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基于监控系统历史数据的锅炉经济运行模式探索分析李斌斌(天津市津安热电有限公司,天津 300204)摘要:利用远传系统大量采集的采暖季锅炉运行数据,采用正平衡法对天津市某供热公司两座锅炉房共计 14 台燃气锅炉的整体效率和每台锅炉的效率进行测算,结合水力计算分析软件对不同室外温度下与供热需求侧挂钩的锅炉经济运行模式进行分析,进而得出下一个采暖季的经济运行方案,并根据测算的锅炉效率得出每台锅炉的效能情况,为燃气锅炉检修等工作提供一定的参考依据,使锅炉效能提升改造更具有针对性。关键词:锅炉房;燃烧效率;经济运行DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.0031引言区域锅炉房是城镇集中供热的常见热源,而且因为距离热用户近,供热管网相对较短,因而能够更好地满足节能减排和热用户的用热需求。但近年来随着世界能源储量的不断消耗,我国出台了各项节能减排政策,以实现社会的可持续发展。为了响应国家号召,国内相关机构积极研发各种节能型锅炉产品,以达到节能减排的目的。随着锅炉技术的发展,区域锅炉房的锅炉燃烧效率已普遍提高到 80%以上,但是我国的锅炉产品在实际运行中还存在一些问题,这些问题会对锅炉的性能造成一定影响,从而降低锅炉的热效率。针对这种情况,本文通过对 2020-2021 采暖季监控系统历史数据及现场采集的数据进行汇总计算分析,测算出每台锅炉的实际运行效率,进而为锅炉采暖季运行、非采暖季检修改造工作提供参考支撑。2 锅炉房简介#1 锅炉房为天津市红桥区部分区域供热,有 3 台 40 蒸吨燃气锅炉(以下简称#1 锅炉房 40 T)及 5 台 100 蒸吨燃气锅炉(以下简称#1 锅炉房 100 T)。3 台 40 蒸吨燃气锅炉供热能力 329 MW,总计 87 MW;5 台 100 蒸吨燃气锅炉供热能力 570 MW,总计为350 MW。40 蒸吨锅炉与 100 蒸吨锅炉未联网运行,分别向红桥区不同区域供热,本文中计算锅炉房整体效率时分别计算。#2 锅炉房为天津市北辰区部分区域供热,总共有 3 台 40 蒸吨(以下简称#2 锅炉房40 T)和3台80蒸吨(以下简称#2锅炉房80 T)燃气锅炉,供热能力 329 MW+358 MW,总计 261 MW,40 蒸吨与 80 蒸吨锅炉联网运行。3 燃气锅炉机组的热平衡锅炉机组的热平衡是指输入锅炉机组的热量与输出锅炉机组的热量之间的平衡。输出热量包括用于生产蒸汽或热水的有效利用热量和生产过程中的各项热量损失。输入热量主要来源于燃料燃烧放出的热。由于各种11区域供热 2023.4 期原因,进入炉内的燃料不可能完全燃烧,而且燃烧放出的热量也不会全部被有效地利用。有多少热量变成为热量损失?这些损失又表现在哪些方面?研究这些问题的目的是找出引起热量损失的原因,提出减少损失的措施,有效地提高锅炉效率,以节约能源 1。在锅炉稳定的热力状态下,1 m3燃料带入炉内的热量、锅炉有效利用热量和热损失间有如下关系:Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5(1)式中:Qr1 m3燃料带入锅炉的热量,J/m3;Q1锅炉有效利用热量,J/m3;Q2排烟热损失,J/m3;Q3化学未完全燃烧热损失,J/m3;Q4机械未完全燃烧损失,J/m3;Q5锅炉散热损失,J/m3。将上式两边都除以输入热量Qr,则锅炉热平衡可用占输入热量的百分比来表示:1=q1+q2+q3+q4+q5式中:qi各项热损失占输入热量的百分比,qi=Qi/Qr。而锅炉有效利用热量与燃料带入锅炉总热量的比值即为锅炉效率,所以可以得出:g l=q1=Q1/Qr=1-(q2+q3+q4+q5)(2)式中:gl锅炉燃烧效率。4 锅炉效率的主要计算模型本文采用正平衡法,是在试验过程中直接确定锅炉机组的有效利用热 Q1及送入锅炉的总热量 Qr,然后直接按公式gl=Q1/Qr计算出锅炉热效率,此效率亦称为输入-输出法效率。正平衡法要求锅炉在较长时间内运行工况稳定,即保持试验期间锅炉压力、负荷等供热参数保持相对稳定的状态。正平衡法要求精确测定燃料量及燃料的发热值、输入物理热和工质所吸收的热量等。在各种锅炉效率计算模型中,关于正平衡法基本上都是一致的,其计算过程比较简单,所求变量也不多 1。其计算式即为:g l=Q1/Qr(3)式中:gl锅炉燃烧效率;Qr输入热量,J;Q1锅炉有效利用热量,J。其中,Q1为热表读取热量,存在热表不准的情况时,锅炉的有效利用热量Q1利用将水加热所需的热量进行计算,即:Q1=cmt(4)式中:c水的比热容,J/(kg);m水的质量,kg;t供回水温差,。其中,锅炉输入热量Qr利用燃气的热值进行计算,每立方米天燃气热值按 8 600 kcal计算,即:Qr=8600V4.21000(5)式中:V燃气体积,m3。5 数据的采集与整理5.1 锅炉房母管参数采集及总效率测算热网监控系统通过远传实现数据采集、监控,以此来实现数据的集中监控和管理,本文采集了 2020-2021 采暖季两座锅炉房运行相对较稳定、供热参数波动较小的时间段,其中#1 锅炉房取 2020 年 11 月 1 日-2021 年 1月 29 日的系统历史数据,#2 锅炉房取 2020年 11 月 12 日-2021 年 11 月 23 日与 2020 年12 月 15 日-2021 年 1 月 29 日两个时间段的系统历史数据。分别取上述时间段内锅炉母管的日平均供回水温度()、流量(t/h)、燃气流量(m3/h)及每台锅炉的日平均供回水温度()、流量(t/h)、燃气流量(m3/h)作为基础数据。为避免个别数据存在误差,上述数据从热网监控系统均按每 1 h 导出并取平均值。因两锅炉房母管热表不准,所以锅炉有效利用热量 Q1用式(3)流量温差法进行计算,根据式(3)、式(4)可以得出锅炉效率=日平均温差4.2103日平均流量103/1 000 000 000/(每 1 h 平均燃气流量8 6004.2103/1 000 000 000)。经测算得出表 1。21区域供热 2023.4 期表1 2 0 2 0-2 0 2 1采暖季#1、#2锅炉房总效率测算表热源测算日期供水温度/回水/温度/流量/th-1燃气流量/m3h-1温差/热量/吉焦天-1温差增大 1所需燃气量(平均值)/m3h-1锅炉房总效率(平均值)#1 锅炉房 100T1.8-1.268145.74 64321 04535.3688.460091%#1 锅炉房 40T11.11-1.267045.91 0383 81724.1105.116076%#2 锅炉房11.12-1.2675.245.84 10816 26929.4508.755087%表2 2 0 2 0-2 0 2 1采暖季#1、#2锅炉房单台锅炉运行情况及参数表锅炉供温/回温/流量/th-1燃气流量/m3h-1平均耗热量/GJh-1运行情况#1 锅炉房 100T#18645.51 0725 130184 11 月 18 日之前处于调试状态,未高负荷运行,之后77天中共运行 67 天。其中有 66 天高负荷运行,每日燃气消耗量均高于 10 万立方米,热量均高于 3 600 GJ;1天低负荷运行。#280.544.31 0515 372160 11 月 7 日之前处于调试状态,未高负荷运行,之后 84天中有 69 天高负荷运行,2 天低负荷运行。#375.4441 0144 875138 系统历史数据从 11 月 2 日开始共 90 天,其中有 58 天热量高于 2 400 GJ 运行,6 天热量低于 1 400 GJ 运行。#485.645.91 0325 158173 11 月 21 日之后 69 天中共运行 63 天,其中 61 天高负荷运行,2 天低负荷运行。#585.246.29955 254165 12 月 4 日之后 56 天中共运行 43 天,其中 40 天高负荷运行,3 天低负荷运行。#1 锅炉房 40T#680.951.14071 44152 11 月 1 日之后共运行 58 天,其中 53 天高负荷运行,5天低负荷运行。#780.650.74131 63852 11 月 1 日之后共运行 82 天,其中 80 天高负荷运行,2天低负荷运行。#879.851.84141 50149 11 月 1 日之后共运行 61 天,其中 57 天高负荷运行,4天低负荷运行。#2 锅炉房 40T#172.943.84291 62053 11 月 11 日之后共运行 48 天,其中 41 天高负荷运行(有 3 天数据不准确),7 天低负荷运行。#282.245.64292 09866 11 月 11 日之后共运行 52 天,其中 49 天高负荷运行,3 天低负荷运行。#381.445.74122 11161 11 月 11 日之后共运行 56 天,其中 55 天高负荷运行(有 3 天数据不准确),1 天低负荷运行。#2 锅炉房 80T#474.846.67612 92490 11 月 13 日之后共运行 47 天,其中 45 天高负荷运行(每日耗热量 2 160 GJ 以上),2 天低负荷运行。#574.145.71 0934 338131 11 月 13 日之后共运行 57 天,其中 55 天高负荷运行(每日耗热量 2 160 GJ 以上),2 天低负荷运行。#68046.19914 667141 11 月 15 日之后共运行 54 天,其中 53 天高负荷运行,1 天低负荷运行。5.2 单台锅炉参数采集及效率测算5.2.1 参数采集2020-2021 年采暖季#1、#2 锅炉房每台锅炉均启动运行达 40 天以上,#1 锅炉房单台锅炉系统只有 2020 年 11 月 1 日-2021 年 1月 29 日的历史数据,所以所有统计都在此时间段内;#2 系统只有 2020 年 11 月 12 日-2020 年 11 月 23 日与 2020 年 12 月 15 日-2021 年 1 月 29 日两个时间段的历史数据,所以所有统计都在这两个时间段内。运行情况及参数如表 2 所示。5.2.2 效率测算从系统中导出 3 个锅炉房每台锅炉从供热开始至今的日平均供回温、流量(t/h)、燃气31区域供热 2023.4 期表3 2 0 2 0-2 0 2 1采暖季#1、#2锅炉房单台锅炉效率测算表锅炉2020-12-15现场记录数据测算效率/%2020-12-29现场记录数据测算效率/%系统历史数据测算效率/%最大输出负荷/MW备注#1 锅炉房 100T#191929868-#281808257-#387887653-#480799264-#581818660-#1 锅炉房 40T#698999828-#785878625-#889899026-#2 锅炉房 40T#183889427-#290848825-#383798224-#2 锅炉房 80T#486818634 因锅炉供水管阀门故障,供水流量最高只能达到 700 t/h,几次测算燃烧效率误差较大。#588848449-#691928449-流量(m3/h)作为基础数据。根据式(3)、式(4)可以得出,单台锅炉效率=日平均温差4.2103日平均流量103/1 000 000 000/(每 1 h 平均燃气流量86004.2103/1 000 000 000)。经测算得出 3 个锅炉房每台锅炉采暖季开始至今平均热效率如表 3 所示,结合之前几次现场记录温度、流量、燃气量等数据测算的效率汇总至表 3。表 3 中标记下划线的系统历史数据测算效率表示与前两次现场记录数据测算出的效率较为接近,因现场记录数据受温度波动、表计不准确、数据记录时间、锅炉运行调试进度等因素影响,与锅炉实际燃烧效率会有一定偏差,所以后面的方案以系统历史数据测算的效率值为准。由于#4 炉供水出口阀门有故障,供水流量只能达到 700 t/h,在此锅炉最高输出负荷按 34 MW 计算(按温差 40,流量 700 t/h 粗略计算得出)。5.2.2 燃烧效率校核现已得出每台锅炉燃烧效率、运行情况及 3 个锅炉房采暖季至今整体的效率,现在用每台锅炉燃烧效率、运行情况对锅炉房整体的效率进行校核。5.2.2.1#1 锅炉房 100 T 锅炉选取系统历史数据中#1 锅炉房 100 T 锅炉 2021 年 1 月 8 日-2021 年 1 月 26 日期间#1#5 炉的运行数据,对锅炉房整体效率进行测算,然后与系统历史数据中#1 锅炉房100 T 母管的测算效率值进行对比,如果结果吻合,则说明单台锅炉效率及 3 个锅炉房效率都与实际效率值相符,此处日平均锅炉有效利用热量 Q1为单台锅炉出水管热表读取数据,#1 锅炉房 100 T 锅炉效率校核结果如表 4 所示。校核效率=(84 816+45 240+37 008+82 080+76 608)/(272 747 054-262 685 466)8 6004.2103/1 000 000 000=89.6%41区域供热 2023.4 期表4 2 0 2 0-2 0 2 1采暖季#1锅炉房1 0 0 T锅炉校核效率表锅炉有效利用热量Q1/GJ燃气表初表码/m3燃气表末表码/m3校核效率/%#1 炉84 816#2 炉45 240#3 炉37 008#4 炉82 080#5 炉76 608262 685 466 272 747 05489.6因#1 锅炉房 100 T 母管系统历史数据只有 2021 年 1 月 8 日-2021 年 1 月 26 日的数据,所以式中单台锅炉的日耗热量和天数也选取这个时间段的数据。可以看出#1 锅炉房 100 T 锅炉房的效率与上述利用母管系统历史数据测算的效率基本一致,单台锅炉热效率较为准确。5.2.2.2#1 锅炉房 40 T 锅炉通过以上校核方式对#1 锅炉房 40 T 锅炉效率进行校核,结果如表 5 所示。表5 2 0 2 0-2 0 2 1采暖季#1锅炉房4 0 T锅炉校核效率表锅炉有效利用热量Q1/GJ燃气表初表码/m3燃气表末表码/m3校核效率/%#1 炉72 384#2 炉102 336#3 炉71 73646 858 14754 908 32689.6同理:校核效率=(72 384+102 336+71 736)/(54 908 326-46 858 147)8 6004.2103/1 000 000 000=85%可以看出#1 锅炉房 100 T 锅炉的效率与上述利用母管系统历史数据测算的效率 76%差别较大,经过数据整理对比,发现每日母管总耗热量大于单台锅炉耗热量之和,分析原因可能为母管流量或温度表计不准,造成母管系统历史数据所测算的锅炉房效率偏低。5.2.2.3#2 锅炉房通过以上校核方式对#2 锅炉房锅炉效率进行校核,结果如表 6 所示。表6 2 0 2 0-2 0 2 1采暖季#2锅炉房锅炉校核效率表锅炉有效利用热量 Q1/GJ燃气表初表码/m3燃气表末表码/m3校核效率/%#1 炉61 056#2 炉82 368#3 炉81 984#4 炉101 520#5 炉179 208#5 炉182 736195 252 016 214 589 456184 141 360 186 893 15286.6同理:校核效率=(61 056+82 368+81 984+101 520+179 208+182 736)/(214 589 456-195 252 016)+(186 893 152-184 141 360)86004.2103/1 000 000 000)=86.6%可以看出#2 锅炉房的效率与上述利用母管系统历史数据测算的效率基本一致,单台锅炉热效率较为准确。综上所述,#1 锅炉房 100T、#1 锅炉房40 T 及#2 锅炉房本采暖季至今的整体效率分别为 90%、85%、87%。#1 锅炉房 100 T 锅炉#1#5 炉效率分别为 98%、82%、76%、92%、86%;#1 锅炉房 40T 锅炉#6#8 炉效率分别为 98%、86%、90%;#2 锅炉房#1#6炉 效 率 分 别 为 94%、88%、82%、86%、84%、84%。6 经济运行方案的制定基于以上数据,制定锅炉房经济运行方案,锅炉运行时运行时需注意:(1)在锅炉效率相差不大的情况下,保证运行一段时间后应适当切换,避免因运行时间过长导致的各种隐患。(2)尽量保证每台锅炉出力都达到 70%以上,根据近几次测算经验,可使每台锅炉供水温度在 68 以上,避免锅炉因出力过低导致的效率偏低问题。6.1#1 锅炉房对比 2020 年 11 月 19 日、2020 年 12 月 651区域供热 2023.4 期日测算的燃烧效率综合情况与 2020 年 12 月29 日极寒天气锅炉高负荷运行状态下的燃烧效率,可以看出每台锅炉几次测算的燃烧效率非常接近,说明#1 锅炉房 8 台锅炉所测算出的燃烧效率值已非常准确,接近于锅炉的真实燃烧效率,且说明锅炉燃烧效率在供温达到 68(2020 年 11 月 19 日测算时锅炉的供水温度)以上时受锅炉出力影响不大,为一个定值。6.1.1#1 锅炉房 40 T由表 3 可以得出:3 台锅炉总出力最高可达到 79 MW,在非极寒天气,40 T 锅炉供热区域启动两台锅炉可以满足供热需求,当同时启动两台锅炉时,尽量保证两锅炉输出负荷相差不大,避免因输出负荷过低导致锅炉效率降低,且 3 台锅炉效率相差不大,应适当切换启动,优先启动效率较高的锅炉,#1 锅炉房 40 T 经济运行方案如表 7 所示。表7#1锅炉房4 0 T锅炉经济运行方案室外平均温度/锅炉总输出负荷/MW预测母管供回温/锅炉启动数量/台43369/43233571/44223774/44.5214076/45204279/462-14481/472-24684/482-34886/48.52-45088/49 2(或 3 台全部启动,但单台负荷相 对 低 一 些运行)6.1.2#1 锅炉房 100 T由表 3 可以得出,5 台锅炉的总出力为302 MW,锅炉燃烧效率由高到低依次为#1、#4、#5、#2、#3,按燃烧效率由高到低顺序启动锅炉,锅炉运行一段时间后适当切换,避免运行时间过长,#1 锅炉房 100 T 经济运行方案如表 8 所示。表8#1锅炉房1 0 0 T锅炉经济运行方案室外平均温度/锅炉总输出负荷/MW母管供回温/锅炉启动数量/台414869/433315772/443216774/44.53117677/453018579/46 3(或 4 台,但单台负荷相对 低一些运行)-119582/474-220484/484-321387/49 4(或 5 台,但单台负荷相对 低一些运行)-422289/49.5 4(或 5 台,但单台负荷相对 低一些运行)6.1.3#2 锅炉房由表 3 可以得出,6 台锅炉最高出力可达到 208 MW,#1、#2、#3 锅炉输出负荷相差不大,但#1 锅炉燃烧效率相对较高,所以优先启动#1 锅炉;#4、#5、#6 锅炉效率相差较小,但因#4 锅炉受供水管阀门故障影响,供水流量最高达到 700 t/h,出力最高只能达到 70%,最大输出负荷只能达到 34 MW,所以#2 锅炉房经济运行方案如表 9 所示。表9#2锅炉房经济运行方案室外平均温度/锅炉总输出负荷/MW母管供回温/锅炉启动情况412268/43#1、#5、#6312970/44#4、#5、#6 或#1、#2、#5、#6213772/44.5#1、#2、#5、#6114475/45#1、#2、#5、#6015277/46#1、#4、#5、#6 或#1、#2、#3、#5、#6 或-116080/47#1、#2、#3、#5、#6 或#1、#2、#4、#5、#6-216782/48#1、#2、#3、#5、#6 或#1、#2、#4、#5、#661区域供热 2023.4 期续表室外平均温度/锅炉总输出负荷/MW母管供回温/锅炉启动情况-317584/48.5#1、#2、#3、#5、#6 或#1、#2、#4、#5、#6 或6 台全部启动负荷相对低一些运行-418287/49#1、#2、#4、#5、#6 或6 台全部启动负荷相对低一些运行7 结论随着锅炉运行年限的增加,必然会导致锅炉运行效能的逐年退化,在此前提下,如何实现锅炉节能高效经济运行,全面提升区域供热保障能力,以实现企业规模效益向经济效益转化的目标,扭转以往运营成本倒挂的局面,成为本文研究的主要内容。通过数据监控平台深度分析两座锅炉房效能情况,进而针对性地检查设备健康状况,对影响安全生产和经济运行的缺陷隐患及时列入检修改造计划,是提高锅炉热效率行之有效的手段。本文结合锅炉供回水温度、流量、燃气耗量等参数对#1、#2 锅炉房整体及单台锅炉效率的全面测算分析,合理设定热量负荷分配方案,进而得出以下结论:(1)#1、#2 锅炉房全部 14 台锅炉中有 7台锅炉此次测算的效率与现场抄表记录数据所测算的效率基本一致,7 台锅炉效率的测算受温度波动、表计不准确、数据记录时间、锅炉运行调试进度等因素影响与锅炉实际燃烧效率有较小偏差,且个别锅炉在不同负荷的运行情况下效率也有差别,所以可在每个采暖季结束后对锅炉运行期间的数据进行大量的测算和分析,并通过测算结果制定后续锅炉经济运行方案,提高企业的经济效益。(2)采暖季锅炉房除了要按已制定的经济方案运行外,还应充分结合室内测温面板温度及户用热计量表温度、流量等末端数据,对工单量、电话量、室内测温面板数据及大范围测温情况进行深度分析,在整体负荷满足需求的前提下大力调整一次侧、二次侧(楼门、户间)流量平衡,重点针对过热区域进行远控参数深度分析,摸索阀门开度、二次温度、室外温度之间的联系,参考室外温度变化随时调整参数,并以单台机组为单位持续优化供温曲线、持续优化时间阶段,加快探索实践并扩大分阶段按需动态调整范围。同时采取加装暖气片等手段有针对性地解决个别用户室内温度不达标的问题,避免以高参数弥补个别用户室温不达标的情况发生,进而实现集热源、换热站、末端用户数据综合一体的联动调节模式。(3)远传实时监控系统是供热生产人员的“眼睛”,锅炉房供回水温度、压力、流量、热量、燃气量等供热参数的采集显得尤为重要,运行时应重点分析锅炉房供热参数采集表计的准确性,为检修改造计划提供参考,保证数据采集的准确性,进而利用这些数据对锅炉的燃烧效率进行更精确的测算,并充分结合锅炉调试情况、室外气温等因素对方案进行不断修正、完善锅炉经济运行方案,为两锅炉房今后经济运行提供强有力的支持。(4)燃气热值受不同的天然气来源、地质条件、环境温度和压力等因素影响,每个采暖季都会有不同程度的差别,而燃气的热值是测算锅炉燃烧效率极为重要的参数,所以为更准确地测算锅炉的燃烧效率,每个采暖季都需要提前对所辖锅炉房燃气源进行相应的考虑和测算。(5)随着燃气锅炉使用年限的增长,经过长时间的使用和加热后,锅炉容易发生氧化、腐蚀和磨损,损害锅炉的结构完整性和性能。为了避免这些问题,在采暖季结束后应结合检修改造计划对锅炉进行维护保养,并尝试炉膛喷涂等新技术提高锅炉的燃烧效率。同时应重点关注锅炉排烟温度,可通过增加节能器受热面积等手段多举措减少热损失。(6)目前通过生产运行人员进行手动数(下转第 54 页)71区域供热 2023.4 期 5付明海,江阳.建筑环境与设备系统设计实例及问答 M.北京:机械工业出版社,2011.6江克林.暖通空调设计指南与工程实例 M.北京:中国电力出版社,2015.7江亿.建筑环境系统模拟分析方法DeST M.北京:中国建筑工业出版社,2006.8天津生态城绿色建筑研究院,清华大学建筑节能研究中心.建筑能耗模拟及 eQUEST&DeST 操作教程 M.北京:中国建筑工业出版社,2014.9中华人民共和国住房和城乡建设部.博物馆建筑设计规范:JGJ662015 M.北京:中国建筑工业出版社,2015.10中华人民共和国住房和城乡建设部,国家市场监督管理总局.建筑节能与可再生能源利用通用规范:GB55015-2021 M.北京:中国建筑工业出版社,2021.(上接第 17 页)据分析的方式有很大的局限性,后续应利用供热调节机理结合运行大数据分析,建立供热智能调节系统,实现热网安全、经济、节能、自动运行的控制系统,建立锅炉房自身的控制核心、数据中心,为未来智能化信息平台、大数据分析打下基础,以实现公司运营、安全联动(人员定位管理、消防联动、安防联动等)、彻底的无人值守等集安全、准确及经济运行一体化的智能供热模式。同时探索热电联产供热管网与锅炉房联网运行最优模式,合理设定热量负荷分配,深化热电联产与调峰锅炉供热“一张网”运行优势,实现电厂并网、锅炉调峰、区域解列和事故工况下热量互补的最优运行策略。参考文献 1沈芳平.锅炉热效率计算方法研究与软件开发 D.南京:东南大学,2004.45区域供热 2023.4 期