ASME PTC4-1998標準基于燃料高位和低位發熱量計算結果之間的關系分析

欒忠興，王艷紅

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

近年來，隨著電力工業的發展我們國家進出口機組的數量不斷增多，且大多數進口機組給出的保證值及各項設計指標都是基于高位發熱量，而我們國內不論是在鍋爐效率試驗或其性能考核試驗通常都習慣用基于低位發熱量下的鍋爐效率值及各項指標去衡量鍋爐的性能，此外大量出口的國產機組其鍋爐效率的保證值也是基于低位發熱量，而性能試驗則要求采用ASME標準進行。因此，高低位熱效率的轉換就常常成為我們所關注的問題。

目前鍋爐性能試驗或性能考核試驗大都依據國際通用標準ASME進行，而鍋爐性能試驗規程

SME PTC4-1998［1］標準是繼ASME PTC4.1-1964版后的最新版本，并在其基礎之上作了較大的改進，所以它與ASME PTC4.1-1964標準在鍋爐效率的定義、基準溫度的選取、物質流的焓值的計算以及其它諸多細節方面都不大相同，使得ASME PTC4-1998標準在各項熱損失和外來熱量的計算原理、過程、及計算方法公式上都和ASME PTC4.1-1964標準存有較大的差異，致使目前國內一些文獻和資料所提到的基于ASME PTC4.1-1964標準的鍋爐高低位熱效率及相應各項熱損失之間的轉換公式［2－3］對于

SME PTC4-1998標準已經不再適用。

而ASME PTC4-1998標準也沒有給出高低位熱效率及相應各項損失之間的轉換公式，因此基于

SME PTC4-1998標準下的高低位熱效率及各項損失之間的關系還有待我們去研究和探討。

1 ASME PTC4-1998標準鍋爐效率的計算模型

ASME PTC4-1998標準在采用反平衡法計算鍋爐效率時，首選燃料效率來表示鍋爐熱效率，即在計算鍋爐效率時，把各項損失和外來熱量都表示成燃料輸入熱量的函數，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)表示的各項損失之和也大致可以包括九項熱損失，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流引起的熱損失，%;L9為其它各項不可測熱損失之和，%。

干煙氣熱損失為

式中:WG為空氣預熱器進口干煙氣量，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，含水的汽化潛熱)，kJ/kg;I1為基準溫度(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為干空氣所帶進鍋爐的水分量(空氣預熱器進口)，kg/kg;HWv為修正排煙溫度下水蒸氣焓(該焓值基準溫度為25℃，即基準焓值為0不出現在損失表達式中)。

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為灰渣中碳的發熱量，kJ/kg。

煙氣中CO引起的熱損失為

式中:Dco為空氣預熱器出口CO測量值，%;M0為空氣預熱器出口干煙氣摩爾數，mol/kg;28.01為CO的摩爾質量，kg/mol;10 111為CO的高位發熱量，kJ/kg。

灰渣顯熱引起的熱損失為

式中:Wpe為灰渣質量，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流引起的熱損失L8和不可測熱損失之和L9的實際可操作性差及繁瑣性［4］，在工程實際中一般按設計選取或事先協商確定，所以這兩項損失的計算方法這里不作介紹，本文的計算實例也按設計取值。其對公式轉換的推導無影響。

而對于鍋爐效率計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，即

其中:B1為進入系統的干空氣所攜帶的外來熱量，%;B2為空氣中水分攜帶的外來熱量，%;B3為燃料顯熱攜帶的外來熱量，%。

進入系統的干空氣所攜帶的外來熱量為

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

空氣中水分攜帶的外來熱量為

式中:HWvT為進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為燃料溫度對應的燃料焓，kJ/kg。

2 高低位熱效率計算方法的差異

采用高位發熱量計算鍋爐熱效率時，由于高位發熱量包括了燃燒產物中全部水蒸氣凝結成水所放出的汽化潛熱，熱損失計算中應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

而在按燃料低位發熱量計算鍋爐熱效率時，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標準且利用低位發熱量來計算鍋爐效率時，可以直接用低位發熱量替代高位發熱量，在計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，飽和水焓應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為燃料的低位發熱量，kJ/kg;I2為基準溫度下的飽和蒸汽焓，kJ/kg。

其余各項熱損失的計算與采用高位發熱量時的計算方法相同，只是將原高位發熱量替換為低位發熱量即可。

3 采用高低位燃料發熱值計算出的各項熱損失之間的換算

采用高位熱值和低位熱值計算鍋爐熱效率是除了上面2所述的差異外，其余所用數據和計算公式及方法都一樣，且由于采用高低位熱值計算的熱效率在計算結果上的主要區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，且這兩項損失和其它損失的計算形式稍有差異，故這兩項熱損失和其他熱損失我們將分開進行論述，又由于這兩項損失在計算形式上相同，且這兩項高低位損失之間的轉換公式的形式也相同，所以在推導轉換公式時我們合并一起進行論述。

由式(16)和式(18)可得:

經過簡單變形，并取

得出:

式中:I為基準溫度下的的汽化潛熱，kJ/kg。

同理，對于燃料中收到基氫燃燒生成水而造成的熱損失，采用基于低位發熱量計算后，得出:

上式(20)即是用高位熱值計算的燃料收到基中全水分熱損失向采用低位熱值計算的燃料收到基中全水分熱損失之間的轉換公式，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換公式。

下面我們再討論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以外的其它幾項熱損失。

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行替代，所以其余幾項熱損失推導形式是一樣的，我們選損失之一干煙氣熱損失為例，其它幾項熱損失推導思路和公式的轉換形式類似。

對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換公式可表示為

式中:下標K為各項損失名稱的編號。

4 采用高低燃料發熱值計算出的外來熱量之間的換算

由于ASME PTC4-1998標準也考慮外來熱量，但外來熱量并不像前ASME標準和國標一樣，作為輸入熱量和燃料輸入熱量同為各項熱損失計算公式中的分母，它是單獨列出表示為燃料輸入熱量的函數［6］，但它的表達方式同上面干煙氣熱損失相同，故其轉換公式的推導思路也和上面一樣，且轉換公式的型式也一樣，故各項外來熱量的轉換公式可記為

式中:下標K為各項外來熱量名稱的編號。

5 采用高低燃料發熱值計算出的鍋爐效率的換算

由于低位熱效率計算公式可表示為

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

為了推導高低位熱效率之間的轉換公式，我們把各項低位熱損失及外來熱量采用對應的高位熱損失和外來熱量表示，并帶入式(28)中，經變形整理可得高低位燃料效率的轉換公式為

依據同樣思路可得毛效率的轉換公式為

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

6 計算實例及誤差分析

以某電廠一臺1025t/h鍋爐，試驗煤種成分為:

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%，實測排煙溫度TFgLv=125.67℃，空預器進口平均溫度TMnAEn=18.95℃，干球溫度Tdb=14.5℃，濕球溫度Twb=10.5℃，空氣預熱器進口含氧量DVpO2En=3.25%，空預期器出口含氧量DVpO2Lv=.65%，空預期器出口CO測量值DVpCOLv=0.007 5%。下表1列出了按ASME PTC4-1998采用高低位熱值和用轉換公式計算的各項損失和鍋爐效率及對比情況。

表1 采用轉換公式計算的各項指標和利用低位熱值計算的各項指標的對比情況

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

7 結語

在對目前美國最新標準ASME PTC4-1998的高低位值熱效率之間的差異進行分析和對比，得出高低位熱效率及各項熱損失之間的轉換公式，經過計算表明不論是采用熱損失轉換公式進行轉換，還是采用熱效率公式進行轉換，都具有教高的精度。值得同行參考和借鑒。

［1］美國機械工程師協會.Fired steam generators performance test code ASME PTC4－1998［S］.1999.

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

［3］揚威，趙森林.鍋爐熱效率計算方法的探討［J］.電站系統工程，1995，11(6):9－20.

［4］閻維平，云曦.ASME PTC 4－1998鍋爐性能試驗規程的主要特點［J］.動力工程，2007，27(2):174－178.

［5］趙斌，孫樹翁.鍋爐效率2種計算標準模型的比較［J］.東北電力技術，2005(2):17－19.

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