楊曉菁

(云南省節(jié)能監(jiān)察中心，昆明 650041)

0 引 言

近年來，在工業(yè)和民用領(lǐng)域，出現(xiàn)一些鍋爐，標(biāo)稱熱效率接近甚至超過百分之百，而且在實(shí)際工況的熱平衡測試中，測試結(jié)果也基本符合鍋爐標(biāo)稱情況。在這種情況下，測試人員或鍋爐使用方往往會對測試結(jié)果產(chǎn)生疑惑。這種情況是如何出現(xiàn)的，文中將與大家一起進(jìn)行分析。

以單一工質(zhì)飽和蒸汽鍋爐為例，在《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》(GB/T 10180-2017)中，鍋爐正平衡熱效率為：

其中分子部分為鍋爐有效輸出熱量，影響因素有給水流量、汽水參數(shù)、取樣取水量等，均通過實(shí)際測試計算得出；分母部分為B(燃料消耗量)×Qin(單位燃料輸入熱量)得到輸入熱量。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，

Qin=Qnet，v，ar+Qex+Qf+Qpu

其中影響因素Qex、Qf、Qpu分別是加熱燃料或外來熱量、燃料物理熱、自用蒸汽帶入熱量，Qnet.ν.ar為燃料收到基低位發(fā)熱值。加熱燃料外來熱量、燃料物理熱、自用蒸汽帶入熱量等均為現(xiàn)場測試計算準(zhǔn)確量，這里重點(diǎn)對燃料的發(fā)熱值進(jìn)行分析。

按我們國家的規(guī)定，煤的發(fā)熱量分為彈筒發(fā)熱量、高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量。一般，我們在實(shí)驗室利用氧彈熱量計對空氣干燥基煤樣進(jìn)行測定，計算得出空干基煤樣彈筒發(fā)熱量Qb，ad。再扣減實(shí)驗過程中的硝酸形成熱和硫酸校正熱后，得到空干基煤樣的恒容高位發(fā)熱量Qgr，v，ad。在實(shí)際燃料使用中，入爐燃煤并非干燥燃煤，是含有外在水分和內(nèi)在水分的。這部分水分在鍋爐燃燒中吸收煤燃燒產(chǎn)生的熱量，形成水蒸氣，并和燃煤中的有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的水蒸氣一起隨煙氣排放，其中所含的汽化潛熱是無法利用的。這種情況下，高位發(fā)熱量就不能真實(shí)體現(xiàn)實(shí)物燃煤在鍋爐中的有效輸入熱量。所以在實(shí)際應(yīng)用中，我們計算、平均通常采用煤的是收到基恒容低位發(fā)熱量Qnet，v，ar，既高位發(fā)熱量扣減掉燃煤中有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的水及煤的收到基全水分的汽化潛熱。

燃煤中含有一定量的硫。硫在鍋爐燃燒時會參加反應(yīng)，主要生成SO2，還有部分的SO3。SO3在煙道內(nèi)極易與煙氣中的水蒸氣結(jié)合生成硫酸蒸汽。硫酸蒸汽的露點(diǎn)溫度大大高于純水的露點(diǎn)溫度，煙氣的露點(diǎn)與硫酸蒸汽濃度密切相關(guān)。當(dāng)硫酸蒸汽濃度在10%時，露點(diǎn)可達(dá)190 ℃左右。在我國傳統(tǒng)的鍋爐設(shè)計及實(shí)際運(yùn)行操作中，為避免硫酸蒸汽在煙道尾部受熱面凝結(jié)形成硫酸，對受熱面產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，都須將鍋爐排煙溫度嚴(yán)格控制在露點(diǎn)溫度以上。鍋爐運(yùn)行中，當(dāng)排煙溫度高于露點(diǎn)溫度，燃煤中有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的水蒸氣和水分吸收熱量形成的水蒸氣都以水蒸氣形態(tài)排放，其中所含的熱量隨之帶走，未能利用。這部分能量雖然入爐，但是在設(shè)計和使用過程中本身就是不考慮利用的。所以，在實(shí)際測定和計算反映能量有效轉(zhuǎn)換的鍋爐熱效率時，以低位發(fā)熱值Qnet，v，ar來計算入爐熱量，是符合實(shí)際情況的。

近年來，隨著裝備技術(shù)的發(fā)展和大面積使用燃?xì)?、燃油鍋爐替代燃煤鍋爐，冷凝式鍋爐開始頻頻出現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域。目前冷凝式鍋爐多為燃?xì)夂腿加湾仩t。和傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，由于燃料成分的不同，硫含量都遠(yuǎn)低于燃煤，部分產(chǎn)地的天然氣甚至完全不含硫；同時隨著技術(shù)的進(jìn)步和材料技術(shù)的發(fā)展，有效避免了煙道受熱面受到酸性腐蝕，實(shí)現(xiàn)了低于露點(diǎn)的排煙溫度運(yùn)行，一些鍋爐排煙溫度可以控制到40～50 ℃運(yùn)行。這時，煙氣中水蒸氣凝結(jié)為水，充分釋放汽化潛熱，這部分熱量并未排放，而是被冷凝器回收利用了，從而提高了鍋爐的熱利用率。特別在天然氣鍋爐中效果較為明顯。

天然氣是多種氣體組成的混合氣體，其主要成分是甲烷CH4，其占比通常在90%以上。甲烷完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為:

CH4+2O2=CO2+2H2O

通過分子量計算可知，在甲烷的完全燃燒產(chǎn)物中，水的質(zhì)量占比達(dá)45%。所以，充分回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱在天然氣鍋爐上效益尤為明顯。

針對這一類型的鍋爐，《工業(yè)鍋爐熱工性能測試規(guī)程》(GB/T 10180-2017)中專門新增加了《附錄A 在鍋爐熱平衡系統(tǒng)邊界內(nèi)發(fā)生煙氣冷凝且熱量回收利用的鍋爐熱效率計算》。為直觀地分別反映鍋爐本體熱效率和冷凝器熱效率，其中規(guī)定了該類鍋爐熱效率η由鍋爐本體熱效率η1和冷凝器熱效率ηln相加而得，且在試驗報告中應(yīng)分別表述。實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)中對于該類鍋爐熱效率的測試、計算與其他鍋爐并無根本差別，采用的仍是相同的測試、統(tǒng)計和計算方法，只是增加了鍋爐本體和冷凝器分開進(jìn)行了表述的要求。該類鍋爐熱效率計算中，鍋爐輸入熱量仍為B(燃料消耗量)×Qin(單位燃料輸入熱量)，其中：Qin=Qnet，v，ar+Qex+Qf+Qpu，仍以燃料收到基低位發(fā)熱值Qnet.ν.ar計算輸入熱量。

前面已經(jīng)分析，甲烷燃燒后煙氣中水蒸氣的質(zhì)量占比達(dá)45%，其中含有大量汽化潛熱。按《工業(yè)鍋爐熱工性能測試規(guī)程》(GB/T 10180-2017)規(guī)定，計算此類鍋爐熱效率時，輸入熱量按低位發(fā)熱值進(jìn)行計算。既在天然氣燃燒產(chǎn)生的總熱量(高位熱量)中，扣除其燃燒產(chǎn)生的水蒸氣所含汽化潛熱。而在該類鍋爐中，這部分汽化潛熱并非不予利用直接排出，而是進(jìn)行充分回收利用，作為有效輸出熱量輸出使用。同時由于天然氣燃燒產(chǎn)物中水分占比較大，高低位發(fā)熱值相差較大。這種情況下按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在回收利用煙氣中水蒸氣的汽化潛熱并有效輸出的同時，仍以低位發(fā)熱值計算輸入熱量，就出現(xiàn)了測試計算中鍋爐有效輸出熱量大于輸入熱量，既鍋爐熱效率大于100%的情況。

綜上所述，在面對一些標(biāo)稱熱效率超過100%的鍋爐時，雖然與常規(guī)理解的效率概念有所沖突，但這只是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的局限性所致。作為能源工作者應(yīng)對其理性看待，在肯定工藝技術(shù)先進(jìn)性的同時，也不盲目夸大其辭。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的不斷完善，對這一類的情況也會有更準(zhǔn)確、直觀的要求和表述。