于吉明 笪耀东 张井坤 车得福 王玉涛
（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029)
（2.西安交通大学 能源与动力工程学院，动力工程多相流国家重点实验室 西安 710049)
（3.青海省特种设备检验检测院 西宁 810005)
近十几年来，西部大开发战略的实施极大加快了西部经济能源产业的发展。西部高原地区能源需求密度低、生态环境脆弱的特征使其供热设备多以燃气锅炉为主[1]。以青海省为例，截止到2019年12月，青海共有各类锅炉5 149台，其中燃气锅炉3 988台，占锅炉总量的77%。然而，高原条件下燃气锅炉运行中出现的能效水平降低的问题在工业生产中日益突显。因此针对高原燃气锅炉具体分析其能效的影响因素，对进一步指导其高效运行具有重要意义。
已有研究表明，高原低气压条件对燃气锅炉的燃烧和传热均会产生影响。此前理论分析和实际锅炉运行案例均表明海拔的升高会导致锅炉排烟温度升高，排烟热损失增加，进一步造成锅炉热效率降低[2-4]。另外，高原条件也会影响锅炉炉膛尺寸设计。随着海拔升高气压降低，燃料燃烧速率下降，燃尽时间增加，则应保证足够的炉内停留时间。故相比平原地区，高原燃气锅炉容积热负荷应比平原地区小，相应的炉膛容积应适当放大。此外，随着环境压力降低，燃气火焰长度也会增加，因而对于卧式内燃锅炉的炉胆长度也应随之增加。
高原低气压也会直接对燃气燃烧器功率的选择产生影响。一般选择燃气燃烧器时应保证火焰形状与炉膛尺寸匹配，即火焰充满度好。同时，燃烧器应能够保证锅炉可以达到额定出力[5]。李占武等人[6]在研究高原地区对燃气锅炉燃烧器的选型时认为，高原地区选择燃烧器的输出功率应按照气压下降的比例而放大。但也有学者认为简单选择更大功率燃烧器的方法对小型燃气锅炉的设计基本可行，对于容量稍大一些的锅炉，可能会造成炉内温度降低过多而影响燃烧稳定性和热效率，应针对气压变化对锅炉参数做出相应修正[1]。
本文基于青海省燃气锅炉的能效测试数据，进一步分析了高原条件对燃气锅炉排烟温度、热效率、炉膛尺寸和燃烧器选型的影响，为高原燃气锅炉高效清洁运行提供参考。
近年来，中国特种设备检测研究院（以下简称中国特检院）联合青海省特种设备检验检测院（以下简称青海特检院）和西安交通大学（以下简称西安交大），对青海省在用锅炉进行了能效测试。本次抽取其中18台燃气锅炉的测试数据进行分析，其测试地点分别位于西宁市（海拔2 295 m）、格尔木市（海拔2 808 m）和德令哈市（海拔2 982 m），容量范围为1.2～14 MW，均为WNS型热水锅炉。能效测试按照TSG G0003—2010《工业锅炉能效测试与评价规则》采用运行工况热效率详细测试方法进行测试，其中额定热功率≥14 MW的锅炉采用反平衡法，其余锅炉同时采用正平衡法与反平衡法进行测试[7]。
2.1 排烟温度
表1[4，8]给出了青海省本次测试的18台与2016年青海特检院联合青海大学开展测试的26台燃气锅炉排烟温度。由表1可知，青海地区燃气锅炉排烟温度较高，均在100 ℃以上，虽未超过TSG G0002—2010《锅炉节能技术监督管理规程》的规定值170 ℃[9]，但有很大的节能空间。同时，从表1中也可以看出本次测试部分燃气锅炉排烟温度低于2016年测试燃气锅炉，这主要是由于本次测试部分锅炉负荷较低、燃料量减小所致。
表1 燃气锅炉排烟温度测试结果
为分析高原条件对燃气锅炉排烟温度的影响，选取与本次测试燃气锅炉容量范围一致的北京地区运行与青海2016测试的燃气热水锅炉的排烟温度数据进行对比，如图1所示。由图1可知，北京地区不同容量的燃气锅炉排烟温度普遍低于青海地区。负荷率对锅炉排烟温度也有很大影响，故选取两地负荷相近的燃气锅炉排烟温度数据进行对比，见表2[4，8]。在相近负荷率运行时，北京地区燃气锅炉的排烟温度低于青海地区。综合以上分析来看，高原条件是导致燃气锅炉排烟温度高于平原地区的重要因素，降低排烟热损失是高原地区燃气锅炉节能的重要方法之一。
图1 北京和青海不同容量燃气锅炉排烟温度对比
表2 负荷率相近条件下北京与青海地区燃气锅炉排烟温度测试结果
2.2 热效率
表3[4，8]分别给出了北京节能环保中心、青海特检院、中国特检院燃气锅炉热效率测试的结果，可以看出北京地区燃气锅炉热效率基本处于93%以上，而青海地区燃气锅炉热效率普遍低于北京地区，部分在运行燃气锅炉热效率低于90%，且50%以上的燃气锅炉热效率未达到TSG G0002—2010第1号修改单给出的限定值[9]。
表3 燃气锅炉热效率测试结果
表4[4，8]给出了负荷相近条件下北京与青海地区燃气锅炉热效率测试结果。由表4可知，青海地区负荷率相近的燃气锅炉热效率也低于北京地区。研究表明锅炉排烟温度降低12～15 ℃，热效率将提高1%[10]，青海高海拔地区排烟温度普遍较高，这会导致排烟热损失增加，热效率也随之降低。此外锅炉在较高负荷运行，散热损失相对较小，可以达到较高的热效率。而青海地区能效测试的18台燃气锅炉中约90%长期处于50%以下负荷运行，这一现象在青海省高海拔地区较为普遍，这是因为高海拔条件下为保证正常生产，锅炉选型时一般都会加大裕量，导致其长期低负荷运行。而北京地区能效测试的100台燃气热水锅炉基本处于70%负荷以上运行，有的甚至接近满负荷运行。
表4 负荷相近条件下北京与青海地区燃气锅炉热效率测试结果
2.3 炉膛尺寸
表5给出了青海省本次测试的16台燃气锅炉炉膛尺寸和炉膛容积热负荷。根据锅炉制造企业设计经验，一般情况下，燃气锅炉容积热负荷在1 150～1 800 kW／m3的范围内选取。由表5可以看出部分锅炉厂家在炉膛设计时已经考虑高海拔对燃料燃烧的影响，选择了较低的炉膛容积热负荷。同时，也可以看出随着海拔升高容积热负荷有进一步减小的趋势，尤其是海拔2 808 m和2 982 m有8台燃气锅炉，其容积热负荷已低于推荐值。
表5 青海本次测试锅炉炉膛尺寸和炉膛容积热负荷
此外，由于大气压力降低，在相同负荷下，进入炉膛的空气体积和烟气体积较平原地区增大，燃烧室高温区域膨胀，火焰长度增加，见表5。在本次测试中，通过锅炉后侧观火孔观察燃烧状况，发现其中5台锅炉在升负荷过程中，由于火焰长度增加冲刷回燃室后管板，导致无法升到额定负荷。然后通过调整火焰尺寸，增大火焰直径，减小火焰长度，情况有一定程度改善，但由于火焰直径的增大，火焰又将冲刷炉胆，从而造成燃气锅炉实际运行无法达到额定负荷。这主要是由于燃烧器与炉膛的设计匹配不合理所致。
2.4 高原燃烧器选型
表6给出了青海省本次测试的9台燃气锅炉燃烧器选型。由表6可知，青海格尔木、德令哈两地燃气锅炉燃烧器输出功率选择偏大，基本在1.2倍以上，甚至个别锅炉所配燃烧器达到2.5倍。在考虑锅炉实际热效率的情况下，可以认为基本上是按照气压下降或者说空气密度下降的比例而放大。这种燃烧器选型方法与李占武等人[6]在研究高原地区燃气锅炉燃烧器的选型时给出的方法基本一致。但简单按照气压下降的比例对燃烧器进行修正时仍有可能造成火焰长度拉长，进一步使炉膛出口烟温升高，严重影响燃气锅炉运行的经济性与安全性。有必要进一步研究燃烧器与炉膛结构设计优化及相互之间匹配方法，从而指导高原燃气锅炉高效清洁运行。
表6 青海本次测试燃气锅炉燃烧器选型
本文基于青海省燃气锅炉的能效测试数据，进一步分析了高原条件对燃气锅炉排烟温度、热效率、炉膛尺寸和燃烧器选型的影响，结论如下：
1）相比平原地区，高原地区不同容量的燃气锅炉排烟温度较高，虽未高于TSG G0002—2010的规定值170 ℃，但仍有较大的节能潜力。相同负荷运行时，排烟温度随海拔升高仍表现出增加的趋势。
2）高原地区排烟温度较高导致排烟热损失增加是影响高原燃气锅炉热效率的重要原因。
3）相比平原地区，高原地区燃气锅炉容积热负荷取值应更小，且应关注燃烧器火焰形状与炉膛结构的匹配。
4）随着海拔升高、气压降低，为保证锅炉达到额定出力和较高的热效率，现有高原燃烧器选型基本按照气压下降的比例而放大，但现场测试发现部分功率放大后的燃烧器与炉膛尺寸匹配不当仍造成火焰冲刷回燃室后管板，导致锅炉不能满负荷运行，严重影响锅炉运行的经济性与安全性。
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