空气预热器漏风率变化对锅炉效率的修正计算.pdf

化工机械 2 0 1 4 年 空气预热器漏风率变化对锅炉效率的修正计算4 王艳红”李勇刘洪宪卢洪波沙 鹏 ( 东北电力大学能源动力工程学院) 摘要通过建立空气预热器漏风物理模型并对其进行合理简化，采用热平衡方程对空气预热器运行 中漏风换热机理进行分析，推导出空气预热器漏风率偏离基准值对排烟温度和过量空气系数的修正计 算公式，并提出采用微分偏差分析法进行漏风率变化对锅炉效率的修正计算。最后，以某电厂一台 10 2 5 h 锅炉进行两个不同试验工况下锅炉效率的修正计算，结果表明，锅炉效率随着空气预热器漏风 率的增大而增大，当分析空气预热器漏风率变化对锅炉效率的影响和锅炉效率的修正计算时，必须考虑 漏风率变化对排烟温度的影响，才能得到锅炉真实的排烟温度和准确反映出空气预热器漏风率对锅炉 运行经济性的影响。 关键词空气预热器锅炉效率漏风率修正计算 中图分类号 T Q 0 5 1 5 文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 _ 6 0 9 4 ( 2 0 1 4 ) 0 5 _ 0 6 0 6 m 6 空气预热器漏风率是衡量空气预热器设计和 运行经济性能完善程度的一项重要指标。电站锅 炉空气预热器的漏风不仅影响锅炉空气预热器出 口排烟温度，还会使锅炉空气预热器出口过量空 气系数增加，进而影响锅炉效率。此外，在锅炉机 组大修前、后的热效率试验和锅炉新机组的性能 验收试验中，都需将锅炉效率试验条件修正到设 计保证条件下，以便与设计条件下的锅炉热效率 进行对比，来考察锅炉机组的设计和运行性能。 因此研究空气预热器漏风率变化对锅炉排烟温 度、锅炉出口过量空气系数及锅炉效率的影响和 修正计算对于目前火电机组节能潜力的挖掘具有 重要意义。 文献 1 给出了过量空气系数的计算公式和 空气预热器漏风率的经验计算公式，并在锅炉效 率修正计算部分给出了锅炉运行条件偏离设计保 证值的排烟温度修正计算公式，但在修正计算部 分并没有提及漏风率变化对排烟温度、过量空气 系数和锅炉效率的修正计算。文献 2 对空气预 热器改造前、后的锅炉效率进行了计算，并论述了 空气预热器改造前后漏风率变化对锅炉效率的影 响。文献 3 通过建立焓增模型分析了漏风率变 化对锅炉机组效率的影响，并定量分析了空气预 热器热端漏风变化对锅炉机组效率的影响程度， 但没有给出漏风率变化对锅炉效率的影响机理。 文献 4 、5 分别从空气预热器热端漏风和冷端漏 风两方面分析了其对锅炉效率的影响，但给出的 漏风率变化对排烟温度的影响计算只是基于经验 公式。此外，认为空气预热器漏风率变化只是影 响锅炉排烟热损失，而忽略对其他几项热损失的 影响，事实上空气预热器漏风率的变化除了影响 锅炉排烟热损失外，还影响气体未完全燃烧热损 失和灰渣物理热损失。综合现有空气预热器漏风 率变化对锅炉效率的影响计算方法，存在的问题 都是没有给出漏风率变化对锅炉排烟温度、过量 空气系数及锅炉各项热损失的影响机理和修正计 算公式，因此不便于定量分析漏风率变化对锅炉 排烟温度、过量空气系数和锅炉效率的影响。 基于此，笔者对空气预热器实际运行中漏风 对锅炉排烟温度的影响机理进行了分析，在此基 + 吉林省科技发展计划重点项目( 2 0 1 1 0 4 0 9 ) 和吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目( 吉教科合字 2 0 1 2 第 9 3 号) 。 料王艳红，男，1 9 8 5 年1 2 月生，助教。吉林省吉林市，1 3 2 0 1 2 。 万方数据 第4 1 卷第5 期化工机械 6 0 7 础上推导出了空气预热器漏风率变化对锅炉排烟 温度和过量空气系数的修正计算公式，并基于微 分偏差法进一步分析了漏风率变化对锅炉效率的 影响，从而明确了空气预热器漏风对锅炉效率的 影响机理，给出了定量分析空气预热器漏风率变 化对锅炉效率影响的计算方法。 1 空气预热器漏风率变化对锅炉效率的影响 空气预热器的漏风通过影响空气预热器出口 过量空气系数和锅炉排烟温度来影响锅炉效率。 由于G B1 0 1 8 4 8 8 规定锅炉系统出口边界为空气 预热器出口界面，故锅炉效率的计算须依据空气 预热器出口过量空气系数和排烟温度两个参数。 因此，空气预热器漏风率变化对锅炉效率的影响 和修正计算应首先从漏风率变化对锅炉排烟温度 和过量空气系数的影响和修正计算着手。 1 1 对排烟温度的修正 大容量锅炉机组普遍采用回转式空气预热 器，由于其烟气侧受引风机的抽吸作用，烟气侧的 压力处于微负压状态；而其空气侧受送风机的影 响，压力远高于烟气侧，所以在回转式空气预热器 中，空气不可避免的会漏人烟气侧。通常在空气 预热器动静间隙相同的条件下，由于空气预热器 冷端空气与烟气处的压力差和空气密度远大于空 气预热器热端，因此，冷端处的漏风量要远高于热 端处的漏风量，故在忽略其他部位漏风的情况下， 认为空气预热器的漏风只发生在冷端”。 由于空气预热器冷端漏风只是单纯的冷却烟 气，没有参与换热，故漏风冷却机理可理解为：漏 风从压力高的空气测漏到压力低的烟气侧，使烟 气侧总的烟气量增加，同时锅炉排烟温度被漏入 的冷空气冷却，使空气预热器排烟温度降低0 | ， 该换热过程可表示为： ( mo u l m 。) c l L ( 日p y f 。) = m 。c ，q ( 口p ，( 。I ) 一日P y )( 1 ) 式中c ，。空气从。到口。，之间的平均定压比 热，k J ( k g ) ； c ，。烟气从9 ，到日p y ( 。) 之间的平均定压 比热，k J ( k g ) ； m i 。空气预热器进口烟气量，k g k g ； m m n 空气预热器出口烟气量，k g k g ； 。空气预热器进口冷风温度，； p 。，空气预热器出口实测排烟温度，； 臼p v ( 。广一空气预热器假设无漏风下的排烟温 度，。 对式( 1 ) 求解口州w 1 ) 并整理得： ，= 志 ( 。) q ， ( 2 ) 其中： A ：坠1 二坠1 0 0( 3 ) “ m j n 式中A 。空气预热器运行中的漏风率，。 在运行中，当空气预热器漏风率发生变化后， 空气冷却烟气的强度发生变化，排烟温度也会随 着发生改变，因此当空气预热器漏风率偏离基准 值或设计保证值时，需对空气预热器排烟温度进 行修正计算。而仅有漏风率发生变化时，空气预 热器的换热过程如图1 所示。 m 运行工况b 设计工况 图l漏风率变化对排烟温度影响示意图 在空气预热器的进口烟温、进口空气温度不 变的情况下，可做一假想空气预热器出口排烟截 面( 图1 中虚线所示) ，此截面上基准工况或设计 保证工况和实际运行工况具有相同的空气预热器 出口排烟温度( 为无漏风排烟温度) ，二者不同的 是由于空气预热器冷端漏风量的不同，导致空气 预热器真实出口截面排烟温度发生了变化，即漏 风率由A 。变为A 。后，相应空气预热器排烟温度 由一，变为日此时空气预热器出口无漏风排烟 温度可表示为： ) 卅p y + 志芝P y - u ( 4 ) 式中A 。设计保证漏风率，； c 。空气从。到p ，之间的平均定压比 热，k J ( k g ) ； c ，。烟气从9 ，到p p y ( w 1 ) 之间的平均定 压比热，k J ( k g ) ； p7 。- 一对应漏风率A 。下的排烟温度，。 由于比热容变化较小，可忽略烟气和空气比 热差异，近似取： 赢4 斌“ ( 5 ) 1 0 0 c y q1 0 0 c y q 、 万方数据 6 0 8化工机械 2 0 1 4 年 结合式( 2 ) 、( 4 ) ，经推导变形整理得： 吒，= 业生等半( 6 ) 式( 6 ) 即为考虑空气预热器漏风率变化的空 气预热器排烟温度修正公式，且设A 。一A 。= A 。 该公式也可表示为： 口，：口，+ p ，。岫= 口，+ ! ! 垒兰裂( 7 ) 式中日p y ( 1 f ) 空气预热器漏风率变化引起的 排烟温度变化量，。 至此，G B1 0 1 8 4 8 8 排烟温度的修正公式可 表示为： 日p y = 口P y + 口P y ( 1 f ) + 口P y ( k q ) + 一P y ( g 。) ( 8 ) 式中 日p y ( k q ) 空气进口空气温度变化引起 的排烟温度变化量，； 日p y ( 刚给水温度变化引起的排烟温 度变化量，。 1 2 对过量空气系数的修正 依据锅炉性能试验标准( G B1 0 1 8 4 - 8 8 ) ，空 气预热器漏风率为： A ：掣9 0( 9 ) 式中9 0 过量空气系数和漏风率之间经验 转换系数； d 空气预热器烟气进口过量空气系 数； d ”空气预热器烟气出口过量空气系 数。 设： a2 齐瓷 1 0 ) 式中K 。锅炉烟道干烟气中氧气所占体积 百分数，； a 烟道中任意截面过量空气系数。 则式( 9 ) 可变形为： a ”刊+ 等 ) 在空气预热器烟气进口过量空气系数不变的 情况下，对于设计保证漏风率条件下的空气预热 器烟气出口过量空气系数可表示为： a ”。刊+ 等 ) 式中仅”。设计保证条件下的空气预热器烟 气出口过量空气系数。 修正到设计保证漏风率或基准条件下的空气 预热器烟气出口过量空气系数为： a ”。副+ 等副一等 ( 1 3 ) 2空气预热器漏风率变化对锅炉效率的修正 2 1G B1 0 1 8 4 8 8 锅炉效率的计算 由于正平衡法需要测量燃煤消耗量，而目前 燃煤消耗量的测量精度较低，使正平衡法计算的 锅炉效率误差较大，加之反平衡法锅炉效率计算 精度高，且利于分析和诊断引起锅炉效率下降的 原因部位，故大容量锅炉效率的计算一般都采用 反平衡法 1 2 1 ，G B1 0 1 8 4 8 8 反平衡锅炉热效率 计算可表示为： 竹：1 - 螋生堡些( 1 4 ) 仉2l 一万一 Ll q ， 式中Q ：单位质量燃料的排烟热损失量， k J k g ； Q ，单位质量燃料的可燃气体未完全 燃烧热损失量，k J k g ； Q 。单位质量燃料的固体不完全燃烧 热损失量，k J k g ； Q ，单位质量燃料的锅炉散热损失量， k J k g ； Q 6 _ 单位质量燃料的灰渣物理显热损 失量，k J k g ； Q ，锅炉输入热量，k J k g ； 田。锅炉效率。 2 2 漏风率变化对锅炉效率的修正计算 2 2 1 修正计算原理 文献 1 3 提出了微分偏差分析方法，即采用 一阶泰勒公式求出当锅炉机组运行各参数偏离基 准值时引起锅炉各项热损失的变化量，进而求出 锅炉效率的变化量。故笔者将微分偏差分析方法 引入到空气预热器漏风率变化对锅炉效率的影响 修正计算中，选定某一运行参数为基准参数。并 假定其他影响锅炉效率的各运行参数不变，此时 锅炉效率仅是空气预热器漏风率的函数，或仅是 锅炉排烟温度和空气预热器烟气出口过量空气系 数的函数。当空气预热器漏风率或空气预热器出 口排烟温度和出口过量空气系数均处于基准参数 时，锅炉效率可表示为： 叼。= 以A 。) = ，( 口。，a ”) ( 1 5 ) 当空气预热器漏风率偏离基准参数时，锅炉 效率可表示为： 万方数据 第4 1 卷第5 期化工机械6 0 9 叼。= 以A 。) = ，( 目。，d ”。) ( 1 6 ) 式中 1 偏离基准漏风率的相应参数。 当空气预热器漏风率偏离基准值时，锅炉效 率的变化量可表示为： 叩b = 以p ”l ，Q ”I ) 一以pP y l 一p ，d ”一a ”) ( 1 7 ) 由泰勒公式得： 瓴= 器k 矿器卜a ”虮， 即： 1 7 “= ( ，7 b ) 一，。+ ( 町- ) 。一A 一。 ( 1 9 ) 对应基准参数下的锅炉效率为： 仇：叼b 一叼。 ( 2 0 ) 式中 2 2 2 漏风率变化对锅炉效率的修正 空气预热器漏风率偏离基准值引起锅炉效率 的偏差分量为： c 慨k = 瓮“= 舞鲁地+ 等筹峨 ( 2 1 ) 2 2 2 1 漏风率变化引起排烟温度变化进而导 致锅炉效率的变化量 在锅炉效率计算中，由于受锅炉排烟温度影 响的热损失为Q ：和Q 。，故漏风率变化引起排烟 温度进而导致锅炉效率的变化量为： ( _ 卅L ) - 薏鲁A L = c 薏器鲁+ 杀薏鲁。 、a Q 2a 口P ya ALa Q 6a 疗p ya A L 一、 ( 2 2 ) 排烟热损失Q ：为： Q ：= ( y 。，c ；，+ 矿n ：o c 一：o ) ( p 。) ( 2 3 ) 式中 c 啪水蒸气从到口。，温度间的平均定 压比热，k J ( m 3 K ) ； c 。，干烟气从到口，的平均定压比 热，k J ( m 3 K ) ； 矿。，。烟气中所含水蒸气容积，m 3 m 3 ； 以，单位质量燃料产生的干烟气体 积，m 3 k g 。 其中： y 。= ( ) 。+ ( a ”一1 ) ( 睚t ) 。 ( 2 4 ) 。“2 4 ( “2 9 3 a ( 2 5 ) d 。空气绝对湿度，k g k g ； 日。燃料收到基氢含量百分率，； 肼。- 一燃料收到基水分含量百分率，； ( 圪，) 。按收到基燃料成分由实际燃烧掉 的碳计算的理论燃烧干烟气量， m 3 k g ； ( 睚。) 。按收到基燃料成分由实际烧掉的 碳计算的理论燃烧干空气量， m 3 k g 。 忽略排烟温度变化所引起干烟气和水蒸气定 压比热的变化，结合式( 1 4 ) 和式( 2 3 ) 可得空气预 热器漏风率变化通过引起排烟热损失变化进而引 起锅炉效率变化量为： a 吼a Q 2a 日p y = 一 a Q 2a 口，叫L 匕，c 。+ y w ：o c w ：。嘿， ( 2 6 ) 结合式( 2 ) 和式( 5 ) 变形得： = 背 ( 2 7 ) 将式( 2 7 ) 对漏风率求导并带人式( 2 6 ) 得： 薏薏鲁一堡学型旦号与等严 c 2 s ， 卜X 一 二o a Q 2a 口p ，d A L Q ， ( K A I + 1 ) 2 、。 忽略沉降灰，灰渣物理热损失Q 。为： 阽急c 等+ 訾， 式中 理。：炉渣中纯灰量占燃煤总灰量的份 额，； a 伍随烟气排出飞灰纯灰量占燃煤总 灰量的份额，； A 。，燃料收到基灰分含量百分率，； c f h 飞灰比热，k J ( k g ) ； c ；l l 飞灰中含碳量，； c 。炉渣比热，k J ( k g ) ； cc z 炉渣中含碳量，； t 。排出炉渣温度，。 结合式( 1 4 ) 、( 2 7 ) 和式( 2 9 ) 可得空气预热器 漏风率变化通过引起灰渣物理热损失变化引起锅 炉效率的变化量为： 万方数据 6 1 0化工机械 2 0 1 4 年 塑盟监：一尘竺型竺! ! ! 竺! ! 二茎监! ! 止：竺! 型( 3 0 ) 一= 一一 、J u ， a Q 6a 日，a A L 1 0 0 Q ，( 1 0 0 c ；1 ) ( 碰L + 1 ) 2 2 2 2 2 漏风率变化引起过量空气系数变化进数影响的热损失为Q ：和Q ，故漏风率变化引起 而导致锅炉效率的变化量过量空气系数变化进而导致锅炉效率的变化量 在锅炉效率计算中，由于受锅炉过量空气系为： c 岘k ，= 甏地= c 器c 薏警甏+ 羌等甏，+ 器蓑等甏。 c s ， 结合式( 1 1 ) 、( 1 4 ) 、( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可得漏风 率变化引起过量空气系数变化进而使干烟气量发 生变化，并最终导致锅炉效率的变化量为： 器袭等甏= 一监与静型，a Q 2a y 。，a d ”a A L9 0 Q ， 、。 7 同理，结合式( 1 1 ) 、( 1 4 ) 、( 2 3 ) 和式( 2 5 ) 可 得漏风率变化引起过量空气系数变化进而使水蒸 气量发生变化，并最终导致锅炉效率的变化量为： a 叼ba Q 2a y n 2 0a d ”o 0 1 7 8 c H 2 0 ( 日，。) d k ( 吒) a Q 2d y H l 0a a ”a A LQ ， ( 3 3 ) 气体未完全燃烧热损失Q ，为： Q ，= k 1 2 6 3 6 ( 3 4 ) 式中K 。空气预热器出口干烟气一氧化碳 百分含量，。 结合式( 1 1 ) 、( 1 4 ) 、( 2 4 ) 和式( 3 4 ) 可得过量 空气系数变化引起气体未完全燃烧热损失变化进 而导致锅炉效率的变化量为： 器瓮等甏= 一坐掣，a Q 3a ka a ”a A LQ ， 、7 3 修正计算实例 以某电厂3 0 0 M w 机组配套10 2 5 L h 锅炉为 例，选取两个不同工况下锅炉机组的试验数据，进 行了锅炉空气预热器漏风率偏离基准值对锅炉排 烟温度、过量空气系数和锅炉效率的修正计算，结 果见表1 。 表1空气预热器漏风率变化对排烟温度、过量空气系数和锅炉效率的修正计算 注：括号内为工况二的结果。 由表1 可知，随着空气预热器漏风率的增大， 锅炉排烟温度、锅炉出口过量空气系数和锅炉效 率的变化也在增大。当空气预热器漏风率增大 时，锅炉排烟温度在逐渐减少，空气预热器出口过 量空气系数在增大，由于过量空气系数和排烟温 度对锅炉效率的影响呈反作用，且相对过量空气 系数而言，排烟温度对锅炉效率的影响程度要大， 这样最终使得锅炉效率随空气预热器漏风率的增 大而增大。同时由表l 也可看出，如果不考虑漏 风率变化对排烟温度的影响，仅考虑漏风率变化 导致过量空气系数变化对锅炉效率的影响时，显 然锅炉效率随着空气预热器漏风率的增大而减 少，这也是人们对空气预热器漏风率增大对锅炉 效率影响的常规认识，但这种认识是建立在没有 考虑漏风率变化对排烟温度影响基础上的，由此 可知，在锅炉实际运行当中，分析空气预热器漏风 率变化对锅炉效率的影响时，必须考虑漏风率变 化对排烟温度的影响，并且，在锅炉效率试验和锅 炉性能验收试验的锅炉效率修正计算中，也应当 考虑漏风率偏离设计保证值对锅炉排烟温度和过 万方数据 第4 1 卷第5 期化工机械6 l l 量空气系数的影响，并进行相应锅炉效率的修正 计算，此时得到的锅炉效率值才更真实，设计值才 更具有可比性。 4结论 4 1 通过空气预热器漏风率变化偏离基准值对 锅炉效率的修正计算表明，当计及空气预热器漏 风率变化对锅炉排烟温度的影响时，锅炉效率随 空气预热器漏风率的增大而增大。 4 2 在分析空气预热器漏风率变化对锅炉效率 的影响时，必须考虑漏风率变化对锅炉排烟温度 的影响，在锅炉效率试验和锅炉性能验收试验的 锅炉效率修正计算中也必须考虑漏风率变化对锅 炉效率的影响，由此得到的锅炉效率值才能更加 真实反映锅炉的实际运行经济性能。 4 3 提出的空气预热器漏风率变化对锅炉排烟 温度、过量空气系数及锅炉效率的修正计算方法 为定量分析空气预热器漏风率变化对锅炉效率的 影响及准确评价锅炉机组的运行经济性能提供了 一种有效的方法，也进一步促进了当前锅炉机组 节能潜力的有效挖掘。 参考文献 1 G B1 0 1 8 4 - 8 8 ，电站锅炉性能试验规程 s 北京：中 国电力出版社，1 9 8 8 2 施青丽预热器漏风及其对锅炉效率的影响 J 、青 海电力，2 0 0 2 ，2 3 ( 3 ) ：l l 一1 3 3 李海峰，王力光H G - 2 2 0 1 0 0 Y M l o 型锅炉漏风系 数变化对机组热经济性的影响 J 黑龙江电力， 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 1 3 2 0 0 6 ，2 8 ( 4 ) ：1 1 1 3 王洪跃，毕小龙，司风琪，等回转式空气预热器风 烟焓增模型及其效率分析 J 热能动力工程， 2 0 0 6 ，2 1 ( 5 ) ：4 5 5 4 8 8 高建强，唐树芳，刘宪岭，等空气预热器不同部位 漏风对锅炉效率的影响 J 电力科学与工程， 2 0 1 l ，2 7 ( 6 ) ：4 7 4 9 A S M EP T C 4 2 0 0 8 F i r e dS t e a mG e n e r a t o 璐P e r f o 珊- a n c eT e s tC o d e s N e wY o r k ：T h eA m e r i c a ns o c i e t y o fM e c h n i c a lE n g i n e e r s ，2 0 0 8 郑浦水，赵振宁锅炉进风温度修正计算方法的研 究 J 江苏电机工程，2 0 1 2 ，3 1 ( 1 ) ：1 6 2 0 赵振宁，张清峰，赵振宙电站锅炉性能试验原理方 法及计算 M 北京：中国电力出版社，2 0 1 0 ：1 7 3 1 7 7 张晓梅燃煤锅炉机组 M 北京：中国电力出版 社2 0 0 5 ：2 6 4 2 7 0 廖宏楷，王力电站锅炉试验 M 北京：中国电力 出版社，2 0 0 7 ：1 6 9 1 7 7 栾忠兴，王艳红A S M EP r I c 4 1 9 9 8 标准基于燃料 高位和低位发热量计算结果之间的关系分析 J 东北电力大学学报，2 0 1 2 ，3 2 ( 2 ) ：5 8 6 3 王艳红，李勇基于G B l 0 1 8 4 8 8 的A S M EP T C4 - 1 9 9 8 煤粉锅炉热效率的简化算法 J 锅炉技术， 2 0 1 3 ，4 4 ( 3 ) ：8 1 0 李勇，王艳红，张炳文基于不同标准的锅炉热效 率及发电标准煤耗率修正方法 J 动力工程学 报，2 0 1 2 ，3 2 ( 4 ) ：2 7 4 2 8 0 ( 收稿日期：2 0 1 4 _ 0 l 一2 3 ，修回日期：2 0 1 4 旬3 一0 3 ) C O r r e c t i O nC a l C u I a t i O nO fA I rP r e - h e a t e r SA I rL e a k a g e R a t eE 仟e C tO nB O i l e rE 仟i C i e n C V W A N G Y a n h o n g ，L IY o n g ，L I UH o n g x i a n ，L UH o n g - b o ，S H AP e n g ( s c o o f 矿E n e r g ) ，o n dP o 埘e rE n g i 乃e e r i n g ，J 7 、r o n e 豇D i 口n 缸u n 而e 巧i 咿，五z m1 3 2 0 1 2 ，c i n 口) A b s t r a c tT h es i m p l i f i e da i r l e a k a g em o d e lf o ra i rp r e h e a t e rw a se s t a b l i s h e d ；a n dm a k i n gu s eo ft h eh e a t b a l a n c ee q u a t i o n ，t h el e a k a g eh e a tt r a n s f b rm e c h a n i s mw a sa n a l y z e dt op r e s e n tad i f f e r e n t i a ld e v i a t i o na n a l y s i s m e t h o df o rt h eb o i l e re m c i e n c yc a l c u l a t i o na n