CN101111727A - 非冷凝锅炉效率最大化的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种在最大非冷凝效率下运行非冷凝锅炉的方法，尤其是一种运行非冷凝锅炉的方法，能为燃烧器的燃烧提供适量的过量空气，避免因在换热器上产生冷凝水而损坏换热器，并能有效地提高热效率。该方法包括步骤：感应进入换热器的交换水的温度和从换热器中排出的供给水的温度，从该两个温度计算平均温度以利用存储于控制器中的信息来获得CO的最大浓度；利用依赖于所用燃料而选择的燃烧方程，由CO的最大浓度计算出过量空气系数(λ)；由燃烧特性曲线检查过量空气系数(λ)是否在稳定燃烧区域内；当过量空气系数(λ)在稳定燃烧区域中时，设定该过量空气系数为控制目标值，且当过量空气系数(λ)小于稳定燃烧区域的下限时，设定稳定燃烧区域中的最小过量空气系数为控制目标值；基于所设定的过量空气系数计算与当前燃料消耗量相适合的空气流量目标值；并执行关于空气流量目标值和从空气流量传感器输入的值的反馈控制。应用这种结构，在非冷凝锅炉运行时不会发生冷凝，因此，锅炉耐用性提高，且在低制造成本下容易地加以组装，结构紧凑，并能在非冷凝条件下获得最大的热效率。

Description

非冷凝锅炉效率最大化的方法
技术领域
本发明涉及一种在最大非冷凝效率下运行非冷凝锅炉的方法，尤其是涉及一种运行非冷凝锅炉的方法，其中可为燃烧器的稳定燃烧供入适当量的过量空气，并防止由燃料燃烧所形成的水蒸汽在锅炉的换热器上冷凝而损坏换热器，因而有效地提高热效率。
背景技术
主要用于普通住宅取暖和热水供应的锅炉，根据所用燃料的种类可分成燃气锅炉和燃油锅炉。燃气锅炉有时采用液化石油气体(LPG)作为燃料，但是大多数使用液化天然气(LNG)，液化天然气是一种能减小空气污染的清洁燃料，因为它和用于燃油锅炉的轻油和煤油相比，几乎不含硫(S)成分。
根据换热器的类型，可将锅炉分为冷凝式锅炉和非冷凝锅炉。在通常使用燃气或燃油作为燃料的锅炉中，为提高热效率已经作了多方面的研究。因此，最近已经研发了一种冷凝式锅炉，其利用了包含在废气中的燃烧产物即水蒸气(H2O)的冷凝潜热。
冷凝式换热器利用回收冷凝潜热的原理来起到减小辐射热损失的作用，并配有使用燃烧器的燃烧热直接加热水的显热换热器和使用经过显热换热器的废气潜热加热水的潜热换热器。因此，冷凝式换热器能将废气温度降低到露点温度之下以吸收废气中的冷凝潜热，从而提高了热效率。
然而在冷凝换热器中，由于PH值约在2-4的酸液以及燃烧热而发生腐蚀，该酸液是由冷凝过程中产生的湿气与废气中的硫氧化物(燃油的情况下)或氮氧化物(燃气的情况下)反应生成的。防止这种腐蚀常常是一个问题。为了解决这个问题，在大多数冷凝式换热器中，都已将特种不锈钢、铝合金等制成的铸件用于组成换热器的换热叶片、换热管等等。不过，这些冷凝式换热器难以制造，而且尺寸大、重量重，因而使制造成本高。因此，这些因素对实现换热器的简单装配有相当大的限制。
同冷凝式锅炉的换热器相比，非冷凝锅炉中只具有显热换热器，因此，它的制造成本相对要低，且容易装配，结构紧凑。然而，严格地防止水汽冷凝绝对是必要的。
和基于废气中的水汽冷凝的冷凝式锅炉不同，普通锅炉的换热器通常由例如铜(Cu)、普通不锈钢或者类似材料制成。当冷凝水与这种材料制造的换热器接触时，会发生严重的腐蚀，这样会降低热交换的效率，并最终导致换热器失去功能。
因此，需要有一种在最大热效率下且无冷凝运行非冷凝锅炉的方法。
发明内容
相应地，为了解决现有技术中出现的上述问题而完成了本发明，本发明的目的是提供一种运行非冷凝锅炉的方法，能为燃烧器的燃烧供入适量的过量空气，避免通过使在燃料燃烧中所形成的水蒸汽在锅炉的换热器上冷凝而损坏换热器，并能有效地提高热效率。
根据本发明，一种在最大非冷凝效率下运行非冷凝锅炉的方法包括步骤：用传感器感应进入非冷凝锅炉换热器的交换水的温度和从换热器中排出的供给水温度，将感应到的温度传送给控制器，在控制器中计算交换水的温度和供给水的温度的平均温度；根据显示依赖于预先输入到控制器中的CO2浓度的露点温度的信息，由所计算出的平均温度来计算CO2的最大浓度；基于由所用燃料所决定的燃烧方程，由CO2的最大浓度计算出过量空气系数(λ)；当计算出过量空气系数(λ)时，由所计算出的过量空气系数设定过量空气系数(λ)的控制目标值；当设定好过量空气系数(λ)的控制目标值时，由所设定的控制目标值计算适合于目前燃料消耗量的空气流量目标值；执行来自空气流量目标值和从空气流量传感器输入的值的反馈控制，并提供比空气流量目标值更大的空气量。
进一步，设定过量空气系数(λ)的控制目标值的步骤可包括步骤：根据预先输入到控制器中的过量空气系数(λ)和一氧化碳(CO)之间的关系信息来确定由CO2的最大浓度所计算出的过量空气系数(λ)是否处在稳定燃烧区域中。
此外，在确定由CO2的最大浓度所计算出的过量空气系数(λ)是否处于稳定燃烧区域之后，当过量空气系数(λ)处于稳定燃烧区域时，可以将该过量空气系数设定为控制目标值，并且当过量空气系数(λ)小于稳定燃烧区域的下限时，可以将稳定燃烧区域中的最小过量空气系数设定为控制目标值。
用这种结构，在非冷凝锅炉运行中不会发生冷凝，因此，锅炉可以延长耐用性，且在低制造成本下容易地加以组装，结构紧凑，并在非冷凝条件下可获得最大的热效率。
附图说明
图1显示了根据本发明示例性实施方式的燃烧特性曲线图(过量空气系数与一氧化碳(CO)之间的图解关系)；和
图2是根据本发明示例性实施方式绘制的CO2浓度和露点温度之间关系的曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明。
在附图简述中，图1显示了根据本发明示例性实施方式的燃烧特性曲线(过量空气系数与一氧化碳(CO)之间的图解关系)，图2是根据本发明示例性实施方式的绘制CO2浓度和露点温度之间关系的曲线图。
图1显示了燃烧器稳定燃烧(即当不稳定燃烧产生的CO量为最小时的燃烧)所需的过量空气系数范围。
参照图2，假设使用燃油燃料。当CO2量为10.5vol％时，冷凝水在大约43℃形成。当减少过量的空气且废气中的CO2量达到13.5vol％时，冷凝水在大约47℃形成。因此，由于冷凝水所产生的湿气同废气中的硫氧化物(燃油的情况下)或者氮氧化物(燃气的情况下)反应生成pH值约为2-4的酸性液体，增加换热器被腐蚀的可能性。
可以形成冷凝水的温度，即43℃或47℃，是相对的。当锅炉运行中循环水达到48℃，当废气中CO2达到13.5vol％时形成冷凝水，但当它达到10.5vol％时不会形成冷凝水。当锅炉运行中循环水达到40℃时，废气中CO2达到13.5vol％或10.5vol％时都会形成冷凝水。
另一方面，假设使用燃气燃料。当CO2达到6vol％时，冷凝水在大约45℃形成。当减少过量的空气且废气中CO2达到10.5vol％时，冷凝水在大约57℃形成。因此，由于冷凝水所产生的湿汽同废气中的氮氧化物反应生成pH值约为2-4的酸性液体，增加换热器被腐蚀的可能性。
可以形成冷凝水的温度，即45℃或57℃，是相对的。当锅炉运行中的循环水达到60℃，在废气中CO2达到6vol％或10.5vol％时，不会形成冷凝水。当锅炉运行中的循环水达到50℃时，废气中CO2达到10.5vol％时形成冷凝水，而废气中CO2达到6vol％时不会形成冷凝水。当锅炉运行中的循环水为40℃时，当废气中CO2达到6vol％或10.5vol％时都会形成冷凝水。
下面将参照每个附图对运行非冷凝锅炉的方法进行详细说明。
在除冷凝锅炉以外的普通锅炉中，为了提高热效率，应该将通过废气的热损失降到最低。为了实现该目的，供入到燃烧器中的空气量应该尽可能的低。换句话说，当供入超过必要量的更多空气时，燃烧后剩下的残余空气以废气形式排到外面，从而增加了热损失。因此，供入超过必要量的大量空气并不能增加热效率，反而起到了反作用。
同时，燃料的理想、完全燃烧所需的精确的空气(氧气)量，可使用完全燃烧方程式来计算得出。这在理想燃烧条件下是可能的。实际上，为了实施燃烧，需要供入比完全燃烧所需的空气更多的空气。过量空气系数(λ＝实际空气量/理论空气量)与燃烧特性之间的关系取决于燃烧器类型，但是这种关系通常如图1所示。
参照图1可以看出，过量空气系数λ属于稳定燃烧区域，其中将产生的CO的量减小到过量空气系数λ约为1.2-3的范围，因而，为了燃烧器的稳定燃烧，应该供入大于特定过量空气的空气量(图1中λ大于1.2)。因此，当为了提高热效率而减少供入到燃烧器的空气量时，供入小于预定量的空气是不合适的。
而且，尽管通过减少供入到燃烧器的空气直到最小的过量空气量(图1中的λ＝1.2)能使燃烧器稳定燃烧，但换热器受到另外的限制。具体来说，为了使由废气所引起的热损失降到最低以提高热效率、当供入低于特定量的过量空气时，废气中燃烧产物H2O的百分比(％)增加。因此，在相当高的温度下，废气具有高于饱和蒸汽压的水蒸汽压。因此，很容易发生冷凝现象。
这种情况下，为了防止冷凝水的产生，就需要通过增加空气供应量来控制冷凝。
因此，本发明涉及一种运行非冷凝锅炉的方法，该方法可根据燃料种类和循环水温度适用于降低过量空气系数以提高热效率，并且进行反馈控制以便使降低的过量空气系数处于稳定燃烧的区域内，同时在设定不发生冷凝的最佳的过量空气系数，从而在锅炉的非冷凝状态下获得最大的热效率。
下面将说明影响热效率增加和冷凝水产生的参数，以及根据本发明运行锅炉时各个参数之间的关系。
首先，如上所述，为了增加锅炉的热效率应该减少过量空气的供入量。这样，当减少过量空气的供入量时，废气中CO2和H2O的浓度增加。相反，当增加过量空气的供入量时，废气中CO2和H2O的浓度降低。
图2是根据本发明示例性实施方式绘制的CO2浓度和露点温度关系曲线图。如图2所示，当为了增加热效率而减少过量空气的供应量时，废气中的CO2的浓度增加，同时，露点温度也提高了。这是因为CO2的绝对含量是常数，而过量空气的供入量减少了，因而与废气的总体积相比，CO2的浓度增加。当供入换热器的循环水的温度低于露点温度时，在换热器表面上会发生冷凝，因此换热器将会腐蚀。露点温度升高，意味着锅炉运行中循环水的温度低于露点温度的可能性也增加。因此，换热器的耐用性将严重恶化。
下面将通过燃烧方程式说明过量空气系数λ、CO2浓度和H2O浓度之间的关系。此处假设燃料类型为天然气(主要成份是CH4)。
(1)完全燃烧方程式(当λ＝1)
CH4+2(O2+aN2)＝＞CO2+2H2O+2aN2+热量(1)
(2)当改变过量空气系数时的比例表达式
CH4+2λ(O2+aN2)＝＞CO2+2H2O+2aλN2+(2λ-2)O2+热量(2)
在比例表达式(2)中，(2λ-2)O2意指因过量的空气的供入而没有参加反应的剩余氧气。在方程(1)和表达式(2)中，所供入的空气成分仅考虑氧气(O2)和氮气(N2)。
在表达式(2)中，与废气总体积相比，CO2相对浓度表达为1/(1+2+2aλ+(2λ-2))＝1/(2aλ+2λ+1)，与废气总体积相比，H2O相对浓度表达为2/(1+2+2aλ+(2λ-2))＝2/(2aλ+2λ+1)。这样，尽管过量空气系数变化，但燃烧反应后废气中CO2和H2O的绝对量保持恒定。相反，在总废气中的CO2和H2O的相对浓度是与过量空气系数(λ)成反比的，这是由于因空气的过量供入，剩余氧气没有参加反应。
因此，当为了增加热效率而减少过量空气的供入量时，相对废气的总体积，CO2和H2O的浓度增加。这样，当废气中的H2O的百分比(％)增加时，在给定温度下，废气具有高于饱和气压的水蒸汽压，因此，冷凝现象发生的可能性增加。
下面将对能最大程度地提高热效率并防止发生冷凝的运行锅炉的方法作详细说明。
首先，通过设置在换热器入口和出口处的传感器感应进入非冷凝锅炉换热器中的交换水的温度和从该换热器排出的供给水的温度，并传送给控制器。控制器由交换水的温度和供给水的温度计算出平均温度。
其次，在控制器中由平均温度计算出CO2的最大浓度。CO2的最大浓度可以从图2的曲线图中获得。作为一个实施例，假定所用的燃料为天然气且当前循环水的平均温度为45℃，可以看出，在该温度下可以冷凝的废气中CO2浓度为6vol％，因而CO2的最大浓度为6vol％。
因此，本发明涉及调整过量空气系数以使得锅炉在不发生冷凝的范围内驱动。从上述燃烧方程可以看出，因为过量空气系数同废气中存在的CO2浓度成反比，当得到循环水的当前温度，且获得该温度下发生冷凝的CO2浓度时，在该温度下发生冷凝的过量空气系数可以根据燃烧方程(2)求出。这样，在一定范围内调节过量空气系数以不发生冷凝是可能的。
因此，CO2的最大浓度意指在循环水的当前温度下，不发生冷凝的CO2的浓度。因此，为了运行锅炉使其不发生冷凝，在当前循环水温度为45℃时，CO2的浓度应调节在6vol％之下。
在这种情况下，使用表格或函数将图2中的信息(即显示露点温度和CO2浓度之间关系的信息)预先输入到控制器中。输入到控制器中的表格或函数信息是从计算方程中得到的。当选定一个CO2浓度值后，取决于燃料类型的H2O的浓度可以从燃烧方程中得到。露点温度是在饱和水蒸汽压力曲线上由已得到的H2O浓度获得的。该计算值可根据关对于燃油燃料和天然气燃料的CO2浓度预先输入到控制器中。
如上所述，在控制器中计算出CO2最大浓度，过量空气系数(λ)是由取决于所用燃料的燃烧方程(对于天然气，CH4+2λ(O2+aN2)＝＞CO2+2H2O+2aλN2+(2λ-2)O2+热量)和所计算出的CO2浓度计算出的。
因此，使用天然气时、当循环水的当前温度为45℃、CO2最大浓度为6vo1％且当CO2浓度为6vol％时，过量空气系数由下述方程式计算得出。
1/(2aλ+2λ+1)＝0.06(％)(3)
紧接着，当由方程(3)计算出过量空气系数(λ)时，考虑到燃烧的稳定性，优选从表明过量空气系数(λ)与CO之间关系的燃烧特性曲线来检查过量空气系数(λ)是否处于稳定燃烧区域。
这种情况下，当由CO2最大浓度计算得到的过量空气系数(λ)小于稳定燃烧区域的下限时，将稳定燃烧区域的最小过量空气系数(λ)(图1中，当λ＝1.2时)设定为控制目标值。然而，当由CO2最大浓度计算得到的过量空气系数(λ)处于稳定燃烧区域内时(图1中，当λ＝1.2到3时)，将该值设定为控制目标值。
此处，设定为控制目标值的过量空气系数(λ)，是在冷凝开始发生的露点温度下由CO2的浓度计算得到的值。为此，为了防止锅炉运行中发生冷凝，应供入空气以使过量空气系数(λ)大于控制目标值。
如上所述，当计算出过量空气系数(λ)的控制目标值时，适合于当前燃料的消耗量的空气流量的目标值可以从燃烧方程中求出。
然后，将使用鼓风机的空气流量传感器所测得的空气流量数据和由设定为控制目标值的过量空气系数(λ)计算出的空气流量目标值进行对比，同时进行反馈控制(比例微积分(PID)控制等)。
这种情况下，为了防止冷凝发生，应该供入空气以使得鼓风机提供的空气量大于所计算的空气流量目标值。同时，为了同时获得最大热效率并防止冷凝发生，必须精确地控制空气流量目标值，因为当供入太多的空气时，热效率降低。
尽管已经参照能为燃烧器的稳定燃烧提供过量的空气，且避免因冷凝水而损坏锅炉，并有效地提高热效率的运行非冷凝锅炉的方法对本发明的示例性实施方式进行了说明，但是本领域技术人员将会明白，在不背离本发明的原理和精神下可对这些实施方式加以改变，本发明的保护范围限定在权利要求书和它们的等同方案中。
如上所述，本发明应用于非冷凝锅炉，可以为燃烧器的燃烧提供合适的过量空气量，避免在换热器上产生冷凝水而损坏换热器，并且有效的提高了热效率。

Claims (3)

1.一种在最大非冷凝效率下运行非冷凝锅炉的方法，该方法包括步骤：
通过传感器感应进入非冷凝锅炉换热器的交换水的温度和从换热器中排出的供给水温度，将感应到的温度传送给控制器，在控制器中由交换水的温度和供给水的温度计算出平均温度；
根据表示预先输入到控制器中的CO2浓度和露点温度的关系的信息，由计算出的平均温度计算CO2最大浓度；
利用依靠所用燃料选择的燃烧方程，由CO2最大浓度计算过量空气系数(λ)；
当计算出过量空气系数(λ)时，由计算出来的过量空气系数设定过量空气系数(λ)的控制目标值；
当设定好过量空气系数(λ)的控制目标值时，由所设定的控制目标值计算适合于当前燃料消耗量的空气流量目标值；和
执行关于空气流量目标值和从空气流量传感器输入的值的反馈控制，并且供入大于空气流量目标值的空气量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中设定过量空气系数(λ)的控制目标值的步骤包括步骤：根据关于预先输入到控制器中的过量空气系数(λ)和一氧化碳(CO)之间的关系信息来确定由CO2的最大浓度所计算出的过量空气系数(λ)是否处在稳定燃烧区域中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在确定了由CO2的最大浓度所计算出的过量空气系数(λ)是否处于稳定燃烧区域之后，当过量空气系数(λ)处于稳定燃烧区域时，将该过量空气系数设定为控制目标值，当过量空气系数(λ)小于稳定燃烧区域的下限时，将稳定燃烧区域中的最小过量空气系数设定为控制目标值。
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