技术分析｜燃气锅炉烟气余热回收设计安装及实例分析
2021-12-26 08:57:00
技术分析｜燃气燃烧器定制烟气余热回收设计安装及实例分析
燃气燃烧器定制烟气余热回收设计安装及实例分析摘要：结合工程经验对烟路、水路连接方式及仪表附件、冷凝水排放等问题进行讨论，提出合理的安装建议；对系统运行与调节方法及现场出现的问题进行总结；根据工程实例分析了烟路、水路连接方式及设备材质、类型对节能率的影响。同时利用烟侧放热量与水侧吸热量的对比强调了旁通烟路阀门严密的重要性。
关键词：烟气余热回收；设计安装；节能效果
引言
天然气燃烧器定制的效率目前通常为85~90%［1］。排烟热损失是燃烧器定制效率的主要影响因素。热水燃烧器定制排烟温度约为150~200℃，蒸汽燃烧器定制排烟温度为200~250℃［2］。有数据表明供热燃烧器定制排烟温度为80~160℃时，排烟造成的热损失为燃烧器定制耗热量的16%~20%［3］。如此高的排烟温度不仅会造成能源浪费，而且会引发大气环境污染。在排烟过程中增设一套烟气余热回收系统能够有效降低燃烧器定制排烟温度，并利用其热量，从而显著提高燃烧器定制效率［4］。近些年，烟气余热回收技术在工程中的应用越来越广泛。间壁式换热节能设备以其安装便捷，回收效果较显著的特点更是被广泛应用于小型区域燃烧器定制房中。由于多数燃烧器定制房空间有限，可被节能设备利用的空间更少，因此充分结合现场空间为热回收系统量身定做节能产品非常必要。
1烟气余热回收系统设计计算
1.1节能量
低温冷源和强化换热是在回水温度较高的集中采暖系统中余热回收所面临的两个严峻问题［5］。在安装之前须根据现有冷源及排烟温度进行节能效益计算。节能量，在初步设计阶段认为是烟气与水换热的过程中所释放的热量。在外保温良好的情况下忽略热传递的影响，这部分热量全部由系统水回收到供热系统中。
在工程设计中采用下式计算：
Q=m(hi-ho)-Qc
（1）式中：Q-节能量，即烟气侧放热量，kW；m-通过烟气余热回收设备的烟气质量流量，kg/s；hi-烟气进口比焓，kJ/kg；ho-烟气出口比焓，kJ/kg；Qc-烟气放热过程中产生的冷凝水所带走的热量，kW。
1.2节能率
节能率是指节能量占燃烧器定制输入热量的比值。
A=Q/BH
（2）式中：A-节能率，%；Q-节能量，kW；H-燃气低位发热值，kJ/Nm3；B-燃气消耗量，Nm3/h。
2烟气余热回收设备的设计安装
2.1 节能设备烟路安装方式
在烟气余热回收设备运行过程中，冷凝水的排放是非常重要的问题，而影响冷凝水排放的一个关键因素就是节能设备的烟路安装方式。对直通型节能设备而言，通常有两种安装方式，即水平安装和竖直安装。见图1、图2。
1）设备水平安装
对水平安装的节能设备而言，换热过程中烟路的最低点即为设备本身，该种情况下只要设备本身开放冷凝水孔并且冷凝水顺利排出，并不会产生冷凝水回流倒灌的情形。
2）设备竖直安装
竖直安装的节能设备，烟气由下而上进入设备。设备烟路入口处是凝结水大量集结的位置。而对于普通弯头式安装方式冷凝水势必会沿弯头进入原烟道，产生的危害一是冷凝水流程过长，加大了被高温烟气二次加热的时间，减小了回收热量，二是不利于冷凝水排放，易造成冷凝水回灌，影响燃烧器定制寿命。因此，在安装时充分考虑到现场的情况，可以将弯头改成三通的形式便于收集冷凝水，在接口处设置导流板，可以减小烟气流动阻力。
3）关于烟路的旁通
对于利用节能设备回收烟气中热量的节能方式，在现场条件允许的情况下，安装烟路旁通是非常有必要的。一旦节能设备发生故障，烟气可以通过旁通顺利排出，不会影响燃烧器定制的正常运行。但需要注意旁通支路烟道阀门内部的严密性。如果旁通烟道阀门严密性不够，会造成部分烟气通过旁通排出，通过节能设备的烟气量减少，降低整体节能率。
2.2冷凝水渗漏问题
由于高温烟气经过节能设备后，已经达到或极为接近烟气露点温度。稍有温降就会有冷凝水析出，如果设备出口与烟道间或烟道连接处密封不严就会有冷凝水渗漏。因此，建议节能设备出口之后的烟道采用全焊接连接，且调整好烟道的整体坡度，在低点位置设置冷凝水排放口。
2.3仪表附件安装
通常情况下，节能设备安装要求在烟路、水路进出口安装温度计、压力计。可通过节能设备进出口烟温、进出口水温初步判断节能效果，也可通过仪表数据进行较精准的节能效果计算。通过大量的现场实例观察、测量，发现多数烟路的温度计、压力计显示数值与实际并不相符。
温度计、压力计等附件的安装应符合以下要求：
1）测温元件应安装在介质温度变化灵敏和具有代表性的地方，不应安装在管道和设备的死角处。对于圆形烟道，在烟道横截面上烟气温度呈阶梯性分布，越接近轴中心位置的烟气温度越高，因此合适的烟路温度表插深与烟道直径有关。
2）为了避免或减少温度计的套管所产生的阻力对被测压力的影响，取压口应选在温度及安装位置之前。
3）压力测点应选在管道的直线段介质流速稳定的地方。多数节能设备进出口处的烟箱采用天圆地方形式，当仪表安装在烟箱处，尤其在角落处，此处易形成涡流，测得的压力值并不准确。
4）取压装置端部，不应深入管道内壁。压力是指介质对管道内壁产生的静压力，如压力表端部深入管道内部，烟气的流动造成压力测量值为动压和静压之和，造成误差。
3烟气余热回收设备的系统运行
3.1运行前的准备工作
1）新装节能设备在初次运行前要对设备做最后的检查，包括设备外观、烟路、水路阀门的启闭状态，冷凝水管口是否有堵塞等。
2）开启水侧阀门后须观察系统流量的变化，若系统改造对系统有较大的流量影响须调整水泵的运行工作点。
3.2系统运行注意事项
1）对于与燃烧器定制并联的节能设备，一般情况下进出设备的水侧流量较燃烧器定制而言较少，此时需要调整设备进水流量，控制节能设备进出口水温差在10~20摄氏度左右。
2）当节能设备水侧设计流量较大时，安装方式可以选择在燃烧器定制回水管上与燃烧器定制串联，此时通过节能设备的流量较大，需通过旁通管路调节阀来控制，以对系统整体循环流量影响不大为宜。
3）若节能设备采用与板换并联的方式，需注意调节设备进水量与板换进水量之间的比例。尤其在初末寒期，燃烧器定制间歇运行的情况较多，燃烧器定制达到停炉温度停止运行，二次水经过节能设备并无温度提升，之后与来自板换的二次水混合后进入用户，若此时经过节能设备流量较大，会较大幅度地降低用户侧温度。
另一种解决方式是节能设备水路安装电动阀门，与燃烧器定制设置联锁，当燃烧器定制自动停炉时阀门自动关闭，停止设备的运行。这种方式可以根据燃烧器定制的启/停自动控制设备水路的流动，但会增加初投资。
4实例分析
2017年非供暖季对公司多个项目加装烟气余热回收节能设备进行节能改造。经过17-18采暖季运行及测试得到相关数据，见表1。
表1中 “节能率”数据为三次测试结果平均值。测试方式：在燃烧器定制正常运行状态下记录t1时刻燃气表标况读数M1（m3）、节能设备水路热计量表累计热量读数Q1(kwh)，维持燃烧器定制稳定运行，记录t2时刻燃气表标况读数M2（m3）、节能设备水路热计量表读数Q2(kwh),一般情况下，t2-t1不小于60min。
节能率计算公式:
其中：A-节能率，%；
H-燃气低位发热值，kJ/Nm3。
结合测试、计算得到的节能率数据及现场安装、系统的形式，对以下几种因素对节能效果的影响进行了对比分析。
1）水系统连接方式对节能率的影响
由图3节能设备与燃烧器定制串联、与板换串联的项目平均节能率分别为9.17%、7.16%，与燃烧器定制并联、与板换并联的项目平均节能率分别为6.49%、5.99%，可以得出串联连接的项目节能效果要明显高于并联连接的项目，这是由于串联的连接方式允许通过节能设备的流量更大。但这并不仅仅取决于系统的连接形式，更加取决于不同厂家对设备的设计允许流量。若强行改变水系统形式，加大通过节能设备的流量可能造成系统阻力过大。
2）烟路安装方式对节能率的影响
由图4可以看出，横向安装节能效果略高于竖向安装，但整体相差不大。在安装时推荐横向安装，有利于冷凝水排放。但若现场条件有限，竖向安装的情况也很常见，安装施工可。
图4烟路连接方式对节能率的影响
3）设备的材质种类对节能率的影响
由图5可以看出，不锈钢材质的节能设备节能效果要优于钢铝复合材质，板式换热器的节能率介于两种翅片管式换热器之间。材质不同影响的主要是设备的使用寿命。这两种金属材质导热性能相差并不大，换热过程主要是对流换热，与流体的流动形式有关。
在汽水换热过程中，由于水蒸气冷凝析出，在金属表面形成薄的水膜，这种薄膜换热效果更优于普通对流换热。不同生产厂家设备的设计、生产工艺、制造水平的高低等多种因素都会对整体换热系数产生影响，从而造成节能率差异较为明显。
4）烟侧放热量与水侧吸热量对比分析
节能率测试过程中，测试人员不仅对热量表、燃气表关键数据进行测试，而且对节能设备进出口烟温、水温及流量进行记录。通过以上数据计算出烟侧放热量和水侧吸热量，见图4。可以发现烟侧放热量与水侧吸热量基本持平，但也有个别项目相差较大，如项目c、项目f、项目g。
项目c现场测试得到的节能率为11.09%，现场实测节能设备出口烟温45摄氏度，与其他项目相比较低。当烟气温度降低到湿烟气露点温度之后，回收的大部分为冷凝潜热，而这部分潜热在理论计算时难以与实际状况完全一致，导致烟侧放热量理论计算值偏低。
项目f和项目g均属于烟侧放热量比水侧吸热量大很多，即烟气放出的热量没有完全被水吸收。项目g属于烟风系统阻力较大，在安装节能设备之后，须打开一部分旁通烟路系统才能正常运行，因此一部分烟气被旁通掉了。而项目f在采暖季结束后对烟路进行检查改造，发现安装在旁通烟路的烟道阀严密性较差，造成一部分烟气被旁通，节能效果较差。因此在施工安装过程中，要注意旁通烟道阀的严密性。
5结论
1）节能设备烟路水平或竖直安装对节能率影响并不明显，但要注意竖直安装时的冷凝水排放问题。
2）节能设备水路连接选择串联方式时节能效果要优于并联方式。
3）节能设备材质对节能率影响不大，但不同厂家的设备换热效果差别较大。
4）节能设备的运行要注意对原系统流量影响不大；与板换并联的设备要平衡设备通过流量，以防间歇运行造成用户侧温度过低。
5）节能设备出口及出口后沿途烟道连接处须严密，以防冷凝水泄露。
6）仪表附件安装位置优先选择进、出口烟道上，且要注意仪表规范安装。
7）烟路设旁通非常必要，须注意旁通烟路阀门的严密性。
内容来源：供热资讯
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燃气燃烧器定制烟气余热回收设计安装及实例分析摘要：结合工程经验对烟路、水路连接方式及仪表附件、冷凝水排放等问题进行讨论，提出合理的安装建议；对系统运行与调节方法及现场出现的问题进行总结；根据工程实例分析了烟路、水路连接方式及设备材质、类型对节能率的影响。同时利用烟侧放热量与水侧吸热量的对比强调了旁通烟路阀门严密的重要性。
关键词：烟气余热回收；设计安装；节能效果
引言
天然气燃烧器定制的效率目前通常为85~90%［1］。排烟热损失是燃烧器定制效率的主要影响因素。热水燃烧器定制排烟温度约为150~200℃，蒸汽燃烧器定制排烟温度为200~250℃［2］。有数据表明供热燃烧器定制排烟温度为80~160℃时，排烟造成的热损失为燃烧器定制耗热量的16%~20%［3］。如此高的排烟温度不仅会造成能源浪费，而且会引发大气环境污染。在排烟过程中增设一套烟气余热回收系统能够有效降低燃烧器定制排烟温度，并利用其热量，从而显著提高燃烧器定制效率［4］。近些年，烟气余热回收技术在工程中的应用越来越广泛。间壁式换热节能设备以其安装便捷，回收效果较显著的特点更是被广泛应用于小型区域燃烧器定制房中。由于多数燃烧器定制房空间有限，可被节能设备利用的空间更少，因此充分结合现场空间为热回收系统量身定做节能产品非常必要。
1烟气余热回收系统设计计算
1.1节能量
低温冷源和强化换热是在回水温度较高的集中采暖系统中余热回收所面临的两个严峻问题［5］。在安装之前须根据现有冷源及排烟温度进行节能效益计算。节能量，在初步设计阶段认为是烟气与水换热的过程中所释放的热量。在外保温良好的情况下忽略热传递的影响，这部分热量全部由系统水回收到供热系统中。
在工程设计中采用下式计算：
Q=m(hi-ho)-Qc
（1）式中：Q-节能量，即烟气侧放热量，kW；m-通过烟气余热回收设备的烟气质量流量，kg/s；hi-烟气进口比焓，kJ/kg；ho-烟气出口比焓，kJ/kg；Qc-烟气放热过程中产生的冷凝水所带走的热量，kW。
1.2节能率
节能率是指节能量占燃烧器定制输入热量的比值。
A=Q/BH
（2）式中：A-节能率，%；Q-节能量，kW；H-燃气低位发热值，kJ/Nm3；B-燃气消耗量，Nm3/h。
2烟气余热回收设备的设计安装
2.1 节能设备烟路安装方式
在烟气余热回收设备运行过程中，冷凝水的排放是非常重要的问题，而影响冷凝水排放的一个关键因素就是节能设备的烟路安装方式。对直通型节能设备而言，通常有两种安装方式，即水平安装和竖直安装。见图1、图2。
1）设备水平安装
对水平安装的节能设备而言，换热过程中烟路的最低点即为设备本身，该种情况下只要设备本身开放冷凝水孔并且冷凝水顺利排出，并不会产生冷凝水回流倒灌的情形。
2）设备竖直安装
竖直安装的节能设备，烟气由下而上进入设备。设备烟路入口处是凝结水大量集结的位置。而对于普通弯头式安装方式冷凝水势必会沿弯头进入原烟道，产生的危害一是冷凝水流程过长，加大了被高温烟气二次加热的时间，减小了回收热量，二是不利于冷凝水排放，易造成冷凝水回灌，影响燃烧器定制寿命。因此，在安装时充分考虑到现场的情况，可以将弯头改成三通的形式便于收集冷凝水，在接口处设置导流板，可以减小烟气流动阻力。
3）关于烟路的旁通
对于利用节能设备回收烟气中热量的节能方式，在现场条件允许的情况下，安装烟路旁通是非常有必要的。一旦节能设备发生故障，烟气可以通过旁通顺利排出，不会影响燃烧器定制的正常运行。但需要注意旁通支路烟道阀门内部的严密性。如果旁通烟道阀门严密性不够，会造成部分烟气通过旁通排出，通过节能设备的烟气量减少，降低整体节能率。
2.2冷凝水渗漏问题
由于高温烟气经过节能设备后，已经达到或极为接近烟气露点温度。稍有温降就会有冷凝水析出，如果设备出口与烟道间或烟道连接处密封不严就会有冷凝水渗漏。因此，建议节能设备出口之后的烟道采用全焊接连接，且调整好烟道的整体坡度，在低点位置设置冷凝水排放口。
2.3仪表附件安装
通常情况下，节能设备安装要求在烟路、水路进出口安装温度计、压力计。可通过节能设备进出口烟温、进出口水温初步判断节能效果，也可通过仪表数据进行较精准的节能效果计算。通过大量的现场实例观察、测量，发现多数烟路的温度计、压力计显示数值与实际并不相符。
温度计、压力计等附件的安装应符合以下要求：
1）测温元件应安装在介质温度变化灵敏和具有代表性的地方，不应安装在管道和设备的死角处。对于圆形烟道，在烟道横截面上烟气温度呈阶梯性分布，越接近轴中心位置的烟气温度越高，因此合适的烟路温度表插深与烟道直径有关。
2）为了避免或减少温度计的套管所产生的阻力对被测压力的影响，取压口应选在温度及安装位置之前。
3）压力测点应选在管道的直线段介质流速稳定的地方。多数节能设备进出口处的烟箱采用天圆地方形式，当仪表安装在烟箱处，尤其在角落处，此处易形成涡流，测得的压力值并不准确。
4）取压装置端部，不应深入管道内壁。压力是指介质对管道内壁产生的静压力，如压力表端部深入管道内部，烟气的流动造成压力测量值为动压和静压之和，造成误差。
3烟气余热回收设备的系统运行
3.1运行前的准备工作
1）新装节能设备在初次运行前要对设备做最后的检查，包括设备外观、烟路、水路阀门的启闭状态，冷凝水管口是否有堵塞等。
2）开启水侧阀门后须观察系统流量的变化，若系统改造对系统有较大的流量影响须调整水泵的运行工作点。
3.2系统运行注意事项
1）对于与燃烧器定制并联的节能设备，一般情况下进出设备的水侧流量较燃烧器定制而言较少，此时需要调整设备进水流量，控制节能设备进出口水温差在10~20摄氏度左右。
2）当节能设备水侧设计流量较大时，安装方式可以选择在燃烧器定制回水管上与燃烧器定制串联，此时通过节能设备的流量较大，需通过旁通管路调节阀来控制，以对系统整体循环流量影响不大为宜。
3）若节能设备采用与板换并联的方式，需注意调节设备进水量与板换进水量之间的比例。尤其在初末寒期，燃烧器定制间歇运行的情况较多，燃烧器定制达到停炉温度停止运行，二次水经过节能设备并无温度提升，之后与来自板换的二次水混合后进入用户，若此时经过节能设备流量较大，会较大幅度地降低用户侧温度。
另一种解决方式是节能设备水路安装电动阀门，与燃烧器定制设置联锁，当燃烧器定制自动停炉时阀门自动关闭，停止设备的运行。这种方式可以根据燃烧器定制的启/停自动控制设备水路的流动，但会增加初投资。
4实例分析
2017年非供暖季对公司多个项目加装烟气余热回收节能设备进行节能改造。经过17-18采暖季运行及测试得到相关数据，见表1。
表1中 “节能率”数据为三次测试结果平均值。测试方式：在燃烧器定制正常运行状态下记录t1时刻燃气表标况读数M1（m3）、节能设备水路热计量表累计热量读数Q1(kwh)，维持燃烧器定制稳定运行，记录t2时刻燃气表标况读数M2（m3）、节能设备水路热计量表读数Q2(kwh),一般情况下，t2-t1不小于60min。
节能率计算公式:
其中：A-节能率，%；
H-燃气低位发热值，kJ/Nm3。
结合测试、计算得到的节能率数据及现场安装、系统的形式，对以下几种因素对节能效果的影响进行了对比分析。
1）水系统连接方式对节能率的影响
由图3节能设备与燃烧器定制串联、与板换串联的项目平均节能率分别为9.17%、7.16%，与燃烧器定制并联、与板换并联的项目平均节能率分别为6.49%、5.99%，可以得出串联连接的项目节能效果要明显高于并联连接的项目，这是由于串联的连接方式允许通过节能设备的流量更大。但这并不仅仅取决于系统的连接形式，更加取决于不同厂家对设备的设计允许流量。若强行改变水系统形式，加大通过节能设备的流量可能造成系统阻力过大。
2）烟路安装方式对节能率的影响
由图4可以看出，横向安装节能效果略高于竖向安装，但整体相差不大。在安装时推荐横向安装，有利于冷凝水排放。但若现场条件有限，竖向安装的情况也很常见，安装施工可。
图4烟路连接方式对节能率的影响
3）设备的材质种类对节能率的影响
由图5可以看出，不锈钢材质的节能设备节能效果要优于钢铝复合材质，板式换热器的节能率介于两种翅片管式换热器之间。材质不同影响的主要是设备的使用寿命。这两种金属材质导热性能相差并不大，换热过程主要是对流换热，与流体的流动形式有关。
在汽水换热过程中，由于水蒸气冷凝析出，在金属表面形成薄的水膜，这种薄膜换热效果更优于普通对流换热。不同生产厂家设备的设计、生产工艺、制造水平的高低等多种因素都会对整体换热系数产生影响，从而造成节能率差异较为明显。
4）烟侧放热量与水侧吸热量对比分析
节能率测试过程中，测试人员不仅对热量表、燃气表关键数据进行测试，而且对节能设备进出口烟温、水温及流量进行记录。通过以上数据计算出烟侧放热量和水侧吸热量，见图4。可以发现烟侧放热量与水侧吸热量基本持平，但也有个别项目相差较大，如项目c、项目f、项目g。
项目c现场测试得到的节能率为11.09%，现场实测节能设备出口烟温45摄氏度，与其他项目相比较低。当烟气温度降低到湿烟气露点温度之后，回收的大部分为冷凝潜热，而这部分潜热在理论计算时难以与实际状况完全一致，导致烟侧放热量理论计算值偏低。
项目f和项目g均属于烟侧放热量比水侧吸热量大很多，即烟气放出的热量没有完全被水吸收。项目g属于烟风系统阻力较大，在安装节能设备之后，须打开一部分旁通烟路系统才能正常运行，因此一部分烟气被旁通掉了。而项目f在采暖季结束后对烟路进行检查改造，发现安装在旁通烟路的烟道阀严密性较差，造成一部分烟气被旁通，节能效果较差。因此在施工安装过程中，要注意旁通烟道阀的严密性。
5结论
1）节能设备烟路水平或竖直安装对节能率影响并不明显，但要注意竖直安装时的冷凝水排放问题。
2）节能设备水路连接选择串联方式时节能效果要优于并联方式。
3）节能设备材质对节能率影响不大，但不同厂家的设备换热效果差别较大。
4）节能设备的运行要注意对原系统流量影响不大；与板换并联的设备要平衡设备通过流量，以防间歇运行造成用户侧温度过低。
5）节能设备出口及出口后沿途烟道连接处须严密，以防冷凝水泄露。
6）仪表附件安装位置优先选择进、出口烟道上，且要注意仪表规范安装。
7）烟路设旁通非常必要，须注意旁通烟路阀门的严密性。
内容来源：供热资讯
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