锅炉负荷变化时最优运行策略分析

王鑫,周亚素,邓少慧,郑建范

1.东华大学 环境科学与工程学院 2.宁波恒大印染有限责任公司

0 前言

据不完全统计，全国工业锅炉的总量以达到50万台，年耗煤量达5亿吨。但在实际生产中，由于初期设计不合理以及企业效益等原因，多数工业锅炉在运行过程中负荷变化很大，且长期处于低负荷状态下运行。当负荷低于50%时，锅炉就无法按照最初设计的额定工况运行，会出现以下诸多问题：

1）影响正常生产：燃烧不稳，床温易波动，不易调节，床温会偏低，返回调节不易控制，可能会造成熄火；

2）影响锅炉内部换热管道的寿命：低负荷燃烧，会出现给煤量和回灰量不均衡，造成换热管道受热不均，易导致管道局部超温，引起管壁过热，长时间运行会增加爆管发生的几率；

3）增加尾部换热管道的腐蚀：长期低负荷运行，排烟温度会有所下降，尾部布置的换热管道的低温腐蚀发生几率增加；

4）低负荷运行还会破坏水循环。

与此同时，最为重要的一点就是锅炉运行效率与负荷有关，低负荷运行会在很大程度上影响锅炉的热效率。在设计合理、运行正常的情况下,负荷降低以后,气体与固体未完全燃烧将会增加，锅炉效率大都呈下降趋势。锅炉运行的最佳效率区大约在额定蒸发量的85%-100%范围内。低于80% 的负荷下运行或短时超出100%负荷运行,锅炉效率将急剧下降。这是一般工业锅炉负荷与热效率之间的关系。图1所示的为一台6t/h锅炉的效率曲线,它很具有代表性[1]。此外，负荷波动对于锅炉效率也会产生很大的影响。一般来讲,负荷的波动如果在额定值的5%范围内,这对工业锅炉是完全正常的;如波动在10%,影响开始加剧。负荷变化过于频繁会直接影响燃烧过程的稳定性和经济性。

为了解决锅炉低负荷运行带来的各种影响，文献[2-4]提供了包括技术改造、燃煤合理掺烧、调整配氧量和加强管理等解决措施，收到了良好的效果。但如果能采取有效的措施，使得锅炉长期在额定工况下稳定运行，这样既可以省去改造费用，又可以更好的保障其安全性和经济性。下面将以某印染厂为例提出一种在低负荷需求下保证锅炉在最佳效率区运行的策略。

1 企业用能情况及锅炉概述

1.1 企业用能情况

印染厂主要进行针织物染色以及后整理加工，消耗能源以煤、电和蒸汽为主。拥有燃煤锅炉一台，主要负责加热导热油，通过导热油循环为后整理车间的开幅定型机提供热量。蒸汽来源于附近的热电厂，用于染色车间染缸使用。

1.2 锅炉概述

锅炉最大烧煤量为26t/d，后整理车间共有四台开幅定型机。正常情况下，开启两台定型机需耗煤15t/d，开启三台定型机耗煤18t/d，开启四台定型机耗煤22t/d，而在大多数情况下，通常只需要开启两台定型机。这样锅炉就长期处在50%左右的低负荷下运行，且当需要开启三台或四台的时候，运行负荷变化很大。锅炉的基本参数如表1所示：

表1 锅炉基本参数

2 锅炉最优运行策略分析

通过对企业用能及锅炉运行情况分析，企业对锅炉的负荷要求通常只在50%左右，锅炉长期处在低负荷运行工况下，耗煤量约为15t/d。要使锅炉在最佳效率区运行，就必须提高对锅炉负荷要求，使得耗煤量达到26t/d。这样做势必会产生多余的热能，如果可以将这部分热能合理的运用到生产中去，既保证总的能源成本不增加，同时又能使得锅炉在最佳效率区运行。

企业在能源消耗上，除了煤和电以外，还需要大量的蒸汽，日耗量大约在150t左右。蒸汽主要来源于附近电厂，价格为205元/t蒸汽。产生蒸汽需要吸收大量的热能，而为保证锅炉正常运行会产生大量的余热，如果配备蒸汽发生器，这样运行过程中多余的热能就可以通过蒸汽发生器产生蒸汽供企业使用。保持锅炉在额定工况下运行，耗煤量为26t/d，主要用于加热导热油，满足导热油所需热量之后，多余的热量用于产生蒸汽。企业蒸汽用量大，大部分仍将来源于附近电厂，蒸汽发生器产生的蒸汽只占总用量的一部分。将蒸汽发生器自产的蒸汽和电厂来的蒸汽并在一起供入车间，在两者之间安装一个自动阀。当定型机所需负荷发生变化时，由于总耗煤量不变，蒸汽发生器产量也将变化，这样自动阀就可以调整电厂来的蒸汽用量，使得二者加起来的总量不变，保证生产正常运行。

表2 自产蒸汽吨耗费用

经过对企业所购燃煤的热值分析，烧1t煤可能产生5000kcal（1kcal=4.158kJ）以上的热能，这样就可以产生约5.5-6.5t蒸汽。保持锅炉额定耗煤量26t/d，除去用于加热导热油的15t/d，正常情况下每天可以有10t左右的煤用于产生蒸汽，这样每天可产60t左右的蒸汽供生产使用。每天自产多少蒸汽，将相应的减少从电厂购入的蒸汽量。

通过以上分析可得，在低负荷要求以及符合变化时，仍保持锅炉在额定工况下运行，将多余的热量去产生生产所需的蒸汽，这种锅炉的最优运行策略是可行的。

3 运行策略经济性分析

本文提出锅炉运行策略旨在避免锅炉在低负荷和变符合下运行，保证其在最佳效率区运行，同时保持甚至降低企业的用能成本。因此在分析过加入蒸汽发生器自产蒸汽的运行策略可行性之后，还要对其经济性进行分析。

3.1 运行费用比较

新的运行策略虽然减少了从电厂的购汽费用，但是蒸汽发生器产生蒸汽也需要一定的成本。下面将自产蒸汽与从电厂购汽成本进行比较，分析是否可以在一定程度上节约使用蒸汽的成本，具体分析见表2。

电厂买来的蒸汽为205元/t蒸汽，通过比较分析可得，如采用蒸汽发生器自产部分蒸汽，每天可节约成本：（205-177.9）×50=1355（元），每年可节约40万余元。

3.2 回收年限

新的运行策略需要购入一台蒸汽发生器，在实际操作过程中，企业用于蒸汽发生器以及自动阀的初投资为18万元，根据简单投资回收年限计算约5-6个月即可收回成本。

在做经济性分析时，做了保守估计，假设在新的运行策略下，锅炉的热效率与以前相同。实际运行过程中，由于锅炉在最佳效率区运行，热效率将有很大的提升，锅炉的维护费用相对于低负荷运行也将大大降低，因而总的经济性要比上面所计算的还要好得多。

4 结论

1）通过对企业实际生产用能情况的分析，抓住锅炉长期低负荷运行以及生产需要大量蒸汽的特点，新的运行策略加入了蒸汽发生器，这样不但可以使锅炉长期保持在最佳效率区运行，避免了低负荷运行带来的种种问题，并且，在保证正常生产的同时，还在一定程度上大大节约了生产成本。

2）以上所述的锅炉最优运行策略在同类情况下上可以大力推广。对于锅炉长期处于低负荷运行的企业，如果它们同时要消耗大量热能，完全可以让锅炉保持在额定工况下运行，多余的热能提供生产需要。这样发展下去，即便企业不需要这些多余的热能，也可以通过生产蒸汽和热水等形式出售给附近需要的企业。这样做既可以保证了锅炉的正常运行，又可以产生一定的经济收益。

[1]杨兴成，王占义.锅炉负荷变化对运行效率的影响及控制[J].应用能源技术，2001（2）：21-22。

[2]吕雪艳，石玉萍，李志远.20t/h蒸汽锅炉低负荷运行产生的问题分析及解决措施 [J].运行管理，2009（3）：47-49。

[3]楼樟云.35t/h CFB锅炉低负荷运行改造[J]. 能源与环境，2010（5）：88-89。

[4]雷巧中.1160t/h W火焰燃煤锅炉低负荷运行技术探讨[J]. 华中电力，2000（5）：6-8。