基于GB 10184-88和ASME PTC4-1998標準的鍋爐熱效率算法比較*

韓 為李 勇

(東北電力大學能源與動力工程學院)

基于GB10184-88和ASMEPTC4-1998標準的鍋爐熱效率算法比較*

韓 為**李 勇

(東北電力大學能源與動力工程學院)

對GB 10184-88和ASME PTC4-1998兩標準在計算鍋爐熱效率的方法、原理方面進行了詳細論述，仿照燃料效率對GB 10184-88效率計算式進行了適當變形，然后在保證均不計(或計)外來熱量且燃料發熱量相同的情形下對兩種算法進行了精確比較和分析。以某1 025t/h煤粉鍋爐為例，分別在燃料低位、高位發熱量下計算鍋爐毛效率和燃料效率。結果表明：GB 10184-88算得的灰渣未燃碳熱損失、散熱損失和鍋爐熱效率較大，ASME PTC4-1998算得的排煙熱損失、灰渣物理熱損失較大，兩種標準效率差值在0.5%以內，當不計外來熱量或計算燃料效率時，高位發熱量下效率差值較低位發熱量下的小，毛效率計算結果則相反。

鍋爐熱效率 GB 10184-88標準 ASME PTC4-1998標準 算法比較

隨著我國發電裝備制造業的發展，引進國外先進技術制造的大容量電站鍋爐越來越多的投入商業運行，與此同時，ASME PTC4-1998標準[1]也得到了更多的應用[2]。而在我國，大部分學者都已經習慣采用GB 10184-88標準[3]進行鍋爐熱效率試驗和計算，這就需要對GB 10184-88和ASME PTC4-1998標準計算鍋爐熱效率的方法、原理進行剖析，給從事鍋爐的技術和科研人員一個準確、恰當的解釋，以利于指導鍋爐的經濟運行。

文獻[4～7]把GB 10184-88和ASME PTC4.1標準計算鍋爐熱效率的方法進行了詳細對比，但并未對ASME PTC4-1998標準進行研究。文獻[8，9]將ASME PTC4-1998標準和DL/T 964-2005標準進行了對比并分析了異同，不過針對的只是循環流化床鍋爐，且沒有涉及GB 10184-88算法。此外，余葉寧從鍋爐效率的定義、基準溫度、熱損失及修正項等方面闡述了ASME PTC4.1和ASME PTC4算法的主要區別[10]，金旭英和王培紅對ASME PTC4.1和德國DIN標準做了研究和對比[11]。綜合現有文獻，均未對GB 10184-88和ASME PTC4-1998標準針對大容量煤粉鍋爐熱效率的計算方法進行詳細比較研究，且沒有深入分析外來熱量的有無、燃料發熱量的不同及毛效率與燃料效率的區別等因素對兩標準計算結果的影響，給電廠在選擇鍋爐性能測試標準時帶來了不便。

基于此，筆者詳細比較了GB 10184-88和ASME PTC4-1998標準算法的異同，分析了產生差異的原因，并研究了外來熱量的考慮與否、燃料高、低位發熱量的不同和毛效率與燃料效率的區別對計算結果的影響。

1 兩種標準的鍋爐熱效率定義

鍋爐熱效率的計算有正、反平衡兩種方法，確定各項熱損失的反平衡法求取效率更為方便和準確，且便于找出提高鍋爐熱效率的方法，因此得到了更為廣泛的應用[12]。文中兩種標準均基于反平衡來計算鍋爐熱效率。GB 10184-88標準對鍋爐熱效率的定義為：鍋爐輸出熱量占輸入熱量的百分率，其中輸入熱量為燃料輸入熱量與外來熱量或其他熱源之和。ASME PTC4-1998標準定義了燃料效率與毛效率兩種鍋爐熱效率，其中與GB 10184-88相匹配的是鍋爐毛效率，其效率和輸入熱量的定義與國標類似，而燃料效率是鍋爐輸出能量與輸入燃料的化學能量之比，不能與國標匹配[13]。為了分別采用毛效率和燃料效率比較兩種標準算法的異同，筆者結合燃料效率的定義對GB 10184-88效率計算式進行適當變形，以便于與ASME PTC4-1998的燃料效率進行比較。

2 GB 10184-88標準計算鍋爐熱效率

2.1輸入熱量計算

GB 10184-88中輸入熱量Qr的計算公式為：

hbq0)

(1)

式中Bb——燃料消耗量，kg/h；

cr——燃料比熱容，kJ/(kg·℃)；

Dwl——外來熱源工質流量，kg/h ；

Dwh——霧化用蒸汽量，kg/h；

hwh——霧化蒸汽入口參數下的焓，kJ/kg；

hbq0——基準溫度下的飽和蒸汽焓，kJ/kg；

Qar，net——燃料收到基低位發熱量，kJ/kg；

t0——實測基準溫度，℃；

tr——燃料溫度，℃。

為便于與ASME PTC4-1998標準進行比較，筆者對國標中定義的鍋爐輸入熱量進行了修改，即輸入熱量可以考慮外來熱量，也可以不考慮外來熱量；燃料收到基發熱量可以取低位發熱量，也可轉換為高位發熱量，即輸入總熱量QrGB可表示為：

QrGB=Qar+QwGB

(2)

式中Qar——燃料收到基發熱量(低位發熱量或高位發熱量)，kJ/kg；

QwGB——國標定義的外來熱量(視情況可不考慮該項)，kJ/kg。

2.2過量空氣系數計算

通過煙氣中氧氣、甲烷、一氧化碳及氫氣等的含量可求得過量空氣系數αpy：

(3)

其中，O2、CH4、CO、H2分別為排煙中氧氣、甲烷、一氧化碳和氫氣的容積百分含量。簡化計算時可忽略式(3)中的CH4、CO、H2。

2.3各項熱損失計算

GB 10184-88標準中排煙熱損失Q2的計算公式為：

綜上所述，隨著信息化時代的到來，在大數據背景下，企業財務會計專向管理會計對企業自身的可持續發展有著至關重要的影響和作用。因此，需要企業認識到大數據的重要性，注重人員素質的提升，轉變管理理念，全面轉變工作內容，進而為企業的發展提供強有力的支撐。

Q2=(Vgycgy+VH2OcH2O)(θpy-t0)

(4)

式中cgy——煙氣定壓比熱，kJ/(m3·℃)；

cH2O——水蒸氣定壓比熱，kJ/(m3·℃)；

Vgy——燃燒生成的干煙氣體積，Nm3/kg；

VH2O——燃燒生成的煙氣中水蒸氣體積，Nm3/kg；

θgy——排煙溫度，℃。

化學未完全燃燒熱損失Q3的計算公式為：

Q3=12636×VgyCO

(5)

固體未完全燃燒熱損失Q4的計算公式為：

(6)

式中Aar——收到基灰分質量百分數，%；

Q4sz——磨煤機排出石子煤熱損失(簡化計算時可忽略)，%。

散熱損失計算q5的公式為：

(7)

式中D——鍋爐實際蒸發量，t/h；

De——鍋爐額定蒸發量，t/h；

q5e——額定蒸發量下散熱損失，%。

灰渣物理熱損失Q6的計算公式為：

(8)

式中cfh——飛灰的比熱，kJ/(kg·℃)；

clz——爐渣的比熱，kJ/(kg·℃)；

ccjh——沉降灰的比熱，kJ/(kg·℃)；

cfhC——飛灰中碳質量百分數，%；

clzC——爐渣中碳質量百分數，%；

ccjhC——沉降灰中碳質量百分數，%；

tlz——爐渣溫度，℃；

tcjh——沉降灰溫度，℃；

αfh——飛灰占總灰量的百分數，%；

αlz——爐渣占總灰量的百分數，%；

αcjh——沉降灰占總灰量的百分數，%。

2.4GB 10184-88鍋爐熱效率計算

GB 10184-88標準中鍋爐熱效率ηb為：

(9)

式(9)中的鍋爐熱效率計算方法與ASME PTC4-1998鍋爐毛效率算法類似，但與燃料效率不同，為了與ASME PTC4-1998進行更全面的比較，仿照ASME PTC4-1998中燃料效率的定義修改國標中鍋爐熱效率ηbEF的算法，即：

(10)

3 ASME PTC4-1998標準計算鍋爐熱效率

3.1輸入熱量計算

3.1.1燃料發熱量計算

ASME PTC4-1998采用高位發熱量，而我國鍋爐熱效率計算普遍采用低位發熱量，因此應根據實際情況選用高位發熱量或將高位發熱量轉換為低位發熱量進行計算[14]。

3.1.2各項外來熱量計算

ASME PTC4-1998考慮的外來熱量共有7項，忽略一些影響較小的外來熱量，只著重對進入系統的干空氣攜帶的外來熱量、空氣中水分攜帶的外來熱量和燃料顯熱攜帶的外來熱量這3項進行計算。

進入系統的干空氣攜帶的外來熱量Qgkw的計算公式為：

Qgkw=Dgk(hgk-hgk0)

(11)

式中Dgk——進入系統的干空氣量，kg/kg；

hgk——進入系統的干空氣焓，kJ/kg；

hgk0——基準溫度下的干空氣焓，kJ/kg。

空氣中水分攜帶的外來熱量Qsw的計算公式為：

Qsw=dkDgk(hs-hs0)

(12)

式中dk——空氣濕度，kg/kg；

hs——空氣中水蒸氣的焓，kJ/kg；

hs0——基準溫度下的水蒸氣焓，kJ/kg。

燃料顯熱攜帶的外來熱量Qrxw的計算公式為：

(13)

式中hrA——燃料溫度下灰的焓，kJ/kg；

hA0——基準溫度下灰的焓，kJ/kg；

hFC——燃料溫度下的固定碳焓，kJ/kg；

hFC0——基準溫度下的固定碳焓，kJ/kg；

hM——燃料溫度下水的焓，kJ/kg；

hM0——基準溫度下水的焓，kJ/kg；

hV1——燃料溫度下一次揮發分的焓，kJ/kg；

hV2——燃料溫度下二次揮發分的焓，kJ/kg；

hV10——基準溫度下一次揮發分的焓，kJ/kg；

hV20——基準溫度下二次揮發分的焓，kJ/kg；

Mar——收到基水分質量百分數，%；

MFC——固定碳含量，kg/kg；

MV1——一次揮發分含量，kg/kg；

MV2——二次揮發分含量，kg/kg。

所以外來總熱量QwASME為：

QwASME=Qgkw+Qsw+Qrxw

(14)

故輸入總熱量QrASME為：

QrASME=Qar+QwASME

(15)

為與GB 10184-88進行比較，筆者對ASME PTC4-1998標準定義的輸入總熱量進行修改，即：輸入總熱量可以考慮外來總熱量，也可不考慮外來總熱量；燃料收到基發熱量可取高位發熱量，也可轉化為低位發熱量。

3.2排煙溫度

(16)

DAE——空氣預熱器進口的濕煙氣量，kg/kg；

DAL——空氣預熱器出口的濕煙氣量，kg/kg；

3.3過量空氣系數計算

(17)

式中ngy——干煙氣摩爾數，mol/kg；

V0——理論空氣量，kg/kg。

3.4排煙熱損失計算

ASME PTC4-1998將排煙熱損失分為4項：干煙氣熱損失、燃料中氫燃燒產生水造成的熱損失、燃料中水分造成的熱損失和空氣中水分造成的熱損失。

干煙氣熱損失Q2g的計算公式為：

Q2g=Dgy(hgpy-hg0)

(18)

式中Dgy——干煙氣量，kg/kg；

hg0——基準溫度下的干煙氣焓，kJ/kg；

hgpy——排煙溫度(空氣預熱器無漏風下)下的干煙氣焓，kJ/kg。

燃料中氫燃燒產生水造成的熱損失Q2H的計算公式為：

Q2H=DHM(hzpy-hbs0)

(19)

式中DHM——燃料中氫燃燒產生水分，kg/kg；

hbs0——基準溫度下飽和水焓，kJ/kg；

hzpy——排煙溫度(空氣預熱器無漏風下)下蒸汽焓，kJ/kg。

燃料中水分造成的熱損失Q2rM的計算公式為：

Q2rM=MM(hzpy-hbs0)

(20)

空氣中水分造成的熱損失Q2kM的計算公式為：

Q2kM=DkM(hspy-hs0)

(21)

式中DkM——空氣中水分，kg/kg；

hspy——排煙溫度(空氣預熱器無漏風下)下水蒸氣焓，kJ/kg。

3.5CO引起熱損失計算

ASME PTC4-1998只計算了氣體未完全燃燒損失中CO引起的損失，而將其他碳氫物質引起的損失歸入到其他未計及熱損失中。CO引起的熱損失QCO的計算公式為：

QCO=DCO×ngy×28.01×10111

(22)

式中DCO——干煙氣中一氧化碳含量，kg/kg。

3.6灰渣中未燃盡碳造成的熱損失計算

(23)

式中DUbC——灰渣中未燃盡碳含量，kg/kg。

3.7鍋爐表面輻射對流引起熱損失的計算

(24)

式中Cl——系數，取0.293；

Fz——某區域保溫層外護板平面投影面積，m2；

Tbp——某區域內表面平均溫度，℃；

Thj——某區域內表面平均環境空氣溫度，℃；

α——鍋爐表面某區域內對流換熱系數，W/(m2·℃)；

ε——鍋爐表面某區域內輻射傳熱系數，W/(m2·℃)。

3.8灰渣顯熱引起的熱損失的計算

(25)

式中hfh——排煙溫度(空氣預熱器無漏風下)下的飛灰焓，kJ/kg；

hlz——爐渣焓，kJ/kg；

Mhz——灰渣總質量，kg/kg。

3.9其他未計及熱損失的確定

對于磨煤機排出石子煤熱損失、爐膛出口至空氣預熱器進口漏風引起的損失、濕渣池引起的損失、煙氣中未燃碳氫物質引起的損失及形成氮氧化物引起的損失等不可測量損失，ASME PTC4-1998標準將這些損失取為設計值[15]。

3.10ASME PTC4-1998鍋爐毛效率計算

ASME PTC4-1998中鍋爐毛效率ηEGr的計算與國標類似，計算公式為：

(26)

式中Q7——其他未計及熱損失，kJ/kg。

3.11ASME PTC4-1998燃料效率計算

ASME PTC4-1998燃料效率ηEF的計算公式為：

(27)

4 兩種標準算法上的異同

4.1輸入總熱量

GB 10184-88對于輸入總熱量的定義是燃料低位發熱量與外來熱量之和。ASME PTC4-1998對輸入總熱量的定義與國標相同，但采用高位發熱量作為燃料輸入熱量，因為高、低位發熱量之間的不同在于燃料中氫燃燒產生的水和燃料自身水分的汽化潛熱，所以只需將式(19)、(20)中的hbs0換為基準溫度下的飽和蒸汽焓即可將高位發熱量轉化為低位發熱量。此外，兩種標準在外來熱量規定上也有不同，國標定義的外來熱量有燃料物理顯熱、霧化蒸汽帶入熱量和外來熱源加熱暖風器空氣帶入的熱量；而ASME PTC4-1998考慮了7項外來熱量，其中主要考慮了進入系統的干空氣攜帶的外來熱量、空氣中水分攜帶外來熱量和燃料顯熱攜帶外來熱量。

4.2排煙熱損失

GB 10184-88與ASME PTC4-1998計算排煙熱損失的方法不同。國標定義的排煙熱損失為干煙氣帶走熱量和煙氣所含水蒸氣顯熱，國標計算干煙氣帶走熱量時，采用干煙氣體積、平均定壓比熱和排煙溫度與基準溫度差值3項乘積來計算，而ASME PTC4-1998計算干煙氣損失時用干煙氣質量和排煙溫度與基準溫度下干煙氣焓的差值相乘得到。國標中煙氣所含水蒸氣顯熱對應于ASME PTC4-1998標準的3項水蒸氣熱損失，只不過前者是進行整體計算，采用水蒸氣體積、平均定壓比熱和排煙溫度與基準溫度差值3項乘積來計算；后者采用水蒸氣質量和焓值分為3項進行計算。在算法上國標受到實際排煙狀況的影響，而ASME PTC4-1998計算基于分子水平不受影響[16]。

國標計算中排煙溫度取實測值，而ASME PTC4-1998采用的是無漏風修正后的實測排煙溫度，經修正后排煙溫度更為準確，但計算復雜。

國標與ASME PTC4-1998在計算過量空氣系數時也有不同，國標計算可采用簡化算法，簡單直觀；ASME PTC4-1998通過計算過量空氣率來求得過量空氣系數，計算準確，但過程復雜。

4.3化學未完全燃燒熱損失

國標與ASME PTC4-1998對于化學未完全燃燒熱損失的計算原理大體相同，國標考慮了CO、H2、CH4及CmHn等所有未完全燃燒產物造成的損失，不過后幾項較小，在簡化計算時只考慮CO；ASME PTC4-1998對于該項損失只考慮了CO引起的損失，其他未燃氣體引起的損失歸入了未計及熱損失中，由于兩種標準都只計算了CO引起的損失，且都將CO作為理想氣體計算，所以計算結果非常接近。

4.4機械未完全燃燒熱損失

兩種標準對機械未完全燃燒熱損失的計算思路基本相同，只是國標多加了一項石子煤熱損失，ASME PTC4-1998將石子煤熱損失歸入未計及熱損失，國標簡化計算時常忽略石子煤熱損失，故計算時沒有分別。導致計算結果略有區別的根本原因是兩種標準在未燃碳的發熱量上略有區別。

4.5散熱損失

GB 10184-88散熱損失是根據散熱損失曲線由經驗得出的。ASME PTC4-1998中稱為輻射對流損失，要求測量鍋爐所有向外散熱的外表面面積、局部壁面溫度、環境溫度和空氣流速并計算局部輻射對流放熱系數，該計算較為精確，但過程繁雜。

4.6灰渣物理熱損失

兩種標準對于灰渣物理熱損失的計算原理基本相同，區別在于飛灰焓和爐渣焓計算不同[16]，國標中采用排煙溫度、飛灰比熱和爐渣的溫度、比熱計算；ASME PTC4-1998中采用飛灰焓和爐渣焓來計算，因為國標中實測排煙溫度與ASME PTC4-1998中經無漏風修正后的排煙溫度不同，因此國標中排煙溫度與飛灰比熱的乘積不等于ASME PTC4-1998中的飛灰焓。且當不能直接測量時國標規定的爐渣溫度與ASME PTC4-1998規定的爐渣溫度不同，所以爐渣焓也不等。

4.7其他未計及熱損失

兩種標準最明顯的不同之處在于ASME PTC4-1998定義了更多的熱損失，這些不能測量的損失常取為設計值，而國標中并未定義該項損失。

5 計算結果比較分析

以某臺1 025t/h固態排渣煤粉鍋爐為例，選取兩個不同工況試驗數據。表1列出了不計外來熱量時兩種工況下針對GB 10184-88和ASME PTC4-1998分別基于燃料收到基高、低位發熱量算得的各項損失和鍋爐熱效率；表2 列出了考慮外來熱量時兩種工況下針對GB 10184-88和ASME PTC4-1998分別基于燃料收到基高、低位發熱量算得的鍋爐毛效率、燃料效率和相關各項熱損失。

表1 不計外來熱量下的鍋爐熱效率及各項熱損失計算結果對比 %

表2 考慮外來熱量下的鍋爐毛效率、燃料效率和相關各項熱損失的計算結果對比 %

(續表2)

由表1、2可知：兩種標準算得的鍋爐熱效率結果相對偏差在0.5%以內，其中排煙熱損失、散熱損失和未計及熱損失的差距較大，是引起鍋爐熱效率偏差的主要原因。當不計外來熱量或計算燃料效率時，基于高位發熱量的鍋爐熱效率差值較低位發熱量小，計算毛效率時則相反，原因是不計外來熱量時，輸入總熱量即燃料發熱量，采用高位發熱量會使損失減小，使鍋爐效率偏差減小；計算燃料效率時，采用高位發熱量會使外來熱量的影響減弱，使損失減小從而減小鍋爐熱效率偏差；當計算毛效率時，輸入總熱量是燃料發熱量與外來熱量之和，采用高位發熱量時各項損失還受外來熱量影響，鍋爐熱效率偏差增大。

6 結論

6.1GB 10184-88標準中鍋爐熱效率計算方法簡單明了，雖計算精度不及ASME，但總體能夠滿足工程實際的需要。ASME PTC4-1998標準鍋爐熱效率計算方法全面、細致，精度相對較高，但計算過程繁瑣，對于讀者的理解和掌握有一定的困難。

6.2對比計算結果表明，GB 10184-88和ASME PTC4-1998標準算得一氧化碳引起熱損失值基本一致；排煙熱損失和灰渣物理熱損失ASME PTC4-1998標準較大；灰渣未燃盡碳熱損失、散熱損失和鍋爐熱效率計算結果是GB 10184-88較大；ASME PTC4-1998標準定義了未計及熱損失，而GB 10184-88沒有；兩種標準算得鍋爐熱效率差值在0.5%以內。

6.3基于高位發熱量算得的鍋爐熱效率大于低位發熱量的計算結果；不計外來熱量或計算燃料效率時，基于高位發熱量的鍋爐熱效率差值較低位發熱量小，計算毛效率時則相反。

6.4兩種標準算法不同致使鍋爐熱效率計算結果不同，因此電廠在進行鍋爐性能試驗前必須明確鍋爐采用GB 10184-88還是ASME PTC4-1998標準，所計算的究竟是毛效率還是燃料效率，采用低位發熱量還是高位發熱量，及計算時是否考慮外來熱量對結果的影響。

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ComparisonofCalculationMethodsforBoilerThermalEfficiencyBasedonGB10184-88StandardandASMEPTC4-1998Code

HAN Wei, LI Yong

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

The methods and principles of calculating boiler’s thermal efficiency stipulated in GB 10184-88 Standard and ASME PTC4-1998 Code were expounded and the efficiency calculation formula from the GB 10184-88 Standard was modified properly through imitating the fuel efficiency. Then accurately comparing and analyzing these two calculation methods were performed under the condition that the external heat were considered or not and the fuel calorific power were the same. Taking a 1 025 t/h pulverized coal boiler for example, calculating the boiler gross efficiency and fuel efficiency based on low heat value and gross calorific value separately shows that solid-unburned hot loss, heat loss and boiler thermal efficiency calculated by GB 10184-88 Standard are larger, so dose both waste heat loss and physical heat loss of ash and slag calculated by ASME PTC4-1998 Code. The difference value of boiler thermal efficiency between these two standards is within 0.5%; and compared to the condition under low heat value, the difference value under the condition of gross calorific value is smaller but the calculated gross efficiency is larger when the external heat isn’t considered or the fuel efficiency is calculated.

boiler thermal efficiency, GB 10184-88 Standard, ASME PTC4-1998 Code, comparison of calculation methods

(Continued from Page 566)

SHEN Jun1,2,LI Tao3

(1.WisonEnginnering(China)Co,Ltd.,Shanghai201210,China; 2.SchoolofAerospaceMechanicsEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China; 3.CollegeofEnergyEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

**韓 為，男，1988年7月生，助教。吉林省吉林市，132012。

*吉林省科技發展計劃項目(20110409)。

TQ054

A

0254-6094(2016)05-0567-08

2015-11-16，

2016-09-08)

AbstractBasing on discussing technical progress in both analysis and design specifications for pressure vessels in the USA and Europe, the matters relating to the revise, development, text structure, contents and pre-research topics of new edition specifications(JB 4732) were discussed and both views and suggestions concerned were proposed.

Keywordspressure vessel, JB 4732, modification of standards, analysis and design