工业锅炉能效测试常见问题分析

袁棨正 笪耀东 王 龙 常勇强,2

(1.国家市场监管重点实验室(特种设备安全与节能)，中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.北京科技大学 能源与环境工程学院 北京 100083)

1 前言

锅炉等高耗能特种设备的节能工作已成为中国节能减排国家战略的主要内容之一。由于中小型锅炉数量多、运行效率低、能源浪费严重、节能潜力大，引起了各级政府和社会各界的高度重视。为积极响应国家关于节能减排的总号召，全面贯彻落实《中华人民共和国节约能源法》精神，切实做好工业锅炉节能减排工作，从根本上开展对工业锅炉的节能降耗、提高能效、减少污染的实质性工作，原国家质量监督检验检疫总局发布《关于推进高耗能特种设备节能监管工作的指导意见》（国质检特函〔2008〕264 号），要求对在用锅炉实际运行能效状况进行测试[1]。

工业锅炉能效测试一般采用热工性能试验的方法，按照国家相关标准的要求，在规定的条件下，对锅炉介质流量、温度、进出口压力、排烟温度、烟气成分等运行参数进行测试；对燃料、炉渣、漏煤、烟道灰、飞灰、炉水和蒸汽等进行取样、称重和化验分析，计算出锅炉的各项热损失，进一步计算出锅炉的热效率。文中对工业锅炉能效测试过程中常见问题进行了梳理和总结，旨在规范锅炉能效测试工作，提高锅炉能效测试的质量和水平。

2 仪器仪表选用和填写方法常见问题分析

锅炉能效测试使用的仪器仪表应当根据GB/T 10180—2017《工业锅炉热工性能试验规程》和NB/T 47066—2018《冷凝锅炉热工性能试验方法》等标准中的要求对其精度、测量范围进行配置，确保使用的仪器仪表质量合格、未出现损坏且在有效的计量检定或校准周期内[2]。测试人员在填写仪器仪表量程和精度的时候由于对仪器仪表的理解不清楚，经常填错。下面就仪表量程和精度的选用和填写方法进行介绍：

2.1 测量量程

测量量程是仪表对被测量能在规定的精确度要求下进行测量的上、下限值所限定的一个量的区域。例如某一温度表在保证同样的精确度下能测量的温度下限值为-20 ℃、上限值为100 ℃，则该仪表的测量范围为-20～100 ℃。因此，仪器仪表的量程应填写仪器仪表检定或校准证书给定范围。

2.2 精确度

仪表的示值与被测量（约定）真值的一致程度称精确度。引用误差是满量程内的最大绝对误差与仪表的满量程值之比[见式（1）]，是一个用于描述仪器精度和可靠性的重要参数。引用误差越小，仪表的精确度越高，对于同一精确度的仪表，量程范围小的仪表的测量误差更小。例如2 个相同精确度的温度表，在测量50 ℃温度的时候，使用量程范围为-20～100 ℃的温度表的测量误差比使用量程范围为-20～500 ℃的温度表的测量误差要小。

引用误差=绝对误差的最大值/仪表量程(1)

在工业测量中，通常用精确度等级来表示仪表的准确程度。精确度等级是符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的仪表的等别、级别。精确度等级习惯上称为精度等级。式（1）取绝对值乘以100就是仪表的精度等级。根据GB/T 13283—2008《工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级》，推荐的工业仪表精度等级有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0 等。级数越小，精确度就越高。对于多测量范围的仪表，各测量范围可以同属某一精确度等级，也可以分属不同精确度等级；单测量范围的仪表可分成不同精确度等级的2 个或多个分范围[3]。

2.3 仪器仪表量程和精度的确定

能效测试常用仪器仪表有温度测量仪、烟气分析仪、流量计、压力表、数字指示秤等。其中流量计、压力表和数字指示秤常见的计量证书为检定证书，温度测量仪、烟气分析仪和电导率仪等常见的计量证书为校准证书。在收到仪器仪表的计量检定证书后，首先要根据计量检定证书和测试标准对仪器仪表的要求，对仪器仪表进行验收，确认其能否满足测试标准。检定证书给定了测量仪器的精度等级和对应的测量范围，按照检定证书填写即可。校准证书不判定是否合格，只出具示值误差。校准证书在反映整体的校准数据的同时，会提供校准时的测量不确定度。测量不确定度不等同于仪器校准的准确度偏差。根据JJF 1094—2002《测量仪器特性评定》[4]中的5.3.1.4 条中的式(14)及下方的文字说明，在保证U/MPEV ≤1/3 的情况下，直接用示值误差测得值Δ 的绝对值（即计量特性校准值）与最大允差绝对值（即被校仪器的计量要求）相比较，以判定被校仪器是否合格。在判定合格的情况下，可以依据校准证书中的示值误差和测量范围来确定相应的精度等级。

下面以数字式温度计为例进行说明。表1 是一台数字式温度计的校准结果，在收到该校准结果时，首先用校准证书给出的不确定度判定示值误差校准值是否值得采信，方法是根据JJF 1094—2002 中的公式U/MPEV ≤1/3 进行判断。因为0.60 ℃/2 ℃＜1/3，所以判定示值误差校准值值得采信，可以使用。根据表1 和式（1）可得，在量程（0～200 ℃）时，数字式温度计可满足精度等级为0.5 级的应用，满足GB/T 10180—2017 的要求；在量程（0～300 ℃）时，数字式温度计可满足精度等级为1.0 级的应用，不能满足GB/T 10180—2017[5]中关于温度测量仪器仪表的要求。因此，该数字式温度计可以在量程（0～200 ℃）时运用于工业锅炉能效测试。

表1 数字式温度计校准结果

3 测试方案常见问题分析

测试工作开始前，测试项目负责人应该结合测试任务、测试目的和现场运行情况，合理布置测点，选择测试仪器仪表，确定最佳的测试方案。测试方案的编写应当建立在充分了解现场情况的基础上，由具有测试经验的专业人员承担，从而确保得到客观精确的结果。

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TSG 91—2021 《锅炉节能环保技术规程》（以下简称规程）中要求热水锅炉、蒸汽锅炉以及额定热功率大于1.4 MW 的有机热载体锅炉的排烟温度不高于170 ℃[6]。锅炉制造单位一般采用增加尾部受热面的方法来达到规程中关于排烟温度的要求，但受限于工质换热的条件，增加的尾部受热面有时会采用工质单独循环来增加换热量，降低锅炉排烟温度。因此，在锅炉能效测试中经常遇到锅炉尾部带有单独循环系统的情况。在锅炉能效测试报告的检查和锅炉能效测试现场的检查中发现，在锅炉尾部带有单独循环系统的测试中经常发生漏测或测试不规范的情况。下面分别就蒸汽锅炉和热水锅炉尾部带有单独循环系统的常见的错误情况进行分析。

3.1 蒸汽锅炉带单独循环系统

燃气蒸汽锅炉中常见如图1所示的锅炉尾部带有节能器或得节能水箱的布置形式，节能器或节能水箱出口水与锅炉给水使用同一个水箱，有些测试机构为了简化测试，直接测试节能器进口的给水流量作为锅炉给水流量。该测试方法存在的问题在于，节能器出水进入水箱后，再由给水泵送进锅炉，但是测试过程中水箱水位和水温都会发生变化，有些测试机构在测试情况说明中会说明测试过程中水箱水位和水温未发生变化，这在锅炉实际运行中无法真正达到。而且水箱本身也存在一部分散热，因此导致测量的锅炉输出热量与实际不符。

图1 常见的蒸汽锅炉带单独循环系统测点布置图

正确的测点布置如图2所示，尾部节能器工质单独循环的部分的换热量单独测量，锅炉本体按照常规蒸汽锅炉测量。这样虽然增加了工作量，但是保证了锅炉输出热量测量的准确性。

图2 正确的蒸汽锅炉带单独循环系统测点布置图

3.2 热水锅炉带单独循环系统

热水锅炉尾部带有单独循环系统，容易发生错误的地方在于：节能器的进出水与锅炉使用同一套出回水系统，有些测试机构为了简化测试，会选择在出水管或得回水管测试一个总的循环水流量，这样测试虽然能够准确测试出锅炉及节能器系统的输出热量，但是，由于节能器循环水量对锅炉尾部排烟温度有一定影响，不同的循环水流量、节能器的换热效果不同，进而导致锅炉尾部排烟温度不同，锅炉的热效率也会发生变化。因此，若不测试节能器循环水量，很难复现当时的测试情况，从溯源的角度考虑，该测试方法不具备可重复性。建议测试机构在测试的同时，应该考虑数据的可重复性，按图3所示进行测点布置。

图3 热水锅炉带单独循环系统测点布置图

4 测试过程中常见问题分析

4.1 RO2 数据错误问题

RO2即CO2+SO2，一般来说烟气中SO2比例不到CO2的1%，因此RO2可以仅考虑CO2。目前，锅炉能效测试机构使用的烟气分析仪中的一部分烟气分析仪的CO2数据是根据燃料类型和烟气中的氧量计算得出的，而测试人员在测试过程中往往忽视了燃料类型的选择，导致测试数据中的CO2数据错误。下面就烟气中CO2的计算方法进行分析，使测试人员了解不同燃料类型的CO2范围。

对于固体燃料和液体燃料，燃料特征系数β的计算见式（2）：

对于气体燃料，燃料特征系数β的计算见式（3）：

β的数值与燃料的可燃质有关，与燃料中的水分、灰分无关，燃料一定，β值便可算出，而且是一定值。一般来说，对于木柴，β≈0.05；对于无烟煤，β≈0.1；对于烟煤，β≈0.2；对于褐煤，β≈0.06；对于天然气，β≈0.8；对于重油，β≈0.36[7]。

对于不同燃料锅炉，理论最大RO2百分率的计算见式（4）：

4.2 蒸汽湿度测量问题

蒸汽湿度测量包括蒸汽取样计量、炉水取样计量和样品的电导率、Na+和Cl-化验。在测试现场蒸汽湿度测量主要存在以下需要注意的问题：

1)蒸汽取样点应开设在蒸汽主管的直管段上，蒸汽取样管中间安装针形阀调节取样量，然后接至冷凝器，将蒸汽冷却成蒸汽冷凝水；

2)锅水取样点应从具有代表锅水浓度的管道上引出，一般选在水位表排污处或锅炉表面排污处，锅水取样管中间安装调节阀，取样管下接冷却器[8]；

3)取样冷却器和冷却管应用不影响分析的耐腐蚀材料制成，以免样品被金属腐蚀产物污染；

4)蒸汽冷凝水和锅水取样应同时进行，样品需在冷却器中冷却到30～40 ℃，蒸汽冷凝水和锅水样品应保持常流，并加以计量，以确保样品有充分的代表性[5]。

4.3 出厂形式及散热面积选择错误

很多测试人员对锅炉出厂形式散装、整装和组装分不清楚，出现锅炉出厂形式选取错误。特别是对于燃油燃气锅炉，其散热损失是按照GB/T 10180—2017中附录F.4 计算得出，因此，当锅炉散热表面积填写数据偏离实际，会导致q5计算结果与实际相差较大。

5 结束语

2014年7部委联合印发的《燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案》（发改环资〔2014〕2451 号）实施内容中指出要加快推广高效锅炉：以锅炉定型产品能效测试结果为主要依据遴选推广产品，因此锅炉定型产品能效测试质量对高效锅炉的推广和工业锅炉的节能减排有重要影响。文中从仪器仪表、测试方案以及测试过程中常见问题进行了分析，旨在规范锅炉能效测试工作，提高锅炉能效测试的质量和水平。