摘要：锅炉在运行中消耗大量能源，如何降低锅炉的能源消耗是节能减排中的关键，而气汽比是衡量锅炉运行效能的重要指标，因此针对锅炉气汽比的现状，通过综合分析和现场论证确定了锅炉汽气比的主要影响因素，然后采用实验设计法(DOE)对各参数进行了优化，并对其效果进行了验证。结果表明，采取相应措施后气汽比同比减少7.7%，其波动性也得以降低。
关键词：燃气锅炉；气汽比；实验设计法(DOE)
Abstract:Gas boilers consume a lot of energy in operation. How to reduce the energy consumption of boilers is the key to energy saving and emission reduction. The ratio of natural gas to steam is an important indicator to measure the operating efficiency of boilers.Therefore, based on the current situation of the ratio of boiler natural gas to steam, the main influencing factors of boiler steam-to-gas ratio are determined through comprehensive analysis and on-site demonstration.Then the Design of Experiment method (DOE) was used to optimize the parameters and the effect was verified. The results show that after taking corresponding measures, the gas-gas ratio is reduced by 7.7% year-on-year, and its volatility is also greatly reduced.
Key words: gas boiler; ratio of natural gas to steam; Design of Experiment
燃气锅炉是工业中常用的能量转换设备，它是利用天然气燃烧释放的热能将水加热成蒸汽或热水。燃气锅炉在运行过程中需要消耗大量的天然气，因此在锅炉运行过程中如何降低锅炉的能源消耗是节能减排中的关键，而气汽比是衡量锅炉运行效能的重要指标，故通过降低气汽比来降低锅炉的能耗。
本文分析了锅炉气汽比影响因素和相关参数，然后通过实验设计法(DOE)对各参数进行优化，确定出各参数的最优值并进行实验验证，结果表明参数优化后锅炉的气汽比值降低，稳定性提升。
1 锅炉气汽比的现状分析
通过对锅炉气汽比进行调查发现，锅炉在2019年5月到2019年10月气汽比平均值为80.29，通过对其过程能力进行分析，发现锅炉气汽比超出规格
36.70%，并且波动比较大。
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2 锅炉汽气比的影响参数分析
2.1气汽比影响因素分析
锅炉的气汽比是指每生产1吨蒸汽需消耗的天然气量，因此锅炉气汽比的公式为：
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蒸汽热焓值在压力和温度一定的情况下是恒定的，天然气热值在标准状况下也是是恒定的，由式(1)可以看出，锅炉热转换效率是影响锅炉气汽比的关键因素。
通过对2019年5月至10月锅炉气汽比数据进行分析，结合厂家理论值(≥85%)，发现锅炉热转换效率仅为84.4%低于厂家理论值下限85%。通过人机料进行综合分析，得出影响锅炉热转换效率的具体参数为气风配比、锅炉水位、锅炉蒸汽压力和锅炉电导率。
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2.2各参数对气汽比的影响分析
2.2.1气风配比
锅炉气风配比影响天然气在锅炉中是否可以充分燃烧，而在运行中需要不断对锅炉进行调试才能找到最佳点。从测试数据可以看出，现运行气风配比参数，烟气中氧气含量在10%-100%的负荷档位均未出现一氧化碳，但是在部分档位中存在氧气含量＞3.6%，因此锅炉锅炉中天然气未完全燃烧，影响锅炉气汽比。
表1锅炉烟气测试数据
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2.2.2锅炉电导率
对锅炉历史数据进行相关性分析，发现电导率对锅炉气汽比具有负相关性，如图4所示。现电导率设定值为3500μS/cm，在电导率可调节范围(3500μS/cm -4000μS/cm )，还有优化空间。
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图4锅炉电导率与气汽比相关性分析
2.2.3锅炉水位
对锅炉水位和气汽比进行相关性分析，锅炉水位和气汽比具有正相关性，锅炉水位的安全运行的正常调节范围为(60%-70%)，现锅炉水位设置为69%，在其可影响范围内参数还可以调整。
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图5 锅炉气汽比与锅炉水位相关性分析
2.2.4锅炉蒸汽压力
对蒸汽压力和气汽比进行相关性分析，锅炉水位和气汽比具有负相关性，
为了保证生产锅炉蒸汽压力的调节范围为(0.95-1) MPa，现锅炉蒸汽压力设置值为0.95MPa，在其可影响范围内，气汽比并不是最低。
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图6锅炉气汽比与锅炉锅炉蒸汽压力相关性分析
3 对策制定与实施
3.1对策制定
经分析影响锅炉气汽比的主要因素有：气风配比、锅炉水位、锅炉蒸汽压力和锅炉电导率。
气风配比为锅炉燃烧系统参数，燃气阀门开度是根据锅炉负荷需要热量确定，因此在负荷确定的情况下，燃气阀门开度为固定值。而风门开启度的设定是根据锅炉烟气中含氧量和一氧化碳含量进行调节，在负荷确定情况下为变化量。因此可以确定锅炉燃烧系统优化变量为风门开启度，属于单一变量，可采用回归方程直接优化。
根据上节分析和锅炉运行现状，气风配比的优化须保证锅炉烟气中一氧化碳含量为0%的前提下，各负荷档氧气含量控制在2.7%-3.6%的范围内，因此优化对策为：先拟合氧气含量与燃气阀门开启度、风门开启度的回归方程，在以氧气含量最低值2.7%的目标下，利用回归方程对风门开启度进行优化计算。
锅炉水位、锅炉蒸汽压力、锅炉电导率为水汽系统参数且均为变化量，通过对三个参数进行交互作用分析，结果如图7所示。
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图7 气汽比S1交互作用分析图
综合上述分析，三个参数之间存在相互影响，无法从单一变量寻求优化，须综合考虑，采用DOE部分因子设计优化。因此优化对策为：1)选择实验模型，制定实验计划；
2)根据实验计划进行实验测试，收集各组实验气汽比数据；
3)评估模型的适合度，得到回归方程；
4)对电导率、锅炉水位、蒸汽出口压力进行参数优化。
3.2对策实施
3.2.1锅炉燃烧系统参数的优化
(1)拟合氧气含量与燃气阀门开启度、风门开启度的回归方程，评估方程适合度.
通过查阅锅炉厂家调试数据，将调试数据导入软件mintab中，拟合氧气含量yh与燃气阀门开启度xr、风门开启度xf的回归方程。
表2 对策实施表
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得到回归方程：
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式中：yh为氧气含量；xr为燃气阀门开启度；xf为风门开启度。
(2)利用回归方程对风门开启度进行优化。
优化要求：1)燃气量和燃气阀门开度是与负荷相关的，按照发热量来计算，因此是固定值；
2)风门开度可以自由调节，调节原则是氧气含量3.6%以下越低越好，但是2.7%以后有一氧化碳的出现（燃烧不充分，长期运行会炉体会积碳），因此确定含氧量的优化范围2.7%-3.6%；
3)锅炉主要运行在40%-100%的负荷范围内，因此只对40%-100%档位风门开启度进行优化；
4)风门开度调节最高精度为0.5，对于回归方程计算出的风门开启度需调整到0.5（包含）以下精度（按照误差最小的原则进行调整）。
在以氧气含量最低值2.7%的目标下，利用回归方程对风门开启度进行优化计算，得到优化后风门开启度数值。
表3 优化后风门开启度数值
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(3)检验优化效果
将优化后的各个档位（负荷）风门开度设置值导入锅炉系统的参数中进行验证。
表4锅炉调试数据
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从实验结果可以看出，氧气含量实测值均比原来氧气含量均有所下降，并且均落在目标值的95%置信区间内，因此参数优化有效。
3.2.2水汽系统三个参数的优化
(1)选择实验模型，制定实验计划
由于本阶段优化因子有三个且因子均为二水平（极大值和极小值），均为数值变量，因此选择实验模型为三因子、二水平全因子实验。
设置因子高低水平：电导率范围为3500-4000，蒸汽压力变化范围为9.8-10，液位范围为60-70， 可共产生11组实验数据，形成实验计划。
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图8 实验数据图
(2)根据实验计划进行实验测试，收集各组实验气汽比数据
考虑到实验成本不高，为了得到更理想的估算水平中心、提高实验的检定能力，采用实验再现的方式进行实验，即采用2次反复实验和3次重复实验（重复即在短时间内多次取样，取平均值。反复即在不同的时间内多次取样），并将实验结果输入到实验表中。
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图9 实验数据图
(3)评估模型的适合度，得出回归方程。
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1)从图10中可以看出：电导率、蒸汽压力与锅炉液位交互作用P值均小于0.05，说明电导率、蒸汽压力与锅炉液位对锅炉气汽比具有显著影响；从R-sq 可以看出因子对含氧量贡献达到79.46%，大于70%，且R-sq与R-sq（调整）值较为接近。
2)从图11可以看出：因子标准化效应超过了标准红线，说明因子对目标均有显著影响。
3)从图12可以看出：正态概率图各散点均在标准线附近，说明实验误差较小，直方图呈现出正态分布趋势，与拟合值与与顺序图可以看到不呈现出任何规律。
综上所述，回归方程适合性较好，故气汽比的回归方程为：
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式中：S1为气汽比；Pz为蒸汽压力；H为液位；为电导率。
(4)对水汽系统三个参数进行参数优化。
利用得到的回归方程，借助mintab响应优化器，通过设置气汽比最小化，对电导率、锅炉水位、蒸汽出口压力进行参数优化，得到优化的参数值并给定了95%置信区间。
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图13 实验优化结果
(5)优化后参数验证
将优化后参数输入锅炉控制系统，测试并记录锅炉气汽比值，观察其是否落在置信区间内，从而判定优化参数是否有效。
表5优化目标实现情况
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综上所述，优化后的的参数分别为锅炉电导率设定值为4000，锅炉水位设置值为60%，蒸汽出口压力为0.98MPa。
3.3 效果验证
为验证参数优化效果，将水汽的三个参数优化后的数值和40%-100%档位的
风门开启设定值输入锅炉控制系统，启动锅炉进行实验验证。
通过对锅炉系统进行数据采集，得出2019年5月至10月锅炉系统的数据统计表，如表6所示。
表6锅炉系统数据统计表
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当气汽比为74.12时，计算出热转换效率为91.4%，超过原来的84.4%。对锅炉的气汽比进行具体分析，作出时间序列图和进行过程能力测算。
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从图14、图15看出锅炉在验证期间，不仅气汽比平均值从80.29降低到了74.12，而且气汽比不合格项也由原来的36.62%降低到了0.95%，说明其稳定性能也得到了提升。
4 结论
锅炉是工业中耗能较高的设备，因此本文通过降低锅炉气汽比来降低锅炉能耗，通过锅炉气汽比的影响因素进行分析，确定锅炉气汽比的影响因素为锅炉热转换效率，具体参数为气风配比、锅炉水位、锅炉蒸汽压力和锅炉电导率。采用实验设计法对各参数进行了优化分析，确定参数最优值并将其输入锅炉系统进行实验验证，结果表明优化后气汽比同比减少7.7%，其稳定性也提升。
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