空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率的修正計算*

王艷紅 李 勇 劉洪憲 盧洪波 沙 鵬

(東北電力大學能源動力工程學院)

空氣預熱器漏風率是衡量空氣預熱器設計和運行經濟性能完善程度的一項重要指標。電站鍋爐空氣預熱器的漏風不僅影響鍋爐空氣預熱器出口排煙溫度，還會使鍋爐空氣預熱器出口過量空氣系數增加，進而影響鍋爐效率。此外，在鍋爐機組大修前、后的熱效率試驗和鍋爐新機組的性能驗收試驗中，都需將鍋爐效率試驗條件修正到設計保證條件下，以便與設計條件下的鍋爐熱效率進行對比，來考察鍋爐機組的設計和運行性能。因此研究空氣預熱器漏風率變化對鍋爐排煙溫度、鍋爐出口過量空氣系數及鍋爐效率的影響和修正計算對于目前火電機組節能潛力的挖掘具有重要意義。

文獻[1]給出了過量空氣系數的計算公式和空氣預熱器漏風率的經驗計算公式，并在鍋爐效率修正計算部分給出了鍋爐運行條件偏離設計保證值的排煙溫度修正計算公式，但在修正計算部分并沒有提及漏風率變化對排煙溫度、過量空氣系數和鍋爐效率的修正計算。文獻[2]對空氣預熱器改造前、后的鍋爐效率進行了計算，并論述了空氣預熱器改造前后漏風率變化對鍋爐效率的影響。文獻[3]通過建立焓增模型分析了漏風率變化對鍋爐機組效率的影響，并定量分析了空氣預熱器熱端漏風變化對鍋爐機組效率的影響程度，但沒有給出漏風率變化對鍋爐效率的影響機理。文獻[4、5]分別從空氣預熱器熱端漏風和冷端漏風兩方面分析了其對鍋爐效率的影響，但給出的漏風率變化對排煙溫度的影響計算只是基于經驗公式。此外，認為空氣預熱器漏風率變化只是影響鍋爐排煙熱損失，而忽略對其他幾項熱損失的影響，事實上空氣預熱器漏風率的變化除了影響鍋爐排煙熱損失外，還影響氣體未完全燃燒熱損失和灰渣物理熱損失。綜合現有空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率的影響計算方法，存在的問題都是沒有給出漏風率變化對鍋爐排煙溫度、過量空氣系數及鍋爐各項熱損失的影響機理和修正計算公式，因此不便于定量分析漏風率變化對鍋爐排煙溫度、過量空氣系數和鍋爐效率的影響。

基于此，筆者對空氣預熱器實際運行中漏風對鍋爐排煙溫度的影響機理進行了分析，在此基礎上推導出了空氣預熱器漏風率變化對鍋爐排煙溫度和過量空氣系數的修正計算公式，并基于微分偏差法進一步分析了漏風率變化對鍋爐效率的影響，從而明確了空氣預熱器漏風對鍋爐效率的影響機理，給出了定量分析空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率影響的計算方法。

1 空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率的影響

空氣預熱器的漏風通過影響空氣預熱器出口過量空氣系數和鍋爐排煙溫度來影響鍋爐效率。由于GB 10184-88規定鍋爐系統出口邊界為空氣預熱器出口界面，故鍋爐效率的計算須依據空氣預熱器出口過量空氣系數和排煙溫度兩個參數。因此，空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率的影響和修正計算應首先從漏風率變化對鍋爐排煙溫度和過量空氣系數的影響和修正計算著手。

1.1 對排煙溫度的修正

大容量鍋爐機組普遍采用回轉式空氣預熱器，由于其煙氣側受引風機的抽吸作用，煙氣側的壓力處于微負壓狀態；而其空氣側受送風機的影響，壓力遠高于煙氣側，所以在回轉式空氣預熱器中，空氣不可避免的會漏入煙氣側。通常在空氣預熱器動靜間隙相同的條件下，由于空氣預熱器冷端空氣與煙氣處的壓力差和空氣密度遠大于空氣預熱器熱端，因此，冷端處的漏風量要遠高于熱端處的漏風量，故在忽略其他部位漏風的情況下，認為空氣預熱器的漏風只發生在冷端[6～9]。

由于空氣預熱器冷端漏風只是單純的冷卻煙氣，沒有參與換熱，故漏風冷卻機理可理解為：漏風從壓力高的空氣測漏到壓力低的煙氣側，使煙氣側總的煙氣量增加，同時鍋爐排煙溫度被漏入的冷空氣冷卻，使空氣預熱器排煙溫度降低[10]，該換熱過程可表示為：

(mout-min)clk(θpy-to)=mincyq(θpy(wl)-θpy)

(1)

式中clk——空氣從to到θpy之間的平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)；

cyq——煙氣從θpy到θpy(wl)之間的平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)；

min——空氣預熱器進口煙氣量，kg/kg；

mout——空氣預熱器出口煙氣量，kg/kg；

to——空氣預熱器進口冷風溫度，℃；

θpy——空氣預熱器出口實測排煙溫度，℃；

θpy(wl)——空氣預熱器假設無漏風下的排煙溫度，℃。

對式(1)求解θpy(wl)并整理得：

(2)

其中：

(3)

式中AL——空氣預熱器運行中的漏風率，%。

在運行中，當空氣預熱器漏風率發生變化后，空氣冷卻煙氣的強度發生變化，排煙溫度也會隨著發生改變，因此當空氣預熱器漏風率偏離基準值或設計保證值時，需對空氣預熱器排煙溫度進行修正計算。 而僅有漏風率發生變化時，空氣預熱器的換熱過程如圖1所示。

圖1 漏風率變化對排煙溫度影響示意圖

(4)

式中Ak——設計保證漏風率，%；

由于比熱容變化較小，可忽略煙氣和空氣比熱差異，近似取：

(5)

結合式(2)、(4)，經推導變形整理得：

(6)

(7)

式中 Δθpy(lf)——空氣預熱器漏風率變化引起的排煙溫度變化量，℃。

至此，GB 10184-88排煙溫度的修正公式可表示為：

(8)

式中 Δθpy(kq)——空氣進口空氣溫度變化引起的排煙溫度變化量，℃；

Δθpy(gs)——給水溫度變化引起的排煙溫度變化量，℃。

1.2 對過量空氣系數的修正

依據鍋爐性能試驗標準(GB 10184-88)，空氣預熱器漏風率為:

(9)

式中 90——過量空氣系數和漏風率之間經驗轉換系數；

α′——空氣預熱器煙氣進口過量空氣系數；

α″ ——空氣預熱器煙氣出口過量空氣系數。

設：

(10)

式中VO2——鍋爐煙道干煙氣中氧氣所占體積百分數，%；

α——煙道中任意截面過量空氣系數。

則式(9)可變形為：

(11)

在空氣預熱器煙氣進口過量空氣系數不變的情況下，對于設計保證漏風率條件下的空氣預熱器煙氣出口過量空氣系數可表示為：

(12)

修正到設計保證漏風率或基準條件下的空氣預熱器煙氣出口過量空氣系數為：

(13)

2 空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率的修正

2.1 GB 10184-88鍋爐效率的計算

由于正平衡法需要測量燃煤消耗量，而目前燃煤消耗量的測量精度較低，使正平衡法計算的鍋爐效率誤差較大，加之反平衡法鍋爐效率計算精度高，且利于分析和診斷引起鍋爐效率下降的原因部位，故大容量鍋爐效率的計算一般都采用反平衡法[11，12]，GB 10184-88反平衡鍋爐熱效率計算可表示為：

(14)

式中Q2——單位質量燃料的排煙熱損失量，kJ/kg；

Q3——單位質量燃料的可燃氣體未完全燃燒熱損失量，kJ/kg；

Q4——單位質量燃料的固體不完全燃燒熱損失量，kJ/kg；

Q5——單位質量燃料的鍋爐散熱損失量，kJ/kg；

Q6——單位質量燃料的灰渣物理顯熱損失量，kJ/kg；

Qr——鍋爐輸入熱量，kJ/kg；

ηb——鍋爐效率。

2.2 漏風率變化對鍋爐效率的修正計算

2.2.1修正計算原理

文獻[13]提出了微分偏差分析方法，即采用一階泰勒公式求出當鍋爐機組運行各參數偏離基準值時引起鍋爐各項熱損失的變化量，進而求出鍋爐效率的變化量。故筆者將微分偏差分析方法引入到空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率的影響修正計算中，選定某一運行參數為基準參數。并假定其他影響鍋爐效率的各運行參數不變，此時鍋爐效率僅是空氣預熱器漏風率的函數，或僅是鍋爐排煙溫度和空氣預熱器煙氣出口過量空氣系數的函數。當空氣預熱器漏風率或空氣預熱器出口排煙溫度和出口過量空氣系數均處于基準參數時，鍋爐效率可表示為：

ηb=f(AL)=f(θpy,α″)

(15)

當空氣預熱器漏風率偏離基準參數時，鍋爐效率可表示為：

(16)

式中 1——偏離基準漏風率的相應參數。

當空氣預熱器漏風率偏離基準值時，鍋爐效率的變化量可表示為：

(17)

由泰勒公式得：

(18)

即：

Δηb=(Δηb)θpyΔAL+(Δηb)α″ΔAL

(19)

對應基準參數下的鍋爐效率為：

ηb=ηb1-Δηb

(20)

2.2.2漏風率變化對鍋爐效率的修正

空氣預熱器漏風率偏離基準值引起鍋爐效率的偏差分量為：

(21)

2.2.2.1漏風率變化引起排煙溫度變化進而導致鍋爐效率的變化量

在鍋爐效率計算中，由于受鍋爐排煙溫度影響的熱損失為Q2和Q6，故漏風率變化引起排煙溫度進而導致鍋爐效率的變化量為：

(22)

排煙熱損失Q2為：

Q2=(Vgycgy+VH2OcH2O)(θpy-to)

(23)

式中cH2O——水蒸氣從t0到θpy溫度間的平均定壓比熱，kJ/(m3·K)；

cgy——干煙氣從t0到θpy的平均定壓比熱，kJ/(m3·K)；

VH2O——煙氣中所含水蒸氣容積，m3/m3；

Vgy——單位質量燃料產生的干煙氣體積，m3/kg。

其中：

(24)

(25)

式中dk——空氣絕對濕度，kg/kg；

Har——燃料收到基氫含量百分率，%；

Mar——燃料收到基水分含量百分率，%；

忽略排煙溫度變化所引起干煙氣和水蒸氣定壓比熱的變化，結合式(14)和式(23)可得空氣預熱器漏風率變化通過引起排煙熱損失變化進而引起鍋爐效率變化量為：

(26)

結合式(2)和式(5)變形得：

(27)

將式(27)對漏風率求導并帶入式(26)得：

(28)

忽略沉降灰，灰渣物理熱損失Q6為：

(29)

式中αlz——爐渣中純灰量占燃煤總灰量的份額，%；

αfh——隨煙氣排出飛灰純灰量占燃煤總灰量的份額，%；

Aar——燃料收到基灰分含量百分率，%；

cfh——飛灰比熱，kJ/(kg·℃)；

clz——爐渣比熱，kJ/(kg·℃)；

tlz——排出爐渣溫度，℃。

結合式(14)、(27)和式(29)可得空氣預熱器漏風率變化通過引起灰渣物理熱損失變化引起鍋爐效率的變化量為：

(30)

2.2.2.2漏風率變化引起過量空氣系數變化進而導致鍋爐效率的變化量

在鍋爐效率計算中，由于受鍋爐過量空氣系數影響的熱損失為Q2和Q3，故漏風率變化引起過量空氣系數變化進而導致鍋爐效率的變化量為：

(31)

結合式(11)、(14)、(23)和式(24)可得漏風率變化引起過量空氣系數變化進而使干煙氣量發生變化，并最終導致鍋爐效率的變化量為：

(32)

同理，結合式(11)、(14)、(23)和式(25)可得漏風率變化引起過量空氣系數變化進而使水蒸氣量發生變化，并最終導致鍋爐效率的變化量為：

(33)

氣體未完全燃燒熱損失Q3為：

Q3=Vgy×126.36×VCO

(34)

式中VCO——空氣預熱器出口干煙氣一氧化碳百分含量，%。

結合式(11)、(14)、(24)和式(34)可得過量空氣系數變化引起氣體未完全燃燒熱損失變化進而導致鍋爐效率的變化量為：

(35)

3 修正計算實例

以某電廠300MW 機組配套1 025t/h鍋爐為例，選取兩個不同工況下鍋爐機組的試驗數據，進行了鍋爐空氣預熱器漏風率偏離基準值對鍋爐排煙溫度、過量空氣系數和鍋爐效率的修正計算，結果見表1。

表1 空氣預熱器漏風率變化對排煙溫度、過量空氣系數和鍋爐效率的修正計算

注：括號內為工況二的結果。

由表1可知，隨著空氣預熱器漏風率的增大，鍋爐排煙溫度、鍋爐出口過量空氣系數和鍋爐效率的變化也在增大。當空氣預熱器漏風率增大時，鍋爐排煙溫度在逐漸減少，空氣預熱器出口過量空氣系數在增大，由于過量空氣系數和排煙溫度對鍋爐效率的影響呈反作用，且相對過量空氣系數而言，排煙溫度對鍋爐效率的影響程度要大，這樣最終使得鍋爐效率隨空氣預熱器漏風率的增大而增大。同時由表1也可看出，如果不考慮漏風率變化對排煙溫度的影響，僅考慮漏風率變化導致過量空氣系數變化對鍋爐效率的影響時，顯然鍋爐效率隨著空氣預熱器漏風率的增大而減少，這也是人們對空氣預熱器漏風率增大對鍋爐效率影響的常規認識，但這種認識是建立在沒有考慮漏風率變化對排煙溫度影響基礎上的，由此可知，在鍋爐實際運行當中，分析空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率的影響時，必須考慮漏風率變化對排煙溫度的影響，并且，在鍋爐效率試驗和鍋爐性能驗收試驗的鍋爐效率修正計算中，也應當考慮漏風率偏離設計保證值對鍋爐排煙溫度和過量空氣系數的影響，并進行相應鍋爐效率的修正計算，此時得到的鍋爐效率值才更真實，設計值才更具有可比性。

4 結論

4.1通過空氣預熱器漏風率變化偏離基準值對鍋爐效率的修正計算表明，當計及空氣預熱器漏風率變化對鍋爐排煙溫度的影響時，鍋爐效率隨空氣預熱器漏風率的增大而增大。

4.2在分析空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率的影響時，必須考慮漏風率變化對鍋爐排煙溫度的影響，在鍋爐效率試驗和鍋爐性能驗收試驗的鍋爐效率修正計算中也必須考慮漏風率變化對鍋爐效率的影響，由此得到的鍋爐效率值才能更加真實反映鍋爐的實際運行經濟性能。

4.3提出的空氣預熱器漏風率變化對鍋爐排煙溫度、過量空氣系數及鍋爐效率的修正計算方法為定量分析空氣預熱器漏風率變化對鍋爐效率的影響及準確評價鍋爐機組的運行經濟性能提供了一種有效的方法，也進一步促進了當前鍋爐機組節能潛力的有效挖掘。

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