ASME PTC 4-2013與GB 10184-88的主要差異及各因素對熱效率的影響分析

項(xiàng)群揚(yáng)，姚 凱，楊 威，黃華俊，胡 卿

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121）

ASME PTC 4-2013與GB 10184-88的主要差異及各因素對熱效率的影響分析

項(xiàng)群揚(yáng)，姚 凱，楊 威，黃華俊，胡 卿

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121）

由于鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程ASME PTC 4-2013與GB 10184-88有較大差異，從適用范圍、性能試驗(yàn)程序、相關(guān)概念的定義、測量方法、熱效率計(jì)算方法及修正方法等方面對這兩個(gè)規(guī)程進(jìn)行對比，分析兩者主要差異。并以某660 MW燃煤機(jī)組依據(jù)ASME規(guī)程的熱效率測試結(jié)果為例，分析空預(yù)器進(jìn)出口的煙氣成分和溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、環(huán)境條件、煤質(zhì)、灰渣等參數(shù)對鍋爐熱效率的影響程度，以幫助理解和分析鍋爐熱損失的原因。

鍋爐；性能試驗(yàn)；ASME PTC 4；熱效率

0 引言

鍋爐熱效率是衡量電站鍋爐經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)重要的指標(biāo)，通過鍋爐性能試驗(yàn)進(jìn)行熱效率計(jì)算的準(zhǔn)確性將直接影響鍋爐經(jīng)濟(jì)性的評估。目前國際上通常采用美國ASME的規(guī)程作為鍋爐性能試驗(yàn)的依據(jù)，國內(nèi)機(jī)組性能試驗(yàn)主要參考ASME規(guī)程和國標(biāo)電站性能試驗(yàn)規(guī)程。

ASME PTC 4-2013[1]是ASME鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程的最新版本，與我國現(xiàn)行電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程GB 10184-88[2]有較大的差異，主要體現(xiàn)在適用范圍、性能試驗(yàn)程序、相關(guān)參數(shù)的定義、測量方法、熱效率計(jì)算方法及修正方法等方面。以下針對兩者之間的主要差異進(jìn)行比對，可為鍋爐性能試驗(yàn)提供參考。

依據(jù)ASME PTC 4-2013，在鍋爐性能試驗(yàn)中需要測量的參數(shù)包括：空預(yù)器進(jìn)出口的煙氣成分和溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、環(huán)境條件、煤質(zhì)、灰渣等。各參數(shù)的測量結(jié)果對熱效率都有不同程度的影響。以某660 MW燃煤機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果為例，依據(jù)ASME PTC 4-2013對各項(xiàng)測量結(jié)果對熱效率的影響程度進(jìn)行了分析，以幫助理解和分析鍋爐熱損失的原因。

1 ASME PTC 4-2013與GB 10184-88的主要差異

1.1 適用范圍

GB 10184-88主要適用于電站鍋爐，要求蒸發(fā)量大于35 t/h，蒸汽出口壓力高于2.45 MPa或蒸汽出口溫度超過400℃，對于工業(yè)鍋爐的性能試驗(yàn)需要參考GB/T 10180《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》。

ASME PTC 4-2013只規(guī)定了燃料的種類，即燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t及其他碳?xì)浠衔铮瑫r(shí)適用于電站和工業(yè)的蒸汽鍋爐。

1.2 性能試驗(yàn)程序

ASME PTC 4-2013對試驗(yàn)前機(jī)組穩(wěn)定時(shí)間、運(yùn)行參數(shù)波動范圍、測量儀表、固體燃料溫度、灰渣取樣方法及時(shí)間和網(wǎng)格的劃分、工況作廢條件、參數(shù)測量頻率等方面均作了詳細(xì)的規(guī)定，與GB 10184-88有一定的區(qū)別。

1.3 相關(guān)參數(shù)的定義和測量方法

1.3.1 系統(tǒng)邊界的定義

ASME PTC 4-2013規(guī)定的煙氣出口邊界為空預(yù)器出口截面；空氣進(jìn)口邊界為空預(yù)器進(jìn)入截面。GB 10184-88習(xí)慣把送風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)劃分在鍋爐邊界內(nèi)，以送風(fēng)機(jī)入口作為空氣側(cè)的入口。

1.3.2 物理量的單位

ASME PTC 4-2013采用英制單位，并給出了國際單位表達(dá)的公式和換算關(guān)系；GB 10184-88中采用國際單位。

1.3.3 基準(zhǔn)溫度

ASME PTC 4-2013規(guī)定性能計(jì)算的基準(zhǔn)溫度為25℃，與基準(zhǔn)溫度有關(guān)的計(jì)算具體反映在焓值計(jì)算中，空氣、煙氣、蒸汽、灰渣、燃料等的焓值均需要根據(jù)ASME PTC 4-2013規(guī)定的方法進(jìn)行計(jì)算，基準(zhǔn)溫度時(shí)焓值為0。

GB 10184-88未有與ASME標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)的基準(zhǔn)溫度概念，其基準(zhǔn)溫度定義為送風(fēng)機(jī)入口的進(jìn)風(fēng)溫度，但該基準(zhǔn)溫度并不用于焓值的計(jì)算。

由于兩個(gè)規(guī)程對基準(zhǔn)溫度定義不同，計(jì)算與基準(zhǔn)溫度有關(guān)的熱損失與外來熱量時(shí)，計(jì)算方法與結(jié)果均有所不同。例如對于干煙氣熱損失，ASME PTC 4-2013直接根據(jù)排煙溫度計(jì)算干煙氣焓，即相當(dāng)于排煙溫度下的干煙氣焓與基準(zhǔn)溫度干煙氣焓之差；而空氣在基準(zhǔn)溫度與進(jìn)風(fēng)溫度之間的焓值差則被認(rèn)為是外來熱量。

1.3.4 鍋爐效率的定義

ASME PTC 4-2013定義的鍋爐輸入熱量為燃料釋放的所有能量，因此定義的鍋爐效率為燃料效率。GB 10184定義的輸入熱量除了燃料燃燒輸入的熱量外，還包括外來熱量，其定義的熱效率更接近于ASME標(biāo)準(zhǔn)中的毛效率。

1.3.5 發(fā)熱量基準(zhǔn)

在ASME PTC 4-2013中均采用恒壓下燃料燃燒的高位發(fā)熱量。由于對于固體和液體燃料高位發(fā)熱量的測定，一般由氧彈量熱計(jì)在恒容條件下進(jìn)行；并修正到恒壓條件下的高位發(fā)熱量。

GB 10184-88采用燃料低位發(fā)熱量，并給出不同種類燃料分析需要參考的標(biāo)準(zhǔn)。如對于煤的發(fā)熱量測定，在GB/T 213-2008《煤的發(fā)熱量測定方法中》給出了恒容低位發(fā)熱量和恒壓低位發(fā)熱量的測定和計(jì)算方法。

1.3.6 過量空氣系數(shù)的定義

ASME PTC 4-2013定義的過量空氣率為實(shí)際送入的空氣量減去理論所需空氣量除以理論空氣量再乘以100。GB 10184-88定義的過量空氣系數(shù)為實(shí)際使用空氣量占理論空氣量的比例。

1.3.7 焓值計(jì)算方法

ASME PTC 4-2013給出了水、水蒸氣、干煙氣、灰渣及燃料的焓值計(jì)算方法，即應(yīng)用5階的JANAF/NASA焓溫關(guān)聯(lián)式和系數(shù)計(jì)算得到。ASME PTC 4-2013中對于熱損失和外來熱量通過組分在進(jìn)出口截面的焓值差計(jì)算。

GB 10184-88未采用焓值的概念，對于干煙氣的熱損失、水蒸氣熱損失、灰渣物理顯熱損失等項(xiàng)通過平均定壓比熱容來計(jì)算得到。

1.3.8 煙氣比熱容的計(jì)算方法

ASME PTC 4-2013中濕煙氣的平均比熱容需要通過迭代計(jì)算。因濕煙氣平均比熱容與無漏風(fēng)修正后的排煙溫度相關(guān)，需假定1個(gè)初始的濕煙氣平均比熱容，以計(jì)算無漏風(fēng)修正的排煙溫度，再根據(jù)濕煙氣焓值計(jì)算濕煙氣平均比熱容；通常通過2～3次迭代。

GB 10184-88中煙氣比熱容通過煙氣各組分的平均定壓比熱容加權(quán)平均計(jì)算。各煙氣組分的平均定壓比熱容可通過查表或公式計(jì)算得到。

1.3.9 不確定度

ASME PTC 4-2013不確定度計(jì)算的主要參考依據(jù)是ASME PTC19.1《試驗(yàn)不確定度》。GB 10184-88中未提出不確定度概念，而用誤差分析來評價(jià)測量結(jié)果的質(zhì)量高低。

1.3.10 灰渣分析方法

ASME PTC 4-2013灰渣可燃物分析中以游離碳作為未燃盡碳，因而不允許采用燒失法，主要考慮灰渣中的碳酸鹽在高溫下會分解產(chǎn)生CO2。GB 10184-88規(guī)定可以采用燒失法測量灰渣中的未燃盡碳。

1.3.11 鍋爐本體散熱損失測定方法

ASME PTC 4-2013要求對鍋爐的輻射及對流散熱損失進(jìn)行實(shí)際測量，需要在足夠多的位置測定鍋爐表面溫度、環(huán)境溫度和環(huán)境空氣流速等參數(shù)。GB 10184-88中，鍋爐本體的散熱損失通過可以通過查表計(jì)算得到。

1.4 熱效率計(jì)算

1.4.1 外來熱量的定義

在ASME PTC 4-2013中，以基準(zhǔn)溫度計(jì)算各項(xiàng)熱損失和外來熱量，因此需要考慮的外來熱量項(xiàng)比GB 10184-88多。兩者主要差異在于ASME PTC 4-2013中規(guī)定的進(jìn)入系統(tǒng)干空氣攜帶的外來熱量和空氣中水分?jǐn)y帶的外來熱量項(xiàng)作為外來熱量考慮，而GB 10184-88直接在熱損失中考慮。

1.4.2 輸入熱量定義

由于對鍋爐效率定義的不同，ASME PTC 4-2013規(guī)定的輸入熱量即燃料的輸入熱量；GB 10184-88規(guī)定的輸入熱量包括燃料輸入熱量和外來熱量。

GB 10184-88定義的熱損失項(xiàng)為5項(xiàng)，ASME PTC 4-2013對于熱損失項(xiàng)的規(guī)定更加細(xì)致和詳細(xì)，定義了16大項(xiàng)熱損失，主要增加的熱損失項(xiàng)包括：灰渣未燃盡氫損失、因高溫?zé)煔鈨艋O(shè)備造成的損失、因鍋爐出口至空預(yù)器入口段漏風(fēng)引起的損失、生成NOX引起的損失、爐內(nèi)脫硫引起的損失、灰渣池?zé)釗p失、由于再循環(huán)物質(zhì)流所造成的熱損失、鍋爐汽水管道外的冷卻水造成的損失、內(nèi)部熱源加熱暖風(fēng)器的損失。

1.4.4 無漏風(fēng)修正

ASME PTC 4-2013規(guī)定，與排煙損失有關(guān)的干煙氣量取為省煤器出口處的煙氣量，而排煙溫度則采用無漏風(fēng)修正后的空氣預(yù)熱器出口煙溫，即把實(shí)測的空預(yù)器出口煙氣溫度修正到完全沒有漏風(fēng)的狀態(tài)。因此，干煙氣熱損失和相應(yīng)的煙氣水分熱損失均按無漏風(fēng)修正后的空氣預(yù)熱器出口煙溫計(jì)算。

GB 10184-88定義的干煙氣熱損失和煙氣中水分熱損失直接由實(shí)際測量的排煙溫度與實(shí)際煙氣量計(jì)算。

1.5 熱效率修正方法

鍋爐熱效率的修正即將試驗(yàn)結(jié)果修正到設(shè)計(jì)燃料條件和設(shè)計(jì)工況下。ASME PTC 4-2013和GB 10184-88均規(guī)定需要對實(shí)測鍋爐效率進(jìn)行修正，但兩者的修正方法有較大差異。

1.5.1 GB 10184-88熱效率修正方法

在GB 10184-88中，熱效率修正主要包括輸入熱量的修正、熱損失的修正和燃料特性變化的修正。

輸入熱量的修正包括用設(shè)計(jì)的進(jìn)風(fēng)溫度替代外來熱量計(jì)算公式中的試驗(yàn)進(jìn)風(fēng)溫度。

熱損失的修正主要是對排煙溫度的修正，從進(jìn)風(fēng)溫度和給水溫度兩方面修正。通過實(shí)測進(jìn)風(fēng)溫度與設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度以及實(shí)測給水溫度與設(shè)計(jì)給水溫度來修正排煙溫度。

本次實(shí)驗(yàn)選擇的100例患者的資料來源于一項(xiàng)皮膚疣隨機(jī)對照臨床試驗(yàn)入選冷凍治療組的患者。本次實(shí)驗(yàn)方案得到醫(yī)院委員會批準(zhǔn)，對患者的資料的收集也得到患者的許可。年齡＞18周歲，學(xué)歷在初中以上。其中，男56例，女44例，平均年紀(jì)（31±8）歲，平均患病時(shí)長（2.2±1.5）年。實(shí)驗(yàn)中選擇的患者均排除其他病理影響。

燃料特性的修正即當(dāng)試驗(yàn)所用燃料超出約定的變化范圍，在計(jì)算排煙熱損失過程中用燃料中各組分及低位發(fā)熱量的設(shè)計(jì)值替代試驗(yàn)值。

1.5.2 ASME PTC 4-2013熱效率修正方法

ASME PTC 4-2013對于能量平衡法和輸入輸出法均提出了熱效率的修正方法。對于輸入輸出法，GB 10184-88沒有相應(yīng)的修正方法；ASME PTC 4-2013提出可從空氣與煙氣阻力、蒸汽或水的壓力損失、蒸汽溫度和減溫水量等方面修正。

對于能量平衡法，ASME PTC 4-2013的熱效率修正內(nèi)容主要包括進(jìn)風(fēng)溫度、排煙溫度，此外該規(guī)程也提到了燃料、脫硫反應(yīng)、灰渣、過量空氣率、其他進(jìn)入系統(tǒng)物質(zhì)流、表面輻射和對流散熱損失等項(xiàng)目的修正方法。

ASME PTC 4-2013規(guī)定的進(jìn)風(fēng)溫度修正與GB 10184-88規(guī)定的輸入熱量修正類似，即用設(shè)計(jì)的進(jìn)風(fēng)溫度替代實(shí)測值，以完成對外來熱量的修正。另外，ASME PTC 4-2013并未給出明確的燃料修正方法，當(dāng)燃料偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，試驗(yàn)各方需協(xié)商確定修正方法。

ASME PTC 4-2013規(guī)定排煙溫度的修正包括：

（1）考慮進(jìn)風(fēng)溫度的修正。此項(xiàng)修正GB 10184-88中也有體現(xiàn)，但修正公式有一定差異。

（2）考慮空預(yù)器進(jìn)口煙溫的修正。ASME PTC 4-2013認(rèn)為如果空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙溫偏離設(shè)計(jì)值，應(yīng)該進(jìn)行修正。GB 10184-88標(biāo)準(zhǔn)中沒有此項(xiàng)修正，而是修正了給水溫度；給水溫度偏離設(shè)計(jì)值后，直接影響省煤器換熱以及爐膛內(nèi)換熱，但最終還是通過煙氣溫度和煙氣量表現(xiàn)出來。因此空預(yù)器進(jìn)口煙溫修正和給水溫度修正本質(zhì)上是一致的。

（3）空預(yù)器進(jìn)口煙氣流量偏差修正。當(dāng)空氣預(yù)熱器進(jìn)口煙氣流量偏離設(shè)計(jì)值將影響排煙溫度，需要進(jìn)行修正。

（4）空預(yù)器熱容比修正。

（5）磨煤機(jī)調(diào)溫風(fēng)量的修正。

2 各項(xiàng)測量參數(shù)變化對熱效率的影響

ASME PTC 4-2013推薦用能量平衡法來進(jìn)行性能試驗(yàn)，即根據(jù)各項(xiàng)損失和外來熱量計(jì)算鍋爐熱效率。各項(xiàng)熱損失和外來熱量需要依據(jù)對空預(yù)器進(jìn)出口的煙氣成分和溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、環(huán)境條件、煤質(zhì)分析、灰渣成分分析的測試結(jié)果計(jì)算。這些因素對于熱效率的影響程度不同，以無爐內(nèi)脫硫的某660 MW燃煤機(jī)組熱效率測試結(jié)果作為基準(zhǔn)，分析不同因素變化對于熱效率的影響程度。

2.1 實(shí)際測試結(jié)果

鍋爐熱效率測試依據(jù)ASME PTC 4-2013進(jìn)行，對于灰渣比例、散熱損失和較小的熱損失項(xiàng)（不可計(jì)量熱損失）采用協(xié)商值，忽略燃料帶入的顯熱，假定各截面煙氣流量均勻。 試驗(yàn)的煤質(zhì)分析如表1所示，主要測試結(jié)果如表2所示。

表1 煤質(zhì)分析結(jié)果

2.2 不同參數(shù)變化對熱效率的影響

鍋爐熱效率由各項(xiàng)熱損失和外來熱量計(jì)算確定。對熱效率影響較大的因素包括：干煙氣熱損失、氫生成水引起的損失、燃料水分引起的損失、空氣中水分引起的損失、未燃可燃物引起的損失、進(jìn)入系統(tǒng)干空氣攜帶的外來熱量和空氣中水分?jǐn)y帶的外來熱量。這些熱損失和外來熱量主要由以下參數(shù)確定：空預(yù)器進(jìn)口氧量、空預(yù)器出口氧量、煙氣CO含量、空預(yù)器進(jìn)口煙溫、空預(yù)器出口煙溫、空預(yù)器進(jìn)口風(fēng)溫、環(huán)境溫度、大氣壓、環(huán)境濕度、燃料成分、灰渣成分、灰渣比例等。不同的參數(shù)對于熱效率的影響程度不同，表3列舉了在基準(zhǔn)工況下，單獨(dú)變化某一參數(shù)對各項(xiàng)損失/外來熱量和鍋爐熱效率的影響程度。

表2 主要測試結(jié)果

空預(yù)器進(jìn)口氧量主要影響實(shí)際煙氣量，從而影響干煙氣熱損失、煙氣中水分損失和煙氣中可燃物損失，對修正后的鍋爐效率影響較小。在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上，若空預(yù)器入口氧量增加1%，修正后的鍋爐效率降低0.018%。

空預(yù)器出口氧量的變化主要影響系統(tǒng)的漏風(fēng)率，從而影響無漏風(fēng)修正后的排煙溫度，對修正后的效率影響較大。在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上，若空預(yù)器出口氧量增加1%，修正后鍋爐效率降低0.27%。

排煙溫度的變化主要影響干煙氣熱損失和相應(yīng)的水分熱損失，對修正后的鍋爐影響效率非常大。在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上，若排煙溫度增加10℃，修正后鍋爐效率降低0.54%。

空預(yù)器進(jìn)口煙溫的變化對于實(shí)測鍋爐效率沒有影響，但會影響空預(yù)器進(jìn)口煙溫修正后的排煙溫度，從而影響修正后的鍋爐效率。在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上，若空預(yù)器進(jìn)口煙溫增加10℃，修正后鍋爐效率提高0.16%。

表3 各因素的變化對鍋爐效率的影響%

煙氣CO濃度和灰渣可燃物含量會影響未燃可燃物的熱損失，并同等程度的影響實(shí)測鍋爐效率和修正后的鍋爐效率。此外，煙氣未燃可燃物損失還與爐膛出口氧量有關(guān)，灰渣未燃可燃物損失也與燃料中的灰分含量有關(guān)。在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上，煙氣中的CO含量增加500 mg/L，修正后鍋爐效率降低0.18%；灰渣可燃物含量增加1%，修正后鍋爐效率降低0.14%。

變化空氣中的水蒸氣分壓會影響空氣中水分熱損失和進(jìn)入系統(tǒng)水分外來熱量，從而影響修正后的熱效率。在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上，空氣中的水蒸氣分壓增加1 000 Pa，修正后鍋爐效率降低0.05%。

變化環(huán)境溫度（進(jìn)風(fēng)溫度）主要改變修正后的排煙溫度，同時(shí)也會改變空氣中的水分含量，對修正后的干煙氣熱損失和空氣中水分熱損失有較大影響，從而影響修正后的鍋爐效率。在本試驗(yàn)基礎(chǔ)上，環(huán)境溫度提高10℃，修正后鍋爐效率提高0.33%。

需要說明的是，在實(shí)際運(yùn)行過程中，理想的單獨(dú)改變某一參數(shù)的情況是不存在的，一個(gè)參數(shù)的變化必然會導(dǎo)致其他參數(shù)隨之改變。分析各參數(shù)變化對于熱效率影響程度分析可以有效的幫助理解和分析鍋爐熱損失的原因，以便及時(shí)改進(jìn)和提高鍋爐效率；同時(shí)也方便對同一臺機(jī)組不同時(shí)間段熱效率測試結(jié)果的縱向?qū)Ρ群筒煌瑱C(jī)組之間的橫向?qū)Ρ取?/p>

3 結(jié)語

從適用范圍、性能試驗(yàn)程序、相關(guān)參數(shù)的定義和測量方法、熱效率計(jì)算及修正項(xiàng)等方面對電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程ASME PTC 4-2013和GB 10184-88之間的差異性進(jìn)行比較和討論，可為鍋爐性能試驗(yàn)提供參考。

同時(shí)，以無爐內(nèi)脫硫過程的某660 MW燃煤機(jī)組熱效率測試結(jié)果為例，分析變化空預(yù)器進(jìn)出口的煙氣成分和溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、環(huán)境條件、煤質(zhì)、灰渣等參數(shù)對鍋爐熱效率的影響程度，以幫助理解和分析鍋爐熱損失的原因；其中空預(yù)器出口氧量、排煙溫度、空預(yù)器進(jìn)口煙溫、未燃可燃物和進(jìn)風(fēng)溫度的變化對熱效率的影響程度較大。

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2017-9-22

項(xiàng)群揚(yáng)（1989），男，工程師，從事鍋爐燃燒和節(jié)能優(yōu)化研究。

（本文編輯：陸 瑩）

發(fā)展電力 科技先行

Differences between ASME PTC 4-2013 and GB 10184-88 and Analysis of Major Effects on Thermal Efficiency

XIANG Qunyang， YAO Kai， YANG Wei， HUANG Huajun， HU Qing
（Zhejiang Energy Group Ramp;D Co.， Ltd.， Hangzhou 311121,China）

The differences in application range， performance test procedures， concept definition， measurement methods，thermal efficiency calculation methods and corrections between the boiler performance test codes ASME PTC 4-2013 and GB 10184-88 are compared and analyzed in this paper.Besides，the effect degree of flue gas components and temperature of air preheater inlet and outlet， intake air temperature， environmental conditions，coal quality and slag on boiler thermal efficiency is analyzed based on the performance test of a 660 MW coal-fired unit in compliance with ASME code.This work would be helpful to understand and analyze reasons of thermal losses of boiler.

boiler； performance test； ASME PTC 4； thermal efficiency

10.19585/j.zjdl.201711012

1007-1881（2017）11-0067-06

TK114

A