(高清版)GBT 40816.11-2021 工业炉及相关工艺设备 能量平衡测试及能效计算方法 第11部分：各种效率评估

工业炉及相关工艺设备能量平衡测试及能效计算方法第11部分：各种效率评估Part11:Evaluationofvariouskind国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会 I引言 Ⅱ 12规范性引用文件 3术语和定义 13.1通用术语 23.2平衡表 3 3 44.2其他符号 55边界条件和能量(焓) 75.1评估范围构成 7 85.3能量(焓)分类 85.4能量(焓)计算 6.1通用公式 6.2典型效率示例 7师效率 7.1一般原则 7.2边界条件 7.3烟分类 218.1一般要求 8.2各独立的项目模块 8.3操作类型 8.4能量来源 8.5示例 9测量 10评估报告 23附录A(资料性)能量效率评估示例 附录B(资料性)连续加热炉的焓效率和师效率对比 33附录C(资料性)燃烧炉节能效果评价程序 IⅡGB/T40816.11—2021/I评估工业炉及相关工艺设备的能效，制定GB/T40816《工业炉及相关工艺设备能量平衡测试及能效——第1部分：通用方法。目的在于描述工业炉及相关工艺设备能量平衡测试及能效计算的通用 第4部分：保护性或反应性气氛炉。目的在于描述保护性或反应性气氛炉能量平衡测试及能ISO13574:2015工业炉及相关工艺设备词汇(IndustrialfurnacesandassociatedprocessingISO13579-1:2013工业炉及相关工艺设备能量平衡测试及能效计算方法第1部分：通用方法(Industrialfurnacesandassociatedprocessingequipment—MethodofmeasuringenergyISO13579-2:2013工业炉及相关工艺设备能量平衡测试及能效计算方法第2部分：钢用再熔铝炉(Industrialfurnacesand工2GB/T40816.11—2021/ISO13579边界boundary为能量平衡评估对象所定义的封闭部分。能量平衡分析energybalanceanalysis通过测量和计算产生的能量，包括通过放热反应和对边界的吸热反应流出的能量，将能量值分为输入能量或输出能量。能效energyefficiency效率被定义为比能输出(3.1.5)与比能输入(3.1.6)的比值。本文件所定义的比能是来自作为评估TPE能效指数的边界的有效能量输出。在本文件所定义的能量供给量作为边界能量用来计算能效指数。可用热量availableheat在指定操作或设备环境下，从加热室中获得的热量。可用热比率availableheatratio能效指数定义为可用热量(3.1.7)除以燃料热值。相当于发电所消耗的燃料输入热值的初始能量。3将电能消耗转换为燃料当量电能(3.1.9)。每个具体的生产元件或每个辅助设备的单位功率所消耗的能量。在环境温度下提取的最大功，定义为：EX=△H—T₀△S式中：EX——师(最大功);烟损失exergyloss从目标边界(3.1.1)流入和流出的烟之间的差异。3.2平衡表能量平衡表energybalancetable列出能量输入和输出明细的表格。效率评估表efficiencyevaluationtable将能量平衡表(3.2.1)的重组表分类为比能输入(3.1.6)或比能输出(3.1.5)等能量组，以计算效率指4符号下列符号适用于本文件。4GB/T40816.11—2021/IS符号定义生产每吨产品辅助设备消耗的能量生产每吨产品可用热量基准可用热量，单位为兆焦每吨(MJ/t)采用节能措施后的可用热量，单位为兆焦每吨(MJ/t)生产每吨产品废气显热生产每吨产品热回收设备入口处燃料废气显热Eex,o生产每吨产品在燃烧室出口处的燃料废气显热Eex,or生产每吨产品热回收设备出口燃料废气显热Eexm,i生产每吨产品在热回收设备入口处的原料废气显热生产每吨产品在燃烧室出口的原料废气显热生产每吨产品在热回收设备出口的原料废气显热Efe,e生产每吨产品的燃料当量能量生产每吨产品输入到加热室的能量电加热生产每吨产品的热量生产每吨产品的燃料热值基准的能量消耗(燃料热值),单位为兆焦每吨(MJ/t)使用节能措施后预计的能耗，单位为兆焦每吨(MJ/t)生产每吨产品回收热量生产每吨产品的废气显热回收热量生产每吨产品的显热回收热量生产每吨产品的热能损失生产每吨产品通过大气气体的能量损失生产每吨产品的发电损失生产每吨产品的电热能量损失生产原料废气能量损失生产每吨产品炉膛结构能量损失生产每吨产品加热夹具和其他物质所需的能量生产每吨产品炉体的储热所需的能量生产每吨产品其他能耗生产每吨产品未燃烧含量的能量损失加载到边界时每吨产品的焓值生产每吨产品从边界吸收的焓值Epr生产加工每吨产品所需要的能量生产每吨产品的焓变生产每吨产品干燥和蒸发所需要的能量加热材料(产品)的吸热反应所需的能量Ery生产每吨产品的回收能源5符号EsairEXauxEXheEXh,reEX1.fsEX₁定义其他符号符号A。C定义6GB/T40816.11—2021/IehH₁HHLMmmfmf,c2y0RSTf每单位燃油消耗量在燃烧室出口排气的显热量，单位为兆焦每立方米或兆焦每千克7Vηy3yiyyexRGB/T40816.11—2021/I燃料组分i的体积分数节能率(%)焓比能效率与ISO13579-1:2013一致的总效率使用燃料吉布斯自由能计算与ISO13579-1:——烧嘴(标引序号2);——热回收设备(使用废气预热设备)(标引序号3);8——公共事业发生器(如吸热气体发生器)(标引序号6);——电加热(标引序号7)。评估TPE能源效率评估边界条件分类代码见表1。边界条件类别按ISO13579-1:2013的规定，当不考虑燃料机*可以排除在外。适用于本边界条件的典型带热回收设备的加热室回收热可视为内部循环热，辅助设备⁵和公共事业发生器应排除适用于本边界条件的典型效率见6.2.4、6.带有热回收设备的加热室和冷却区适用于本边界条件的典型效率见6.2.3、6.加热室和冷却区边界条件应临近热回收设备。公共事业发生器见图1中标引序号4。见图1中标引序号5。见图1中标引序号6。d见图1中标引序号3例如：风机。例如：O。发生器。表2所示的能量类型和符号分类适用于本文件。除非特殊说明，表2中所示能量的基本单位为1kJ/t(即1000kg)。9GB/T40816.11—2021/I章条号电源输入能量E原料废气显热热回收设备出口废气显热原料废气显热E热回收设备入口废气显热原料废气显热回收热电加热电能损失电加热过程电能损失回收能量GB/T40816.11—2021/ISO135433FugFe55A17209图1TPE组成和效率评估边界条件示例 式中：Ehi——生产每吨产品输入加热室的各种可用能。此类能量是除回收热量之外的加热室入口流体和/或空气显热的总和。此类能量包含渗透空气和雾化剂显热。当提供水/水分时，应考虑蒸发显热和潜热(负值)。当此能量与输入总能量相比足够小——渗透空气显热(Es,infit)按ISO13579-1:2013的9.2.8计算。Epr,en=E2—Ep1 5.4.7.2定义的未燃烧成分能量损失(E): 此类能量是指原材料的废气显热量的能量损失。Eu.gn=∑Eu.n………………此类能量是发电过程能量损失。如果适用，可依据ISO13579-1:2013的9.3.4计算发电损失。5.4.12燃料当量电能(Ee.e)此类能量是指每一个发生在边界上的电能消耗转换的燃料当量电能的总和。如果适用，可依据ISO13579-1:2013的9.3.4计算燃料当量电能。此类能量是指从TPE热损失中回收，并在TPE外部使用的能量。根据能量评价的条件，转换成燃料当量能量是必要的。6焓效率6.1通用公式用式(7)计算比焓效率： (7)比能输入(Esp-in)和比能输出(Ep-out)包含5.3能量分类中的一种或者任意组合。6.2典型效率示例6.2.1一般原则使用表2中定义的符号，对典型效率的示例进行详述。6.2.2与ISO13579-1:2013一致的总效率用式(8)计算与ISO13579-1:2013一致的总效率：此效率通常适用于边界条件“EB1”。6.2.3在总热值基础上的热效率用式(9)计算在总热值基础上的热效率： (9)此效率通常适用于边界条件“EB3a”。6.2.4在供热值基础上的热效率用式(10)计算在供热值基础上的热效率：此效率通常适用于边界条件“EB2a”。Eavailabe=Ep+E (11) (12) (14)此效率通常适用于边界条件“EB2”或“EB3”。6.2.10不考虑余热回收的转换可用热率ηo=1-ηesh (17)7.1一般原则本章规定一个可作为TPE能量效率评价的选择师的定义。每一个定义对应第6章中焓效率的定章条号电源输入师在燃烧室出口回收烟回收烟能量损失烟炉体结构蓄热所需能量烟电加热电能损失电热损失烟间接能量消耗公用发电消耗烟回收利用能量烟 (19)通过7.4.2.2.2所述的Rant's近似公式计算或者7.4.2.2.3所述的Nobusawa's公式计算液体燃料师7.4.2.2.2Rant's近似公式EXh,fuel=0.975Hh×V (20)7.4.2.2.3Nobusawa's公式7.4.4.2燃料和空气显热烟 (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (40) (41) (42)当用燃料提供公用发电消耗能量时，用7.4.2所示公式规定的每吨产品燃料消耗(V)等于每吨产这种分类是在TPE中热损失回收利用和在TPE外使用的回收利用能量烟。从再生能源转换EXry=Erey—T₀△S (43) (44)7.5效率 (47)EXawalable=(EXpr,ev+EXpr,re+EXpr,en)+(EX.;+EX,s+EXI.,ns+EX1,atm+EX1 (49)8.1一般要求“效率”被指定为描述模块GB/T40816.11—2021/ISO135BAD:直接加热间歇式炉；BAI:间接加热间歇式炉；E:仅电能；依据ISO13579,TPE效率的名称示例见表4。表4TPE效率名称示例章条号效率ISO13579D-MC-EB1-EN——Epr/(E,-Ey)总热值基础上的热效率效率ISO13579D-M-EB2B-EN——Ep/(E₀+Eh,)效率ISO13579COD-F-EB2B-EN—效率ISO13579*-F-EB2B-EN-(Ehf效率ISO13579COD-F-EB2-EN—效率ISO13579*-*-EB4A-EN———Eh.re/Eex.iGB/T40816.11—2021/I9测量如果必要，使用ISO13579-1:2013第8章指定的测量方法。使用ISO13579-1:2013第10章指定的TPE效率评估报告。GB/T40816.11—2021/ISO13579-11:2017(资料性)能量效率评估示例A.1概述本附录提供了一个能量平衡表及其转换的例子，以展示两种TPE的有效能指数。A.2钢用连续加热炉示例能量评估示例的TPE简要概述见表A.1。表A.1TPE简要概述A.2.2边界条件效率评估的边界条件见图A.1。GB/T40816.11—2021/ISO13579-11图A.1钢用连续加热炉效率评估边界条件A.2.3测量数据测量数据见表A.2。表A.2测量数据大气压力COG(焦炉煤气)GB/T40816.11—2021/ISO表A.2测量数据(续)无热回收设备入口温度为20℃燃烧器入口温度为750℃富氧无无无燃烧室出口空气比前/后间接出水温度供水压力出水温度供水压力500DN(直径0.5m)注1:本表中提供的数据基于ISO13579-2:201A.2.4能量平衡表的变化及各种效率表A.3显示了使用表A.2提供的数据变换能量平衡表以得到各种效率的示例。能量类型、符号1234522222燃烧空气显热E.ai99999渗透空气显热E.infi00000总和热能输出从边界提取时产品焓E2产品焓变Epr.em=(Ep2-Epi)氧化物显热Ei.77777废气显热(燃烧室出口处)Eex.炉壁损失Ei.Is(1)炉门辐射热损失E1.Is(288888冷却水损失E1,is(3)33333总和供热值基础上的热效率，s在全热值基础上的热效率，η₂注2:如果排出的冷却水/蒸汽的热含量被用在工业炉系统之外，则考虑应用ISO13579-1(参考文献[3])。边界条件EB2a包含加热室和热回收设备，本文件并未显示回收热。入口处产品焓值(Ep)(E2)被分别列入能量输入和能量输出。边界条件EB3a仅包含加热室，明确规定了回收热。入口处产品焓值(Epi)和出口处产品焓值(E2)被分别列入能量输入和能量输出。边界条件EB3a仅包含加热室。边界条件EB3a仅包含加热室，在能量输入和输出中均减去放热反应热见6.2.4,Ep.y=0,Epr.e=0。见6.2.3,Epr.cv=0,Epr,re=0。GB/T40816.11—2021/ISO13579A.2.5可用热能量平衡表通过表A.3中边界条件4的能量平衡转换，创建表A.4,以评价可用热。表A.4可用热能量平衡能量类型、符号总和热能输出总和可用热率η注1:燃料热值(Eh,fuct)可以通过计算可用热(Eavailab)和可用热率(注2:n"、ηk和yo的关系见式(C.3)。见6.2.7。b见6.2.9。见6.2.10。d见6.2.5。A.3水泥回转窑示例A.3.1TPE概述表A.5简要概述了本示例TPE的效率评估。悬浮预热器窑回转窑内径阶段数4A.3.2边界条件图A.2显示了效率评估的边界。GB/T40816.11—2021/ISO13579-11图A.2水泥回转窑效率评估边界A.3.3测量数据表A.6列出了测量数据。表A.6测量数据%%%%%石灰饱和比(LSD)℃℃GB/T40816.11—2021/ISO表A.6测量数据(续)%℃类型：重油℃消耗量(回转窑)消耗量(分解炉)燃烧空气(未预热)回转窑℃分解炉℃燃烧空气(预热)回转窑℃分解炉℃回转窑废气℃%%%%℃%%%%GB/T40816.11—2021/ISO13579表A.6测量数据(续)冷却空气℃冷却器排出的空气℃℃计算值。A.3.4能量平衡表和各种效率的变化表A.7显示了利用表A.6中提供的数据转换能量平衡表和各种效率的示例。表A.7热能平衡表示例能量类型、符号l00原料燃烧热Erac,00预热器入口产品(原料)显热Epi(1)未预热燃烧空气的显热Esi0热能输出冷却器出口产品(熟料)显热Ep2(1)回转窑出口产品(炉渣)显热Ep2(2)产品(原料)产生的废气显热Eex,oc(1)燃料燃烧产生的气体显热Eex,oe(2)其他能量损失(TPE)El,other(1)GB/T40816.11—2021/IS表A.7热能平衡表示例(续)能量类型、符号1热能输出余热回收率：Eh.r/Epi(2)注：来源：JISZ9202-1991附录5。边界1:EB2b边界(见图A.2)。b边界2:EB3b边界(见图A.2)。边界3:EB4边界(见图A.2)。余热回收率：Eh,re/Ep(2)。GB/T40816.11—2021/ISO13579-11:2017(资料性)本附录利用表B.1中给出的连续加热炉的数据，考虑三种形式的热容量：130t/h(本表测量的常用操作基础数据，最大200t/h)类型：步进梁(双线加料)炉体温度：最高1250℃案例a不进行热回收(见图B.1a)]能量输入项能量输出项约950℃反应热(氧化皮)案例b带换热器的热回收[见图B.1b]]能量输入项能量输出项约900℃约400℃反应热(氧化皮)案例c蓄热式燃烧器系统(见图B.1c)]能量输入项能量输出项反应热(氧化皮)——预热温度：1050℃——入口废气温度：1200℃;——出口废气温度：300℃——炉头温度(泄漏):900℃;——废气泄漏比率：20%。a)案例a没有预热被回收b)案例b利用回收器回收预热Ac)案例c利用蓄热式燃烧器回收系统余热d)附：利用废气产生蒸汽GB/T40816.11—2021/I效率符号等级17IaIbaⅡbI不通过产生蒸汽进行热回收的情况；注2:对于等级2,以下类型的能量作为比能输出(Epout)适a产品发生焓变(Epr,em);b根据6.2.5规定的可用热(Eavailable)。表B.3和表B.4给出了基于表B.5数据的计算结果。表中使用的符号尽可能多地引用本文件正文介入，η'的效率提升了30%或更高，而yx的效率只提升了6%。同样的结果也可以应用到η'和η的关c:η′=74.99%]。另一方面，在案例b以及案例c中nex的效率是逐步增加的[案例a:ηex=44.12%,案例b:nl=51.08%,案例c:η%x=61.82%]。即：通过预热燃烧空气进行热回从表B.1可以得出，随着热回收形式从案例a到案例b,再从案例b到案例c的转变，燃料能源完全显示在有蒸汽介入的废热回收时燃料能源的消耗情况，而烟效率值可以GB/T40816.11—2021/ISO13579表B.3计算结果(1/2)焓烟焓烟焓反应显热(渣料)输出焓烟焓烟焓烟注：计算基于表B.5的数据。表B.4计算结果(2/2)焓烟焓烟焓师焓输入/(kJ/t)无蒸汽循环的输出/(kJ/t)无可用蒸汽循环的输出/(kJ/t)E蒸汽循环输出/(kJ/t)有可用蒸汽循环的输出/(kJ/t)7ηη注：计算基于表B.5的数据。回收的热回收产品温度(提取)产品温度(装料)燃料温度(初始)燃料的比热容(甲烷2.2)燃料质量(每千克产品)空气的比热容空气质量(每千克产品)水的比热容，400K蒸汽雾化的蒸汽质量(每千克产品)回收蒸汽质量(每千克产品)(换热器、蓄热器等)蒸汽回收的烟Eh,fuel×0.92=EXh,fuel…………(B.1)焓和师的计算公式分别见5.4和7.4。另外，本计算不包括燃料和空气混合造成的能量损失。能量输入时的压力(例如气氛压力)等于环境气体压力。B.3.1.2燃料以外的焓和烟输入关于燃料以外的输入项(Epi和EXxpin),包含以下项目：——雾化剂显热；——产品显热；——放热反应显热。不包括燃烧空气显热，因为通常认为燃烧空气显热是通过废气热回收来提供的。焓和师的计算公式分别见5.4和7.3。B.3.2输出项目条件B.3.2.1一般要求作为输出的项目如下(如B.1所述):a)废气产生蒸汽时的回收能(和烟);b)来自产品材料的热能(和烟);c)热损失(和这些热损失的烟)通过炉壁和冷却水消散。这些项目的计算方法在B.3.2.2～B.3.2.4中有说明。B.3.2.2通过产生蒸汽回收焓和烟B.3.2.2.1焓回收通过产生蒸汽回收焓的计算见式(B.2):H、=ηrey.steamEex.o(1—ηr)生成蒸汽的质量计算见式(B.3):式中：B.3.2.3产品材料吸收的焓和烟每吨产品的比能输出，吸收焓的计算见式(B.6):Tf=1250℃为估值。Eavailable=Ep₂+EGB/T40816.11—2021/ISOC.1概述TPE燃烧过程中消耗的燃料热值(Eh.fEhe=EaailableC.3节能效果估算C.3.1通用公式η*=ηö+(1-η0)·ηr…………(C.3)αes=(1-ηi/ηi)η*=(Eh,fua+Eh,re—Ex,)/Eh.fud……………Eh,fuel=H₁×VEhre=H,×VEex,o=Hex×V……预热燃烧空气单位燃料消耗的显热(H,)计算见式(C.10):单位燃料消耗量(He)燃烧室出口废气的显热按式(C.11)计算：C.3.3单独参数估算C.3.3.1余热回收效果当可用热量恒定且燃油率没有变化时，炉膛出气口温度根据有效余热回收率的变化，用式(C.12)计算节能率：C.3.3.2改善空气比的效果提高空气比的节能率定义见式(C.13):C.3.4节能率估算实例C.3.4.1概述在这个例子中：——边界确定为图A.1中规定的EB2a;——能量平衡表和表A.4中给出的效率用作基线。C.3.4.2余热回收的改进见表C.1。表C.1余热回收的改进对节能率的效果0C.3.4.3提高空气比表C.2显示了当空气比从1.15变为1.05和1.25时，节能率估值的变化。GB/T40816.11—2021/ISO13579-11:2017表C.2空气比变化对节能率的影响基线C.3.4.4预热产品表C.3显示了通过余热回收进行产品预热时的节能率估算值。表C.3预热产品对节能率的影响产品在入口处的温度/℃C.3.4.5减少热损失的效果示例因此，可使用式(C.1)换算为式(C.14)来计算所需的燃料热值。Eh,fie=Eavailble/η*=922/0.843=1093C.4典型炉简化模型节能评价实例C.4.1连续加热炉C.4.1.1边界EB3a热平衡关于连续加热炉的焓类型的关系用式(C.15)描述：Eh,fucl+Eh.reex=Epr.en+Eex.oe—Ereact,exo………………连续加热炉的基本结构见图C.1。GB/T40816.11—2021/ISO图C.1连续加热炉简化配置示例b)有效余热回收率d)燃料热值e)节能率C.4.2间歇式加热炉C.4.2.1边界EB3a热平衡间歇式加热炉的焓型关系如式(C.23)所示：连续加热炉的基本结构见图C.2。图C.2间歇式加热炉简化配置示例用式(C.24)计算热能损失(Q5):Q5=Q51+Q52+Q53+Q54Q51——炉子结构的能量损失(E,is);C.4.2.2节能公式a)可用热比率利用式(C.25)计算可用热比率：η*=(Eh,fuel+Eh,reex-Eex.oe)/Eh,fucl……(利用式(C.26)计算换算后的可用热比率：η%=(Eh,ful—Eex,oc)/Eh,fulb)有效余热回收率利用式(C.27)计算燃料废气显热的有效余热回收率：7R=Eh,reex/E.c)可用热量利用式(C.28)计算可用热量：d)燃料热值利用式(C.29)计算燃料热值：e)节能率利用式(C.30)计算节能率：C.4.3间歇式熔炼炉C.4.3.1边界EB3a热平衡间歇式熔炼炉的焓型关系如式(C.31)所示：Eh,fue+Eh.rex=Epr.en+E₁+Eex.oc—Ereact,exo(1)—Ereat,cxo(2)…连续间歇式熔炼炉的基本配置见图C.3。图C.3间歇式熔炼炉简化配置示例利用式(C.32)计算热能损失(Q7):Q72——加热夹具和其他物质所需的能量[E.(1)];C.4.3.2节能公式a)可用热比率b)有效余热回收率c)可用热量水泥回转窑的基本配置见图C.4。