ASME PTC4-1998標(biāo)準(zhǔn)基于燃料高位和低位發(fā)熱量計(jì)算結(jié)果之間的關(guān)系分析

欒忠興，王艷紅

(1.大港油田濱海熱電廠，天津300280;2.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

近年來，隨著電力工業(yè)的發(fā)展我們國(guó)家進(jìn)出口機(jī)組的數(shù)量不斷增多，且大多數(shù)進(jìn)口機(jī)組給出的保證值及各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)都是基于高位發(fā)熱量，而我們國(guó)內(nèi)不論是在鍋爐效率試驗(yàn)或其性能考核試驗(yàn)通常都習(xí)慣用基于低位發(fā)熱量下的鍋爐效率值及各項(xiàng)指標(biāo)去衡量鍋爐的性能，此外大量出口的國(guó)產(chǎn)機(jī)組其鍋爐效率的保證值也是基于低位發(fā)熱量，而性能試驗(yàn)則要求采用ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。因此，高低位熱效率的轉(zhuǎn)換就常常成為我們所關(guān)注的問題。

目前鍋爐性能試驗(yàn)或性能考核試驗(yàn)大都依據(jù)國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)ASME進(jìn)行，而鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程

SME PTC4-1998［1］標(biāo)準(zhǔn)是繼ASME PTC4.1-1964版后的最新版本，并在其基礎(chǔ)之上作了較大的改進(jìn)，所以它與ASME PTC4.1-1964標(biāo)準(zhǔn)在鍋爐效率的定義、基準(zhǔn)溫度的選取、物質(zhì)流的焓值的計(jì)算以及其它諸多細(xì)節(jié)方面都不大相同，使得ASME PTC4-1998標(biāo)準(zhǔn)在各項(xiàng)熱損失和外來熱量的計(jì)算原理、過程、及計(jì)算方法公式上都和ASME PTC4.1-1964標(biāo)準(zhǔn)存有較大的差異，致使目前國(guó)內(nèi)一些文獻(xiàn)和資料所提到的基于ASME PTC4.1-1964標(biāo)準(zhǔn)的鍋爐高低位熱效率及相應(yīng)各項(xiàng)熱損失之間的轉(zhuǎn)換公式［2－3］對(duì)于

SME PTC4-1998標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不再適用。

而ASME PTC4-1998標(biāo)準(zhǔn)也沒有給出高低位熱效率及相應(yīng)各項(xiàng)損失之間的轉(zhuǎn)換公式，因此基于

SME PTC4-1998標(biāo)準(zhǔn)下的高低位熱效率及各項(xiàng)損失之間的關(guān)系還有待我們?nèi)パ芯亢吞接憽?/p>

1 ASME PTC4-1998標(biāo)準(zhǔn)鍋爐效率的計(jì)算模型

ASME PTC4-1998標(biāo)準(zhǔn)在采用反平衡法計(jì)算鍋爐效率時(shí)，首選燃料效率來表示鍋爐熱效率，即在計(jì)算鍋爐效率時(shí)，把各項(xiàng)損失和外來熱量都表示成燃料輸入熱量的函數(shù)，即

其中:

式中:EF為燃料效率，%;QrO為有效輸出能量，kJ/kg;QrL為熱損失之和，kJ/kg;QrB為外來熱量之和，J/kg;HHVF為燃料的輸入能量即燃料高位發(fā)熱量，kJ/kg。

將式(2)帶入式(1)得:

其中:

用燃料輸入熱量(高位熱值)表示的各項(xiàng)損失之和也大致可以包括九項(xiàng)熱損失，即

式中:L1為干煙氣熱損失，%;L2為燃料收到基中全水分而造成熱損失，%;L3為燃料中收到基氫燃燒生成水而造成的熱損失，%;L4為空氣中水分引起的熱損失，%;L5為灰渣中未燃碳造成的熱損失，%;L6為煙氣中CO引起的熱損失，%;L7為灰渣顯熱引起的熱損失，%;L8為鍋爐表面輻射與對(duì)流引起的熱損失，%;L9為其它各項(xiàng)不可測(cè)熱損失之和，%。

干煙氣熱損失為

式中:WG為空氣預(yù)熱器進(jìn)口干煙氣量，kg/kg;HG為修正到排煙溫度下干煙氣焓，kJ/kg。

燃料收到基中全水分而造成熱損失為

式中:Wf為燃料收到基全水分量，kg/kg。Hst為修正到排煙溫度下蒸汽焓(該焓值以0℃作為基準(zhǔn)，含水的汽化潛熱)，kJ/kg;I1為基準(zhǔn)溫度(25℃)下的飽和水焓。

燃料中收到基氫燃燒生成水而造成的熱損失為

式中:WH為燃料收到基氫燃燒生成的水分量，kg/kg。

空氣中水分引起的熱損失為

式中:WA為干空氣所帶進(jìn)鍋爐的水分量(空氣預(yù)熱器進(jìn)口)，kg/kg;HWv為修正排煙溫度下水蒸氣焓(該焓值基準(zhǔn)溫度為25℃，即基準(zhǔn)焓值為0不出現(xiàn)在損失表達(dá)式中)。

灰渣中未燃碳造成的熱損失為

式中:Wd為燃料中未燃盡碳，%;HHVCRs為灰渣中碳的發(fā)熱量，kJ/kg。

煙氣中CO引起的熱損失為

式中:Dco為空氣預(yù)熱器出口CO測(cè)量值，%;M0為空氣預(yù)熱器出口干煙氣摩爾數(shù)，mol/kg;28.01為CO的摩爾質(zhì)量，kg/mol;10 111為CO的高位發(fā)熱量，kJ/kg。

灰渣顯熱引起的熱損失為

式中:Wpe為灰渣質(zhì)量，kg/kg;rf為飛灰比例，%;rb為爐渣比例，%;Hf為飛灰焓，kJ/kg;Hb為爐渣焓，J/kg。

由于鍋爐表面輻射與對(duì)流引起的熱損失L8和不可測(cè)熱損失之和L9的實(shí)際可操作性差及繁瑣性［4］，在工程實(shí)際中一般按設(shè)計(jì)選取或事先協(xié)商確定，所以這兩項(xiàng)損失的計(jì)算方法這里不作介紹，本文的計(jì)算實(shí)例也按設(shè)計(jì)取值。其對(duì)公式轉(zhuǎn)換的推導(dǎo)無影響。

而對(duì)于鍋爐效率計(jì)算常用燃料輸入熱量(高位熱值)表示外來熱量之和，其中B可包括三項(xiàng)，即

其中:B1為進(jìn)入系統(tǒng)的干空氣所攜帶的外來熱量，%;B2為空氣中水分?jǐn)y帶的外來熱量，%;B3為燃料顯熱攜帶的外來熱量，%。

進(jìn)入系統(tǒng)的干空氣所攜帶的外來熱量為

式中:WmA為進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)的干空氣量(基于空氣預(yù)熱器進(jìn)口)，kg/kg;HDAT為進(jìn)入鍋爐平均空氣溫度的干空氣焓，kJ/kg。

空氣中水分?jǐn)y帶的外來熱量為

式中:HWvT為進(jìn)入鍋爐平均空氣溫度下的水蒸氣焓，kJ/kg。

燃料顯熱攜帶的外來熱量為

式中:HFEn為燃料溫度對(duì)應(yīng)的燃料焓，kJ/kg。

2 高低位熱效率計(jì)算方法的差異

采用高位發(fā)熱量計(jì)算鍋爐熱效率時(shí)，由于高位發(fā)熱量包括了燃燒產(chǎn)物中全部水蒸氣凝結(jié)成水所放出的汽化潛熱，熱損失計(jì)算中應(yīng)該考慮燃料收到基中全水分和燃料中收到基氫燃燒生成水分的汽化潛熱［5］，即

而在按燃料低位發(fā)熱量計(jì)算鍋爐熱效率時(shí)，在熱損失中不考慮燃料收到基中全水分和燃料中收到基氫燃燒生成水分的汽化潛熱［5］。故在采用ASME PTC4-1998標(biāo)準(zhǔn)且利用低位發(fā)熱量來計(jì)算鍋爐效率時(shí)，可以直接用低位發(fā)熱量替代高位發(fā)熱量，在計(jì)算燃料收到基全水分和燃料收到基氫燃燒生成水分的熱損失時(shí)，飽和水焓應(yīng)換成同溫度下的飽和蒸汽焓(不再將燃料中形成水分的汽化潛熱作為熱損失衡量)，即

式中:L2L為基于低位發(fā)熱量的燃料收到基中全水分而造成熱損失，%;L3L為基于低位發(fā)熱量的燃料中收到基氫燃燒生成水而造成的熱損失，%;LHVF為燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg;I2為基準(zhǔn)溫度下的飽和蒸汽焓，kJ/kg。

其余各項(xiàng)熱損失的計(jì)算與采用高位發(fā)熱量時(shí)的計(jì)算方法相同，只是將原高位發(fā)熱量替換為低位發(fā)熱量即可。

3 采用高低位燃料發(fā)熱值計(jì)算出的各項(xiàng)熱損失之間的換算

采用高位熱值和低位熱值計(jì)算鍋爐熱效率是除了上面2所述的差異外，其余所用數(shù)據(jù)和計(jì)算公式及方法都一樣，且由于采用高低位熱值計(jì)算的熱效率在計(jì)算結(jié)果上的主要區(qū)別在于燃料收到基中全水分熱損失和燃料中收到基氫燃燒生成水分的熱損失，且這兩項(xiàng)損失和其它損失的計(jì)算形式稍有差異，故這兩項(xiàng)熱損失和其他熱損失我們將分開進(jìn)行論述，又由于這兩項(xiàng)損失在計(jì)算形式上相同，且這兩項(xiàng)高低位損失之間的轉(zhuǎn)換公式的形式也相同，所以在推導(dǎo)轉(zhuǎn)換公式時(shí)我們合并一起進(jìn)行論述。

由式(16)和式(18)可得:

經(jīng)過簡(jiǎn)單變形，并取

得出:

式中:I為基準(zhǔn)溫度下的的汽化潛熱，kJ/kg。

同理，對(duì)于燃料中收到基氫燃燒生成水而造成的熱損失，采用基于低位發(fā)熱量計(jì)算后，得出:

上式(20)即是用高位熱值計(jì)算的燃料收到基中全水分熱損失向采用低位熱值計(jì)算的燃料收到基中全水分熱損失之間的轉(zhuǎn)換公式，式(21)即是燃料收到基氫燃燒生成水分高低位熱損失之間的轉(zhuǎn)換公式。

下面我們?cè)儆懻摮剂鲜盏交譄釗p失和燃料收到基氫燃燒生成水分熱損失以外的其它幾項(xiàng)熱損失。

由于除了燃料收到基全水分熱損失和燃料收到基氫燃燒生成水分熱損失外其余都是在采用高位熱值的地方用低位熱值進(jìn)行替代，所以其余幾項(xiàng)熱損失推導(dǎo)形式是一樣的，我們選損失之一干煙氣熱損失為例，其它幾項(xiàng)熱損失推導(dǎo)思路和公式的轉(zhuǎn)換形式類似。

對(duì)于干煙氣高低位熱損失可表示如下:

式中:L1L為干煙氣低位熱損失，%。

對(duì)上式(22)變形得出:

將式(24)代入式(23)得出:

上式(25)即為干煙氣高低位熱損失之間的轉(zhuǎn)換公式，同理，除燃料收到基全水分熱損失和燃料收到基氫燃燒生成水分熱損失外其余熱損失的轉(zhuǎn)換公式可表示為

式中:下標(biāo)K為各項(xiàng)損失名稱的編號(hào)。

4 采用高低燃料發(fā)熱值計(jì)算出的外來熱量之間的換算

由于ASME PTC4-1998標(biāo)準(zhǔn)也考慮外來熱量，但外來熱量并不像前ASME標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)一樣，作為輸入熱量和燃料輸入熱量同為各項(xiàng)熱損失計(jì)算公式中的分母，它是單獨(dú)列出表示為燃料輸入熱量的函數(shù)［6］，但它的表達(dá)方式同上面干煙氣熱損失相同，故其轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)思路也和上面一樣，且轉(zhuǎn)換公式的型式也一樣，故各項(xiàng)外來熱量的轉(zhuǎn)換公式可記為

式中:下標(biāo)K為各項(xiàng)外來熱量名稱的編號(hào)。

5 采用高低燃料發(fā)熱值計(jì)算出的鍋爐效率的換算

由于低位熱效率計(jì)算公式可表示為

式中:EFL為低位燃料效率，%;LL為用低位熱值表示的各項(xiàng)損失之和，%;BL為用低位熱值表示的各項(xiàng)外來熱量之和，%。

為了推導(dǎo)高低位熱效率之間的轉(zhuǎn)換公式，我們把各項(xiàng)低位熱損失及外來熱量采用對(duì)應(yīng)的高位熱損失和外來熱量表示，并帶入式(28)中，經(jīng)變形整理可得高低位燃料效率的轉(zhuǎn)換公式為

依據(jù)同樣思路可得毛效率的轉(zhuǎn)換公式為

式中:EGrL為按低位熱值計(jì)算的毛效率，%;EGr為按高位熱值計(jì)算的毛效率，%。

6 計(jì)算實(shí)例及誤差分析

以某電廠一臺(tái)1025t/h鍋爐，試驗(yàn)煤種成分為:

MpCF=61.65、MpH2F=4.04、MpO2F=7.69、MpN2F=1.38、MpSF=1.25、MpWF=10.40、MpAsF=13.50、LHVF=24440 kJ/kg、飛灰中未燃盡碳MpCRsf=2.98%，爐渣中未燃盡碳MpCRsb=7.55%，實(shí)測(cè)排煙溫度TFgLv=125.67℃，空預(yù)器進(jìn)口平均溫度TMnAEn=18.95℃，干球溫度Tdb=14.5℃，濕球溫度Twb=10.5℃，空氣預(yù)熱器進(jìn)口含氧量DVpO2En=3.25%，空預(yù)期器出口含氧量DVpO2Lv=.65%，空預(yù)期器出口CO測(cè)量值DVpCOLv=0.007 5%。下表1列出了按ASME PTC4-1998采用高低位熱值和用轉(zhuǎn)換公式計(jì)算的各項(xiàng)損失和鍋爐效率及對(duì)比情況。

表1 采用轉(zhuǎn)換公式計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)和利用低位熱值計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比情況

從上表1可以看出，在將高位熱效率化為低位熱效率時(shí)，不論是采用損失的轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換來計(jì)算鍋爐熱效率，還是采用鍋爐效率轉(zhuǎn)換公式直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，都具有非常高的轉(zhuǎn)換精度。表1中差異僅是由于在用轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換時(shí)基準(zhǔn)溫度下飽和水焓近似取105 kJ/kg所導(dǎo)致。

7 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)目前美國(guó)最新標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC4-1998的高低位值熱效率之間的差異進(jìn)行分析和對(duì)比，得出高低位熱效率及各項(xiàng)熱損失之間的轉(zhuǎn)換公式，經(jīng)過計(jì)算表明不論是采用熱損失轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，還是采用熱效率公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，都具有教高的精度。值得同行參考和借鑒。

［1］美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì).Fired steam generators performance test code ASME PTC4－1998［S］.1999.

［2］沈芳平，周克毅，胥建群等.鍋爐效率計(jì)算模型的分析與比較［J］.鍋爐技術(shù)，2004，35(1):48－35.

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［4］閻維平，云曦.ASME PTC 4－1998鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程的主要特點(diǎn)［J］.動(dòng)力工程，2007，27(2):174－178.

［5］趙斌，孫樹翁.鍋爐效率2種計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)模型的比較［J］.東北電力技術(shù)，2005(2):17－19.

［6］廖宏楷，王力.電站鍋爐試驗(yàn)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007，11.