Y，可減少二氧化硫排放30.84萬t/Y，減少氮氧化物30.72萬t/Y。

通常，工業(yè)鍋爐的節(jié)能技術(shù)基本上采用的是煙氣側(cè)的節(jié)能技術(shù)。它建立在熱力學第一定理的基礎(chǔ)上，能定量或在理論上給出該節(jié)能裝置的節(jié)能效率，且還能夠通過相應的熱工測試來驗證該節(jié)能裝置的節(jié)能效果是否與原設計相一致。鍋爐給水節(jié)能微觀處理關(guān)鍵技術(shù)研究所研發(fā)的節(jié)能裝置（以下簡稱“節(jié)能裝置”）是一種全新的、唯一的在水側(cè)具有節(jié)能效果的裝置。該裝置已獲實用新型專利和發(fā)明專利。

目前，已有相關(guān)權(quán)威機構(gòu)試驗證明：該裝置在同樣條件下，水在汽化過程中可減少能源消耗量，提高了鍋爐的運行效率，節(jié)能率達到3%以上。節(jié)能裝置所產(chǎn)生的節(jié)能作用發(fā)生在鍋筒內(nèi)水—汽轉(zhuǎn)換的過程中，已有實際效果的顯現(xiàn)。

一、課題研究的理論依據(jù)

鍋爐的給水與自然界的大部分水一樣，其分子排列都是處于無序狀態(tài)。由于水分子之間具有相互間的引力（即范德華力），水的正常沸騰汽化需要提供能量來克服這部分引力，使其從原本混亂無序狀態(tài)變?yōu)轫樞驙顟B(tài)，并且拉長了水分子之間的距離，形成了蒸汽的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

從水到蒸汽，其工藝順序表現(xiàn)為：原本混亂無序的原水分子（吸取外部能量）→按順序排列的分子 →（在飽和狀態(tài)進一步吸取外部能量后）被拉長距離的分子（水蒸氣）。

鍋爐給水流經(jīng)本技術(shù)的“鍋爐節(jié)能系統(tǒng)”與內(nèi)部的“單體處理器單元”接觸，受釋放自由電子的作用而攜帶電子，水中攜帶的自由電子在電荷的作用下形成周圍6～8個水分子與之結(jié)合的水合電子，水合電子的形成，部分破壞了原有水分子之間形成的氫鍵和分子間的引力，從而降低了液態(tài)水分子之間的結(jié)合力。經(jīng)處理后的原水輸送給鍋爐，在鍋爐中燃料燃燒的能量僅需進一步拉長水分子的間距即可完成汽化過程。

本研究的節(jié)能裝置核心部件“單體處理器單元”具有特異性能的稀土合金，能完成上述過程。

二、實驗目標及建立

1. 實驗目標

“單體處理器單元”在前期實驗室研究中證實經(jīng)處理后的水具有水合電子。在高精度差熱分析儀數(shù)據(jù)整理后，亦發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理過的水在汽化過程中所需的外部能量減少了7%。

本課題的目標是通過試驗室建立模擬試驗臺（排除在用鍋爐試驗中影響運行效率的不可控因素），同時，模擬鍋爐實際運行狀態(tài)，以獲取本節(jié)能裝置精確的、可靠的節(jié)能率，以便了解安裝了該裝置后對鍋爐系統(tǒng)的影響。如，該裝置加入系統(tǒng)后對系統(tǒng)阻力的影響等等。

2. 實驗研究主要步驟

作為一種有特殊功能的節(jié)能裝置，我們通過試驗來揭示并證實這個現(xiàn)象的客觀存在，并讓它為社會服務，為全國的節(jié)能減排出一份力。

① 建立試驗室

在試驗室中布置兩臺容量相同的電加熱鍋爐，進行節(jié)能率變化的試驗研究，完成揭示節(jié)能現(xiàn)象的數(shù)據(jù)庫，進而系統(tǒng)地分析、篩選相關(guān)數(shù)據(jù)，探索改進方法，不斷完善裝置的性能，為該產(chǎn)品定型明確路徑。

設計制作汽化潛熱檢測裝置。通過對不同壓力下，使用該節(jié)能裝置后水的汽化潛熱變化范圍進行測量，定量地給出精確可靠的節(jié)能率。

② 工業(yè)性試驗

和用戶結(jié)合，在各種不同燃料、不同水質(zhì)和不同容量的鍋爐上裝上該裝置，進行同期能耗對比，逐臺檢驗本裝置的節(jié)能效果。通過大量在用鍋爐的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比，可以清晰地反映節(jié)能效果的真實性，為后續(xù)品質(zhì)等工作打下基礎(chǔ)。

3. 實驗研究的過程

① 實驗準備

試驗臺的設計：工業(yè)鍋爐運行效率的變化，涉及到燃料品種和特性的不一致、司爐操作工技能的不一致、季節(jié)變化引起的周邊溫度不一致、鍋爐變工況運行等等因素。若不排除這些因素，5%左右效率的提高很可能會淹沒在這些因素變化當中而被忽視。

試驗臺設計必須考慮這些因素。因此，我們選用了美國某品牌電鍋爐、標準水箱、能輸出校核系統(tǒng)、恒溫試驗室等等，進行平行汽化熱測定。為此研究設計并制作了水的汽化熱測定儀（圖1）。

圖1 實驗臺系統(tǒng)圖

② 試驗方法

對比試驗是相對比較法試驗，試驗在同一臺鍋爐上進行，具有設備性能同一性、可比性，測量裝置的系統(tǒng)誤差具有同向性，精度高，平行進行水的汽化熱測定。

③ 試驗過程

本底空白試驗，按GB/T 10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》標準執(zhí)行。關(guān)閉節(jié)能器進出水閥門，打開旁路閥門。使鍋爐按常規(guī)鍋爐房運行方式正常運行。

在試驗裝置進入穩(wěn)定狀態(tài)后，開始正式記錄試驗室溫度、氣壓、濕度、壓力能耗等15個數(shù)據(jù)，每5 s刷新一次。穩(wěn)定狀態(tài)的定義見表1。

表1 穩(wěn)定狀態(tài)的定義

鍋爐給水流量、冷卻水重量等經(jīng)稱重、記錄，蒸汽濕度用DDS-11A型電導率儀測定并記錄。

易爾思系統(tǒng)投運后的試驗。開啟易爾思系統(tǒng)進出水閥門，關(guān)閉旁路閥門，使鍋爐系統(tǒng)按常規(guī)鍋爐房設備+易爾思系統(tǒng)方式運行。易爾思系統(tǒng)投入試驗后，每天進行正式試驗2～3次，每次正式試驗時間2 h。

在上述試驗同時用汽化熱測定儀（見圖2）平行進行“處理前、后給水”水的汽化熱測定。

圖2 汽化熱測定儀

我們設計的汽化熱測定儀是采用直接測量法。它直接測量在一定壓力下液體汽化時所吸收的實際熱量。該方法對測量裝置（絕熱條件、測量儀表和時間掌控等）的要求較高，其次對數(shù)據(jù)處理的水準亦有一定要求。該裝置已獲實用新型專利。在試驗期間，由上海市專業(yè)能源監(jiān)測站隨機檢測二次鍋爐效率。

三、實驗研究成果

1. 研究結(jié)果證實

該水的微觀處理技術(shù)“單體處理器單元”具有減少水在汽化過程中對外部能量的需求作用。研究證實使用該技術(shù)后，鍋爐平均熱效率提高6.92%，單位蒸發(fā)量電耗下降0.048 9 kWh/kg。

2. 隨機抽檢結(jié)果

上海市檢測機構(gòu)隨機抽檢結(jié)果：平均鍋爐熱效率提高9.04%，單位蒸發(fā)量電耗下降0.069 kWh/ kg，節(jié)能率8.16%。微觀處理技術(shù)的裝置加入系統(tǒng)后，對原系統(tǒng)的阻力增加小于0.05 Mpa，這個量級的增加對鍋爐給水系統(tǒng)的系統(tǒng)阻力可以忽略不計。

上述試驗數(shù)據(jù)均已達到并超過了任務書的技術(shù)指標考核要求，在此研究基礎(chǔ)上已將成果轉(zhuǎn)化為“ES“系列產(chǎn)品“水汽相變節(jié)能裝置”。

四、主要問題和設想

實驗室籌建初期設想是由二套獨立的鍋爐系統(tǒng)組成，一套不安裝易爾思系統(tǒng)運行，另一套安裝易爾思系統(tǒng)運行，分別采集數(shù)據(jù)進行比對。但是，由于同一廠商、同一型號的鍋爐、計量器具等的實際誤差均不可能完全一致。同時，相關(guān)專家也建議為保證試驗精度，應在同一系統(tǒng)上作對比試驗更為科學（系統(tǒng)設有旁路，可以根據(jù)試驗需要投入或切換易爾思系統(tǒng)）。實際試驗在同一系統(tǒng)中進行。試驗期間，實驗室大氣壓相對穩(wěn)定，室溫恒定，試驗環(huán)境是穩(wěn)定的。試驗采用電鍋爐，穩(wěn)定性好，最大程度地排除了環(huán)境和能源波動對試驗的干擾，保證了鍋爐運行數(shù)據(jù)采集的一致性。

本次試驗構(gòu)建的運行系統(tǒng)按照常規(guī)工業(yè)鍋爐鍋爐房實際運行狀態(tài)來配置，試驗過程按照GB/T 10180-2003標準執(zhí)行，數(shù)據(jù)計算方法按照鍋爐正平衡效率計算，數(shù)據(jù)采集采用電腦自動記錄，排除了人為記錄誤差，數(shù)據(jù)具有可靠性。

此試驗確認了鍋爐微觀處理節(jié)能技術(shù)“單體處理器單元”的有效性、可靠性和穩(wěn)定性，推測了其作用原理。但其確切的機理和理論基礎(chǔ)，建議有關(guān)部門立項，進行深入和擴大研究。

Energy saving is particularly important for high energy boiler. This paper focuses on the establishment of the experiment which is able to verify the effectiveness of a new energysaving device at boiler water feeding side. The paper describes the theory of the new device, the establishment of the laboratory, the analysis of the experimental process, and conclusions of the device. Through this new device, the paper intends to make contribution to upgrade the development level of domestic energy-saving boiler.

Energy saving devices; Laboratory experiment; The determination of heat of vaporization of water

（作者單位：上海易爾思節(jié)能系統(tǒng)有限公司）