基于GB 10184-88和ASME PTC4-1998标准的锅炉热效率算法比较*

韩 为李 勇

(东北电力大学能源与动力工程学院)

基于GB10184-88和ASMEPTC4-1998标准的锅炉热效率算法比较*

韩 为**李 勇

(东北电力大学能源与动力工程学院)

对GB 10184-88和ASME PTC4-1998两标准在计算锅炉热效率的方法、原理方面进行了详细论述，仿照燃料效率对GB 10184-88效率计算式进行了适当变形，然后在保证均不计(或计)外来热量且燃料发热量相同的情形下对两种算法进行了精确比较和分析。以某1 025t/h煤粉锅炉为例，分别在燃料低位、高位发热量下计算锅炉毛效率和燃料效率。结果表明：GB 10184-88算得的灰渣未燃碳热损失、散热损失和锅炉热效率较大，ASME PTC4-1998算得的排烟热损失、灰渣物理热损失较大，两种标准效率差值在0.5%以内，当不计外来热量或计算燃料效率时，高位发热量下效率差值较低位发热量下的小，毛效率计算结果则相反。

锅炉热效率 GB 10184-88标准 ASME PTC4-1998标准 算法比较

随着我国发电装备制造业的发展，引进国外先进技术制造的大容量电站锅炉越来越多的投入商业运行，与此同时，ASME PTC4-1998标准[1]也得到了更多的应用[2]。而在我国，大部分学者都已经习惯采用GB 10184-88标准[3]进行锅炉热效率试验和计算，这就需要对GB 10184-88和ASME PTC4-1998标准计算锅炉热效率的方法、原理进行剖析，给从事锅炉的技术和科研人员一个准确、恰当的解释，以利于指导锅炉的经济运行。

文献[4～7]把GB 10184-88和ASME PTC4.1标准计算锅炉热效率的方法进行了详细对比，但并未对ASME PTC4-1998标准进行研究。文献[8，9]将ASME PTC4-1998标准和DL/T 964-2005标准进行了对比并分析了异同，不过针对的只是循环流化床锅炉，且没有涉及GB 10184-88算法。此外，余叶宁从锅炉效率的定义、基准温度、热损失及修正项等方面阐述了ASME PTC4.1和ASME PTC4算法的主要区别[10]，金旭英和王培红对ASME PTC4.1和德国DIN标准做了研究和对比[11]。综合现有文献，均未对GB 10184-88和ASME PTC4-1998标准针对大容量煤粉锅炉热效率的计算方法进行详细比较研究，且没有深入分析外来热量的有无、燃料发热量的不同及毛效率与燃料效率的区别等因素对两标准计算结果的影响，给电厂在选择锅炉性能测试标准时带来了不便。

基于此，笔者详细比较了GB 10184-88和ASME PTC4-1998标准算法的异同，分析了产生差异的原因，并研究了外来热量的考虑与否、燃料高、低位发热量的不同和毛效率与燃料效率的区别对计算结果的影响。

1 两种标准的锅炉热效率定义

锅炉热效率的计算有正、反平衡两种方法，确定各项热损失的反平衡法求取效率更为方便和准确，且便于找出提高锅炉热效率的方法，因此得到了更为广泛的应用[12]。文中两种标准均基于反平衡来计算锅炉热效率。GB 10184-88标准对锅炉热效率的定义为：锅炉输出热量占输入热量的百分率，其中输入热量为燃料输入热量与外来热量或其他热源之和。ASME PTC4-1998标准定义了燃料效率与毛效率两种锅炉热效率，其中与GB 10184-88相匹配的是锅炉毛效率，其效率和输入热量的定义与国标类似，而燃料效率是锅炉输出能量与输入燃料的化学能量之比，不能与国标匹配[13]。为了分别采用毛效率和燃料效率比较两种标准算法的异同，笔者结合燃料效率的定义对GB 10184-88效率计算式进行适当变形，以便于与ASME PTC4-1998的燃料效率进行比较。

2 GB 10184-88标准计算锅炉热效率

2.1输入热量计算

GB 10184-88中输入热量Qr的计算公式为：

hbq0)

(1)

式中Bb——燃料消耗量，kg/h；

cr——燃料比热容，kJ/(kg·℃)；

Dwl——外来热源工质流量，kg/h ；

Dwh——雾化用蒸汽量，kg/h；

hwh——雾化蒸汽入口参数下的焓，kJ/kg；

hbq0——基准温度下的饱和蒸汽焓，kJ/kg；

Qar，net——燃料收到基低位发热量，kJ/kg；

t0——实测基准温度，℃；

tr——燃料温度，℃。

为便于与ASME PTC4-1998标准进行比较，笔者对国标中定义的锅炉输入热量进行了修改，即输入热量可以考虑外来热量，也可以不考虑外来热量；燃料收到基发热量可以取低位发热量，也可转换为高位发热量，即输入总热量QrGB可表示为：

QrGB=Qar+QwGB

(2)

式中Qar——燃料收到基发热量(低位发热量或高位发热量)，kJ/kg；

QwGB——国标定义的外来热量(视情况可不考虑该项)，kJ/kg。

2.2过量空气系数计算

通过烟气中氧气、甲烷、一氧化碳及氢气等的含量可求得过量空气系数αpy：

(3)

其中，O2、CH4、CO、H2分别为排烟中氧气、甲烷、一氧化碳和氢气的容积百分含量。简化计算时可忽略式(3)中的CH4、CO、H2。

2.3各项热损失计算

GB 10184-88标准中排烟热损失Q2的计算公式为：

综上所述，随着信息化时代的到来，在大数据背景下，企业财务会计专向管理会计对企业自身的可持续发展有着至关重要的影响和作用。因此，需要企业认识到大数据的重要性，注重人员素质的提升，转变管理理念，全面转变工作内容，进而为企业的发展提供强有力的支撑。

Q2=(Vgycgy+VH2OcH2O)(θpy-t0)

(4)

式中cgy——烟气定压比热，kJ/(m3·℃)；

cH2O——水蒸气定压比热，kJ/(m3·℃)；

Vgy——燃烧生成的干烟气体积，Nm3/kg；

VH2O——燃烧生成的烟气中水蒸气体积，Nm3/kg；

θgy——排烟温度，℃。

化学未完全燃烧热损失Q3的计算公式为：

Q3=12636×VgyCO

(5)

固体未完全燃烧热损失Q4的计算公式为：

(6)

式中Aar——收到基灰分质量百分数，%；

Q4sz——磨煤机排出石子煤热损失(简化计算时可忽略)，%。

散热损失计算q5的公式为：

(7)

式中D——锅炉实际蒸发量，t/h；

De——锅炉额定蒸发量，t/h；

q5e——额定蒸发量下散热损失，%。

灰渣物理热损失Q6的计算公式为：

(8)

式中cfh——飞灰的比热，kJ/(kg·℃)；

clz——炉渣的比热，kJ/(kg·℃)；

ccjh——沉降灰的比热，kJ/(kg·℃)；

cfhC——飞灰中碳质量百分数，%；

clzC——炉渣中碳质量百分数，%；

ccjhC——沉降灰中碳质量百分数，%；

tlz——炉渣温度，℃；

tcjh——沉降灰温度，℃；

αfh——飞灰占总灰量的百分数，%；

αlz——炉渣占总灰量的百分数，%；

αcjh——沉降灰占总灰量的百分数，%。

2.4GB 10184-88锅炉热效率计算

GB 10184-88标准中锅炉热效率ηb为：

(9)

式(9)中的锅炉热效率计算方法与ASME PTC4-1998锅炉毛效率算法类似，但与燃料效率不同，为了与ASME PTC4-1998进行更全面的比较，仿照ASME PTC4-1998中燃料效率的定义修改国标中锅炉热效率ηbEF的算法，即：

(10)

3 ASME PTC4-1998标准计算锅炉热效率

3.1输入热量计算

3.1.1燃料发热量计算

ASME PTC4-1998采用高位发热量，而我国锅炉热效率计算普遍采用低位发热量，因此应根据实际情况选用高位发热量或将高位发热量转换为低位发热量进行计算[14]。

3.1.2各项外来热量计算

ASME PTC4-1998考虑的外来热量共有7项，忽略一些影响较小的外来热量，只着重对进入系统的干空气携带的外来热量、空气中水分携带的外来热量和燃料显热携带的外来热量这3项进行计算。

进入系统的干空气携带的外来热量Qgkw的计算公式为：

Qgkw=Dgk(hgk-hgk0)

(11)

式中Dgk——进入系统的干空气量，kg/kg；

hgk——进入系统的干空气焓，kJ/kg；

hgk0——基准温度下的干空气焓，kJ/kg。

空气中水分携带的外来热量Qsw的计算公式为：

Qsw=dkDgk(hs-hs0)

(12)

式中dk——空气湿度，kg/kg；

hs——空气中水蒸气的焓，kJ/kg；

hs0——基准温度下的水蒸气焓，kJ/kg。

燃料显热携带的外来热量Qrxw的计算公式为：

(13)

式中hrA——燃料温度下灰的焓，kJ/kg；

hA0——基准温度下灰的焓，kJ/kg；

hFC——燃料温度下的固定碳焓，kJ/kg；

hFC0——基准温度下的固定碳焓，kJ/kg；

hM——燃料温度下水的焓，kJ/kg；

hM0——基准温度下水的焓，kJ/kg；

hV1——燃料温度下一次挥发分的焓，kJ/kg；

hV2——燃料温度下二次挥发分的焓，kJ/kg；

hV10——基准温度下一次挥发分的焓，kJ/kg；

hV20——基准温度下二次挥发分的焓，kJ/kg；

Mar——收到基水分质量百分数，%；

MFC——固定碳含量，kg/kg；

MV1——一次挥发分含量，kg/kg；

MV2——二次挥发分含量，kg/kg。

所以外来总热量QwASME为：

QwASME=Qgkw+Qsw+Qrxw

(14)

故输入总热量QrASME为：

QrASME=Qar+QwASME

(15)

为与GB 10184-88进行比较，笔者对ASME PTC4-1998标准定义的输入总热量进行修改，即：输入总热量可以考虑外来总热量，也可不考虑外来总热量；燃料收到基发热量可取高位发热量，也可转化为低位发热量。

3.2排烟温度

(16)

DAE——空气预热器进口的湿烟气量，kg/kg；

DAL——空气预热器出口的湿烟气量，kg/kg；

3.3过量空气系数计算

(17)

式中ngy——干烟气摩尔数，mol/kg；

V0——理论空气量，kg/kg。

3.4排烟热损失计算

ASME PTC4-1998将排烟热损失分为4项：干烟气热损失、燃料中氢燃烧产生水造成的热损失、燃料中水分造成的热损失和空气中水分造成的热损失。

干烟气热损失Q2g的计算公式为：

Q2g=Dgy(hgpy-hg0)

(18)

式中Dgy——干烟气量，kg/kg；

hg0——基准温度下的干烟气焓，kJ/kg；

hgpy——排烟温度(空气预热器无漏风下)下的干烟气焓，kJ/kg。

燃料中氢燃烧产生水造成的热损失Q2H的计算公式为：

Q2H=DHM(hzpy-hbs0)

(19)

式中DHM——燃料中氢燃烧产生水分，kg/kg；

hbs0——基准温度下饱和水焓，kJ/kg；

hzpy——排烟温度(空气预热器无漏风下)下蒸汽焓，kJ/kg。

燃料中水分造成的热损失Q2rM的计算公式为：

Q2rM=MM(hzpy-hbs0)

(20)

空气中水分造成的热损失Q2kM的计算公式为：

Q2kM=DkM(hspy-hs0)

(21)

式中DkM——空气中水分，kg/kg；

hspy——排烟温度(空气预热器无漏风下)下水蒸气焓，kJ/kg。

3.5CO引起热损失计算

ASME PTC4-1998只计算了气体未完全燃烧损失中CO引起的损失，而将其他碳氢物质引起的损失归入到其他未计及热损失中。CO引起的热损失QCO的计算公式为：

QCO=DCO×ngy×28.01×10111

(22)

式中DCO——干烟气中一氧化碳含量，kg/kg。

3.6灰渣中未燃尽碳造成的热损失计算

(23)

式中DUbC——灰渣中未燃尽碳含量，kg/kg。

3.7锅炉表面辐射对流引起热损失的计算

(24)

式中Cl——系数，取0.293；

Fz——某区域保温层外护板平面投影面积，m2；

Tbp——某区域内表面平均温度，℃；

Thj——某区域内表面平均环境空气温度，℃；

α——锅炉表面某区域内对流换热系数，W/(m2·℃)；

ε——锅炉表面某区域内辐射传热系数，W/(m2·℃)。

3.8灰渣显热引起的热损失的计算

(25)

式中hfh——排烟温度(空气预热器无漏风下)下的飞灰焓，kJ/kg；

hlz——炉渣焓，kJ/kg；

Mhz——灰渣总质量，kg/kg。

3.9其他未计及热损失的确定

对于磨煤机排出石子煤热损失、炉膛出口至空气预热器进口漏风引起的损失、湿渣池引起的损失、烟气中未燃碳氢物质引起的损失及形成氮氧化物引起的损失等不可测量损失，ASME PTC4-1998标准将这些损失取为设计值[15]。

3.10ASME PTC4-1998锅炉毛效率计算

ASME PTC4-1998中锅炉毛效率ηEGr的计算与国标类似，计算公式为：

(26)

式中Q7——其他未计及热损失，kJ/kg。

3.11ASME PTC4-1998燃料效率计算

ASME PTC4-1998燃料效率ηEF的计算公式为：

(27)

4 两种标准算法上的异同

4.1输入总热量

GB 10184-88对于输入总热量的定义是燃料低位发热量与外来热量之和。ASME PTC4-1998对输入总热量的定义与国标相同，但采用高位发热量作为燃料输入热量，因为高、低位发热量之间的不同在于燃料中氢燃烧产生的水和燃料自身水分的汽化潜热，所以只需将式(19)、(20)中的hbs0换为基准温度下的饱和蒸汽焓即可将高位发热量转化为低位发热量。此外，两种标准在外来热量规定上也有不同，国标定义的外来热量有燃料物理显热、雾化蒸汽带入热量和外来热源加热暖风器空气带入的热量；而ASME PTC4-1998考虑了7项外来热量，其中主要考虑了进入系统的干空气携带的外来热量、空气中水分携带外来热量和燃料显热携带外来热量。

4.2排烟热损失

GB 10184-88与ASME PTC4-1998计算排烟热损失的方法不同。国标定义的排烟热损失为干烟气带走热量和烟气所含水蒸气显热，国标计算干烟气带走热量时，采用干烟气体积、平均定压比热和排烟温度与基准温度差值3项乘积来计算，而ASME PTC4-1998计算干烟气损失时用干烟气质量和排烟温度与基准温度下干烟气焓的差值相乘得到。国标中烟气所含水蒸气显热对应于ASME PTC4-1998标准的3项水蒸气热损失，只不过前者是进行整体计算，采用水蒸气体积、平均定压比热和排烟温度与基准温度差值3项乘积来计算；后者采用水蒸气质量和焓值分为3项进行计算。在算法上国标受到实际排烟状况的影响，而ASME PTC4-1998计算基于分子水平不受影响[16]。

国标计算中排烟温度取实测值，而ASME PTC4-1998采用的是无漏风修正后的实测排烟温度，经修正后排烟温度更为准确，但计算复杂。

国标与ASME PTC4-1998在计算过量空气系数时也有不同，国标计算可采用简化算法，简单直观；ASME PTC4-1998通过计算过量空气率来求得过量空气系数，计算准确，但过程复杂。

4.3化学未完全燃烧热损失

国标与ASME PTC4-1998对于化学未完全燃烧热损失的计算原理大体相同，国标考虑了CO、H2、CH4及CmHn等所有未完全燃烧产物造成的损失，不过后几项较小，在简化计算时只考虑CO；ASME PTC4-1998对于该项损失只考虑了CO引起的损失，其他未燃气体引起的损失归入了未计及热损失中，由于两种标准都只计算了CO引起的损失，且都将CO作为理想气体计算，所以计算结果非常接近。

4.4机械未完全燃烧热损失

两种标准对机械未完全燃烧热损失的计算思路基本相同，只是国标多加了一项石子煤热损失，ASME PTC4-1998将石子煤热损失归入未计及热损失，国标简化计算时常忽略石子煤热损失，故计算时没有分别。导致计算结果略有区别的根本原因是两种标准在未燃碳的发热量上略有区别。

4.5散热损失

GB 10184-88散热损失是根据散热损失曲线由经验得出的。ASME PTC4-1998中称为辐射对流损失，要求测量锅炉所有向外散热的外表面面积、局部壁面温度、环境温度和空气流速并计算局部辐射对流放热系数，该计算较为精确，但过程繁杂。

4.6灰渣物理热损失

两种标准对于灰渣物理热损失的计算原理基本相同，区别在于飞灰焓和炉渣焓计算不同[16]，国标中采用排烟温度、飞灰比热和炉渣的温度、比热计算；ASME PTC4-1998中采用飞灰焓和炉渣焓来计算，因为国标中实测排烟温度与ASME PTC4-1998中经无漏风修正后的排烟温度不同，因此国标中排烟温度与飞灰比热的乘积不等于ASME PTC4-1998中的飞灰焓。且当不能直接测量时国标规定的炉渣温度与ASME PTC4-1998规定的炉渣温度不同，所以炉渣焓也不等。

4.7其他未计及热损失

两种标准最明显的不同之处在于ASME PTC4-1998定义了更多的热损失，这些不能测量的损失常取为设计值，而国标中并未定义该项损失。

5 计算结果比较分析

以某台1 025t/h固态排渣煤粉锅炉为例，选取两个不同工况试验数据。表1列出了不计外来热量时两种工况下针对GB 10184-88和ASME PTC4-1998分别基于燃料收到基高、低位发热量算得的各项损失和锅炉热效率；表2 列出了考虑外来热量时两种工况下针对GB 10184-88和ASME PTC4-1998分别基于燃料收到基高、低位发热量算得的锅炉毛效率、燃料效率和相关各项热损失。

表1 不计外来热量下的锅炉热效率及各项热损失计算结果对比 %

表2 考虑外来热量下的锅炉毛效率、燃料效率和相关各项热损失的计算结果对比 %

(续表2)

由表1、2可知：两种标准算得的锅炉热效率结果相对偏差在0.5%以内，其中排烟热损失、散热损失和未计及热损失的差距较大，是引起锅炉热效率偏差的主要原因。当不计外来热量或计算燃料效率时，基于高位发热量的锅炉热效率差值较低位发热量小，计算毛效率时则相反，原因是不计外来热量时，输入总热量即燃料发热量，采用高位发热量会使损失减小，使锅炉效率偏差减小；计算燃料效率时，采用高位发热量会使外来热量的影响减弱，使损失减小从而减小锅炉热效率偏差；当计算毛效率时，输入总热量是燃料发热量与外来热量之和，采用高位发热量时各项损失还受外来热量影响，锅炉热效率偏差增大。

6 结论

6.1GB 10184-88标准中锅炉热效率计算方法简单明了，虽计算精度不及ASME，但总体能够满足工程实际的需要。ASME PTC4-1998标准锅炉热效率计算方法全面、细致，精度相对较高，但计算过程繁琐，对于读者的理解和掌握有一定的困难。

6.2对比计算结果表明，GB 10184-88和ASME PTC4-1998标准算得一氧化碳引起热损失值基本一致；排烟热损失和灰渣物理热损失ASME PTC4-1998标准较大；灰渣未燃尽碳热损失、散热损失和锅炉热效率计算结果是GB 10184-88较大；ASME PTC4-1998标准定义了未计及热损失，而GB 10184-88没有；两种标准算得锅炉热效率差值在0.5%以内。

6.3基于高位发热量算得的锅炉热效率大于低位发热量的计算结果；不计外来热量或计算燃料效率时，基于高位发热量的锅炉热效率差值较低位发热量小，计算毛效率时则相反。

6.4两种标准算法不同致使锅炉热效率计算结果不同，因此电厂在进行锅炉性能试验前必须明确锅炉采用GB 10184-88还是ASME PTC4-1998标准，所计算的究竟是毛效率还是燃料效率，采用低位发热量还是高位发热量，及计算时是否考虑外来热量对结果的影响。

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ComparisonofCalculationMethodsforBoilerThermalEfficiencyBasedonGB10184-88StandardandASMEPTC4-1998Code

HAN Wei, LI Yong

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

The methods and principles of calculating boiler’s thermal efficiency stipulated in GB 10184-88 Standard and ASME PTC4-1998 Code were expounded and the efficiency calculation formula from the GB 10184-88 Standard was modified properly through imitating the fuel efficiency. Then accurately comparing and analyzing these two calculation methods were performed under the condition that the external heat were considered or not and the fuel calorific power were the same. Taking a 1 025 t/h pulverized coal boiler for example, calculating the boiler gross efficiency and fuel efficiency based on low heat value and gross calorific value separately shows that solid-unburned hot loss, heat loss and boiler thermal efficiency calculated by GB 10184-88 Standard are larger, so dose both waste heat loss and physical heat loss of ash and slag calculated by ASME PTC4-1998 Code. The difference value of boiler thermal efficiency between these two standards is within 0.5%; and compared to the condition under low heat value, the difference value under the condition of gross calorific value is smaller but the calculated gross efficiency is larger when the external heat isn’t considered or the fuel efficiency is calculated.

boiler thermal efficiency, GB 10184-88 Standard, ASME PTC4-1998 Code, comparison of calculation methods

(Continued from Page 566)

SHEN Jun1,2,LI Tao3

(1.WisonEnginnering(China)Co,Ltd.,Shanghai201210,China; 2.SchoolofAerospaceMechanicsEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China; 3.CollegeofEnergyEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

**韩 为，男，1988年7月生，助教。吉林省吉林市，132012。

*吉林省科技发展计划项目(20110409)。

TQ054

A

0254-6094(2016)05-0567-08

2015-11-16，

2016-09-08)

AbstractBasing on discussing technical progress in both analysis and design specifications for pressure vessels in the USA and Europe, the matters relating to the revise, development, text structure, contents and pre-research topics of new edition specifications(JB 4732) were discussed and both views and suggestions concerned were proposed.

Keywordspressure vessel, JB 4732, modification of standards, analysis and design