煤氣鍋爐效率計(jì)算模型研究

江文豪，姚群

（中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇南京210000）

熱電

煤氣鍋爐效率計(jì)算模型研究

江文豪，姚群

（中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇南京210000）

鍋爐熱效率是衡量鍋爐和機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，目前工程上對(duì)電廠煤氣鍋爐熱效率的測試和計(jì)算一般都根據(jù)GB10184-1988《電站鍋爐性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)提供了鍋爐燃用氣體燃料時(shí)的計(jì)算公式，但是有些計(jì)算公式是假定某些條件下的簡化公式，只能用于含氮量較低的燃料，對(duì)于含氮量較高的鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣卻不適用。結(jié)合煤氣鍋爐的燃料特性，在GB10184-1988基礎(chǔ)上分析得到了適用于煤氣鍋爐效率計(jì)算的改進(jìn)模型。以某鋼鐵廠220 t/h煤氣鍋爐為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)模型進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

煤氣鍋爐；熱效率；改進(jìn)模型

1 引言

鍋爐熱效率是衡量鍋爐和機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。目前，對(duì)于燃煤鍋爐效率計(jì)算的研究已經(jīng)非常成熟[1～5]，相比之下，對(duì)于煤氣鍋爐效率計(jì)算的研究卻要薄弱很多。工程上對(duì)鋼鐵企業(yè)自備電廠煤氣鍋爐的熱效率測試和計(jì)算一般都是參照GB10184-1988《電站鍋爐性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[1]（以下簡稱《國標(biāo)》）。該標(biāo)準(zhǔn)提供了鍋爐燃用氣體燃料時(shí)的計(jì)算公式，但是有些計(jì)算公式是假定某些條件下的簡化公式，而書中并未加以說明，如果盲目套用，很可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

本文結(jié)合鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣的特性，在《國標(biāo)》基礎(chǔ)上對(duì)煤氣鍋爐的效率計(jì)算進(jìn)行分析，得到了適用于煤氣鍋爐效率計(jì)算的改進(jìn)模型。此模型可用于煤氣鍋爐性能考核試驗(yàn)的相關(guān)計(jì)算，也可用于常規(guī)的熱平衡計(jì)算，具有一定的參考價(jià)值。

2 煤氣鍋爐效率計(jì)算模型

鍋爐熱效率一般采用熱損失法進(jìn)行計(jì)算，先求出鍋爐的各項(xiàng)熱損失，然后按式（1）得到鍋爐熱效率：

式中：η——鍋爐熱效率，%；

q2——排煙熱損失百分率，%；

q3——可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失百分率，%；

q4——固體未完全燃燒熱損失百分率，%；

q5——鍋爐散熱損失百分率，%；

q6——灰渣物理熱損失百分率，%。

2.1 輸入熱量Qr

輸入熱量Qr可按式（2）計(jì)算：

式中：Qr——輸入熱量，kJ/m3；

QDMy——燃料應(yīng)用基低位發(fā)熱量，kJ/m3；

Qrx——燃料的物理顯熱，kJ/m3，按式（3）計(jì)算：

式中：cr——燃料的比熱，kJ/（m3·K），可根據(jù)煤氣成分進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得到；

tr——燃料溫度，℃；

t0——基準(zhǔn)溫度，℃。

需要說明的是，文中的“1 m3”是指含有1 m3干煤氣及d（kg）水蒸氣的濕煤氣，工程上進(jìn)行煤氣燃燒計(jì)算時(shí)，一般以此為計(jì)算基準(zhǔn)，這樣做的好處在于計(jì)算中所用的干煤氣成分不會(huì)隨含濕量的變化而變化。

2.2 排煙熱損失q2

排煙熱損失是由于高溫?zé)煔馑哂械臒崃颗湃氪髿舛幢粰C(jī)組利用所造成的熱損失，是鍋爐最主要的熱損失，可按式（4）和式（5）計(jì)算：

式中：Q2——排煙帶走的熱損失量，kJ/m3；

Q2gy——干煙氣帶走的熱量，kJ/m3；

Q2H2O——煙氣所含水蒸氣的顯熱，kJ/m3。

2.2.1 干煙氣帶走的熱量

干煙氣帶走的熱量按式（6）計(jì)算：式中：Vgy——每標(biāo)準(zhǔn)立方米燃料燃燒生成的干煙氣體積，m3/m3；

cp,gy——干煙氣在至溫度間的平均定壓比熱，kJ/ (m3·K)；

θpy——排煙溫度，℃。

2.2.1.1 干煙氣體積

干煙氣體積與煤氣的組成成分以及燃盡情況有關(guān)，按照《國標(biāo)》中提供的方法，煤氣燃燒產(chǎn)生干煙氣體積應(yīng)按式（7）～式（10）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Vgy0——按煤氣成分計(jì)算的理論燃燒干煙氣量，m3/m3；

Vgk0——按煤氣成分計(jì)算的理論所需干空氣量，m3/m3。

α——排煙處過量空氣系數(shù)；

CO2y、COy、H2y、CmHny、N2y、O2y——煤氣(應(yīng)用基)中相應(yīng)組分的容積含量，%；

O2、CH4、CO、H2——干煙氣中相應(yīng)組分的容積含量，%。

由此可見，《國標(biāo)》中的干煙氣體積是按燃料完全燃燒時(shí)的理論干煙氣量與過量空氣量之和來計(jì)算。然而對(duì)于煤氣鍋爐，按式（7）～式（10）計(jì)算出的煙氣量會(huì)偏離真實(shí)值，這是因?yàn)槭剑?）中后半部分即過量空氣量的計(jì)算中，過量空氣系數(shù)采用式（10）計(jì)算，但是此式是假定燃料含N量很少并且理論干空氣量與理論干煙氣量很接近時(shí)的簡化公式，而煤氣鍋爐的燃料含N量往往較高，尤其是高爐煤氣，甚至高達(dá)50%～60%，用式（10）計(jì)算必然帶來較大誤差。對(duì)于含N量較高的煤氣，過量空氣系數(shù)應(yīng)按式（11）進(jìn)行計(jì)算：

式（11）可結(jié)合燃?xì)馊紵硗茖?dǎo)得到，此處從略。可以看出，《國標(biāo)》中的計(jì)算公式是燃料含N量忽略不計(jì)并且理論干空氣量與理論干煙氣量很接近（煙氣中含N量接近79%）時(shí)的簡化結(jié)果。顯然，對(duì)于煤氣鍋爐，過量空氣系數(shù)按式（11）計(jì)算更為準(zhǔn)確。

不過，由此也可看出，煤氣鍋爐的干煙氣量和過量空氣系數(shù)需要進(jìn)行聯(lián)合求解，如圖1所示。

圖1 干煙氣量與過量空氣系數(shù)聯(lián)合求解流程圖

可先假定一個(gè)初始的干煙氣量Vgy,jd，根據(jù)式（11）求解得到過量空氣系數(shù)α，然后將α值代入式（7）得到計(jì)算出的干煙氣量Vgy,js，將Vgy,jd和Vgy,js進(jìn)行比較，如果二者差值超過設(shè)定的誤差范圍，則將Vgy,jd和Vgy,js的平均值作為新的Vgy,jd重新進(jìn)行計(jì)算，直到Vgy,jd和Vgy,js的差值滿足設(shè)定的誤差范圍，并將計(jì)算得到的Vgy,js作為最終的干煙氣量，將計(jì)算得到的α作為最終的過量空氣系數(shù)。

2.2.1.2 干煙氣定壓比熱容

干煙氣定壓比熱容應(yīng)根據(jù)煙氣成分進(jìn)行加權(quán)平均，按式（12）計(jì)算：

式中：Cp,CO2、Cp,CO、Cp,H2、Cp,CH4、Cp,N2、Cp,O2——干煙氣中各組分在t0至θpy溫度間的平均定壓比熱，kJ/(m3· K)。

一般情況下煙氣中的不完全燃燒產(chǎn)物主要是CO，煙氣中H2和CH4組分很少。若忽略H2和CH4組分，則式（12）可簡化成式（13）：

2.2.2 煙氣中水蒸氣的顯熱

煙氣中所含水蒸氣的顯熱可按式（14）計(jì)算：

式中：Cp,H2O——水蒸氣從從t0至θpy溫度間的平均定壓比熱，kJ/(m3·K)；

VH2O——煙氣中所含水蒸氣容積，m3/m3，可按式（15）計(jì)算：

式中：dq——煤氣含濕量，kg/m3；

dk——空氣的絕對(duì)濕度，kg/kg干空氣。

式（15）中的過量空氣系數(shù)α也應(yīng)采用2.2.1節(jié)所述的計(jì)算結(jié)果。

2.3 化學(xué)不完全燃燒熱損失q3

化學(xué)不完全燃燒熱損失是由于鍋爐煙氣中殘留的可燃?xì)怏w未在爐膛中燃燒放熱而造成的熱損失，可按式（16）計(jì)算：

2.4 散熱損失q5

散熱損失是指鍋爐運(yùn)行時(shí)爐墻、金屬結(jié)構(gòu)以及鍋爐范圍內(nèi)管道向周圍環(huán)境散失的熱量，隨鍋爐負(fù)荷（蒸發(fā)量）的變化而變化，可按式（17）計(jì)算：

式中，q5e—鍋爐額定負(fù)荷下的散熱損失，%；

De—鍋爐額定負(fù)荷下的蒸發(fā)量，t/h；

D—鍋爐實(shí)際蒸發(fā)量，t/h。

2.5 其他熱損失

對(duì)于煤氣鍋爐，不存在固體不完全燃燒熱損失q4和灰渣物理熱損失q6，故這兩項(xiàng)損失均為0。

3 計(jì)算實(shí)例及分析

表1 鍋爐效率計(jì)算原始數(shù)據(jù)

由表2可見：

1）在工況1和工況2中，套用《國標(biāo)》公式和采用本文改進(jìn)模型計(jì)算出的鍋爐效率之差分別達(dá)到0.78%和0.38%，平均差值為0.58%，說明煤氣鍋爐的效率計(jì)算不能完全套用《國標(biāo)》中的簡化公式，否則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

某鋼鐵企業(yè)熱電廠220 t/h煤氣鍋爐，按全燒高爐煤氣設(shè)計(jì)，并考慮摻燒一定量的轉(zhuǎn)爐煤氣。以該鍋爐為研究對(duì)象，根據(jù)全燒高爐煤氣工況（工況1）和摻燒轉(zhuǎn)爐煤氣工況（工況2）的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，分別采用本文模型與《國標(biāo)》公式計(jì)算鍋爐效率。原始數(shù)據(jù)匯總于表1，計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總

2）兩種效率模型的差異主要體現(xiàn)在排煙熱損失q2和化學(xué)不完全燃燒損失q3上，在工況1中，采用本文模型計(jì)算出的q2和q3分別比套用《國標(biāo)》公式計(jì)算出的q2和q3高出0.70%和0.07%；而在工況2中，采用本文模型計(jì)算出的q2和q3分別比套用《國標(biāo)》公式計(jì)算出的和高出0.35%和0.03%。

3）兩種模型下的過量空氣系數(shù)α有很大差異，工況1和工況2中套用《國標(biāo)》公式得到的α值分別比真實(shí)值低了0.206和0.109，這直接導(dǎo)致干煙氣量與煙氣中水蒸氣量的計(jì)算結(jié)果偏離真實(shí)值，從而造成排煙熱損失q2的偏差，而干煙氣量偏差還會(huì)引起化學(xué)不完全燃燒損失q3的偏差。

4）對(duì)比兩個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果可知，工況1中兩種模型的計(jì)算結(jié)果之差比工況2大。分析認(rèn)為，燃料含N量是《國標(biāo)》中過量空氣系數(shù)α計(jì)算誤差的主要來源，與轉(zhuǎn)爐煤氣相比，高爐煤氣中的含N量要大很多，導(dǎo)致工況1中的α計(jì)算誤差更大，進(jìn)而造成該工況下鍋爐效率的計(jì)算誤差更大。

總之，對(duì)于煤氣鍋爐，熱效率的計(jì)算不能完全套用《國標(biāo)》中的計(jì)算公式，其中過量空氣系數(shù)α的計(jì)算公式應(yīng)作出適當(dāng)改進(jìn)，這樣得到的結(jié)果才更加可靠。此外，煤氣含N量越高，按《國標(biāo)》計(jì)算得到的鍋爐效率越不真實(shí)。

4 結(jié)語

對(duì)于煤氣鍋爐，燃料含N量往往較高，鍋爐效熱率的計(jì)算不能完全套用《國標(biāo)》中的計(jì)算公式。本文根據(jù)煤氣特性，結(jié)合《國標(biāo)》對(duì)煤氣鍋爐效率計(jì)算方法進(jìn)行分析，得到了適用于煤氣鍋爐效率計(jì)算的改進(jìn)模型。以某鋼鐵廠220 t/h煤氣鍋爐為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)本文改進(jìn)模型和《國標(biāo)》計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果對(duì)于提高煤氣鍋爐效率的計(jì)算精度具有一定的參考價(jià)值。

[1]中華人民共和國機(jī)械電子工業(yè)部.GB/T10184-1988，電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

[2]孫偉，魏鐵錚，陳華桂.電站鍋爐效率計(jì)算方法研究[J].電力情報(bào)，2001,(2),21～22.

[3]金旭英，王培紅.鍋爐效率計(jì)算模型的比較和簡化[J].熱能動(dòng)力工程，2001,(1),16～18.

[4]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),48～52.

[5]趙振寧，張清峰，趙振宙.電站鍋爐性能試驗(yàn)原理方法及計(jì)算[M].北京：中國電力出版社，2010.

A Research on the Calculation M odel for the Efficiency of Gas Boiler

Jiang Wenhao,Yao Qun
（MCCHuatianNanjingEngineering&TechnologyCorporation,Nanjing,Jiangsu210000,China）

The thermal efficiency of boiler is an important indicator for evaluating the operation economy of boilers and generator units.The test and calculation of the thermal efficiency of gas boilers are performed according to GB10184-1988 Performance Test Code of Utility Boilers,which provides calculation formulas for boilers burning gas fuel.Some of the formulas,however,are simplified ones based on certain conditions,which can only be used for fuels with low nitrogen content but cannot be applied to by-produced gases with high nitrogen content in the steel enterprises.An improved calculating model for gas boiler efficiency was established based on the gas characteristics and GB10184-1988.Taking a 220 t/h gas-fired boiler in a steel company as the research object,the improved model was demonstrated by on-site realtime measurement,to provide some reference value for similar work.

gas boiler;thermal efficiency;improved model

TK229

A

1006-6764（2014）12-0042-04

2014-09-25

江文豪(1986-)，男，工程師，從事鋼鐵廠及電廠熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。