锅炉热力计算中两个重要参数的校核方法

姚万业，王晶晶，赵振宁，童家麟

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定 071003; 2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045;

3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

锅炉热力计算是评价锅炉安全性和经济性最主要的途径[1]，是锅炉整体计算的核心，对锅炉的设计、改造及运行有着极其重要的作用。锅炉热力计算主要分为设计计算和校核计算两种。设计计算是以额定负荷为前提，在锅炉的给水参数和锅炉燃料成分已知的情况下，计算满足额定蒸发量、额定蒸汽参数及选定经济指标的锅炉各个受热面的所需结构尺寸;校核计算是指以校核工况下的锅炉参数和燃料特性为基础数据，在锅炉各受热面结构参数已知或改变某些受热面结构尺寸的前提下，对锅炉效率、燃料消耗量及各受热面进出口的工质温度、烟气温度、烟气流量、空气温度、空气流量等进行的计算[2～9]。

一般情况下，在进行新锅炉的设计或对现有锅炉进行计算时都采用校核计算。减温水校核及烟气份额校核是锅炉热力计算中最重要和复杂的两个校核。对于不同的锅炉，由于蒸汽、烟气流程及锅炉结构的多变性，减温水和烟气份额数据的选取、校核的顺序及计算误差超出范围后如何调整也不尽相同。尤其是在面对多支路或多个喷水减温装置时，多变量的校核情况更为复杂。

关于减温水校核及烟气份额校核方法进行研究的资料和文章很少。文献[10]在阐述锅炉校核计算时，只是探讨了受热面的校核方法，对于减温水及烟气份额校核并没有提及。文献[11]仅提出了调节减温水量的方法，对于多级减温水和烟气份额的校核顺序和方法没有研究。本文对这两个校核方法进行了详细的探讨，并以某400 t/h中间再热锅炉为例，阐述了两个校核的具体步骤，对其他锅炉进行校核计算提供了明确的思路。

1 校核计算方法

校核计算主要分为受热面内部校核计算和受热面外部校核计算。内部校核计算是指对受热部件本身采用校核方法进行传热计算，即先假定一种介质的终温和焓并求出其吸热量，再通过计算传热系数得到传热量，控制传热量和吸热量的差值在误差范围之内，否则重新假设并计算。受热面外部校核计算是指在某一受热面假设参数值，直到烟气流程后面的另一受热面才能对该值进行计算，得到计算值后，将计算值与假设值进行比较，若不在有效范围内则返回、重新假设此参数值并计算，直到满足误差要求为止。例如锅炉减温水校核，在炉膛传热计算中就需用到各级减温水的流量，直到所有的附加受热面吸热量全部完成后，才能计算得到各级减温水量值，然后对减温水量进行校核。与内部校核相比，受热面外部校核要相对复杂。

减温水校核及烟气份额校核是锅炉热力计算中校核顺序较复杂、灵活性较强的两个外部校核。为了能够更加清晰、直观地表达出减温水校核和烟气份额校核的具体校核流程，现以某400 t/h中间再热锅炉为例，阐述其烟气份额及减温水校核的具体步骤及程序实现方法，锅炉本体结构如图1所示。

图1 某400 t/h中间再热锅炉本体结构图Fig.1 Body struct of a 400 t/h reheat boiler

锅炉主要设计参数如表1所示。

表1 锅炉主要设计参数Tab.1 Main design parameters of the boiler

2 烟气份额校核

在主烟道，为保证再热器工质进、出口参数确定了烟气份额。一般在第一转向室后对烟气进行分流，一部分烟气流到达低温再热器;另一部分烟气流经旁路省煤器，两部分烟气最终混合后流入主省煤器。通常先确定流经低温再热器的烟气份额，使得低温再热器的进口工质参数和高温再热器的出口工质参数满足要求。这样，另一条支路的烟气份额也就随之确定，旁路烟道中的旁路省煤器就可以进行热力计算了。旁路烟气份额的精度要求最低，一般可取5%左右。

烟气份额校核实例。某些锅炉系统中，烟道的分支不只为两条，本文所研究的某400 t/h中间再热锅炉烟气流程如图2所示。烟气在第一转向室出现旁路，一部分流向旁路省煤器;另一部分流向第二转向室。其中，流向第二转向室的烟气也出现分叉，一部分直接流向低温再热器;另一部分烟气先流经低温再热器引出管、第三转向室，再流入低温再热器。

图2 烟气流程图Fig.2 Gas flow chart

在处理这种稍复杂的多分支情况进行烟气份额的校核时，本文作者提出了“固定一端法”，对烟气份额进行校核，具体步骤如下:

(1)固定支路2流经低温再热器引出管至低温再热器烟气链上的烟气旁通份额，按照经验给予一个值，一般在0.15左右，以保证低温再热器的进出口工质的温度。

(2)由于低温再热器进口工质已知，出口工质也在低温再热器引出管传热计算中确定，按式(1)计算低温再热器工质的对流吸热量Qd。根据式 (2)对低温再热器进行传热计算，得到对流传热量Q。

3 减温水量校核

式中:Qd为对流吸热量，kJ/kg;Dzr为再热蒸汽流量，kg/h;δ为烟气份额;Bj为计算燃料消耗量，kg/h。

式中:Q为每千克计算燃料的烟气通过受热面时被工质所吸收的对流热量，kJ/kg;k为传热系数，W/(m2·℃);Δt为温压，℃;Hjs为计算对流受热面积，m2;Bj为计算热量消耗量，kg/s。

(3)对传热量和吸热量进行比较，根据热平衡原理，如果传热量大于吸热量，说明烟气份额过大，烟气释放的热量大于低温再热器吸收的热量，那么减小第二转向室中烟气份额;如果传热量小于吸热量，说明烟气份额过小，烟气释放的热量不能够满足再热器吸收的热量，那么增大第二转向室中烟气份额。

(4)增大或较小烟气份额后，返回到第二转向室重新进行热力计算，直至满足误差要求。改变第二转向室的烟气份额，支路1的烟气份额随之进行改变，而支路2的烟气份额始终保持不变。这两部分的烟气份额确定后，旁路省煤器的旁通份额也就随之确定。

这样，各支路的烟气份额都得到了确定，通过旁通份额的分配，最终使得再热汽温的进、出口温度达到额定值。再热蒸汽及各支路最终校核计算值如表2所示。

由表2可见:按上述方法对各支路值进行校核，校核值分别为0.465，0.15，0.385;再热蒸汽的温度、压力及流量等参数均达到设计值，说明该烟气份额校核方法切实可行。

表2 再热蒸汽及烟气份额校核计算值Tab.2 Values of checking calculation for reheated steam and gas share

为了保证过热蒸汽温度在不同负荷、不同工况下接近恒定，达到额定的蒸汽参数，一般需要用减温器对蒸汽的参数进行调节。因此，在进行锅炉热力计算的过程中要对减温水进行校核，一般对于调整主蒸汽温度的减温水，中压锅炉一般采用面式减温器调节过热汽温，高压及以上锅炉一般采用喷水调节过热汽温。在大型锅炉中，由于过热器采用多级布置，为了提高运行的安全性和改善过热器的调节特性，通常采用二到三级调节。高压自然循环锅炉常采用二级喷水，第一级布置在屏式过热器前，起保护屏的作用;第二级布置在末级过热器前，以保证过热器的出口汽温。设定喷水量约为锅炉额定蒸发量的3%～5%。在对最后一级再热器热力计算完成之后进行校核。

减温水校核实例。本文所研究的某400 t/h中间再热该锅炉的过热蒸汽流程如图3所示。该锅炉系统一共有两级减温水:一级减温水设定在前屏与后屏过热器中间;二级减温水设在后屏与对流过热器中间。在对减温水进行校核时，由于受到管道直径、锅炉的热效率等的影响，最后一级减温水的流量一般限制在2%以内，二级减温水量限制在5%以内。当在限定范围内仍不能满足蒸汽参数的需要的情况下，取其最大值，根据该值进行整体热力计算，并确定最终的蒸汽参数值。

(1)在炉膛传热计算中，先根据经验值，对一、二级减温水分别设其初值，开始热力计算。本例中，设定一级减温水量为6 000 kg/h，二级减温水量为5 000 kg/h。

图3 过热蒸汽流程图Fig.3 Superheated steam flow chart

(2)在对流过热器传热计算中，对二级减温水量进行校核，根据式 (3)得到二级减温水量的计算值。若该计算减温水量超出上限值5 250 kg/h(5 000/1.05)，则赋予二级减温水量上限值，并返回到炉膛受热面，重新进行传热计算，此时的主蒸汽参数是根据二级减温水量的实际值计算得到，并不能使用额定值;若计算值未超出上限值，但未在误差范围之内，则重新假设二级减温水量并返回到炉膛重新进行热力计算，此时所用到的蒸汽参数均为额定参数。

(3)在旁路省煤器热力计算完成后，所有的附加受热面、再热蒸汽、过热蒸汽的吸热量都已得到，这时可根据热量平衡公式 (3)，得到减温水总量的计算值，再根据计算值与假设值的误差对一级减温水量重新赋值，返回到炉膛重新进行热力计算，直至满足误差。这里必须保证一级减温水量不能超出其设定的上限值6 120 kg/h(6 000/1.02)。

式中:Bj为计算燃料消耗量，kg/h;ΣQ为对流过热器及之前所有主受热面和附加受热面吸收的总热量，kJ/kg;D为总的减温水量，kg/h;hgr″为过热蒸汽进口蒸汽焓，kJ/kg;hbg为过热蒸汽出口蒸汽焓，kJ/kg;hgs为给水焓，kJ/kg。

减温水校核的关键就是先确定第一级减温水量，所有附加受热面和高温对流过热器计算完成后，再对整体减温水量进行校核，总减温水量的改变主要是通过改变除第一级外的其他各级减温水量来完成。主热蒸汽及各级减温水量最终校核计算值如表3所示。

表3 主蒸汽及减温水量校核计算值Tab.3 Values of checking calculation for superheated steam and desuperheating water

由表3可见:按上述方法对减温水量进行校核，校核值分别为16 835 kg/h，8 400 kg/h，主蒸汽温度、压力及流量等参数均达到设计值，说明该减温水量校核方法切实方便可行。

4 结论

减温水校核和烟气份额校核是锅炉校核计算中最复杂、关键的部分，本文对这两个校核进行了讨论，提出了适用于电站锅炉的普遍校核方法，以某400 t/h中间再热锅炉为例，详细阐述了两个校核的具体步骤，结果印证了这种校核方法的准确性。这两个校核方法为锅炉校核热力计算提供了明确思路，有助于高效、准确地完成锅炉校核热力计算。