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基于MATLAB的燃油工业锅炉节能分析

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摘要：工业锅炉是高耗能特种设备之一，且我国燃油锅炉实际运行热效率偏低，所以节能分析对锅炉的节能减排具有重大意义。通过现场对某单位燃油锅炉进行热工测试，建立了排烟热损失和气体未完全燃烧热损失的多目标数学模型。在此模型的基础上，采用MATLAB详细分析了过量空气系数和排烟温度对排烟热损失和气体未完全燃烧热损失的影响，进而基于数学模型，绘出了节能域图。该研究能从数学角度上深入地分析过量空气系数和排烟温度与排烟热损失和气体未完全燃烧热损失的变化趋势，为锅炉的设计热效率提供理论参考值，同时对现场运行锅炉在节能域里的优化调节也具有一定的指导意义。

关键词：工业锅炉;节能;过量空气系数;热效率;优化调节

中图分类号：TK文献标识码：A

Abstract：Industrial boiler is one of high-energy special equipment，and the actual thermal efficiency of oil-fired boiler in China is low，so the energy conservation analysis is great significance of energy-saving and emissions for boiler.Through the thermal testing of a oil-fired boiler on-site，the multi-objective mathematical model of the exhaust gas heat loss and the heat loss from gas incomplete combustion was established.Based on the model，MATLAB was used for analyseing the impact of the exhaust gas heat losses and the gas incomplete combustion heat loss by excess air coefficient and exhaust gas temperature detailedly，thus based on the mathematical models，draw the energy-saving field map.The study from a mathematical point of view in-depth analysis of excess air ratio and exhaust temperature and exhaust gas heat losses and incomplete combustion heat loss trends for the design of the boiler thermal efficiency and provide a theoretical reference value，at the same time to run the boiler on-site energy-saving Optimization of the domain inside the regulator also has a certain significance.

Key words：automatic control technique;medium speed mill;fault diagnosis;least square support vector machines;kernel principal component analysis

工业锅炉是高耗能特种设备之一，且工业锅炉相对电站锅炉来说其效率偏低。目前国内存在工业鍋炉总体能耗水平高、节能管理水平低，能源浪费严重，所以分析工业锅炉的节能潜力、指明节能方向和研究节能措施具有重要的现实意义。

本文以某乳品厂的燃油工业锅炉（WNS1.5-1.0-Y）为研究对象，对其进行节能分析。由于燃油锅炉的固体未完全燃烧热损失和灰渣物理热损失近乎等于零，且散热损失一般只与锅炉负荷、锅炉尺寸和环境温度等参数有关，对于特定锅炉在工作负荷运行时，其可优化调节挖掘节能的潜力不大。基于这样的情况下，本文只分析排烟热损失q2和气体未完全燃烧热损失q3。当过量空气系数增大，q2会适当增大，此时q3会适当降低;当排烟温度增大时，q2会适当增大，此时q3会适当降低。由于q2和q3存在一种矛盾的逻辑关系，为了更好地分别分析q2和q3的节能潜能，本文以这两个量为目标值建立多目标节能模型。

涉及到q2和q3的优化模型的输入参数有如过量空气系数、排烟温度、排烟中含氧量和排烟中一氧化碳含量等等参数，利用MATLAB建立节能数学模型，然后在此模型的基础上详细分析q2和q3变化趋势，且编程绘制出节能域，此对锅炉的优化运行、节能潜力挖掘具有一定的参考意义。

1 工业锅炉现场热工测试

1.1 主要测量设备

1.1.1 超声波流量计

该超声波流量计可以方便地测量150℃以下的流体流量，其精度为±1%，该设备接在给水管中时如图1所示。

1.1 2 综合烟气分析仪

综合烟气分析仪可以测试锅炉排烟中的O2、CO、CO2、CnHm、SO2、NOx等各种成分，其精度为±0.8%，如图2所示。

1.1.3 燃料量热仪

燃料量热仪可以对煤、油等各种燃料进行热值分析，如图3所示。

1.1.4 煤质工业分析仪

煤质工业分析仪可以对煤进行工业分析，研究煤的固定炭、挥发分、水分、灰分等组分含量，如图4所示。

鉴于篇幅所限，本文数据分析记录所用到的其他设备不再一一列出。

1.2 热工测试测点示意图

现场热工测试是在锅炉工作负荷下进行的，参数测点布置图如图5所示，其中1点为大气参数测量点，2点为饱和蒸汽取样点和锅筒蒸汽压力测量点，3点为排烟温度测量点和烟气成分测量点，4点为锅水取样点，5点为锅炉给水量测量点，6点为给水压力测量点，7点为锅炉表面温度测量点。

现场数据采集时间为2个小时，每隔15分钟采集一次数据，并当场记录下来。

1.3 热工测试数据与计算结果

鉴于篇幅所限，现场记录的数据、计算数据和燃油化验数据只列出部分主要的数据，分别如表1、表2和表3所示。

2 节能分析多目标模型

2.1 模型输入和输出参数

2.2 多目标模型

3 节能模型分析

根据节能分析模型，绘制出排烟温度、过量空气系数和气体未完全燃烧热损失的三维关系图，如图6所示。

由图6可知，在正常燃烧状态下，q3受排烟温度的影响不大，只是随着过量空气系数的增大而增大，并且过量空气系数按0.1步长增大时，q3按0.0360和0.0361两个不同步长递增，如图7所示。

排烟温度、过量空气系数和排烟热损失的单位关系图如图8所示。

由图8得知，排烟温度和过量空气系数对q2有直接的影响，且过量空气系数对q2的影响更为敏感。

由图9可知，随着过量空气系数的增大，排烟热损失随着排烟温度的提高而增大的幅度将会提高。相对过量空气系数来说，排烟热损失对排烟温度的敏感度不高，反而对过量空气系数有较高的敏感度，即使过量空气系数增大0.1，也远比排烟温度提高1℃时对排烟热损失的影响大10倍以上。

将随着过量空气系数增大、排烟温度增大而引起q2、q3、q2与q3之和的变化趋势用二维图显示出，如图10所示。

图10进一步表明，排烟热损失是主要热损失，且主导着总热损失的变化趋势。

现场测试计算得知q2=10.43%，q3=0.64%。在此，利用MATLAB编程绘图呈现出节能域。如图11所示，由此可知在數学模型上，可指导现场如何调节过量空气系数和排烟温度，才能保证锅炉效率处于较佳。

4 结论

（1）本文依据《工业锅炉热工性能试验规程》，利用MATLAB建立了排烟热损失、气体未完全燃烧热损失与过量空气系数、排烟温度、排烟含氧量和排烟一氧化碳含量等参数之间的数学模型。

（2）结合现场实际，在节能数学模型的基础上，分析了热损失的变化趋势，进而得知影响排烟热损失的主要因素是过量空气系数。编程绘制出节能域，为锅炉节能指明调节方向。

（3）节能数学模型可在最大限度上为锅炉节能潜能分析提供理论依据，且可作为锅炉效率设计和现场锅炉优化运行调节的参考值。

参考文献：

[1]李茂东，黎华，钟志强.工业锅炉能耗现状分析与节能措施[J].石油和化工设备，2009，07：67-69.

[2]GB/T 10180-2003 工业锅炉热工性能试验规程[S].

通讯作者：李敏芳（1981-），女，汉族，广州从化区人，工程师，广州市新力金属有限公司——技术研发部。

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