煤气锅炉效率计算模型研究

冶金动力METALLURGICALPOWER2014年第12期总第178期1引言锅炉热效率是衡量锅炉和机组运行经济性的重要指标。目前，对于燃煤锅炉效率计算的研究已经非常成熟[1~5]，相比之下，对于煤气锅炉效率计算的研究却要薄弱很多。工程上对钢铁企业自备电厂煤气锅炉的热效率测试和计算一般都是参照GB10184-1988《电站锅炉性能试验标准》[1]（以下简称《国标》）。该标准提供了锅炉燃用气体燃料时的计算公式，但是有些计算公式是假定某些条件下的简化公式，而书中并未加以说明，如果盲目套用，很可能会产生较大误差。本文结合钢铁企业副产煤气的特性，在《国标》基础上对煤气锅炉的效率计算进行分析，得到了适用于煤气锅炉效率计算的改进模型。此模型可用于煤气锅炉性能考核试验的相关计算，也可用于常规的热平衡计算，具有一定的参考价值。2煤气锅炉效率计算模型锅炉热效率一般采用热损失法进行计算，先求出锅炉的各项热损失，然后按式（1）得到锅炉热效率：浊=100-(q2+q3+q4+q5+q6)(1)式中：浊———锅炉热效率，%；q2———排烟热损失百分率，%；q3———可燃气体未完全燃烧热损失百分率，%；q4———固体未完全燃烧热损失百分率，%；q5———锅炉散热损失百分率，%；q6———灰渣物理热损失百分率，%。2.1输入热量Qr煤气锅炉效率计算模型研究江文豪，姚群（中冶华天南京工程技术有限公司，江苏南京210000）【摘要】锅炉热效率是衡量锅炉和机组运行经济性的重要指标，目前工程上对电厂煤气锅炉热效率的测试和计算一般都根据GB10184-1988《电站锅炉性能试验标准》进行。该标准提供了锅炉燃用气体燃料时的计算公式，但是有些计算公式是假定某些条件下的简化公式，只能用于含氮量较低的燃料，对于含氮量较高的钢铁企业副产煤气却不适用。结合煤气锅炉的燃料特性，在GB10184-1988基础上分析得到了适用于煤气锅炉效率计算的改进模型。以某钢铁厂220t/h煤气锅炉为研究对象，通过现场实测数据对改进模型进行实例分析，结果具有一定的参考价值。【关键词】煤气锅炉；热效率；改进模型【中图分类号】TK229【文献标识码】A【文章编号】1006-6764（2014）12-0042-04AResearchontheCalculationModelfortheEfficiencyofGasBoilerJiangWenhao,YaoQun（MCCHuatianNanjingEngineering&TechnologyCorporation,Nanjing,Jiangsu210000,China）【Abstract】Thethermalefficiencyofboilerisanimportantindicatorforevaluatingtheoperationeconomyofboilersandgeneratorunits.Thetestandcalculationofthethermaleffi原ciencyofgasboilersareperformedaccordingtoGB10184-1988PerformanceTestCodeofUtilityBoilers,whichprovidescalculationformulasforboilersburninggasfuel.Someoftheformulas,however,aresimplifiedonesbasedoncertainconditions,whichcanonlybeusedforfuelswithlownitrogencontentbutcannotbeappliedtoby-producedgaseswithhighni原trogencontentinthesteelenterprises.Animprovedcalculatingmodelforgasboilerefficien原cywasestablishedbasedonthegascharacteristicsandGB10184-1988.Takinga220t/hgas-firedboilerinasteelcompanyastheresearchobject,theimprovedmodelwasdemon原stratedbyon-siterealtimemeasurement,toprovidesomereferencevalueforsimilarwork.【Keywords】gasboiler;thermalefficiency;improvedmodel热电42冶金动力METALLURGICALPOWER2014年第12期总第178期假定干烟气量Vgy,jd按式(11)得到过量空气系数琢令Vgy,jd=(Vgy,jd+Vgy,js)/2按式(7)得到计算的干烟气量Vgy,js输出过量空气系数琢输出干烟气量Vgy=Vgy,js燃料含N量及各烟气成分理论空气量Vgk0理论干烟气量Vgy0判断Vgy,js-Vgy,jd臆着?NoYes输入热量Qr可按式（2）计算：Qr=QDMy+Qrx(2)式中：Qr———输入热量，kJ/m3；QDMy———燃料应用基低位发热量，kJ/m3；Qrx———燃料的物理显热，kJ/m3，按式（3）计算：Qrx=cr(tr-t0)（3）式中：cr———燃料的比热，kJ/（m3·K），可根据煤气成分进行加权平均计算得到；tr———燃料温度，益；t0———基准温度，益。需要说明的是，文中的“1m3”是指含有1m3干煤气及d（kg）水蒸气的湿煤气，工程上进行煤气燃烧计算时，一般以此为计算基准，这样做的好处在于计算中所用的干煤气成分不会随含湿量的变化而变化。2.2排烟热损失q2排烟热损失是由于高温烟气所具有的热量排入大气而未被机组利用所造成的热损失，是锅炉最主要的热损失，可按式（4）和式（5）计算：q2=Q2Qr伊100（4）Q2=Q2gy+Q2H2O（5）式中：Q2———排烟带走的热损失量，kJ/m3；Q2gy———干烟气带走的热量，kJ/m3；Q2H2O———烟气所含水蒸气的显热，kJ/m3。2.2.1干烟气带走的热量干烟气带走的热量按式（6）计算：Q2gy=Vgycp,gy(兹py-t0)（6）式中：Vgy———每标准立方米燃料燃烧生成的干烟气体积，m3/m3；cp,gy———干烟气在至温度间的平均定压比热，kJ/(m3·K)；兹py———排烟温度，益。2.2.1.1干烟气体积干烟气体积与煤气的组成成分以及燃尽情况有关，按照《国标》中提供的方法，煤气燃烧产生干烟气体积应按式（7）~式（10）进行计算：Vgy=Vgy0+(琢-1)Vgk0(7)Vgy0=CO2y+COy+移mCmHny100+0.79Vgk0+N2y100(8)Vgk0=121[0.5COy+0.5H2y+移（m+n4)CmHny-O2y](9)琢=2121-(O2-2CH4-0.5CO-0.5H2)(10)式中：Vgy0———按煤气成分计算的理论燃烧干烟气量，m3/m3；Vgk0———按煤气成分计算的理论所需干空气量，m3/m3。琢———排烟处过量空气系数；CO2y、COy、H2y、CmHny、N2y、O2y———煤气(应用基)中相应组分的容积含量，%；O2、CH4、CO、H2———干烟气中相应组分的容积含量，%。由此可见，《国标》中的干烟气体积是按燃料完全燃烧时的理论干烟气量与过量空气量之和来计算。然而对于煤气锅炉，按式（7）~式（10）计算出的烟气量会偏离真实值，这是因为式（7）中后半部分即过量空气量的计算中，过量空气系数采用式（10）计算，但是此式是假定燃料含N量很少并且理论干空气量与理论干烟气量很接近时的简化公式，而煤气锅炉的燃料含N量往往较高，尤其是高炉煤气，甚至高达50%~60%，用式（10）计算必然带来较大误差。对于含N量较高的煤气，过量空气系数应按式（11）进行计算：琢=2121-79(O2-0.5CO-2CH4-0.5H2)N2-N2yVgy（11）式（11）可结合燃气燃烧原理推导得到，此处从略。可以看出，《国标》中的计算公式是燃料含N量忽略不计并且理论干空气量与理论干烟气量很接近（烟气中含N量接近79%）时的简化结果。显然，对于煤气锅炉，过量空气系数按式（11）计算更为准确。不过，由此也可看出，煤气锅炉的干烟气量和过量空气系数需要进行联合求解，如图1所示。图1干烟气量与过量空气系数联合求解流程图43冶金动力METALLURGICALPOWER2014年第12期总第178期名称项目工况1工况2燃料特性CO(COy)/%23.543.4H2(H2y)/%1.90.9CH4(CH4y)/%0.50.3CO2(CO2y)/%18.617.7N2(N2y)/%55.537.4O2(O2y)/%-0.3煤气温度tr/益34.733.2煤气含湿量dq/(kg/m3)0.0440.046低位发热量Qdmy/(kJ/m3)32545585烟气参数排烟温度兹py/益143.8140.7排烟氧量O2/%2.952.83排烟中CO2含量CO2/%24.4228.94排烟中CO含量CO/%0.140.12排烟中N2含量N2/%72.4968.11环境参数大气压力Pa/kPa99.83100.02干球温度td/益26.729.3湿球温度tw/益25.127.5锅炉热负荷锅炉额定蒸发量De/(t/h)220220锅炉实际蒸发量D/(t/h)210.1217.2可先假定一个初始的干烟气量Vgy,jd，根据式（11）求解得到过量空气系数琢，然后将琢值代入式（7）得到计算出的干烟气量Vgy,js，将Vgy,jd和Vgy,js进行比较，如果二者差值超过设定的误差范围，则将Vgy,jd和Vgy,js的平均值作为新的Vgy,jd重新进行计算，直到Vgy,jd和Vgy,js的差值满足设定的误差范围，并将计算得到的Vgy,js作为最终的干烟气量，将计算得到的琢作为最终的过量空气系数。2.2.1.2干烟气定压比热容干烟气定压比热容应根据烟气成分进行加权平均，按式（12）计算：Cp,gy=Cp,CO2CO2100+Cp,COCO100+Cp,H2H2100+Cp,CH4CH4100+Cp,N2N2100+Cp,O2O2100（12）式中：Cp,CO2、Cp,CO、Cp,H2、Cp,CH4、Cp,N2、Cp,O2———干烟气中各组分在t0至兹py温度间的平均定压比热，kJ/(m3·K)。一般情况下烟气中的不完全燃烧产物主要是CO，烟气中H2和CH4组分很少。若忽略H2和CH4组分，则式（12）可简化成式（13）：Cp,gy=Cp,CO2CO2100+Cp,COCO100+Cp,N2N2100+Cp,O2O2100（13）2.2.2烟气中水蒸气的显热烟气中所含水蒸气的显热可按式（14）计算：Q2H2O=VH2OCp,H2O（兹py-t0）（14）式中：Cp,H2O———水蒸气从从t0至兹py温度间的平均定压比热，kJ/(m3·K)；VH2O———烟气中所含水蒸气容积，m3/m3，可按式（15）计算：VH2O=1100[H2y+移n2CmHny]+dq0.804+1.293琢Vgk0dk0.804（15）式中：dq———煤气含湿量，kg/m3；dk———空气的绝对湿度，kg/kg干空气。式（15）中的过量空气系数琢也应采用2.2.1节所述的计算结果。2.3化学不完全燃烧热损失q3化学不完全燃烧热损失是由于锅炉烟气中残留的可燃气体未在炉膛中燃烧放热而造成的热损失，可按式（16）计算：q3=1QrVgy(126.36CO+358.18CH4+107.98H2)伊100（16）2.4散热损失q5散热损失是指锅炉运行时炉墙、金属结构以及锅炉范围内管道向周围环境散失的热量，随锅炉负荷（蒸发量）的变化而变化，可按式（17）计算：q5=q5eDeD（17）式中，q5e—锅炉额定负荷下的散热损失，%；De—锅炉额定负荷下的蒸发量，t/h；D—锅炉实际蒸发量，t/h。2