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摘要：研究了在役燃气工业锅炉运行工况热效率的简单测试，以便快速找出影响燃气工业锅炉热效率的主要因素。首先探讨了在役 燃气工业锅炉进行热效率测试的重要性和必然性，建立了燃气工业锅炉运行工况热效率简单测试热效率的数学计算模型;然后对三 台典型的燃气工业锅炉进行了运行工况的现场能效测试，测试中得到了锅炉运行中进口介质的温度和压力值、出口介质的温度和压力值、入炉冷空气温度值以及排烟成分O2 和CO 的含量值等参数测试数值;根据现场测试原始数据和所建立的锅炉热效率数学计算模型，分别计算了3 台在役燃气锅炉运行工况的各项热损失值和锅炉热效率值;最后研究分析了影响燃气工业锅炉运行工况各项 热损失的主要因素，得出在役燃气工业锅炉热损失中占比例最大是排烟热损失，其次是锅炉散热损失。
Study on Energy Efficiency Test of In-service Gas Boiler Based on Typical Cases
Xue Hongxiang，Cheng Hexin，Ma Lan，Zhang Zhe
( Taian Special Equipment Inspection Institute，Taian，Shandong 271001.China )
Abstract：A simple test of the thermal efficiency of in-service gas-fired industrial boilers is studied in order to quickly find out the main factors affecting the thermal efficiency of gas-fired industrial boilers.Firstly，the importance and inevitability of thermal efficiency testing of in-service gas-fired industrial boilers are discussed，and a mathematical calculation model for simply testing thermal efficiency of gas-fired industrial boilers under operating conditions is established.Then，the field energy efficiency tests of three typical gas-fired industrial boilers are carried out，and the test values of the temperature and pressure of the inlet medium，the temperature and pressure of the outlet medium，the temperature of the cold air into the furnace and the content of O2 and CO in the exhaust gas are obtained.According to the original data of field test and the mathematical calculation model of boiler thermal efficiency，the heat loss values and boiler thermal efficiency values of three in-service gas- fired boilers are calculated respectively.finally，the main factors affecting the heat loss of gas-fired industrial boilers are studied and analyzed， and it is concluded that the largest proportion of heat loss of in-service gas-fired industrial boilers is the heat loss of exhaust gas，followed by the heat loss of boiler.
Key words：in service;gas fired boiler;energy efficiency test;thermal efficiency
0 引言
锅炉是利用燃料燃烧释放出的热能或其他能量将工质(中间载热体)加热到一定参数的设备。锅炉是重要 的能量转换装备，需求量巨大，广泛用于能源、化工、 轻纺、交通运输及军工等各主要工业部门，在国民经济 中起着基础支撑作用[1-2] 。锅炉属于对人身和财产安全 有较大危险性的特种设备[3-4]，现在国家提出了严格的燃煤锅炉环保要求和规范。制定了多项国家燃煤锅炉淘汰规定。锅炉制造企业也积极研发环保锅炉产品。由于天然气是清洁能源，对环境友好，燃气锅炉开始大量替 代燃煤锅炉。锅炉使用数量之大，研究如何降低运行锅炉的热损失对于节能减排来说具有重大的意义。
国内外研究锅炉节能技术的工作者对锅炉进行了大量的研究，在锅炉节能方面也取得了许多成功的经验和 理论[5-8 ] 。国外对电站锅炉和工业锅炉中沸腾炉的节能 研究较多，但是对链条炉排锅炉的节能性研究较少。国 内有研究者对燃煤锅炉节能进行了很多研究[9-13]，分析 了工业燃煤运行工况下的影响因素，如锅炉辅机不配套、锅炉水质影响、排污对节能的影响等。结合国内锅炉节能研究的发展概况以及存在的问题，目前对燃煤锅炉节能的各种方法研究得较多。但是对燃气工业锅炉的节能性研究很少。因此，对在役锅炉进行能效热效率进行科 学测试，是对锅炉进行调试、改造提高锅炉运行热效率 的必要环节，达到高效安全经济的运行。依据TSG 91 — 2021《锅炉节能环保技术规程》[14 ]：锅炉使用单位应当 自行(或者委托有能力的测试机构)进行定期能效测试，一般每两年进行一次。
基于以上问题的考虑，本文选择3 台典型的在役燃 气工业锅炉为例，建立燃气工业锅炉运行工况热效率简 单测试的数学计算模型，进行现场实际运行工况下的能 效测试，测试记录各参数值，依据数学模型和测试数 据分别计算3台不同型号燃气锅炉的热效率，从而研究 分析影响燃气锅炉各项热损失的主要因素，以便对在役 燃气锅炉对症下药，使在役燃气工业锅炉安全经济环保的运行。
1 燃气锅炉热效率数学模型的建立
根据燃气工业锅炉能效测试的任务和目的，通常选 择正平衡测量法和反平衡测量法[15-17]，以便测试现场快速稳定地进行能效测试工作。锅炉运行试验分为锅炉运行工况热效率简单测试和锅炉运行工况热效率详细测试。本文讨论的是燃气工业锅炉运行工况热效率简单测试，是对燃气工业锅炉进行日常状态下主要参数的简便快速试验，用于快速判定锅炉实际运行效率，锅炉运行工况热效率简单测试常采用反平衡测量法。以燃气工业锅炉为例，建立运行工况热效率简单测试的锅炉热效率数学计算模型。
1.1 燃气锅炉运行工况热效率简单测试热效率( ηj ) 利用反平衡测量法，通过计算锅炉系统的各项热损失来计算该锅炉的实际运行工况下的热效率。依据GB/T10180、TSG 91 和锅炉实际运行工况，建立燃气工业锅 炉运行工况热效率简单测试热效率( ηj ) 计算模型如式 ( 1 ) 所示。
式中：ηj 为锅炉热效率，%;q2 为排烟热损失，%;q3 为气 体未完全燃烧热损失，%;q5 为散热损失，% 。
1.2 锅炉排烟热损失( q2 )
锅炉的排烟热损失是锅炉烟风系统中随烟气排出而被带走的热量，是锅炉热损失中最大的一项，影响因素主要为烟气容积、排烟温度和新风量的配比。烟气容积大、排烟温度高，过量空气系数大，则排烟带走的热损 失也大。锅炉排烟热损失( q2 ) 计算模型如式(2 )所示。
依据GB/T 10180—2017.m 取值为0.5、n 取值为3.45. 代入式(2 ) 得在役燃气工业锅炉排烟热损失数学计算 模型为：
式中：α ds 为排烟处过量空气系数;tds 为排烟温度，℃;tca 为入炉冷空气温度，℃。
1.3 气体未完全燃烧热损失( q3 )
气体未完全燃烧热损失是燃料在锅炉运行中燃烧过程中所产生的可燃性气体，不能完全燃烧而随烟气排出而造成的热损失。影响这项损失的主要因素是燃料的挥发份含量，炉内过剩空气系数，炉膛的温度和气流的混 合等情况。本文中，气体未完全燃烧热损失( q3 ) 取值 计算依据表1[15]进行选取。
1.4 散热损失( q5 )
燃气工业锅炉散热损失是由于锅炉本身及其范围内各种管道、附件的温度高于环境温度而散失的热量。当锅炉实际运行出力不低于额定出力的75% 时，散热损失 (q5 ) 按照表2选取;当锅炉实际运行出力低于额定出力 的75% 时，散热损失(q5 ) 按照数学模型(4 ) 和(5 )计算。
式中：q51t 为锅炉散热损失的查表值，kJ/( m2 ·h);Dr 为 锅炉的额定蒸发量，kg/h;Qr 为热数锅炉的额定输出热 量，kJ/h;Dout 为锅炉的实际输出热量，kJ/h。
2 测试验证与结果分析
2.1 测试过程
以3台有代表性的在役燃气工业锅炉为例，锅炉型 号分别为LSS4.0-1.0-Q ( 1 号锅炉)、WNS10-1.6-Q (2 号锅炉)和WNS20-1.27-Q (3 号锅炉)，进行运行 工况的热效率测试计算及影响因素的研究分析，测试时 间为燃气锅炉实际运行工况下测试均为40 min，测量读 数次数均为5次，间隔时间10 min。测试项目及测点布置说明如表3所示。
2.2 数据整理及计算
3 台典型锅炉的原始设计数据，1 号锅炉LSS4.0-1.0-Q 设计参数为：额定压力为1.0 MPa、额定蒸发量为4000 kg/h、 燃料为天然气;2 号锅炉WNS10 -1.6 -Q 额定压力 为1.6 MPa、额定蒸发量为10 000 kg/h、燃料为天然 气;3 号锅炉WNS20-1.27-Q 额定压力为1.27 MPa、额定蒸发量为20 000 kg/h、燃料为天然气。3 台在役燃气工业锅炉在实际运行工况下进行热效率的简单测试，现场测试采集的原始数据分别如表4~6 所示。
2.3 结果分析
将现场测试采集的相关数据代入热效率数学计算模型(1 ) ~ (5 ) 计算，分别计算锅炉各项热损失和锅炉能 效测试热效率，结果如表7所示。
由1号、2 号和3号共3台燃气工业锅炉实际运行工况的热效率简单测试和计算，可以得出影响燃气工业锅炉热效率的主要因素有锅炉实际出力情况、锅炉系统的排烟温度、排烟成分含量(O2 含量和CO 含量)、入炉冷空气温度和锅炉保温情况，而排烟热损失是燃气锅炉热损失中比重最大的，其次是锅炉的散热损失。
在燃气工业锅炉运行中锅炉节能安全的运行，首先 考虑到的是燃烧器的设计要合理，如果燃气锅炉的燃烧 器设计不合理，在锅炉膛内不能使空气跟燃气很好地 混合，就得不到理想的和均匀的燃气-空气混合物，燃 烧时间如果不能保证，这样的情况下燃料燃烧不完全， 会造成气体未完全燃烧热损失，因此锅炉的热效率会降 低，达不到节能的要求;燃烧器设计不合理，燃烧稳定 性就会变差，锅炉的配风量调节难度较大，燃烧工况就 会变差，当燃料量与新风量不好控制时，不是新风量不 足，就是燃料燃烧不完全，造成过剩空气量大，又导致 排烟热损失的增大，锅炉的热效率也会降低。因此，提 高锅炉热效率，首先重视锅炉燃烧节能技术，在保证燃 料完全燃烧前提下的低空气系数燃烧技术：充分利用排 烟余热预热燃烧用空气和预热锅炉给水，也达到了锅炉余热回收利用的目的。
降低燃气锅炉散热损失，就要把锅炉本体及其锅炉 辅机和相连接的热水蒸汽管道进行绝热保温，并最大限 度的减少锅炉系统的散热损失，降低了锅炉的散热损 失，从而可以大提高在役燃气工业锅炉的运行热效率。
3 结束语
燃气工业锅炉运行工况热效率测试任务量大，而且锅炉能效测试现场无法迅速得到该锅炉的热效率测试结果，如果测试结束后，在计算过程中发现锅炉能效测试 过程存在一定的问题，将直接导致该次锅炉运行工况的 能效测试失败。所以，准确和迅速地进行锅炉运行工况热效率测试是锅炉能效测试的首要任务。
通过对该3台在役燃气工业锅炉能效测试热效率的测试计算，得出最大的热损失均是排烟热损失，其次是 是锅炉散热损失。因此，在役燃气工业锅炉节能运行的首要前提是设计合理的燃烧器、科学合理的新风配。
其次，完善炉墙保温及管道保温工作，以便减少散热损失。最后增加锅炉尾部受热面，降低锅炉排烟温度、并 通过回收生产用能设备形成的冷凝水作为锅炉给水，提 高热能的利用率，减少能源浪费，实现了燃气工业锅炉节能降耗。
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