中國鍋爐熱工性能試驗標準與美國ASME PTC 4-2013對比研究

常勇強， 劉雪敏， 齊國利， 李德標， 孟 勇， 管 堅

(1. 中國特種設備檢測研究院， 北京 100029； 2. 西安特種設備檢驗檢測院， 西安 710048； 3. 西安熱工研究院有限公司， 西安 710054)

中國鍋爐熱工性能試驗國家標準有GB/T 10180—2017 《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗方法》(以下簡稱GB/T 10180)和GB/T 10184—2015 《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》(以下簡稱GB/T 10184)，其中GB/T 10180適用于工作壓力低于3.8 MPa的工業(yè)鍋爐熱工性能試驗，GB/T 10184適用于工作壓力≥3.8 MPa、容量≥35 t/h、蒸汽溫度不低于440 ℃的電站鍋爐。美國ASME PTC4—2013 《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》(以下簡稱ASME PTC4)適用于燃燒礦物燃料的蒸汽鍋爐，包括燃煤、燃油、燃氣鍋爐以及燃燒其他碳氫燃料的蒸汽鍋爐，其適用范圍包含了全部的GB/T 10184和部分GB/T 10180(熱水鍋爐除外)規(guī)定的適用范圍。

目前，對于鍋爐性能試驗，國際上通常采用ASME PTC4作為依據(jù)，對于進口機組和引進技術，中國也采用ASME PTC4作為鍋爐性能驗收標準。對于工業(yè)鍋爐，中國普遍采用GB/T 10180，對于自備電站通常采用GB/T 10184，對于300 MW以上的機組，采用GB/T 10184和ASME PTC4作為驗收標準的都有。

ASME PTC4是美國機械工程師協(xié)會(ASME)鍋爐性能試驗規(guī)程的最新版本，與GB/T 10184和GB/T 10180相比，既有較多一致的地方，又有許多細微的差別。筆者將ASME PTC4、GB/T 10184與GB/T 10180進行對比研究[1-3]，從標準的發(fā)展歷程、鍋爐系統(tǒng)及范圍、相關定義及術語、熱工性能試驗的前提及要求、相關參數(shù)的測量方法、熱效率計算及修正方法和試驗結果的最終表達方式等方面進行比較和討論，以供相關機構和有關人員參考。

1 鍋爐熱工性能試驗標準發(fā)展歷程

1.1 中國標準發(fā)展歷程

中國鍋爐熱工性能試驗標準從體系上來講與歐盟的標準更接近，歐盟將鍋爐熱工性能試驗標準分為EN 12593-11—2003：part11 《鍋殼鍋爐驗收試驗》(低壓小容量)和EN 12592-15—2003：part15 《水管鍋爐和輔機驗收試驗》[4-5](高壓大容量)。中國鍋爐熱工性能標準按工作壓力可分為工業(yè)鍋爐和電站鍋爐熱工性能試驗標準。

中國工業(yè)鍋爐標準制定參考了英國BS 845—1987 《蒸汽、熱水和高溫熱載流體鍋爐的熱工性能評定》、德國DIN 1942—1996 《蒸汽鍋爐驗收試驗規(guī)范》和日本JIS B 8222—1993 《陸用鍋爐熱工測試方法》，并以上述英國標準作為主要參考對象。中國工業(yè)鍋爐標準歷次版本依次為JB 2829—80 《工業(yè)鍋爐熱工試驗》、GB/T 10180—1988 《工業(yè)鍋爐熱工試驗規(guī)范》、GB/T 10180—2003 《工業(yè)鍋爐熱工試驗規(guī)范》，當前版本為GB/T 10180—2017 《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗方法》。本次修訂最大的變化是引入了ASME PTC4關于添加脫硫劑的鍋爐熱效率計算方法。

GB/T 10184—1988 《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》是我國首部電站鍋爐熱工性能試驗標準，從1988年開始到2015年使用了27年，其間為了適應循環(huán)流化床鍋爐性能試驗的要求，在2005 年頒布了DL/T 964—2005 《循環(huán)流化床鍋爐性能試驗規(guī)程》，用于循環(huán)流化床鍋爐的驗收試驗。本次修訂最大的變化是GB/T 10184引入了ASME PTC4的鍋爐燃料效率定義，鍋爐熱效率由基于全部進入系統(tǒng)的能量變?yōu)榛谌剂陷斎霟崃浚缛剂衔锢盹@熱、霧化蒸汽帶入的熱量等，從全廠能源轉化過程來看，這些外來熱量都是整個轉化過程的中間產物，輸入能量(即燃料發(fā)熱量)體現(xiàn)的是主動輸入熱量，由毛效率變?yōu)槿剂闲剩嬲龑㈠仩t熱效率與煤耗統(tǒng)一了起來。

1.2 ASME PTC4版本的變化

ASME PTC4的最早版本是1915 年的《固定式鍋爐性能試驗標準》，現(xiàn)行的標準是ASME PTC4—2013，其間經歷了11次修訂，鍋爐技術進步、先進測量儀器使用對性能試驗規(guī)程不斷提出新的要求。典型的修訂版本包括ASME PTC 4.1—1964 《鍋爐機組試驗規(guī)程》(從小型鍋爐裝置到大型現(xiàn)代鍋爐機組，該標準是世界上應用最廣泛的一個標準)、ASME PTC4—1980 《鍋爐性能試驗標準》(本次修訂反映了鍋爐技術和性能試驗技術領域的若干重大變化，鍋爐技術方面主要是指采用流化床燃燒和其他排放控制技術的鍋爐機組日益增多，性能試驗技術領域主要是指電子測量儀器的廣泛應用以及考慮將試驗不確定度分析作為衡量性能試驗水平的工具)以及ASME PTC4—1998 《火力蒸汽鍋爐性能試驗規(guī)程》(強調僅限于燃燒燃料的鍋爐，被美國國家標準學會標準審查局批準作為美國國家標準)。

2 鍋爐熱工性能試驗標準對比

筆者按照ASME PTC4的文本編制順序進行了對比研究，按照標準先后順序依次為標準適用范圍、術語和定義、試驗各方達成的決定和協(xié)議、測量儀表和測量方法、試驗結果及計算方法和試驗結果水平評定。

2.1 標準適用范圍

標準適用范圍、熱效率不確定度要求和鍋爐系統(tǒng)邊界界定的詳細對比見表1，其中對比部分內容不是以上3個標準的原文，而是對這些標準內容的闡述和理解。

由表1可知，在適用范圍上，ASME PTC4不適用于非家庭用供熱熱水鍋爐；在不確定度要求上，中國標準沒有對熱效率測試水平進行評定；在系統(tǒng)邊界上，ASME PTC4更詳細，中國標準相對簡單，需要測試工程師更多的判斷，如GB/T 10184未給出不分一、二次風的空氣預熱器和二分倉空氣預熱器的邊界圖，如何進行排煙溫度修正就需要依據(jù)工程師的經驗。

表1 3個鍋爐熱工性能試驗標準的適用范圍

2.2 術語及定義

3個鍋爐熱工性能試驗標準的使用單位，過量空氣表達式，熱效率、輸入能量定義及測試方法的詳細對比見表2。由表2可知，ASME PTC4中過量空氣表達式為過量空氣率XpA，GB/T 10184和GB/T 10180中為過量空氣系數(shù)α，兩者的關系為XpA=(α-1)×100%。GB/T 10184和GB/T 10180所定義的輸入能量實際應為燃料發(fā)熱量與外來熱量之和，ASME PTC4定義的輸入能量指的是燃料輸入熱量，實際上中國標準的輸入能量在ASME PTC4中指的是進入系統(tǒng)的能量。

2.3 各方達成的決定和協(xié)議

3個鍋爐熱工性能試驗標準的測試方法選擇、燃料發(fā)熱量確定、試驗工況次數(shù)允許波動范圍和試驗的重復性詳細對比見表3。由表3可知，ASME PTC4依據(jù)試驗雙方選擇的試驗結果不確定度來選擇不同熱效率的測定方法，通過合理設計性能試驗以達到目標不確定度。GB/T 10184推薦采用反平衡法，與ASME PTC4一樣，反平衡法測試的不確定度明顯低于正平衡法，并規(guī)定測量方法、儀表精度和測量頻次，從而保證了試驗精度。GB/T 10180規(guī)定鍋爐熱效率應同時采用正平衡法和反平衡法，然后將正、反平衡法測試結果進行平均，這種做法從科學原理上來講缺乏依據(jù)。

表2 3個鍋爐熱工性能試驗標準的單位、術語及定義

表3 3個鍋爐熱工性能試驗標準在試驗協(xié)議上的差異

2.4 熱效率計算方法

2.4.1 能量平衡原理

中國標準和ASME PTC4的熱效率計算基礎都是熱力學第一定律，即能量守恒定律。其表達式為：進入系統(tǒng)能量-離開系統(tǒng)能量=系統(tǒng)能量增量。因為鍋爐是在穩(wěn)定工況下測試的，所以能量增量為0，能量守恒方程為：進入系統(tǒng)能量=離開系統(tǒng)能量，即

QrF+QrB=QrO+QrL

(1)

式中：QrF為燃料輸入熱量；QrB為外來熱量；QrO為輸出熱量；QrL為損失。

(1) GB/T 10180。

根據(jù)GB/T 10180，鍋爐熱效率按照式(2)和式(3)計算，這些計算公式是典型的毛效率計算公式。

(2)

將式(1)代入式(2)可得

(3)

式(3)用GB/T 10180的原公式可表示為：

η=1-(q2+q3+q4+q5+q6+q7)

(4)

式中：q2為排煙熱損失；q3為氣體不完全燃燒熱損失；q4為固體不完全燃燒熱損失；q5為散熱損失；q6為灰渣物理顯熱損失；q7為脫硫損失，以上所有物理量的單位均為%。

(2) ASME PTC4。

ASME PTC4的基本熱效率計算公式見式(1)，經過變型后，可轉化為：

QrF=QrO+QrL-QrB

(5)

ASME PTC4定義的燃料效率為：

(6)

將式(5)代入式(6)，整理后可得

ηEF=1-QpL+QpB

(7)

式中：QpL和QpB分別為各項熱損失和外來熱量占燃料輸入熱量的百分比。

用ASME PTC4的公式可表示為：

(8)

ASME PTC4將損失分為2大類：第一類用基于單位燃料輸入熱量的損失來表示，即由燃料產物導致的各項損失；第二類，基于單位時間計算，如鍋爐表面輻射和對流損失。GB/T 10180將損失分為6種，與ASME PTC4相比，少了一些損失項，如：磨煤機排出石子煤引起的損失(QpL′Pr，%)，對于絕大多數(shù)煤粉工業(yè)鍋爐，這一項不存在，因此GB/T 10180中缺少這一項對鍋爐能效計算無影響；因空氣預熱器煙氣漏風引起的損失(QpL′ALg，%)，這一部分應該進行計算，但在GB/T 10180中并未引起足夠的重視；高溫煙氣凈化設備引起的損失(QpL′Aq，W)，實際上可以不計算這部分損失，將散熱損失計算在QrL′LSrcp中；生成NOx引起的損失(QpL′NOx，%)，這一項通常較小，一般可以不考慮；濕渣池損失(QrL′Ap，W)，即除顯熱外的輻射損失，一般估計該項損失，這一項需要在GB/T 10180中增加；由于再循環(huán)物質流所造成的損失(QrL′Ry，W)，當前一些鍋爐采用煙氣再循環(huán)技術來降低NOx，GB/T 10180需要增加此項內容。

(3) GB/T 10184。

GB/T 10184雖然也采用了q2、q3、q4、q5、q6和其他熱損失qoth的表達式，但是其意義與ASME PTC4更接近，而與GB/T 10180存在一些差異，如高溫煙氣脫硝裝置引起的損失在GB/T 10184中有詳細的闡述，與ASME PTC4基本一致。

由以上比較可知，GB/T 10184與ASME PTC4的試驗原理和計算方法基本一致，熱效率計算基于燃料輸入化學能；GB/T 10180與其他2個標準相比，鍋爐熱效率計算基于燃料化學能與外來熱量之和，在熱損失的處理上相對粗糙。

2.4.2 試驗結果的修正

GB/T 10180，驗收試驗的負荷變化要求在97%～105%額定負荷；ASME PTC4，目標試驗負荷與實際試驗負荷的變化不應超過5%；GB/T 10184，鍋爐蒸發(fā)量按照容量規(guī)定了最大波動范圍。ASME PTC4認為試驗測定的熱效率與修正后的熱效率間的差值通常不超過2～3個百分點，中國標準對此則無相關表述。

(1) 蒸發(fā)量的修正。

GB/T 10180規(guī)定當蒸汽和給水的實測參數(shù)與設計值不一致時，應對鍋爐的蒸發(fā)量進行修正。蒸發(fā)量的修正在中國具有現(xiàn)實意義，因為在一些50 MW以下機組的過熱蒸汽鍋爐實際運行中，高壓加熱器經常不投運，或一些飽和蒸汽鍋爐熱力除氧蒸汽量不夠，導致給水參數(shù)偏離設計參數(shù)，需要對蒸發(fā)量進行修正。由于GB/T 10184多考慮純發(fā)電鍋爐，鍋爐運行條件較好，因此不考慮蒸發(fā)量的修正，ASME PTC4同樣未考慮蒸發(fā)量的修正。GB/T 10180對飽和蒸汽鍋爐的修正如下：

(9)

(2) 排除漏風影響的排煙溫度修正。

ASME PTC4在計算各項損失時，使用的是修正到無漏風空氣預熱器的排煙溫度，其原因在于空氣預熱器內的漏風除了降低排煙溫度外，沒有起到任何作用。對于鍋爐熱效率計算，ASME PTC4認為空氣預熱器出口的煙氣溫度測量值必須修正到完全沒有漏風時的煙氣溫度。但事實上，采用漏風的排煙溫度與修正到無漏風的排煙溫度對鍋爐實測熱效率的計算結果是一致的，在中國標準中并沒有此項修正。

(3) 進風溫度偏離設計值的修正。

GB/T 10184中進風溫度偏離設計值的公式見式(10)，ASME PTC4中進風溫度偏離設計值的公式見式(11)。

(10)

tDiTAEn+tFglvCr=

(11)

式中：tfg，AH，lv，ta為換算到設計的空氣預熱器進口空氣溫度下的煙氣溫度，℃；ta，AH，en，d為設計的空氣預熱器進口空氣溫度，℃；tfg，AH，en，m為實測的空氣預熱器進口煙氣溫度(如為雙級交錯布置空氣預熱器時，為低溫級空氣預熱器)進口煙氣溫度，℃；tfg，AH，lv，m為實測的空氣預熱器出口煙氣溫度，℃；ta，AH，en，m為實測的空氣預熱器進口空氣溫度，℃；tDiTAEn為考慮進口空氣溫度的修正值，℃；tFglvCr為修正后的排煙溫度(排除漏風的影響)，℃；tAEnCr為修正的空氣預熱器進口空氣溫度，℃。

式(10)與式(11)在形式上完全一致，區(qū)別是式(10)中的ta，AH，en，d是設計的空氣預熱器進口空氣溫度，式(11)中的TAEnCr是修正的進口空氣溫度，而不是設計的進口空氣溫度。ASME PTC4規(guī)定：如果規(guī)定了進入系統(tǒng)邊界的空氣溫度，修正的進口空氣溫度就是設計進口空氣溫度；如果設計進口空氣溫度基于設計環(huán)境或進入風機的空氣溫度，修正的進口空氣溫度取決于試驗過程中暖風器是否運行(即① 暖風器沒有運行，修正的進口空氣溫度是試驗測定的進口空氣溫度加上風機進口設計溫度與風機進口試驗測定溫度的差值；② 暖風器運行(設計無暖風器運行)，修正的進口空氣溫度是試驗測定的風機出口溫度加上風機進口設計溫度與風機進口試驗測定溫度的差值)。GB/T 10184將修正的進口空氣溫度作為設計進口空氣溫度，考慮了當設計進口空氣溫度基于設計環(huán)境或進入風機的空氣溫度時，應將設計進口空氣溫度修正到風機出口時才能代入計算，但是在該標準中沒有明確計算方法。GB/T 10180沒有考慮進風溫度偏離設計值的修正。

(4) 進口煙氣溫度偏離設計值的修正。

ASME PTC4對進口煙氣溫度偏離設計值進行了修正，相關內容包括鍋爐邊界內、但不是由鍋爐廠家提供的設備(如高溫煙氣凈化設備)，進口給水溫度和偏離設計燃料等。

GB/T 10184給出當進口給水溫度偏離設計值時，進行排煙溫度修正。未考慮其他可能導致進口煙氣溫度偏離設計值時的修正。

GB/T 10180給出的是經驗修正法。如蒸汽鍋爐給水溫度與設計值偏差超過-20 K時，兩者每相差-60 K鍋爐熱效率值折算一個百分點；對于無空氣預熱器的燃煤熱水鍋爐，出水溫度與額定溫度相差-15 K時，鍋爐熱效率下降一個百分點等。

目前，對無空氣預熱器受熱面的小容量鍋爐，缺乏排煙溫度的理論修正方法。

(5) 進口煙氣質量流量和X比偏離設計值的修正。

當空氣預熱器進口煙氣質量流量偏離設計值時，如爐膛出口氧量控制偏離設計值、燃料偏離設計值、空氣預熱器上游煙道漏風量過大等，這些因素都將影響排煙溫度， 需要對其進行修正。ASME PTC4定義空氣預熱器的X比=(進口煙氣溫度-出口煙氣溫度修正值)/(出口風溫-進風溫度)。ASME PTC4給出的進口煙氣質量流量和X比偏離設計值的修正方法都需要空氣預熱器制造商提供修正曲線，在中國特別是工業(yè)鍋爐使用的空氣預熱器幾乎都沒有修正曲線，因此很難進行修正。GB/T 10184和GB/T 10180沒有提及這2項修正。

(6) 磨煤機調溫風量的修正。

ASME PTC4分別給出了未裝一次風空氣預熱器機組和裝一次風空氣預熱器機組的磨煤機調溫風量修正方法。未裝一次風空氣預熱器的機組需要與進口煙氣溫度質量流量、X比一起修正，裝一次風空氣預熱器的機組修正方法可以利用公式直接計算。GB/T 10184和GB/T 10180沒有這些修正方法。

(7) 燃料修正。

ASME PTC4和GB/T 10184規(guī)定將燃料的元素分析值及低位發(fā)熱量設計值替代所有熱損失計算公式中的分析值，即可求得修正后的熱損失值。GB/T 10180未提及燃料修正[6]。

(8) 脫硫劑質量流量修正。

ASME PTC4采用協(xié)商達成的Ca/S摩爾比和脫硫率來進行燃燒和熱效率的修正計算。采用該Ca/S摩爾比、連同標準或合同規(guī)定的燃料分析數(shù)據(jù)，計算修正的脫硫劑質量流量。GB/T 10184 和GB/T 10180未對此項修正進行規(guī)定。

(9) 灰渣修正。

ASME PTC4對灰渣中的未燃盡碳使用式(12)進行修正，其中認為未燃盡碳引起的熱損失保持不變。公式的原理和假設未燃盡碳引起的熱損失保持不變的規(guī)定令人費解，關于此項修正對熱效率的影響沒有詳細的說明。

(12)

式中：wpCRsd為灰渣(若有脫硫灰渣，則包括脫硫灰渣)中未燃盡碳質量分數(shù)，修正到標準或設計燃料灰分質量分數(shù)，%；wsd為標準或設計燃料中灰分質量分數(shù)，%；MFrSsbd為脫硫灰渣的質量份額(修正工況)；QpLUbC為試驗工況下未燃盡碳引起的熱損失，%；HHVd為標準或設計燃料的高位發(fā)熱量，kJ/kg。

(10) 其他修正。

ASME PTC4的修正還包括過量空氣率、其他進入系統(tǒng)的物流、表面輻射和對流損失等。ASME PTC4中并未闡述如果不進行修正對試驗結果的影響，應闡述這些修正項目對熱效率的影響。

2.5 試驗結果不確定度分析的對比

ASME PTC4的不確定度分析包括試驗前的不確定度分析和試驗結果的不確定度評定。試驗前的不確定度分析可以幫助確定試驗方法、協(xié)議項目、儀器儀表選用、取樣和分析等。試驗結果的不確定度有助于了解試驗的測試水平。

3 結 論

(1) 中國標準GB/T 10180和GB/T 10184的過量空氣系數(shù)α和美國標準ASME PTC4的過量空氣率XpA不同，兩者的關系為XpA=(α-1)×100%。建議雙方標準同時規(guī)定過量空氣率和過量空氣系數(shù)(或化學計量比)的定義。

(2) GB/T 10180對于同時采用正平衡法和反平衡法的鍋爐，其熱效率為正、反平衡法測試結果平均值，處理方法不當，建議修訂該計算方法；建議GB/T 10180采用輸入能量為熱效率計算基準，進一步明確進口煙氣溫度偏離設計值的修正方法，增加燃料修正方法、脫硫劑質量流量修正方法和試驗結果的不確定度分析。

(3) 建議GB/T 10184進一步明確進口煙氣溫度偏離設計值的修正方法，增加脫硫劑質量流量修正方法和試驗結果的不確定度分析。

(4) 建議ASME PTC4補充對無空氣預熱器的工業(yè)鍋爐修正方法及熱水鍋爐性能測試方法的說明，給出工業(yè)鍋爐蒸發(fā)量的修正方法，增加試驗結果修正對不確定度的影響描述。