房丹丹,梁金国,林日亿,马 猛
(中国石油大学(华东) 储运与建筑学院,山东 青岛 266580)
在环保日益受到重视的今天,天然气作为清洁化石燃料在世界能源结构中占比越来越高。虽然现今我国的天然气能源消耗只占5%,但随着西气东输工程、广东液化天然气工程和俄罗斯天然气引进工程的规划与实施,天然气在能源结构中的份额将显著提高,以天然气为燃料的加热炉也将得到更加广泛的应用。
热效率作为加热炉的主要性能指标,它的测试方法有两种:正平衡法和反平衡法。与正平衡法相比,反平衡法具有以下优点:
(1)所用测试仪器少。除散热损失外,一般只需一台燃烧效率测试仪。(2)仪器安装比较方便。一般只需在烟道上打一取样孔即可。(3)测试时对热设备所要求的稳定时间短,测试较短。(4)测试简单。测试时,通常只需要设置仪器的打印时间间隔。
另外,尽管我国相关标准规定,加热炉效率测试以正平衡法测试结果为准,但美国学者研究发现反平衡法更为准确[1-2]。因此加热炉反平衡效率的测试将会越来越普及。但目前燃气加热炉反平衡效率的计算与测试中仍存在一些不足,如未考虑助燃空气携带热量,烟气测试时未考虑可燃气体成分等。针对这些问题,通过分析两种反平衡热效率计算方法,总结出了比较合理的方法,并依据实际测试烟气数据,指出了烟气成分分析测试中应注意的问题并给出合理建议。
图1为燃气加热炉热平衡分析模型,燃气加热炉的热平衡方程式为:
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5.
(1)
式中,Q为燃气加热炉的输入热量,kJ/kg;Q1为燃气加热炉的输出热量,kJ/kg;Q2为燃气加热炉的排烟损失热量,kJ/kg;Q3为燃气加热炉化学不完全燃烧损失热量,kJ/kg;Q4为燃气加热炉机械不完全燃烧损失热量,kJ/kg;Q5为燃气加热炉的散热损失,kJ/kg。
图1 燃气加热炉热平衡分析模型
对燃气加热炉来说,机械不完全燃烧损失Q4是可以忽略的。燃气加热炉反平衡效率由公式2计算:
η=100-(q2+q3+q5).
(2)
式中,q2、q3、q5分别为燃气加热炉排烟热损失、化学不完全燃烧损失和表面散热损失。其中:
(3)
(4)
(5)
1.2.1 未考虑助燃空气的焓的热量计算
在当前的实际生产中,主要采用公式(6)、(7)的方法来计算输入热量和排烟损失热量。在计算输入热量时只考虑燃料的低位热值和热焓,而不包括助燃空气的焓,这显然是不合理的。因为要测试的是加热炉热设备的效率,而不是燃料的效率。并且烟气是气体燃料与助燃空气燃烧形成的,排烟热损失只减去助燃空气的焓而不减去燃气的焓,这在理论上也是不合理的。
Q=Qlhv+hng.
(6)
Q2=Vfg(hfg1-ha).
(7)
式中,Qlhv为天然气的低位热值,kJ/m3;Vfg为排烟处烟气的体积,m3/m3(标准状态下,以下同);hfg1为烟气在排烟温度下的焓,kJ/m3;hng为天然气的焓,kJ/m3;ha为助燃空气的焓,kJ/m3。
1.2.2 考虑助燃空气的焓的热量计算
文献[3]、[4]里指出,计算加热炉输入热量时,应该包含助燃空气进入加热炉时所携带的能量,即
Q=Qlhv+hng+ha.
(8)
Q2=Vfg(hfg1-hfg2).
(9)
式中,hfg2为烟气在环境温度下的焓,kJ/m3。
下面用一特殊的例子来说明两种计算方法的正误,一个无燃料的锅炉系统,如图2所示,只有鼓风机向里送30 ℃的风,环境温度20 ℃,被加热介质为10 ℃水,介质吸热后,出口温度变为11 ℃,而30 ℃的空气放热后,排烟温度降为25 ℃。在这种情况下,锅炉的效率应该在0%到100%之间。以环境温度为基准温度,则
Q=ha>0.
(10)
Q2=hfg1-hfg2>0.
(11)
Q2 (12) 因此效率在0%到100%之间,这与实际情况完全相符,说明该方法是正确的。 当未考虑空气的焓,那么: Q2=hfg1-ha<0. (13) 此时排烟损失热量为负值,这显然是不正确的。 图2 方法比较示意图 燃气加热炉在运行中,并不象文献[5]、[6]所述,即在正常运行时,烟气中可燃气体含量很少,可以忽略;或者H2、CH4和CO相比很小,可以忽略。实际情况远非如此。加热炉所使用的天然气的成分主要是CH4(91.77%)、C2H6(1.947%)、C3H8(1.732%)等。烟气成分分析数据及测算结果见表1。 由表1可以看出: (1)燃气设备在运行效率位于最高点时,其过量空气系数也较低,设备的化学不完全燃烧损失最低,烟气中可燃气体成分最少。但即使在这种情况下,烟气中可燃气体含量也不可忽略。何况在燃气设备的实际运行中,很难将它控制在最高效率下,而通常是在该工况附近运行;当过量空气系数略低于该工况时,烟气中的可燃气体含量明显增加,化学不完全燃烧损失迅速变大,因此,在过量空气系数较低的情况下测算燃气加热炉的热效率时,须测试烟气中可燃气体含量。 (2)过量空气系数较大时,烟气中可燃气体含量也有较明显增加,化学不完全燃烧损失增加较快,因此测试烟气时需要测试烟气中可燃气体的含量。 (3)如果不分析烟气中可燃气体成分,测试得出的结论是:过量空气系数越接近1,设备运行效率就越高,该错误结论可能导致设备在低效率工况下运行。因为从表1中可以看出,过量空气系数越接近1时,CH4、CO的含量不断增加,化学不完全燃烧损失也变大,说明此参数下设备运行并非最佳。因此在确定设备最佳运行参数时必须测试烟气中可燃气体的含量。 (4)由于天然气中CH4含量很高,如果燃烧时火焰温度较低,烟气中CH4含量会明显高于H2的含量。由表1可以看出,烟气中CH4的含量也明显高于CO的含量。因此,在测算燃气加热炉反平衡热效率时,也需要测试烟气中CH4的含量。 (5)成分分析方程可用来校验烟气数据的准确性,或者通过已知气体成分来推导未知气体成分。但需要注意,由已知测量数据分析来未知测量数据时,若测量准确度相差不大,应尽量由含量低的气体来推导含量高的气体,避免由含量高的气体来计算含量低的气体。这是由于含量低的气体测量不确定度对于含量高的气体影响相对小,这样得到的推测结果也相对可靠。 表1 烟气成分分析数据及测算结果 (1)在计算燃气加热炉反平衡效率时,应将天然气和空气的焓包含在输入加热炉热量内;在排烟损失热量中,烟气在排烟温度下的焓应减去烟气在环境温度下的焓。 (2)在测算燃气加热炉反平衡热效率时,不能仅关注过量空气系数,还需要测试并考虑烟气中的可燃气体的含量。在测试可燃气体时,需要测试CH4的含量。这样才能较客观的确定设备运行的最佳参数。 (3)在使用成分分析方程推导未知成分时,若测量准确度相差不大,应尽量由含量低的气体来推导含量高的气体,避免由含量高的气体来计算含量低的气体。 [参考文献] [1]PAYNEFW.Efficientboileroperationssourcebook[M].TheFairmontPress, 1989:25-27. [2]TAPLINH.Boilerplantanddistributionsystemoptimizationmanual[M].TheFairmontPress, 1991:5-10. [3] 林宗虎.锅炉测试[M].北京:中国计量出版社,1996:234-239. [4] 曹子栋.锅炉测试技术[M].西安:西安交通大学出版社,1995:124-138. [5] 陈学俊,陈听宽.锅炉原理(上册)[M].北京:机械工业出版社,1991:87-92. [6] 赵钦新.燃油燃气锅炉[M].西安:西安交通大学出版社,2000:117-124.2 烟气成分分析需注意的问题
3 结 论