ASMEPTC4_1998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

1、文章编号: 1005 2992( 2012) 02 0058 06ASME PTC4-1998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 栾 忠 兴1 ，王 艳 红2( 1 大港油田滨海热电厂，天津 300280; 2 东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)摘要: 目前我们国家在进行电站锅炉性能试验或性能考核试验时，大多数都采用美国标准 ASME进行性能试验并要求采用燃料低位发热量计算锅炉热效率，而 ASME 标准则要求采用燃料高位发热量计算锅炉热效率，这样就有了高低位热效率的区分。所以，为了准确把握锅炉性能，必须准确掌握目前 锅炉热效率的计算方法，本文首先论述

2、了最新标准 ASME PTC4-1998 标准锅炉热效率的计算方法，进而 分析了该标准高低位热效率在计算中的差异，其区别主要在于燃料中水分热损失和燃料中氢燃烧生成 水分热损失，最后推导出该标准高低位热效率及各项热损失以及外来热量之间的转换公式，并用计算实 例表明该转换公式具有较高的精确度。从而为锅炉技术人员准确把握锅炉性能提供一定的指导。关 键 词: ASME PTC4-1998; 锅炉热效率; 转换公式中图分类号: TK 212 + 4文献标识码: A近年来，随着电力工业的发展我们国家进出口机组的数量不断增多，且大多数进口机组给出的保证值及各项设计指标都是基于高位发热量，而我们国内不论是在锅

3、炉效率试验或其性能考核试验通常都 习惯用基于低位发热量下的锅炉效率值及各项指标去衡量锅炉的性能，此外大量出口的国产机组其锅 炉效率的保证值也是基于低位发热量，而性能试验则要求采用 ASME 标准进行。因此，高低位热效率的 转换就常常成为我们所关注的问题。目前锅炉性能试验或性能考核试验大都依据国际通用标准 ASME 进行，而锅炉性能试验规程 ASME PTC4-19981标准是继 ASME PTC4 1-1964 版后的最新版本，并在其基础之上作了较大的改进， 所以它与 ASME PTC4 1-1964 标准在锅炉效率的定义、基准温度的选取、物质流的焓值的计算以及其它 诸多细节方面都不大相同，使

4、得 ASME PTC4-1998 标准在各项热损失和外来热量的计算原理、过程、及 计算方法公式上都和 ASME PTC4 1-1964 标准存有较大的差异，致使目前国内一些文献和资料所提到 的基于 ASME PTC4 1-1964 标准的锅炉高低位热效率及相应各项热损失之间的转换公式2 3 对于 ASME PTC4-1998 标准已经不再适用。而 ASME PTC4-1998 标准也没有给出高低位热效率及相应各项损失之间的转换公式，因此基于ASME PTC4-1998 标准下的高低位热效率及各项损失之间的关系还有待我们去研究和探讨。ASME PTC4-1998 标准锅炉效率的计算模型1ASME

5、 PTC4-1998 标准在采用反平衡法计算锅炉效率时，首选燃料效率来表示锅炉热效率，即在计算锅炉效率时，把各项损失和外来热量都表示成燃料输入热量的函数，即收稿日期: 2011 12 04作者简介: 栾忠兴( 1962 ) ，男，辽宁省营口市人，大港油田滨海热电厂工程师，主要研究方向: 火电厂运行与技术参理工作59第 2 期栾忠兴等: ASME PTC4-1998 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QrOEF = 100，( 1)HHVF其中:QrO = HHVF QrL + QrB ，( 2)式中: EF 为燃料效率，% ; QrO 为有效输出能量，kJ / kg; QrL

6、为热损失之和，kJ / kg; QrB 为外来热量之和，kJ / kg; HHVF 为燃料的输入能量即燃料高位发热量，kJ / kg。将式( 2) 带入式( 1) 得:EF = 100 L + B ，( 3)其中:QrLL = 100，HHVFQrB，B = 100HHVF用燃料输入热量( 高位热值) 表示的各项损失之和也大致可以包括九项热损失，即L = L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6 + L7 + L8 + L9 ，( 4)式中: L1 为干烟气热损失，% ; L2 为燃料收到基中全水分而造成热损失，% ; L3 为燃料中收到基氢燃烧生成水而造成的热损失，% ; L4

7、 为空气中水分引起的热损失，% ; L5 为灰渣中未燃碳造成的热损失，% ; L6 为烟气中 CO 引起的热损失，% ; L7 为灰渣显热引起的热损失，% ; L8 为锅炉表面辐射与对流引起的热损 失，% ; L9 为其它各项不可测热损失之和，% 。干烟气热损失为WG HG 100 ，( 5)L1 =HHVF式中: WG 为空气预热器进口干烟气量，kg / kg; HG 为修正到排烟温度下干烟气焓，kJ / kg。燃料收到基中全水分而造成热损失为Wf ( Hst I1 ) 100 ，( 6)L2 =HHVF式中: Wf 为燃料收到基全水分量，kg / kg。Hst 为修正到排烟温度下蒸汽焓(

8、该焓值以 0 作为基准，含水的汽化潜热) ，kJ / kg; I1 为基准温度( 25 ) 下的饱和水焓。燃料中收到基氢燃烧生成水而造成的热损失为WH ( Hst I1 )L3 = 100 ，( 7)HHVF式中: WH 为燃料收到基氢燃烧生成的水分量，kg / kg。空气中水分引起的热损失为WA HWvL4 = 100 ，( 8)HHVF式中: WA 为干空气所带进锅炉的水分量( 空气预热器进口) ，kg / kg; HWv 为修正排烟温度下水蒸气焓( 该焓值基准温度为 25 ，即基准焓值为 0 不出现在损失表达式中) 。灰渣中未燃碳造成的热损失为HHVCRsHHVFL5 = Wd，( 9)

9、式中: Wd 为燃料中未燃尽碳，% ; HHVCRs 为灰渣中碳的发热量，kJ / kg。烟气中 CO 引起的热损失为Dco M0 28 01 10 111，( 10)L6 =HHVF60东北电力大学学报第 32 卷式中: Dco 为空气预热器出口 CO 测量值，% ; M0 为空气预热器出口干烟气摩尔数，mol / kg; 28 01 为 CO 的摩尔质量，kg / mol; 10 111 为 CO 的高位发热量，kJ / kg。灰渣显热引起的热损失为rf Wpe Hf + rb Wpe Hb，( 11)L7 =HHVF式中: Wpe 为灰渣质量，kg / kg; rf 为飞灰比例，% ;

10、rb 为炉渣比例，% ; Hf 为飞灰焓，kJ / kg; Hb 为炉渣焓，kJ / kg。4由于锅炉表面辐射与对流引起的热损失 L8 和不可测热损失之和 L9 的实际可操作性差及繁琐性，在工程实际中一般按设计选取或事先协商确定，所以这两项损失的计算方法这里不作介绍，本文的计算实例也按设计取值。其对公式转换的推导无影响。而对于锅炉效率计算常用燃料输入热量( 高位热值) 表示外来热量之和，其中 B 可包括三项，即B = B1 + B2 + B3 ，( 12)其中: B1 为进入系统的干空气所携带的外来热量，% ; B2 为空气中水分携带的外来热量，% ; B3 为燃料显热携带的外来热量，% 。进

11、入系统的干空气所携带的外来热量为WmA HDAT 100 ，( 13)B1 =HHVF式中: WmA 为进入锅炉系统的干空气量( 基于空气预热器进口) ，kg / kg; HDAT 为进入锅炉平均空气温度的干空气焓，kJ / kg。空气中水分携带的外来热量为WA HWvT 100 ，( 14)B2 =HHVF式中: HWvT 为进入锅炉平均空气温度下的水蒸气焓，kJ / kg。燃料显热携带的外来热量为HFEnB3 = HHVF 100 ，式中: HFEn 为燃料温度对应的燃料焓，kJ / kg。( 15)高低位热效率计算方法的差异2采用高位发热量计算锅炉热效率时，由于高位发热量包括了燃烧产物中

12、全部水蒸气凝结成水所放出的汽化潜热，热损失计算中应该考虑燃料收到基中全水分和燃料中收到基氢燃烧生成水分的汽化潜 热5，即Wf ( Hst I1 ) 100 ，( 16)L2 =HHVFWH ( Hst I1 )L3 = 100 ( 17)HHVF而在按燃料低位发热量计算锅炉热效率时，在热损失中不考虑燃料收到基中全水分和燃料中收到基氢燃烧生成水分的汽化潜热5。故在采用 ASME PTC4-1998 标准且利用低位发热量来计算锅炉效率 时，可以直接用低位发热量替代高位发热量，在计算燃料收到基全水分和燃料收到基氢燃烧生成水分的 热损失时，饱和水焓应换成同温度下的饱和蒸汽焓( 不再将燃料中形成水分的汽

13、化潜热作为热损失衡 量) ，即Wf ( Hst I2 )L2L= 100 ，( 18)LHVF61第 2 期栾忠兴等: ASME PTC4-1998 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WH ( Hst I2 )( 19)L3L= 100 LHVF式中: L2L 为基于低位发热量的燃料收到基中全水分而造成热损失，% ; L3L 为基于低位发热量的燃料中收到基氢燃烧生成水而造成的热损失，% ; LHVF 为燃料的低位发热量，kJ / kg; I2 为基准温度下的饱和蒸 汽焓，kJ / kg。其余各项热损失的计算与采用高位发热量时的计算方法相同，只是将原高位发热量替换为低位发热量即可

14、。采用高低位燃料发热值计算出的各项热损失之间的换算3采用高位热值和低位热值计算锅炉热效率是除了上面 2 所述的差异外，其余所用数据和计算公式及方法都一样，且由于采用高低位热值计算的热效率在计算结果上的主要区别在于燃料收到基中全水 分热损失和燃料中收到基氢燃烧生成水分的热损失，且这两项损失和其它损失的计算形式稍有差异，故 这两项热损失和其他热损失我们将分开进行论述，又由于这两项损失在计算形式上相同，且这两项高低 位损失之间的转换公式的形式也相同，所以在推导转换公式时我们合并一起进行论述。由式( 16) 和式( 18) 可得:L2 HHVF + 100Wf I1 = L2L LHVF 100Wf

15、I2 ，经过简单变形，并取I = I2 I1 ，得出:L2 HHVF 100 Wf IL2L=，( 20)LHVF式中: I 为基准温度下的的汽化潜热，kJ / kg。同理，对于燃料中收到基氢燃烧生成水而造成的热损失，采用基于低位发热量计算后，得出:L3 HHVF 100 WH IL3L=( 21)LHVF上式( 20) 即是用高位热值计算的燃料收到基中全水分热损失向采用低位热值计算的燃料收到基中全水分热损失之间的转换公式，式( 21) 即是燃料收到基氢燃烧生成水分高低位热损失之间的转换公 式。下面我们再讨论除燃料收到基全水分热损失和燃料收到基氢燃烧生成水分热损失以外的其它几项 热损失。由于除

16、了燃料收到基全水分热损失和燃料收到基氢燃烧生成水分热损失外其余都是在采用高位热 值的地方用低位热值进行替代，所以其余几项热损失推导形式是一样的，我们选损失之一干烟气热损失 为例，其它几项热损失推导思路和公式的转换形式类似。对于干烟气高低位热损失可表示如下:WG HG 100L1 =，( 22)HHVFWG HG 100，( 23)L1L=LHVF式中: L1L 为干烟气低位热损失，% 。对上式( 22) 变形得出:WG HG 100 = L1 HHVF ，将式( 24) 代入式( 23) 得出:( 24)62东北电力大学学报第 32 卷L1 HHVF，( 25)L1L=LHVF上式( 25)

17、即为干烟气高低位热损失之间的转换公式，同理，除燃料收到基全水分热损失和燃料收到基氢燃烧生成水分热损失外其余热损失的转换公式可表示为LK HHVFLKL=，( 26)LHVF式中: 下标 K 为各项损失名称的编号。采用高低燃料发热值计算出的外来热量之间的换算4由于 ASME PTC4-1998 标准也考虑外来热量，但外来热量并不像前 ASME 标准和国标一样，作为输入热量和燃料输入热量同为各项热损失计算公式中的分母，它是单独列出表示为燃料输入热量的函 数6，但它的表达方式同上面干烟气热损失相同，故其转换公式的推导思路也和上面一样，且转换公式 的型式也一样，故各项外来热量的转换公式可记为HHVF

18、BK= BKL ，( 27)LHVF式中: 下标 K 为各项外来热量名称的编号。采用高低燃料发热值计算出的锅炉效率的换算5由于低位热效率计算公式可表示为EFL = 100 LL + BL ，( 28)式中: EFL 为低位燃料效率，% ; LL 为用低位热值表示的各项损失之和，% ; BL 为用低位热值表示的各项外来热量之和，% 。为了推导高低位热效率之间的转换公式，我们把各项低位热损失及外来热量采用对应的高位热损 失和外来热量表示，并带入式( 28) 中，经变形整理可得高低位燃料效率的转换公式为HHVF ( 100 EF) 100 I ( Wf + WH )，( 29)EFL = 100 L

19、HVF依据同样思路可得毛效率的转换公式为( HHVF + QrB) ( 100 EGr) 100 I ( Wf + WH )( 30)EGrL = 100 LHVF + QrB式中: EGrL 为按低位热值计算的毛效率，% ; EGr 为按高位热值计算的毛效率，% 。计算实例及误差分析6以某电厂一台 1025t / h 锅炉，试验煤种成分为:MpCF = 61 65、MpH2F = 4 04、MpO2F = 7 69、MpN2F = 1 38、MpSF = 1 25、MpWF = 10 40、MpAsF= 13 50、LHVF = 24 440 kJ / kg、飞灰中未燃尽碳 MpCRsf =

20、 2 98% ，炉渣中未燃尽碳 MpCRsb = 7 55% ，实 测排烟温度 TFgLv = 125 67 ，空预器进口平均温度 TMnAEn = 18 95 ，干球温度 Tdb = 14 5 ，湿球 温度 Twb = 10 5 ，空气预热器进口含氧量 DVpO2En = 3 25% ，空预期器出口含氧量 DVpO2Lv =4 65% ，空预期器出口 CO 测量值 DVpCOLv = 0 007 5% 。下表 1 列出了按 ASME PTC4-1998 采用高低 位热值和用转换公式计算的各项损失和锅炉效率及对比情况。63第 2 期栾忠兴等: ASME PTC4-1998 标准基于燃料高位和低

21、位发热量计算结果之间的关系分析表 1采用转换公式计算的各项指标和利用低位热值计算的各项指标的对比情况项目 / %高位热值计算低位热值计算公式转换差异干烟气热损失燃料中水分热损失 燃料中氢生成水分热损失 空气中水分热损失 灰渣中未燃尽碳损失 烟气中 CO 热损失 灰渣显热损失 表面辐射对流热损失 其它不可测热损失 锅炉燃料效率( 未修正) 锅炉毛效率( 未修正)4 213 391 073 493 726 790 044 550 631 590 029 190 158 430 190 650 381 3089 294 3389 524 164 420 020 086 720 301 060 046

22、 730 662 570 030 620 166 190 20 493 417 2393 669 064 420 020 086 860 301 510 047 320 662 570 030 620 166 190 20 493 416 6193 668 840 0 000 14 0 000 47 0 000 01000000 000 620 000 22从上表 1 可以看出，在将高位热效率化为低位热效率时，不论是采用损失的转换公式进行转换来计算锅炉热效率，还是采用锅炉效率转换公式直接进行转换，都具有非常高的转换精度。表 1 中差异仅是 由于在用转换公式转换时基准温度下饱和水焓近似取 105

23、 kJ / kg 所导致。结语7在对目前美国最新标准 ASME PTC4-1998 的高低位值热效率之间的差异进行分析和对比，得出高低位热效率及各项热损失之间的转换公式，经过计算表明不论是采用热损失转换公式进行转换，还是采 用热效率公式进行转换，都具有教高的精度。值得同行参考和借鉴。参 考 文 献美国机械工程师协会 Fired steam generators performance test code ASME PTC4 1998S 1999 沈芳平，周克毅，胥建群等 锅炉效率计算模型的分析与比较J 锅炉技术，2004，35( 1) : 48 35 扬威，赵森林 锅炉热效率计算方法的探讨J

24、电站系统工程，1995，11( 6) : 9 20阎维平，云曦 ASME PTC 4 1998 锅炉性能试验规程的主要特点J 动力工程，2007，27( 2) : 174 178赵斌，孙树翁 锅炉效率 2 种计算标准模型的比较J 东北电力技术，2005( 2) : 17 19廖宏楷，王力 电站锅炉试验M 北京: 中国电力出版社，2007，11123456Relation analysis of calculation results between high calorific value boilerefficiency and low heat value boiler efficienc

25、y on ASME PTC4-1998 standardLUAN Zhong-xing1 ，WANG Yan-hong2( 1 Binhai Thermal Power Plant of Dagang Oiltield，Tianjing 300280; 2 Energy Resources and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin，Jilin，132012)Abstract: Now，in our country most of generating stations use unite states standard ASME to conduct boilerperformance test and compute thermal efficiency using the fire coal lower calorific value in boiler performance tests or boiler performance assessment test While the ASME require us to compute thermal efficiency using the fire coal gross calorifi