煤气锅炉效率计算模型研究

江文豪，姚群

（中冶华天南京工程技术有限公司，江苏南京210000）

热电

煤气锅炉效率计算模型研究

江文豪，姚群

（中冶华天南京工程技术有限公司，江苏南京210000）

锅炉热效率是衡量锅炉和机组运行经济性的重要指标，目前工程上对电厂煤气锅炉热效率的测试和计算一般都根据GB10184-1988《电站锅炉性能试验标准》进行。该标准提供了锅炉燃用气体燃料时的计算公式，但是有些计算公式是假定某些条件下的简化公式，只能用于含氮量较低的燃料，对于含氮量较高的钢铁企业副产煤气却不适用。结合煤气锅炉的燃料特性，在GB10184-1988基础上分析得到了适用于煤气锅炉效率计算的改进模型。以某钢铁厂220 t/h煤气锅炉为研究对象，通过现场实测数据对改进模型进行实例分析，结果具有一定的参考价值。

煤气锅炉；热效率；改进模型

1 引言

锅炉热效率是衡量锅炉和机组运行经济性的重要指标。目前，对于燃煤锅炉效率计算的研究已经非常成熟[1～5]，相比之下，对于煤气锅炉效率计算的研究却要薄弱很多。工程上对钢铁企业自备电厂煤气锅炉的热效率测试和计算一般都是参照GB10184-1988《电站锅炉性能试验标准》[1]（以下简称《国标》）。该标准提供了锅炉燃用气体燃料时的计算公式，但是有些计算公式是假定某些条件下的简化公式，而书中并未加以说明，如果盲目套用，很可能会产生较大误差。

本文结合钢铁企业副产煤气的特性，在《国标》基础上对煤气锅炉的效率计算进行分析，得到了适用于煤气锅炉效率计算的改进模型。此模型可用于煤气锅炉性能考核试验的相关计算，也可用于常规的热平衡计算，具有一定的参考价值。

2 煤气锅炉效率计算模型

锅炉热效率一般采用热损失法进行计算，先求出锅炉的各项热损失，然后按式（1）得到锅炉热效率：

式中：η——锅炉热效率，%；

q2——排烟热损失百分率，%；

q3——可燃气体未完全燃烧热损失百分率，%；

q4——固体未完全燃烧热损失百分率，%；

q5——锅炉散热损失百分率，%；

q6——灰渣物理热损失百分率，%。

2.1 输入热量Qr

输入热量Qr可按式（2）计算：

式中：Qr——输入热量，kJ/m3；

QDMy——燃料应用基低位发热量，kJ/m3；

Qrx——燃料的物理显热，kJ/m3，按式（3）计算：

式中：cr——燃料的比热，kJ/（m3·K），可根据煤气成分进行加权平均计算得到；

tr——燃料温度，℃；

t0——基准温度，℃。

需要说明的是，文中的“1 m3”是指含有1 m3干煤气及d（kg）水蒸气的湿煤气，工程上进行煤气燃烧计算时，一般以此为计算基准，这样做的好处在于计算中所用的干煤气成分不会随含湿量的变化而变化。

2.2 排烟热损失q2

排烟热损失是由于高温烟气所具有的热量排入大气而未被机组利用所造成的热损失，是锅炉最主要的热损失，可按式（4）和式（5）计算：

式中：Q2——排烟带走的热损失量，kJ/m3；

Q2gy——干烟气带走的热量，kJ/m3；

Q2H2O——烟气所含水蒸气的显热，kJ/m3。

2.2.1 干烟气带走的热量

干烟气带走的热量按式（6）计算：式中：Vgy——每标准立方米燃料燃烧生成的干烟气体积，m3/m3；

cp,gy——干烟气在至温度间的平均定压比热，kJ/ (m3·K)；

θpy——排烟温度，℃。

2.2.1.1 干烟气体积

干烟气体积与煤气的组成成分以及燃尽情况有关，按照《国标》中提供的方法，煤气燃烧产生干烟气体积应按式（7）～式（10）进行计算：

式中：Vgy0——按煤气成分计算的理论燃烧干烟气量，m3/m3；

Vgk0——按煤气成分计算的理论所需干空气量，m3/m3。

α——排烟处过量空气系数；

CO2y、COy、H2y、CmHny、N2y、O2y——煤气(应用基)中相应组分的容积含量，%；

O2、CH4、CO、H2——干烟气中相应组分的容积含量，%。

由此可见，《国标》中的干烟气体积是按燃料完全燃烧时的理论干烟气量与过量空气量之和来计算。然而对于煤气锅炉，按式（7）～式（10）计算出的烟气量会偏离真实值，这是因为式（7）中后半部分即过量空气量的计算中，过量空气系数采用式（10）计算，但是此式是假定燃料含N量很少并且理论干空气量与理论干烟气量很接近时的简化公式，而煤气锅炉的燃料含N量往往较高，尤其是高炉煤气，甚至高达50%～60%，用式（10）计算必然带来较大误差。对于含N量较高的煤气，过量空气系数应按式（11）进行计算：

式（11）可结合燃气燃烧原理推导得到，此处从略。可以看出，《国标》中的计算公式是燃料含N量忽略不计并且理论干空气量与理论干烟气量很接近（烟气中含N量接近79%）时的简化结果。显然，对于煤气锅炉，过量空气系数按式（11）计算更为准确。

不过，由此也可看出，煤气锅炉的干烟气量和过量空气系数需要进行联合求解，如图1所示。

图1 干烟气量与过量空气系数联合求解流程图

可先假定一个初始的干烟气量Vgy,jd，根据式（11）求解得到过量空气系数α，然后将α值代入式（7）得到计算出的干烟气量Vgy,js，将Vgy,jd和Vgy,js进行比较，如果二者差值超过设定的误差范围，则将Vgy,jd和Vgy,js的平均值作为新的Vgy,jd重新进行计算，直到Vgy,jd和Vgy,js的差值满足设定的误差范围，并将计算得到的Vgy,js作为最终的干烟气量，将计算得到的α作为最终的过量空气系数。

2.2.1.2 干烟气定压比热容

干烟气定压比热容应根据烟气成分进行加权平均，按式（12）计算：

式中：Cp,CO2、Cp,CO、Cp,H2、Cp,CH4、Cp,N2、Cp,O2——干烟气中各组分在t0至θpy温度间的平均定压比热，kJ/(m3· K)。

一般情况下烟气中的不完全燃烧产物主要是CO，烟气中H2和CH4组分很少。若忽略H2和CH4组分，则式（12）可简化成式（13）：

2.2.2 烟气中水蒸气的显热

烟气中所含水蒸气的显热可按式（14）计算：

式中：Cp,H2O——水蒸气从从t0至θpy温度间的平均定压比热，kJ/(m3·K)；

VH2O——烟气中所含水蒸气容积，m3/m3，可按式（15）计算：

式中：dq——煤气含湿量，kg/m3；

dk——空气的绝对湿度，kg/kg干空气。

式（15）中的过量空气系数α也应采用2.2.1节所述的计算结果。

2.3 化学不完全燃烧热损失q3

化学不完全燃烧热损失是由于锅炉烟气中残留的可燃气体未在炉膛中燃烧放热而造成的热损失，可按式（16）计算：

2.4 散热损失q5

散热损失是指锅炉运行时炉墙、金属结构以及锅炉范围内管道向周围环境散失的热量，随锅炉负荷（蒸发量）的变化而变化，可按式（17）计算：

式中，q5e—锅炉额定负荷下的散热损失，%；

De—锅炉额定负荷下的蒸发量，t/h；

D—锅炉实际蒸发量，t/h。

2.5 其他热损失

对于煤气锅炉，不存在固体不完全燃烧热损失q4和灰渣物理热损失q6，故这两项损失均为0。

3 计算实例及分析

表1 锅炉效率计算原始数据

由表2可见：

1）在工况1和工况2中，套用《国标》公式和采用本文改进模型计算出的锅炉效率之差分别达到0.78%和0.38%，平均差值为0.58%，说明煤气锅炉的效率计算不能完全套用《国标》中的简化公式，否则会产生较大误差。

某钢铁企业热电厂220 t/h煤气锅炉，按全烧高炉煤气设计，并考虑掺烧一定量的转炉煤气。以该锅炉为研究对象，根据全烧高炉煤气工况（工况1）和掺烧转炉煤气工况（工况2）的现场实测数据，分别采用本文模型与《国标》公式计算锅炉效率。原始数据汇总于表1，计算结果汇总于表2。

表2 计算结果汇总

2）两种效率模型的差异主要体现在排烟热损失q2和化学不完全燃烧损失q3上，在工况1中，采用本文模型计算出的q2和q3分别比套用《国标》公式计算出的q2和q3高出0.70%和0.07%；而在工况2中，采用本文模型计算出的q2和q3分别比套用《国标》公式计算出的和高出0.35%和0.03%。

3）两种模型下的过量空气系数α有很大差异，工况1和工况2中套用《国标》公式得到的α值分别比真实值低了0.206和0.109，这直接导致干烟气量与烟气中水蒸气量的计算结果偏离真实值，从而造成排烟热损失q2的偏差，而干烟气量偏差还会引起化学不完全燃烧损失q3的偏差。

4）对比两个工况的计算结果可知，工况1中两种模型的计算结果之差比工况2大。分析认为，燃料含N量是《国标》中过量空气系数α计算误差的主要来源，与转炉煤气相比，高炉煤气中的含N量要大很多，导致工况1中的α计算误差更大，进而造成该工况下锅炉效率的计算误差更大。

总之，对于煤气锅炉，热效率的计算不能完全套用《国标》中的计算公式，其中过量空气系数α的计算公式应作出适当改进，这样得到的结果才更加可靠。此外，煤气含N量越高，按《国标》计算得到的锅炉效率越不真实。

4 结语

对于煤气锅炉，燃料含N量往往较高，锅炉效热率的计算不能完全套用《国标》中的计算公式。本文根据煤气特性，结合《国标》对煤气锅炉效率计算方法进行分析，得到了适用于煤气锅炉效率计算的改进模型。以某钢铁厂220 t/h煤气锅炉为研究对象，通过现场实测数据对本文改进模型和《国标》计算公式进行对比分析，结果对于提高煤气锅炉效率的计算精度具有一定的参考价值。

[1]中华人民共和国机械电子工业部.GB/T10184-1988，电站锅炉性能试验规程[S].北京:中国标准出版社，1988.

[2]孙伟，魏铁铮，陈华桂.电站锅炉效率计算方法研究[J].电力情报，2001,(2),21～22.

[3]金旭英，王培红.锅炉效率计算模型的比较和简化[J].热能动力工程，2001,(1),16～18.

[4]沈芳平，周克毅，胥建群等.锅炉效率计算模型的分析与比较[J].锅炉技术，2004,35(1),48～52.

[5]赵振宁，张清峰，赵振宙.电站锅炉性能试验原理方法及计算[M].北京：中国电力出版社，2010.

A Research on the Calculation M odel for the Efficiency of Gas Boiler

Jiang Wenhao,Yao Qun
（MCCHuatianNanjingEngineering&TechnologyCorporation,Nanjing,Jiangsu210000,China）

The thermal efficiency of boiler is an important indicator for evaluating the operation economy of boilers and generator units.The test and calculation of the thermal efficiency of gas boilers are performed according to GB10184-1988 Performance Test Code of Utility Boilers,which provides calculation formulas for boilers burning gas fuel.Some of the formulas,however,are simplified ones based on certain conditions,which can only be used for fuels with low nitrogen content but cannot be applied to by-produced gases with high nitrogen content in the steel enterprises.An improved calculating model for gas boiler efficiency was established based on the gas characteristics and GB10184-1988.Taking a 220 t/h gas-fired boiler in a steel company as the research object,the improved model was demonstrated by on-site realtime measurement,to provide some reference value for similar work.

gas boiler;thermal efficiency;improved model

TK229

A

1006-6764（2014）12-0042-04

2014-09-25

江文豪(1986-)，男，工程师，从事钢铁厂及电厂热力系统设计工作。