燃气冷凝锅炉反平衡效率的分析计算

刘晋华 李 栋 刘根生 尉志明

（山西省锅炉压力容器监督检验研究院 太原 030012）

燃气冷凝锅炉反平衡效率的分析计算

刘晋华 李 栋 刘根生 尉志明

（山西省锅炉压力容器监督检验研究院 太原 030012）

通过对锅炉燃烧产物烟气成分的分析计算，求出锅炉烟气的露点温度，将锅炉排烟温度和露点温度的平均值作为潜热计算的定性温度，通过直接计量或者测量排烟处相对湿度两种方法获得冷凝水量，由以上数据计算求出锅炉的冷凝放热，进而可得出锅炉的反平衡效率。

冷凝锅炉 露点 反平衡效率

近年来，随着国家对节能环保工作的重视以及人们对节能环保理念的提升，各生产厂家对锅炉节能环保产品研究的投入也越来越多，而冷凝锅炉以其可以吸收冷凝热、效率高（以低位发热值计算，能达到100%以上）、低排放，而更被各厂家和用户所青睐。常见的冷凝锅炉有一体式冷凝锅炉和带有冷凝器的锅炉。这些冷凝锅炉的效率应如何测试，对特种设备检验机构就显得尤为重要。

对于常见的非冷凝工业锅炉的测试，所用的标准是GB/T 10180—2003 《工业锅炉热工性能试验规程》，这也是中国特检院锅炉能效测试数据计算与管理平台所进行计算的根本依据，对于冷凝锅炉的正平衡效率，可由平台直接进行计算，但是在反平衡计算中，平台没有考虑到冷凝热的影响，所以并不适用于冷凝锅炉的测试。

本文针对山西崇光冷凝供热设备有限公司的一台型号为ZGLN-700的全铸铝预混冷凝锅炉的测试数据提出冷凝锅炉反平衡效率的测试方法，其中对锅炉冷凝水量的测试运用了直接计量和测量排烟处相对湿度两种不同的方法。

1 冷凝锅炉反平衡测试的依据

1.1 锅炉反平衡效率的计算公式

非冷凝锅炉的反平衡效率的计算公式为：

式中：

η——锅炉为锅炉反平衡热效率，%;

q2——排烟热损失，%;

q3——气体未完全燃烧热损失，%;

q4——机械不完全燃烧热损失，%;

q5——散热损失，%;

q6——灰渣物理热损失，%;

对于冷凝锅炉的反平衡效率，在平台所测的反平衡效率计算值的基础上加上冷凝效率即为冷凝锅炉的反平衡效率。

式中：

Q7——锅炉冷凝热，kJ；

m1——锅炉冷凝水量，kg；

r——锅炉冷凝温度所对应的气化潜热值，kJ/kg；

B——燃料消耗量，m3；

Qr——天然气低位发热值，kJ/m3。

由于传统锅炉的反平衡效率依据GB/T 10180—2003测试即可，那么本文研究的重点即是锅炉冷凝效率的测试。

1.2 锅炉的冷凝过程

随着湿烟气在受热面的流动，烟气温度逐渐降低，当低于露点温度时，烟气中的水分开始不断冷凝，放出凝结潜热，直到烟气流过最后一节受热面，锅炉不再吸收烟气中的热量，此时作为冷凝过程的结束点。由于随着烟气中水蒸气的冷凝，水蒸气的分压不断减小，露点温度也不断减小，为了简化理论计算，取烟气开始冷凝的温度即露点温度与排烟温度的平均值作为潜热的计算温度。

式中:

tp——排烟温度；

t1d——为烟气的露点温度。

2 锅炉燃烧产物特性

以下数据是对山西崇光冷凝供热设备有限公司的一台型号为ZGLN-700的全铸铝预混冷凝锅炉进行测试所得出的结果。天然气燃烧特性数据的计算值由中国特检院锅炉能效测试数据计算与管理平台计算得出。

表1 天然气组成及发热量

表2 天然气燃烧特性表

3 露点温度的计算

燃烧所生成的干烟气主要是由RO2、N2和少量O2组成，而湿烟气是指干烟气和水蒸气的混合烟气。湿烟气中水蒸气的来源有天然气中的水分、燃烧产物中生成的水分以及空气中的水。由于湿烟气与湿空气具有一定的类比性，根据湿空气的理论特性可知道，烟气露点取决于烟气中水蒸气的体积分数、燃烧空气的含湿量、过剩空气系数等因素。由于空气中的水含量很小，故仍取标态下空气的含湿量10g/kg，与GB/T 10180中计算公式相符。而天然气中的水分、燃烧产物中生成的水分在GB/T 10180计算公式中是予以考虑的。

4 锅炉冷凝效率的计算

4.1 在冷凝水出口处直接计量

测试过程中在冷凝水出口处计量一小时的冷凝水量为66.35kg，由式（3）可得：

4.2 测量烟气湿度进行计算

其中冷凝水量的计量由于结构或者现场的原因不能直接计量，可以通过对排烟处烟气湿度的测量，经过理论计算得出。

混合气体的总摩尔质量M为各组元摩尔质量Mi与摩尔分数xi乘积之和，即各组员分子量按摩尔分数的加权平均数，

根据阿伏伽德罗定律，在同温同压下，混合气体的体积分数yi与摩尔分数xi在数值上相等，则

那么，干烟气的摩尔质量

式中：2.64%，9.78%，0.0162%分别为测试过程中烟气分析仪所测得O2、RO2、CO的体积百分比读数的平均数，87.5638%为N2的体积百分比。

湿烟气的压力等于干烟气分压力pa和水蒸气分压力pv之和，即

1kg干烟气所带有的水蒸气质量称之为含湿量，即湿烟气中包含的水蒸气的质量mv与其中干烟气的质量ma之比称为含湿量，用d表示，单位为kg/kg，

由于干空气的分压力pa=p-pv，于是

对于冷凝以后的湿烟气，在烟气出口处可测得其相对湿度，本次测试时烟气的相对湿度为78%。

在一定大气压力pb下，即排烟出口烟气压力按大气压考虑，湿空气的含湿量计算式可表示为：

又知，湿空气的饱和蒸汽压力与温度之间存在一一对应的关系，即：

式中t为排烟温度。

则根据式 (11) 、式(12)可得出冷凝以后烟气的含湿量为0.042kg/kg。

则烟气的冷凝水量为

由式（3）可得

通过两种方法所得出的冷凝效率相差0.39%，小于1%，在可接受误差范围之内。

5 结论

1) 冷凝锅炉的反平衡效率为锅炉非冷凝过程的反平衡效率与冷凝效率之和。非冷凝过程的反平衡效率可由中国特检院锅炉能效测试数据计算与管理平台进行计算，冷凝效率可由本文所提出的式（3）计算得出。

2) 冷凝锅炉的反平衡效率主要影响因素为锅炉的露点温度、排烟温度以及冷凝水量。而露点温度主要取决于燃烧产物中水蒸气的体积分数。烟气中水蒸气的体积分数越高，露点越高，冷凝水量越多，冷凝效率就越高。冷凝锅炉在使用过程中，可以通过增加空气湿度，降低过量空气系数的方法来提高露点温度，从而提高锅炉的冷凝效率。

3) 锅炉的冷凝水量可以通过直接计量或者测量烟气湿度计算求得，测试时可根据现场条件和锅炉机构的原因选用不同的方法。

4) 锅炉烟气中的水蒸气的潜热如果能回收利用，将会在一定程度上提高锅炉的热效率。那么烟气冷凝余热回收技术将成为以后的研究重点。

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[8] GB/T 10180—2003 工业锅炉热工性能试验规程标准代号[S].

Analytical Calculation of Anti-balance Efficiency of Condensing Gas-fired Boiler

Liu Jinhua Li Dong Liu Gensheng Wei Zhiming
(Shanxi Boiler and Pressure Vessel Supervision and Inspection Institute Taiyuan 030012)

Through analytical calculation of the combustion products composition of boiler flue gas, to calculate the dew point temperature of the boiler flue gas, the average value of the boiler flue gas temperature and dew point temperature is used as a qualitative temperature of the latent heat calculations. The amount of condensed water can be measured by direct measurement or the relative humidity of smoke, and the latent heat can be calculated by the above data; further, the anti-balance efficiency could be gotten.

Condensing boiler Dew point Anti-balance efficiency

X924.2

B

1673－257X(2015)11-0055-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.11.011

刘晋华（1984～)，男，硕士，助理工程师，主要从事工业锅炉检验及能效测试工作。

2015-08-28）