ASME PTC4-1998标准基于燃料高位和低位发热量计算结果之间的关系分析

2012-03-12栾忠兴王艳红

东北电力大学学报 2012年2期

栾忠兴，王艳红

(1.大港油田滨海热电厂，天津300280;2.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)

近年来，随着电力工业的发展我们国家进出口机组的数量不断增多，且大多数进口机组给出的保证值及各项设计指标都是基于高位发热量，而我们国内不论是在锅炉效率试验或其性能考核试验通常都习惯用基于低位发热量下的锅炉效率值及各项指标去衡量锅炉的性能，此外大量出口的国产机组其锅炉效率的保证值也是基于低位发热量，而性能试验则要求采用ASME标准进行。因此，高低位热效率的转换就常常成为我们所关注的问题。

目前锅炉性能试验或性能考核试验大都依据国际通用标准ASME进行，而锅炉性能试验规程

SME PTC4-1998［1］标准是继ASME PTC4.1-1964版后的最新版本，并在其基础之上作了较大的改进，所以它与ASME PTC4.1-1964标准在锅炉效率的定义、基准温度的选取、物质流的焓值的计算以及其它诸多细节方面都不大相同，使得ASME PTC4-1998标准在各项热损失和外来热量的计算原理、过程、及计算方法公式上都和ASME PTC4.1-1964标准存有较大的差异，致使目前国内一些文献和资料所提到的基于ASME PTC4.1-1964标准的锅炉高低位热效率及相应各项热损失之间的转换公式［2－3］对于

SME PTC4-1998标准已经不再适用。

而ASME PTC4-1998标准也没有给出高低位热效率及相应各项损失之间的转换公式，因此基于

SME PTC4-1998标准下的高低位热效率及各项损失之间的关系还有待我们去研究和探讨。

1 ASME PTC4-1998标准锅炉效率的计算模型

ASME PTC4-1998标准在采用反平衡法计算锅炉效率时，首选燃料效率来表示锅炉热效率，即在计算锅炉效率时，把各项损失和外来热量都表示成燃料输入热量的函数，即

其中:

式中:EF为燃料效率，%;QrO为有效输出能量，kJ/kg;QrL为热损失之和，kJ/kg;QrB为外来热量之和，J/kg;HHVF为燃料的输入能量即燃料高位发热量，kJ/kg。

将式(2)带入式(1)得:

其中:

用燃料输入热量(高位热值)表示的各项损失之和也大致可以包括九项热损失，即

式中:L1为干烟气热损失，%;L2为燃料收到基中全水分而造成热损失，%;L3为燃料中收到基氢燃烧生成水而造成的热损失，%;L4为空气中水分引起的热损失，%;L5为灰渣中未燃碳造成的热损失，%;L6为烟气中CO引起的热损失，%;L7为灰渣显热引起的热损失，%;L8为锅炉表面辐射与对流引起的热损失，%;L9为其它各项不可测热损失之和，%。

干烟气热损失为

式中:WG为空气预热器进口干烟气量，kg/kg;HG为修正到排烟温度下干烟气焓，kJ/kg。

燃料收到基中全水分而造成热损失为

式中:Wf为燃料收到基全水分量，kg/kg。Hst为修正到排烟温度下蒸汽焓(该焓值以0℃作为基准，含水的汽化潜热)，kJ/kg;I1为基准温度(25℃)下的饱和水焓。

燃料中收到基氢燃烧生成水而造成的热损失为

式中:WH为燃料收到基氢燃烧生成的水分量，kg/kg。

空气中水分引起的热损失为

式中:WA为干空气所带进锅炉的水分量(空气预热器进口)，kg/kg;HWv为修正排烟温度下水蒸气焓(该焓值基准温度为25℃，即基准焓值为0不出现在损失表达式中)。

灰渣中未燃碳造成的热损失为

式中:Wd为燃料中未燃尽碳，%;HHVCRs为灰渣中碳的发热量，kJ/kg。

烟气中CO引起的热损失为

式中:Dco为空气预热器出口CO测量值，%;M0为空气预热器出口干烟气摩尔数，mol/kg;28.01为CO的摩尔质量，kg/mol;10 111为CO的高位发热量，kJ/kg。

灰渣显热引起的热损失为

式中:Wpe为灰渣质量，kg/kg;rf为飞灰比例，%;rb为炉渣比例，%;Hf为飞灰焓，kJ/kg;Hb为炉渣焓，J/kg。

由于锅炉表面辐射与对流引起的热损失L8和不可测热损失之和L9的实际可操作性差及繁琐性［4］，在工程实际中一般按设计选取或事先协商确定，所以这两项损失的计算方法这里不作介绍，本文的计算实例也按设计取值。其对公式转换的推导无影响。

而对于锅炉效率计算常用燃料输入热量(高位热值)表示外来热量之和，其中B可包括三项，即

其中:B1为进入系统的干空气所携带的外来热量，%;B2为空气中水分携带的外来热量，%;B3为燃料显热携带的外来热量，%。

进入系统的干空气所携带的外来热量为

式中:WmA为进入锅炉系统的干空气量(基于空气预热器进口)，kg/kg;HDAT为进入锅炉平均空气温度的干空气焓，kJ/kg。

空气中水分携带的外来热量为

式中:HWvT为进入锅炉平均空气温度下的水蒸气焓，kJ/kg。

燃料显热携带的外来热量为

式中:HFEn为燃料温度对应的燃料焓，kJ/kg。

2 高低位热效率计算方法的差异

采用高位发热量计算锅炉热效率时，由于高位发热量包括了燃烧产物中全部水蒸气凝结成水所放出的汽化潜热，热损失计算中应该考虑燃料收到基中全水分和燃料中收到基氢燃烧生成水分的汽化潜热［5］，即

而在按燃料低位发热量计算锅炉热效率时，在热损失中不考虑燃料收到基中全水分和燃料中收到基氢燃烧生成水分的汽化潜热［5］。故在采用ASME PTC4-1998标准且利用低位发热量来计算锅炉效率时，可以直接用低位发热量替代高位发热量，在计算燃料收到基全水分和燃料收到基氢燃烧生成水分的热损失时，饱和水焓应换成同温度下的饱和蒸汽焓(不再将燃料中形成水分的汽化潜热作为热损失衡量)，即

式中:L2L为基于低位发热量的燃料收到基中全水分而造成热损失，%;L3L为基于低位发热量的燃料中收到基氢燃烧生成水而造成的热损失，%;LHVF为燃料的低位发热量，kJ/kg;I2为基准温度下的饱和蒸汽焓，kJ/kg。

其余各项热损失的计算与采用高位发热量时的计算方法相同，只是将原高位发热量替换为低位发热量即可。

3 采用高低位燃料发热值计算出的各项热损失之间的换算

采用高位热值和低位热值计算锅炉热效率是除了上面2所述的差异外，其余所用数据和计算公式及方法都一样，且由于采用高低位热值计算的热效率在计算结果上的主要区别在于燃料收到基中全水分热损失和燃料中收到基氢燃烧生成水分的热损失，且这两项损失和其它损失的计算形式稍有差异，故这两项热损失和其他热损失我们将分开进行论述，又由于这两项损失在计算形式上相同，且这两项高低位损失之间的转换公式的形式也相同，所以在推导转换公式时我们合并一起进行论述。

由式(16)和式(18)可得:

经过简单变形，并取

得出:

式中:I为基准温度下的的汽化潜热，kJ/kg。

同理，对于燃料中收到基氢燃烧生成水而造成的热损失，采用基于低位发热量计算后，得出:

上式(20)即是用高位热值计算的燃料收到基中全水分热损失向采用低位热值计算的燃料收到基中全水分热损失之间的转换公式，式(21)即是燃料收到基氢燃烧生成水分高低位热损失之间的转换公式。

下面我们再讨论除燃料收到基全水分热损失和燃料收到基氢燃烧生成水分热损失以外的其它几项热损失。

由于除了燃料收到基全水分热损失和燃料收到基氢燃烧生成水分热损失外其余都是在采用高位热值的地方用低位热值进行替代，所以其余几项热损失推导形式是一样的，我们选损失之一干烟气热损失为例，其它几项热损失推导思路和公式的转换形式类似。

对于干烟气高低位热损失可表示如下:

式中:L1L为干烟气低位热损失，%。

对上式(22)变形得出:

将式(24)代入式(23)得出:

上式(25)即为干烟气高低位热损失之间的转换公式，同理，除燃料收到基全水分热损失和燃料收到基氢燃烧生成水分热损失外其余热损失的转换公式可表示为

式中:下标K为各项损失名称的编号。

4 采用高低燃料发热值计算出的外来热量之间的换算

由于ASME PTC4-1998标准也考虑外来热量，但外来热量并不像前ASME标准和国标一样，作为输入热量和燃料输入热量同为各项热损失计算公式中的分母，它是单独列出表示为燃料输入热量的函数［6］，但它的表达方式同上面干烟气热损失相同，故其转换公式的推导思路也和上面一样，且转换公式的型式也一样，故各项外来热量的转换公式可记为

式中:下标K为各项外来热量名称的编号。

5 采用高低燃料发热值计算出的锅炉效率的换算

由于低位热效率计算公式可表示为

式中:EFL为低位燃料效率，%;LL为用低位热值表示的各项损失之和，%;BL为用低位热值表示的各项外来热量之和，%。

为了推导高低位热效率之间的转换公式，我们把各项低位热损失及外来热量采用对应的高位热损失和外来热量表示，并带入式(28)中，经变形整理可得高低位燃料效率的转换公式为

依据同样思路可得毛效率的转换公式为

式中:EGrL为按低位热值计算的毛效率，%;EGr为按高位热值计算的毛效率，%。

6 计算实例及误差分析

以某电厂一台1025t/h锅炉，试验煤种成分为:

MpCF=61.65、MpH2F=4.04、MpO2F=7.69、MpN2F=1.38、MpSF=1.25、MpWF=10.40、MpAsF=13.50、LHVF=24440 kJ/kg、飞灰中未燃尽碳MpCRsf=2.98%，炉渣中未燃尽碳MpCRsb=7.55%，实测排烟温度TFgLv=125.67℃，空预器进口平均温度TMnAEn=18.95℃，干球温度Tdb=14.5℃，湿球温度Twb=10.5℃，空气预热器进口含氧量DVpO2En=3.25%，空预期器出口含氧量DVpO2Lv=.65%，空预期器出口CO测量值DVpCOLv=0.007 5%。下表1列出了按ASME PTC4-1998采用高低位热值和用转换公式计算的各项损失和锅炉效率及对比情况。