關(guān)風(fēng)一，張 航，王宇振，王彥海，張 戩

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006 ;2.中國石油撫順石化公司熱電廠，遼寧 撫順 113004；3.國家電投集團(tuán)東北電力有限公司撫順撫電能源分公司，遼寧 撫順 113008；4.華能國際電力有限公司丹東電廠，遼寧 丹東 118300；5.國家電投集團(tuán)東北電力有限公司撫順熱電分公司，遼寧 撫順 113006)

電站鍋爐在通過168 h試運移交業(yè)主之前，通常按照電力行業(yè)要求需進(jìn)行鍋爐性能考核試驗，各國家或地區(qū)都有相應(yīng)的鍋爐性能試驗標(biāo)準(zhǔn)，其中歐洲則采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN12952-15:2003對鍋爐進(jìn)行驗收。目前我國常用的性能試驗標(biāo)準(zhǔn)有中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10184—2015《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》，美國機械工程師協(xié)會的ASME PTC4.1—1964[1]和ASME PTC4—2013《鍋爐性能試驗規(guī)程》，近年實際應(yīng)用中ASME PTC 4.1最為普遍。本文以歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN12952-15：2003計算鍋爐熱效率的主要內(nèi)容，并與ASME PTC 4.1規(guī)程進(jìn)行對比分析[2-6]。

為了方便比較，以下將EN1295-15：2003標(biāo)準(zhǔn)簡稱為EN標(biāo)準(zhǔn)，ASME PTC 4.1規(guī)程簡稱ASME規(guī)程。

1 兩種規(guī)程定義差異比較

1.1 應(yīng)用范圍

EN標(biāo)準(zhǔn)是蒸汽鍋爐和熱水鍋爐及輔助設(shè)備的性能驗收標(biāo)準(zhǔn)，是作為直接燃燒的蒸汽鍋爐和工業(yè)鍋爐熱力性能試驗和計算的依據(jù)。適用于直接燃燒的蒸汽鍋爐和熱水鍋爐。較ASME規(guī)程，EN標(biāo)準(zhǔn)可適用于余熱鍋爐及其蒸汽或熱水鍋爐的輔助設(shè)備，其適用范圍更寬。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)及試驗基準(zhǔn)

EN標(biāo)準(zhǔn)定義壓力為101 325 Pa，溫度為0 ℃，性能試驗的基準(zhǔn)溫度為25 ℃，規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)與ASME規(guī)程不同，基準(zhǔn)溫度與ASME規(guī)程相同。EN標(biāo)準(zhǔn)采用其他溫度作為驗收試驗的基準(zhǔn)溫度。當(dāng)采用其他溫度作為基準(zhǔn)溫度時，需對燃料熱值進(jìn)行校正。

H(N)r=H(N)+[(1-γAsh-γH2O)cFdaf+μAodcpAd-μGodcpGod+γH2OcW-μH2OFcpst](tr-25)

(1)

式中：H(N)為25 ℃時燃料低位發(fā)熱量；cw為水比熱；cpst為水蒸氣比熱；cpAd為干空氣比熱；cpGod為干煙氣比熱；cFdaf為煤比熱；γAsh為煤中灰含量；γH2O為煤中水含量；tr為新基準(zhǔn)溫度。

基準(zhǔn)溫度取25 ℃時，無需對發(fā)熱量進(jìn)行修正，與實際常用實驗室彈氧發(fā)熱量測量方式吻合。

1.3 常用系數(shù)

EN標(biāo)準(zhǔn)給出了在25 ℃至常規(guī)運行溫度范圍內(nèi)的蒸汽、水、空氣及灰渣等物質(zhì)的比熱以及一些未完全燃燒物質(zhì)的熱值，見表1。

表1 部分物質(zhì)的比熱值 kJ/(kg·K)

EN標(biāo)準(zhǔn)給出的各種物質(zhì)焓或比熱，均以0 ℃為起算點。ASME規(guī)程規(guī)定除水蒸氣焓和燃料油焓外，以25 ℃作為各種物質(zhì)焓或比熱計算的起算點。

2 ASME規(guī)程和EN標(biāo)準(zhǔn)鍋爐效率計算方法比較

2.1 鍋爐效率定義

ASME規(guī)程中指出鍋爐效率即為毛效率[3-6]，為輸出熱量與輸入熱量的比值。其中輸出熱量為工質(zhì)吸收的熱量；輸入熱量包括燃料燃燒釋放的化學(xué)能、物理顯熱和轉(zhuǎn)動機械轉(zhuǎn)換的熱量。在一般計算過程中ASME規(guī)程鍋爐效率計算公式如下：

(2)

式中：ηB為鍋爐效率，%;Hf為收到基低位發(fā)熱量， kJ/kg;L為鍋爐每kg入爐燃料總的熱損失，kJ/kg;B為每kg入爐燃料總的輸入物理熱，kJ/kg。

EN標(biāo)準(zhǔn)鍋爐效率計算公式如下：

(3)

2.2 煙氣熱損失

煙氣損失主要包括干煙氣熱損失、燃料中水分引起的損失、燃料中氫引起的損失、空氣中水分引起的損失。從計算思路看，ASME規(guī)程分別計算干煙氣損失和水蒸氣損失，而EN標(biāo)準(zhǔn)則計算濕煙氣質(zhì)量與濕煙氣比熱。

ASME規(guī)程中：

LG'=WG'×cPG'×(tG-tA8)×100/Hf

(4)

Lmf=M(h12.14.15-hRV)/Hf

(5)

LH=8.936×H(h12.14.15-hRV)/Hf

(6)

LmA=WmA'WA'(h12.14.15-hRV)×100/Hf

(7)

式中：LG'為干煙氣熱損失，%；WG'為每kg燃料產(chǎn)生的干煙氣量，kg/kg；cPG'為干煙氣平均比熱，kJ/(kg·K)；tG為排煙溫度，℃；tA8為實測基準(zhǔn)溫度，℃；Hf為收到基燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg；Lmf為入爐燃料中水分引起的熱損失，%；M為燃料中的水分含量，%；h12.14.15為分壓力下水蒸氣焓，kJ/kg；hRV為基準(zhǔn)溫度下飽和蒸汽焓，kJ/kg；H為燃料中氫含量，%；LmA為空氣中水分引起的熱損失，%；WmA'為絕對濕度，%，WmA'為每kg入爐燃料需干空氣量，kg/kg。

在EN標(biāo)準(zhǔn)中：

(8)

2.3 灰渣顯熱及未燃盡碳損失

ASME規(guī)程中：

LUC=33 727Cub/Hf

(9)

(10)

(11)

式中：33 727為飛灰爐渣中未燃盡碳熱值，kJ/kg；Cub為未燃盡碳的質(zhì)量，kg/kg。

在EN標(biāo)準(zhǔn)中：

(12)

(13)

(14)

(15)

2.4 表面輻射和對流熱損失

ASME規(guī)程要求通過估算該項熱損失，但不排除通過專業(yè)資質(zhì)人員給出的參數(shù)估計。通常進(jìn)行電站鍋爐性能考核試驗時，該項損失由鍋爐生產(chǎn)廠家給定。

EN標(biāo)準(zhǔn)要求最常見的蒸汽鍋爐可采用式(16)進(jìn)行熱損失計算。

QRC=CQN0.7

(16)

式中：QRC為表面輻射和對流的熱損失，kJ/kg；C為系數(shù)，燃油和天然氣鍋爐取0.0113、無煙煤鍋爐取0.0220、褐煤和流化床鍋爐取0.0315；QN為鍋爐最大有效輸出熱，MW。

2.5 生成CO造成的熱損失

ASME規(guī)程規(guī)定，當(dāng)CO存在且不能通過運行調(diào)整加以消除的情況下，采用式(17)計算生成CO造成的熱損失。

(17)

式中：LCO為生成CO造成的熱損失，%；[CO]為煙氣中CO的容積百分?jǐn)?shù)，%；[CO2]為煙氣中二氧化碳的容積百分?jǐn)?shù)，%；10160為1 kg碳燒成二氧化碳所釋放的熱量，kJ/kg；Cb為每kg燃料中燒掉的碳質(zhì)量，%。

(18)

3 計算實例

某電廠300 MW機組鍋爐是哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計制造的亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛、自然循環(huán)汽包鍋爐。本文分別以2種標(biāo)準(zhǔn)對300 MW機組鍋爐進(jìn)行效率計算，并對結(jié)果進(jìn)行比較分析。

3.1 鍋爐效率試驗原始數(shù)據(jù)

鍋爐熱效率試驗原始數(shù)據(jù)見表2，試驗煤質(zhì)分析見表3。

表2 鍋爐效率試驗數(shù)據(jù)

表3 煤質(zhì)分析報告

3.2 計算結(jié)果分析

ASME規(guī)程和EN標(biāo)準(zhǔn)均采用熱損失法計算鍋爐熱效率，本次計算僅列出了典型、常見、易于測量和權(quán)重較大的幾項損失，計算結(jié)果見表4。

表4中，第1項煙氣損失，ASME規(guī)程將之分

表4 ASME規(guī)程和EN標(biāo)準(zhǔn)鍋爐效率計算結(jié)果 %

為干煙氣熱損失、燃料中水分引起的熱損失、燃料中H燃燒生成水引起的熱損失和空氣中水分引起的熱損失4項分別計算，4項之和為5.9901%；EN標(biāo)準(zhǔn)則直接取濕煙氣的質(zhì)量以及飽和蒸汽焓值計算，得到結(jié)果為5.8624%，兩者偏差為0.1377%。計算結(jié)果偏差是由于計算過程中選取的基準(zhǔn)和焓值差異而導(dǎo)致，ASME規(guī)程中對干煙氣比熱的選取做了規(guī)定，在曲線上直接選取，增加了數(shù)值誤差；基準(zhǔn)溫度規(guī)定有所不同，EN標(biāo)準(zhǔn)選取參照溫度tr=25 ℃，而ASME規(guī)程直接選取空氣預(yù)熱器入口一、二次風(fēng)加權(quán)溫度tA8=27.02 ℃。

生成CO造成的熱損失，從計算公式上看2個標(biāo)準(zhǔn)有所不同，其原理都是單位質(zhì)量燃料生成CO的體積乘以CO的熱值，EN標(biāo)準(zhǔn)給定的CO熱值為12.633 MJ/m3，ASME規(guī)程給定的CO熱值為12.643 MJ/m3，二者基本相同，所以該項損失偏差很小。

將ASME規(guī)程中灰渣的未燃盡碳損失和不可測量熱損失合在一起用于和EN 標(biāo)準(zhǔn)的灰渣顯熱及未燃盡碳損失進(jìn)行比較。不可測量損失包括不能分類或不易于測量的損失項，其中灰渣物理熱損失占絕大部分。ASME規(guī)程計算得出灰渣中未燃盡碳損失為0.1717%，設(shè)備廠家給定的不可測量熱損失為0.20%，兩項損失之和為0.3717%。EN標(biāo)準(zhǔn)計算得出灰渣顯熱及未燃盡碳損失為0.3116%。兩者相比較ASME規(guī)程比EN標(biāo)準(zhǔn)高0.0601%，說明EN標(biāo)準(zhǔn)將一部分不可測量的損失添加到鍋爐效率計算中，這樣兩者的該項損失才能相當(dāng)。

輻射和對流熱損失，ASME規(guī)程偏向于資質(zhì)人員或單位給出的估計值或經(jīng)驗值，該計算中取0.21%；EN標(biāo)準(zhǔn)則由式(16)計算得到0.2263%，EN標(biāo)準(zhǔn)較ASME規(guī)程進(jìn)行比較，該項損失高了0.0163%。

綜合表4中各項計算結(jié)果得出，EN標(biāo)準(zhǔn)計算的鍋爐熱效率高于ASME規(guī)程0.1715%。

4 結(jié)論

a.本文對ASME規(guī)程和EN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了應(yīng)用范圍、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、試驗基準(zhǔn)、常用系數(shù)和鍋爐效率等方面的分析比較，發(fā)現(xiàn)在損失類別劃分、參照溫度選取、輻射和對流熱損失計算等方面存在差異。

b.一般國內(nèi)電廠或鍋爐制造廠家都會對飛灰和爐渣的份額進(jìn)行計算，而實際燃用煤質(zhì)會與設(shè)計煤質(zhì)存在偏差，灰分及飛灰和爐渣份額都會發(fā)生改變。應(yīng)采用EN標(biāo)準(zhǔn)提到的稱重爐渣的方式確定飛灰和爐渣份額，進(jìn)而減少飛灰爐渣中未燃盡碳熱損失的偏差。

c.在對新建機組進(jìn)行性能考核試驗時，廠家會按照ASME規(guī)程對輻射和對流熱損失給定值，對于鍋爐大修前后性能試驗這種方式是可取的，大修前后該項損失沒有發(fā)生變化，也不會對鍋爐效率產(chǎn)生影響。但這種方式不太適用于機組性能考核試驗，應(yīng)采用EN標(biāo)準(zhǔn)計算的形式來確定該項損失。