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基于GB/T10184-88标准和GB/T10184-2015标准的锅炉热效率比较与分析

  • 来源: 大唐西北电力试验研究院
  • 作者: 李超
  • 发布时间: 2018-04-02

基于GB/T10184-88标准和GB/T10184-2015标准的锅炉热效率比较与分析

 

大唐西北电力试验研究院  李超

 

锅炉热效率是进行火力发电厂锅炉性能验收、衡量锅炉稳定经济运行的重要指标。以往国内电厂,尤其是使用国产锅炉的电厂,习惯采用GB10184-88《电站锅炉性能试验规程》[1](以下简称88标准)进行锅炉热效率的计算。201512月发布并于20167月实施的新版标准GB10184-2015《电站锅炉性能试验规程》[2](以下简称2015标准),从原则上代替了88标准。但是由于目前运行的机组,从设计和运行的角度来讲都是按照88标准进行的,若按照2015标准执行,计算锅炉热效率时产生的异同以及产生异同的原因,目前并没有论文报道。

本文从88标准和2015标准的计算原理和计算方法出发,发现锅炉效率反平衡计算的异同,分析两种标准在计算锅炉效率的重要区别。以某电厂两台不同容量的煤粉锅炉为例,通过大修后锅炉性能试验的测试,计算两种标准的各项损失及锅炉热效率,比较两者的差异及其原因,对电厂运行人员理解2015标准具有指导作用,同时对锅炉的安全和经济运行具有重要意义。

计算原理和方法比较

1.1 基本概念

锅炉热效率反平衡法的表达式为:

     1

式中,ηt为锅炉热效率,%Qin为锅炉输入热量,kJ/kgQ2为排烟热损失热量,kJ/kgQ3为气体未完全燃烧热损失热量,kJ/kgQ4为固体未完全燃烧热损失热量,kJ/kgQ5为散热损失热量,kJ/kgQ6为灰渣物理热损失热量,kJ/kgQoth为其他热损失热量,kJ/kgq2q6分别为Q2Q6对应的热损失,%qothQoth对应的热损失,%

在计算锅炉热效率的上述各项热损失时,2015标准增加了式(1)中的其他热损失热量Qoth88标准则没有该项,其他两版标准相同。

在进行式(1)的具体计算中,有两个重要的基本概念:系统边界和基准温度。系统边界影响性能试验的测试位置,对确定正确的输入、输出热量有重要影响。2015标准较88标准在系统边界上进行了修改,将送风机、一次风机和与之对应的暖风器移到了热平衡系统边界之外。这导致空预器的进风温度从之前的风机入口风温变成了暖风器之后的风温,使得锅炉输入热量产生了变化。对于基准温度,88标准指的是送风机入口风温,而2015标准明确规定了基准温度统一采用25℃。这一变化使得大部分和传热相关的计算都会发生变化。

1.2 输入热量

相比于88标准,2015标准中输入热量Qin少了外来热源加热暖风器空气带入的热量Qwl这一项,增加了进入系统边界的空气所携带的热量(包括干空气所携带的热量Qa,d和空气中水蒸气所携带的热量Qwv)、脱硫剂的物理显热Qdes、辅助设备带入的热量Qaux这几项,对于有脱硝设备的锅炉,还需要增加脱硝带入的净热量Qfg,den。实际上,正是系统边界和基准温度的改变,少了Qwl这一项,增加了Qa,dQwv,而Qdes只针对添加脱硫剂的固体燃料锅炉,Qaux主要指磨煤机、热一次风机和炉水循环泵等带入的热量。

事实上,输入热量中最重要的来源是燃料的低位发热量Qnet,ar这一项,这在两版标准中是一样的。

1.3 排烟热损失

    对于排烟热损失q2的计算,两版标准从公式上没有变化,但是由于基准温度的改变,使得换热温差产生了变化,也使得干烟气的比热容cp,fg,d和水蒸气的比热容cp,wv的计算中,下限温度由简化后的0℃(88标准)变为25℃(2015标准)。另外,2015标准中cp,fg,d的计算完全按照实际测试的排烟中烟气比例加权平均计算,而88标准中是通过烟气成分RO2+O2+N2+CO=100%这一分配比例来计算的,而三原子气体含量RO2需要通过煤质计算,所以可以认为2015标准比88标准进行了简化,也更加合理。

1.4 固体不完全燃烧热损失和其他热损失

    2015标准中,固体不完全燃烧热损失q4仅指灰、渣中可燃物含量造成的热损失,将排出石子煤的热损失归类于其他热损失qoth,而88标准中将上述三项统一为固体不完全燃烧热损失q4。另外,2015标准中的qoth除了排出石子煤的热损失,还包括冷却水带走的热损失。

1.5 散热损失

88标准指出q5与机组的热负荷有关,并且通过与锅炉蒸发量相关的公式给出了直接的计算公式。2015标准则认为q5除了与热负荷有关,还与外表面温度和风速有关,同时给出了采用锅炉设计热损失值的条件以及查表计算和实际测量的方案。可以看出,2015标准给出了更加准确的计算方法。

1.6 进风温度偏离设计值的修正

由于实际测试期间的测量参数难免偏离设计值或保证值,因此需要将一些重要的参数换算到设计条件下再计算得到修正的锅炉效率。两版标准在修正的计算中,进风温度的修正有细微的不同。2015标准的修正公式为:

              2

88标准的修正公式为:

                3

式(2)、(3)中,tfg,lv,xz为修正的排烟温度(换算到设计的空预器入口空气温度时),℃ ta,en,d为设计的空预器入口空气温度,℃ tfg,en,sc为实测的空预器入口烟气温度(入口烟温),℃ tfg,lv,sc为实测的空预器出口烟气温度(排烟温度),℃ ta,en,sc为实测的空预器入口空气温度(入口风温),℃ t0为实测的基准温度,℃;t0,b为设计的基准温度,℃。

由式(2)、(3)可以看出,2015标准将88标准中的实测的基准温度t0和对应的设计值改为了实测的入口风温ta,en,sc以及对应的修正值。一方面,可以认为2015标准将系统边界改变后,产生了这样的公式变化;另一方面,88标准本身这样的修正方法是值得商榷的。下面通过最基本的公式推导加以说明。

基于进风温度的偏离修正排烟温度,需要通过空预器的热平衡来展开。假设进风温度变化时,空预器烟气侧效率不变。空预器烟气侧效率η指空预器实际换热量H(即排烟焓值与入口烟气焓值之差)与烟气与空气的最大可传递热量Q(即入口烟温与入口风温这一最大温差下的可传递热量)的比值,计算公式为:

                          (4

                          5

式(4)、(5)中,D为空预器入口烟气质量,kg/kgcp,fg,h为在温度tfg,lv,nltfg,en,sc之间的烟气平均定压比热容,kJ/(m3·K)cp,fg,q为在温度tfg,en,sctfg,lv,sc之间的烟气平均定压比热容,kJ/(m3·K)tfg,lv,nl为经无空气泄漏修正的空预器排烟温度,K

近似认为cp,fg,h= cp,fg,q,则

                           (6

tfg,lv,nl的计算公式为:

                      7

式中,ηlg为空预器漏风率,%cp,a为在温度ta,en,sctfg,lv,sc之间的空气平均定压比热容,kJ/(m3·K)

cp,fg为在温度tfg,lv,sctfg,lv,sc之间的烟气平均定压比热容,kJ/(m3·K)

式(7)是考虑如果空预器没有漏风,那么将实际漏入空预器的空气的吸热量附加给入口烟气,最终得到的一个修正的排烟温度tfg,lv,nl

在上述公式的基础上,当进风温度偏离设计值时,假设空预器烟气侧效率不变,则由式(6)可得:

                       8

式中,tfg,lv,nld为当进风温度为设计值时的经过无空气泄漏修正后的排烟温度,K

由式(7)可得:

                     9

在进风温度变化时近似认为ηlgcp,a cp,fg不变,将式(7)和式(9)带入式(8),即可得到式(2)。

上述公式的推导中,式(5)和式(7)中的实测入口风温ta,en,sc是最终结果式(2)中的来源,而且由最初的假设和基本的概念可以看出,式(5)和式(7)中的入口风温ta,en,sc是合理的,88标准中的实测基准温度t0没有考虑风机和暖风器对空气的加热,因此,采用2015标准中的修正方法更加严谨。

2 实例计算与分析

为了量化两版标准在计算锅炉热效率的差别,利用大修后性能试验的机会,对某电厂两台不同容量等级的锅炉进行炉效实测。

某电厂600MW锅炉为亚临界、一次中间再热、双拱形单炉膛、W型火焰自然循环汽包型燃煤锅炉。锅炉热效率的测试在600MW负荷下进行,实测大气压力为92550Pa,环境温度为29.9℃,空气相对湿度为45.2%,排烟温度为156.4℃,排烟氧量为3.92%,飞灰可燃物含量为5.66%,炉渣可燃物含量为2.24%。试验煤质:C=62.7%H=2.32%O=0.9%N=1.93%S=0.79%Mar=7.60%Aar=23.76%Qnet,ar=22.64MJ/kg。经过计算,两版标准的热损失和锅炉热效率值如表1所示。

1  600MW锅炉热效率的计算结果对比

项目

2015标准

88标准

排烟热损失/%

6.28

6.29

气体未完全燃烧热损失/%

0.01

0.01

固体未完全燃烧热损失/%

1.98

1.99

散热损失/%

0.23

0.33

灰渣物理热损失/%

0.20

0.18

实测锅炉热效率/%

91.29

91.20

修正后锅炉热效率/%

91.97

91.85

由表1可以看出,采用2015标准得到的实测锅炉效率和修正后锅炉效率均略微大于88标准的结果。

该电厂另一台350MW的锅炉为亚临界、一次中间再热、双拱型单炉膛W型火焰自然循环汽包型燃煤锅炉。锅炉热效率的测试在350MW负荷下进行,实测大气压力为92550Pa,环境温度为31.7℃,空气相对湿度为51.6%,排烟温度为139.8℃,排烟氧量为5.10%,飞灰可燃物含量为6.12%,炉渣可燃物含量为4.04%。试验煤质:C=58.82%H=2.34%O=2.47%N=0.84%S=1.19%Mar=8.00%Aar=26.35%Qnet,ar=21.54MJ/kg。经过计算,两版标准的热损失和锅炉热效率值如表2所示。

2  350MW锅炉热效率的计算结果对比

项目

2015标准

88标准

排烟热损失

5.66

5.52

气体未完全燃烧热损失

0.01

0.01

固体未完全燃烧热损失

2.58

2.59

散热损失

0.15

0.43

灰渣物理热损失

0.21

0.20

实测锅炉热效率

91.39

91.25

修正后锅炉热效率

91.96

91.65

由表2可以看出,采用2015标准得到的实测锅炉效率和修正后锅炉效率同样均大于88标准的计算结果。

从以上两个实例可以看出,基准温度、系统边界、输入热量、散热损失等的不同造成了两版锅炉热效率计算结果的不同。两版标准的热损失中,排烟热损失和散热损失是变化最大的两项。排烟热损失互有大小,这是主要是由于基准温度的不同造成的,2015标准的基准温度为固定值25℃,而88标准的基准温度需要实测;2015标准的散热损失普遍小于88标准,这是因为在满足一定的条件下,前者可以采用锅炉设计值,而后者是根据热负荷来计算,设计值普遍小于计算值。其他几项热损失变化不大,因此总体来看,2015标准的总热损失小于88标准,因此2015标准计算得到的锅炉热效率略微大于88标准的计算结果。

3  

通过对两版标准的对比和分析,可以得到以下结论:

1)针对应用反平衡法计算锅炉热效率,将2015标准和88标准进行对比,从基本概念、输入热量、排烟热损失、固体不完全燃烧热损失和其他热损失、散热损失等方面进行了分析。

2)由空预器热平衡原理推导了进风温度偏离设计值的修正排烟温度,阐明了采用2015标准的修正公式更加严谨。

3)两版标准的热损失中,排烟热损失和散热损失是变化最大的两项:排烟热损失互有大小,这是主要是由于基准温度的不同造成的;2015标准的散热损失普遍小于88标准,这是因为在满足一定的条件下,前者可以采用锅炉设计值,而后者是根据热负荷来计算,设计值普遍小于计算值。其他几项热损失变化不大,因此总体来看2015标准的总热损失略微小于88标准,锅炉热效率略微大于88标准的计算结果。

 


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