空气预热器漏风率变化对锅炉效率的修正计算*

2014-05-29王艳红刘洪宪卢洪波

化工机械 2014年5期

王艳红李勇刘洪宪卢洪波沙鹏

(东北电力大学能源动力工程学院)

空气预热器漏风率是衡量空气预热器设计和运行经济性能完善程度的一项重要指标。电站锅炉空气预热器的漏风不仅影响锅炉空气预热器出口排烟温度，还会使锅炉空气预热器出口过量空气系数增加，进而影响锅炉效率。此外，在锅炉机组大修前、后的热效率试验和锅炉新机组的性能验收试验中，都需将锅炉效率试验条件修正到设计保证条件下，以便与设计条件下的锅炉热效率进行对比，来考察锅炉机组的设计和运行性能。因此研究空气预热器漏风率变化对锅炉排烟温度、锅炉出口过量空气系数及锅炉效率的影响和修正计算对于目前火电机组节能潜力的挖掘具有重要意义。

文献[1]给出了过量空气系数的计算公式和空气预热器漏风率的经验计算公式，并在锅炉效率修正计算部分给出了锅炉运行条件偏离设计保证值的排烟温度修正计算公式，但在修正计算部分并没有提及漏风率变化对排烟温度、过量空气系数和锅炉效率的修正计算。文献[2]对空气预热器改造前、后的锅炉效率进行了计算，并论述了空气预热器改造前后漏风率变化对锅炉效率的影响。文献[3]通过建立焓增模型分析了漏风率变化对锅炉机组效率的影响，并定量分析了空气预热器热端漏风变化对锅炉机组效率的影响程度，但没有给出漏风率变化对锅炉效率的影响机理。文献[4、5]分别从空气预热器热端漏风和冷端漏风两方面分析了其对锅炉效率的影响，但给出的漏风率变化对排烟温度的影响计算只是基于经验公式。此外，认为空气预热器漏风率变化只是影响锅炉排烟热损失，而忽略对其他几项热损失的影响，事实上空气预热器漏风率的变化除了影响锅炉排烟热损失外，还影响气体未完全燃烧热损失和灰渣物理热损失。综合现有空气预热器漏风率变化对锅炉效率的影响计算方法，存在的问题都是没有给出漏风率变化对锅炉排烟温度、过量空气系数及锅炉各项热损失的影响机理和修正计算公式，因此不便于定量分析漏风率变化对锅炉排烟温度、过量空气系数和锅炉效率的影响。

基于此，笔者对空气预热器实际运行中漏风对锅炉排烟温度的影响机理进行了分析，在此基础上推导出了空气预热器漏风率变化对锅炉排烟温度和过量空气系数的修正计算公式，并基于微分偏差法进一步分析了漏风率变化对锅炉效率的影响，从而明确了空气预热器漏风对锅炉效率的影响机理，给出了定量分析空气预热器漏风率变化对锅炉效率影响的计算方法。

1 空气预热器漏风率变化对锅炉效率的影响

空气预热器的漏风通过影响空气预热器出口过量空气系数和锅炉排烟温度来影响锅炉效率。由于GB 10184-88规定锅炉系统出口边界为空气预热器出口界面，故锅炉效率的计算须依据空气预热器出口过量空气系数和排烟温度两个参数。因此，空气预热器漏风率变化对锅炉效率的影响和修正计算应首先从漏风率变化对锅炉排烟温度和过量空气系数的影响和修正计算着手。

1.1 对排烟温度的修正

大容量锅炉机组普遍采用回转式空气预热器，由于其烟气侧受引风机的抽吸作用，烟气侧的压力处于微负压状态；而其空气侧受送风机的影响，压力远高于烟气侧，所以在回转式空气预热器中，空气不可避免的会漏入烟气侧。通常在空气预热器动静间隙相同的条件下，由于空气预热器冷端空气与烟气处的压力差和空气密度远大于空气预热器热端，因此，冷端处的漏风量要远高于热端处的漏风量，故在忽略其他部位漏风的情况下，认为空气预热器的漏风只发生在冷端[6～9]。

由于空气预热器冷端漏风只是单纯的冷却烟气，没有参与换热，故漏风冷却机理可理解为：漏风从压力高的空气测漏到压力低的烟气侧，使烟气侧总的烟气量增加，同时锅炉排烟温度被漏入的冷空气冷却，使空气预热器排烟温度降低[10]，该换热过程可表示为：

(mout-min)clk(θpy-to)=mincyq(θpy(wl)-θpy)

(1)

式中clk——空气从to到θpy之间的平均定压比热，kJ/(kg·℃)；

cyq——烟气从θpy到θpy(wl)之间的平均定压比热，kJ/(kg·℃)；

min——空气预热器进口烟气量，kg/kg；

mout——空气预热器出口烟气量，kg/kg；

to——空气预热器进口冷风温度，℃；

θpy——空气预热器出口实测排烟温度，℃；

θpy(wl)——空气预热器假设无漏风下的排烟温度，℃。

对式(1)求解θpy(wl)并整理得：

(2)

其中：

(3)

式中AL——空气预热器运行中的漏风率，%。

在运行中，当空气预热器漏风率发生变化后，空气冷却烟气的强度发生变化，排烟温度也会随着发生改变，因此当空气预热器漏风率偏离基准值或设计保证值时，需对空气预热器排烟温度进行修正计算。而仅有漏风率发生变化时，空气预热器的换热过程如图1所示。

图1 漏风率变化对排烟温度影响示意图

(4)

式中Ak——设计保证漏风率，%；

由于比热容变化较小，可忽略烟气和空气比热差异，近似取：

(5)

结合式(2)、(4)，经推导变形整理得：

(6)

(7)

式中 Δθpy(lf)——空气预热器漏风率变化引起的排烟温度变化量，℃。

至此，GB 10184-88排烟温度的修正公式可表示为：

(8)

式中 Δθpy(kq)——空气进口空气温度变化引起的排烟温度变化量，℃；

Δθpy(gs)——给水温度变化引起的排烟温度变化量，℃。

1.2 对过量空气系数的修正

依据锅炉性能试验标准(GB 10184-88)，空气预热器漏风率为:

(9)

式中 90——过量空气系数和漏风率之间经验转换系数；

α′——空气预热器烟气进口过量空气系数；

α″ ——空气预热器烟气出口过量空气系数。

设：

(10)

式中VO2——锅炉烟道干烟气中氧气所占体积百分数，%；

α——烟道中任意截面过量空气系数。

则式(9)可变形为：

(11)

在空气预热器烟气进口过量空气系数不变的情况下，对于设计保证漏风率条件下的空气预热器烟气出口过量空气系数可表示为：

(12)

修正到设计保证漏风率或基准条件下的空气预热器烟气出口过量空气系数为：

(13)

2 空气预热器漏风率变化对锅炉效率的修正

2.1 GB 10184-88锅炉效率的计算

由于正平衡法需要测量燃煤消耗量，而目前燃煤消耗量的测量精度较低，使正平衡法计算的锅炉效率误差较大，加之反平衡法锅炉效率计算精度高，且利于分析和诊断引起锅炉效率下降的原因部位，故大容量锅炉效率的计算一般都采用反平衡法[11，12]，GB 10184-88反平衡锅炉热效率计算可表示为：

(14)

式中Q2——单位质量燃料的排烟热损失量，kJ/kg；

Q3——单位质量燃料的可燃气体未完全燃烧热损失量，kJ/kg；

Q4——单位质量燃料的固体不完全燃烧热损失量，kJ/kg；

Q5——单位质量燃料的锅炉散热损失量，kJ/kg；

Q6——单位质量燃料的灰渣物理显热损失量，kJ/kg；

Qr——锅炉输入热量，kJ/kg；

ηb——锅炉效率。

2.2 漏风率变化对锅炉效率的修正计算

2.2.1修正计算原理

文献[13]提出了微分偏差分析方法，即采用一阶泰勒公式求出当锅炉机组运行各参数偏离基准值时引起锅炉各项热损失的变化量，进而求出锅炉效率的变化量。故笔者将微分偏差分析方法引入到空气预热器漏风率变化对锅炉效率的影响修正计算中，选定某一运行参数为基准参数。并假定其他影响锅炉效率的各运行参数不变，此时锅炉效率仅是空气预热器漏风率的函数，或仅是锅炉排烟温度和空气预热器烟气出口过量空气系数的函数。当空气预热器漏风率或空气预热器出口排烟温度和出口过量空气系数均处于基准参数时，锅炉效率可表示为：

ηb=f(AL)=f(θpy,α″)

(15)

当空气预热器漏风率偏离基准参数时，锅炉效率可表示为：

(16)

式中 1——偏离基准漏风率的相应参数。

当空气预热器漏风率偏离基准值时，锅炉效率的变化量可表示为：

(17)

由泰勒公式得：

(18)

即：

Δηb=(Δηb)θpyΔAL+(Δηb)α″ΔAL

(19)

对应基准参数下的锅炉效率为：

ηb=ηb1-Δηb

(20)

2.2.2漏风率变化对锅炉效率的修正

空气预热器漏风率偏离基准值引起锅炉效率的偏差分量为：

(21)

2.2.2.1漏风率变化引起排烟温度变化进而导致锅炉效率的变化量

在锅炉效率计算中，由于受锅炉排烟温度影响的热损失为Q2和Q6，故漏风率变化引起排烟温度进而导致锅炉效率的变化量为：

(22)

排烟热损失Q2为：

Q2=(Vgycgy+VH2OcH2O)(θpy-to)

(23)

式中cH2O——水蒸气从t0到θpy温度间的平均定压比热，kJ/(m3·K)；

cgy——干烟气从t0到θpy的平均定压比热，kJ/(m3·K)；

VH2O——烟气中所含水蒸气容积，m3/m3；

Vgy——单位质量燃料产生的干烟气体积，m3/kg。

其中：

(24)

(25)

式中dk——空气绝对湿度，kg/kg；

Har——燃料收到基氢含量百分率，%；

Mar——燃料收到基水分含量百分率，%；

忽略排烟温度变化所引起干烟气和水蒸气定压比热的变化，结合式(14)和式(23)可得空气预热器漏风率变化通过引起排烟热损失变化进而引起锅炉效率变化量为：

(26)

结合式(2)和式(5)变形得：

(27)

将式(27)对漏风率求导并带入式(26)得：

(28)

忽略沉降灰，灰渣物理热损失Q6为：

(29)

式中αlz——炉渣中纯灰量占燃煤总灰量的份额，%；

αfh——随烟气排出飞灰纯灰量占燃煤总灰量的份额，%；

Aar——燃料收到基灰分含量百分率，%；

cfh——飞灰比热，kJ/(kg·℃)；

clz——炉渣比热，kJ/(kg·℃)；

tlz——排出炉渣温度，℃。

结合式(14)、(27)和式(29)可得空气预热器漏风率变化通过引起灰渣物理热损失变化引起锅炉效率的变化量为：

(30)

2.2.2.2漏风率变化引起过量空气系数变化进而导致锅炉效率的变化量

在锅炉效率计算中，由于受锅炉过量空气系数影响的热损失为Q2和Q3，故漏风率变化引起过量空气系数变化进而导致锅炉效率的变化量为：

(31)

结合式(11)、(14)、(23)和式(24)可得漏风率变化引起过量空气系数变化进而使干烟气量发生变化，并最终导致锅炉效率的变化量为：

(32)

同理，结合式(11)、(14)、(23)和式(25)可得漏风率变化引起过量空气系数变化进而使水蒸气量发生变化，并最终导致锅炉效率的变化量为：

(33)

气体未完全燃烧热损失Q3为：

Q3=Vgy×126.36×VCO

(34)

式中VCO——空气预热器出口干烟气一氧化碳百分含量，%。

结合式(11)、(14)、(24)和式(34)可得过量空气系数变化引起气体未完全燃烧热损失变化进而导致锅炉效率的变化量为：

(35)

3 修正计算实例

以某电厂300MW 机组配套1 025t/h锅炉为例，选取两个不同工况下锅炉机组的试验数据，进行了锅炉空气预热器漏风率偏离基准值对锅炉排烟温度、过量空气系数和锅炉效率的修正计算，结果见表1。

表1 空气预热器漏风率变化对排烟温度、过量空气系数和锅炉效率的修正计算

注：括号内为工况二的结果。

由表1可知，随着空气预热器漏风率的增大，锅炉排烟温度、锅炉出口过量空气系数和锅炉效率的变化也在增大。当空气预热器漏风率增大时，锅炉排烟温度在逐渐减少，空气预热器出口过量空气系数在增大，由于过量空气系数和排烟温度对锅炉效率的影响呈反作用，且相对过量空气系数而言，排烟温度对锅炉效率的影响程度要大，这样最终使得锅炉效率随空气预热器漏风率的增大而增大。同时由表1也可看出，如果不考虑漏风率变化对排烟温度的影响，仅考虑漏风率变化导致过量空气系数变化对锅炉效率的影响时，显然锅炉效率随着空气预热器漏风率的增大而减少，这也是人们对空气预热器漏风率增大对锅炉效率影响的常规认识，但这种认识是建立在没有考虑漏风率变化对排烟温度影响基础上的，由此可知，在锅炉实际运行当中，分析空气预热器漏风率变化对锅炉效率的影响时，必须考虑漏风率变化对排烟温度的影响，并且，在锅炉效率试验和锅炉性能验收试验的锅炉效率修正计算中，也应当考虑漏风率偏离设计保证值对锅炉排烟温度和过量空气系数的影响，并进行相应锅炉效率的修正计算，此时得到的锅炉效率值才更真实，设计值才更具有可比性。