張建中(中國電力建設(shè)工程咨詢有限公司華東技術(shù)中心，上海 200137)

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鍋爐排煙溫度升高對鍋爐效率及煤耗的影響

張建中
(中國電力建設(shè)工程咨詢有限公司華東技術(shù)中心，上海 200137)

摘要：在包含暖風(fēng)器功能的煙氣余熱回收系統(tǒng)中，因鍋爐排煙溫度發(fā)生變化，在計算汽輪機側(cè)獲得熱效率增益的同時，還涉及對鍋爐側(cè)熱效率變化的評估。按傳統(tǒng)理念，鍋爐排煙溫度升高引起排煙熱損失的增大，必定使鍋爐效率發(fā)生下降，煤耗增加。但在空預(yù)器進風(fēng)溫度提高情況下，對于鍋爐排煙溫度升高是否一定引起鍋爐效率下降、煤耗增加，則是一個值得探討的問題。根據(jù)熱平衡原理分析了排煙溫度與鍋爐效率及煤耗之間的關(guān)系，論證結(jié)果表明：排煙溫度對鍋爐效率的影響存在兩種不同基準的表達模式；因空預(yù)器進風(fēng)溫度提高所導(dǎo)致排煙溫度升高時，以燃煤發(fā)熱量為基準的鍋爐效率計算值增大，而以輸入熱量為基準的鍋爐效率計算值下降，但這兩種表達模式對最終煤耗變化的影響則是相同的，在應(yīng)用時必須區(qū)分兩種不同的效率概念。在實踐中，推薦首選以燃煤發(fā)熱量為基準的鍋爐效率模式，并按排煙溫度增幅與進風(fēng)溫度增幅兩者的比率、而不是僅按排煙溫度是否升高來評估排煙熱損失、鍋爐效率及煤耗三者的變化。并提出在煙氣余熱回收系統(tǒng)中，應(yīng)該區(qū)分“空預(yù)器排煙溫度”及“鍋爐機組排煙溫度”這兩種不同的概念。

關(guān)鍵詞：排煙溫度；排煙熱損失；鍋爐效率；鍋爐煤耗；空預(yù)器；等效排煙溫度。

1　概述

鍋爐排煙溫度的高低是決定煙氣余熱回收系統(tǒng)效益高低的關(guān)鍵參數(shù)。在包含暖風(fēng)器功能的煙氣余熱回收系統(tǒng)中，由于鍋爐排煙溫度發(fā)生變化，在計算汽輪機側(cè)獲得熱效率增益的同時，還涉及對鍋爐側(cè)熱效率變化的評估。關(guān)于鍋爐排煙溫度升高對鍋爐效率的影響，在現(xiàn)行鍋爐熱力計算方法中是非常明確的——隨著排煙溫度升高，排煙熱損失就增大，鍋爐效率下降。一般情況下，對此并不存在什么爭議。按文獻介紹，對600MW機組排煙溫度每升高10℃，鍋爐效率下降0.4%～0.6%，發(fā)電煤耗升高1.5 g/kWh(中位值)，業(yè)界對此是達成共識的。但需要指出的是，這一結(jié)論應(yīng)該有一個前提——空預(yù)器進風(fēng)溫度為基準溫度。如果空預(yù)器進風(fēng)溫度高于基準溫度，排煙熱損失是否一定增大，尤其是煤耗是否增大，實際上是一個存有爭議的問題。例如，在以往常見的爐頂吸風(fēng)方式中，伴隨空預(yù)器進風(fēng)溫度的提高也提高了排煙溫度，若簡單按現(xiàn)行鍋爐熱力計算方法就難于評估鍋爐是得益還是增大了熱損失。在目前節(jié)煤降耗的大形勢下，出現(xiàn)了一批深度節(jié)能降溫的煙氣余熱回收系統(tǒng)新流程，有些流程中的煙氣余熱不僅用于汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)也用于加熱鍋爐進風(fēng)溫度，此時鍋爐輸入熱量增大，同時排煙溫度也發(fā)生升高，排煙熱損失增大，這種情況下如何準確評估鍋爐排煙溫度升高對鍋爐效率及煤耗變化的影響，就成為一個更加實際的問題。

2　現(xiàn)行文獻中幾種代表性觀點

(1)業(yè)界相當(dāng)大一部分意見認為，應(yīng)該按現(xiàn)行鍋爐性能試驗規(guī)程[1]為準，不論什么原因，只要是鍋爐排煙溫度提高其結(jié)果必然是鍋爐效率下降、煤耗增加。在文獻[2]中，以環(huán)境溫度變化為例進行的計算分析認為，同一臺鍋爐，夏季工況與冬季運行工況相比，由于夏季排煙溫度升高，得出的計算結(jié)果是此時的鍋爐效率較低煤耗較高，見表1。為此建議企業(yè)在制定機組上網(wǎng)策略時考慮這一因素。這是其中最有代表性的觀點。

表1　環(huán)境溫度變化時鍋爐效率計算數(shù)據(jù)(表中以50℃為基準)

(2)有部分業(yè)界意見認為應(yīng)按ASME PTC.4.1規(guī)范為準，當(dāng)空預(yù)器進風(fēng)溫度提高后若排煙溫度提高幅度小于進風(fēng)溫度提高幅度，鍋爐效率將發(fā)生升高，并提供了按ASME PTC.4.1規(guī)范計算的案例參見附件。

(3)在DL/T 5240 - 2010《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)程》中則提出：① “當(dāng)空氣預(yù)熱器進風(fēng)溫度發(fā)生變化時，鍋爐效率可因所取基準溫度或參照溫度的不同而有不同的折算值，但一定環(huán)境溫度及進風(fēng)溫度下的鍋爐燃煤量則不存在折算值，為避免因采用不同熱平衡模式而引起燃煤量計算的失誤，可運用燃煤量的全微分方程作為核查準則和評估準則”。② “無論采用何種鍋爐效率表述模式，所計算的燃煤變化率都是相同的，即主要取決于鍋爐排出熱量變化與輸入熱量變化的差值，而不是只取決于排出熱量的多少或排煙溫度的高低，更不是單純地取決于鍋爐效率的變化”。③“當(dāng)空氣預(yù)熱器進風(fēng)溫度變化時，也可按熱風(fēng)溫度的變化來評估鍋爐燃煤量的變化”。

以上幾種觀點雖然都是有據(jù)可查的，但其結(jié)果明顯相左；為此需要從理論上進一步探源分析。

3　理論分析

3.1基本方程推導(dǎo)

可以借助熱平衡原理來分析鍋爐排煙溫度對排煙熱損失、鍋爐效率及煤耗的影響規(guī)律。

(1)鍋爐汽水系統(tǒng)受熱面?zhèn)鹊臒崞胶夥匠?/p>

式中： B為燃料量(kg/s)； Qnet,ar為燃料低位發(fā)熱量(kJ/kg)；Gp, Gs為一次風(fēng)(二次風(fēng)流量(kg/s)；hhp, hhs為空預(yù)器出口一次風(fēng)(二次風(fēng)焓值(kJ/kg)； ΣDh為主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)吸熱量(kJ/s)； Gg為煙氣流量(kg/s)；Hg.Eco為省煤器出口煙氣焓值(kJ/kg)； ΣBq3 - 5為氣體不完全燃燒、固體不完全燃燒及散熱等這幾項熱損失(%)。

(2)空預(yù)器側(cè)的熱平衡方程

式中：hP.AH1, hs.AH1為空預(yù)器入口一次風(fēng)，二次風(fēng)焓值(kJ/kg)； Hg.AH為空預(yù)器出口排煙焓值(kJ/kg)。

(3)以燃料低位發(fā)熱量Qnet,ar為基準的排煙熱損失計算式q2.A為聯(lián)立求解式(1)(2)可得與效率模式A相匹配的q2.A計算式為：

近似式為：

式中：θg.AH為空預(yù)器排煙溫度(℃)；tAH.1為空預(yù)器進風(fēng)溫度(℃)；Cg為煙氣比熱容(kJ/kg.K)。

這是ASME PTC.4.1中的排煙熱損失計算式。

(4)以爐膛輸入總熱量(Qnet,ar+ΔH)為基準的排煙熱損失計算式q2.B——對式(2)變換成式(5)：

聯(lián)立求解式(1)(4)可得到與效率模式B相匹配的q2.B計算式為：

近似式為：

這是國標GB/T 10184 - 1998 “電站鍋爐性能試驗規(guī)程”中的排煙熱損失計算式。

應(yīng)該指出，按式(3)與式(5)所計算的排煙熱損失以及相應(yīng)的鍋爐效率都是不同的，但兩種情況下的總熱平衡條件即耗煤量是完全等效的。其中，式(3)直接以煤耗量為基準，應(yīng)用該式來分析排煙熱損失即排煙溫度對煤耗的影響將更為方便。

3.2模式A

如上所述，對式(4)寫出排煙熱損失q2.A或鍋爐效率ηA的全微分方程如下：

整理得到：

已知在空預(yù)器受熱面不變條件下，因進風(fēng)溫度提高而引起的排煙溫度增幅Δθg.AH恒小于進風(fēng)溫升ΔtAH.1，即[Δθg.AH/ΔtAH.1]<1.0，故有ΔηH> 0.0，表明提高空預(yù)器進風(fēng)溫度的結(jié)果是使以煤耗量B為基準的鍋爐效率ηA發(fā)生提高；而又由于ηABQnet,ar=ΣDh =const，得知這種情況下的最終結(jié)果是排煙溫度提高鍋爐效率也提高，并使耗煤量減少。

需要著重指出的是，在模式A中的鍋爐效率ηA對應(yīng)于燃料低位熱值Qnet,ar，而這正是工程應(yīng)用中最常見的情況。

3.3模式B

同理，對式(7)寫出全微分方程：

整理得到：

或

式中：ΔhAH為外來熱量(用于加熱空預(yù)器進風(fēng)) (kJ/kg)。

式中：等式右邊分子項因其中的Qnet,ar數(shù)值遠大于其它項而為小于1.0的負值，則可知隨著排煙溫度升高dθg.AH將使排煙熱損失dq2.B增大而鍋爐效率ηB趨于降低。

但又由于ηBB(Qnet,ar+ΔhAH)=ΣDh =const，得知這種情況下的最終結(jié)果是排煙溫度提高使排煙熱損失q2.B增大鍋爐效率ηB下降，但由于輸入熱量增幅大于鍋爐效率降幅，最終導(dǎo)致耗煤量B趨于減少。

需要著重指出的是，在模式B中的鍋爐效率ηA對應(yīng)于燃料低位熱值Qnet,ar與外來熱量ΔhAH之和 。

3.4計算示例

已知：Qnet,ar=23419 kJ/kg，Cg=1.063 kJ/kg.K，Gg/B=10.93kg/kg.按模式A及模式B計算的數(shù)據(jù)見表2。

表2　進風(fēng)溫度提高對排煙熱損失、鍋爐效率及煤耗影響計算數(shù)據(jù)比較

4　分析

(1)理論推導(dǎo)及計算數(shù)據(jù)均表明，按兩種模式計算的排煙熱損失、鍋爐效率雖均有明顯差異，但對最終煤耗計算的結(jié)果則完全相同，并均證實提高空預(yù)器進風(fēng)溫度后鍋爐是得益的。

(2)當(dāng)以一定的環(huán)境溫度或送風(fēng)機出口溫度t0為基準時，鍋爐排煙溫度升高將導(dǎo)致鍋爐效率下降，但由于輸入熱量增大，使最終的煤耗值不增反降。前蘇聯(lián)鍋爐文獻、國內(nèi)現(xiàn)行鍋爐性能試驗規(guī)程GB/T10184 - 1988及國內(nèi)各高校教材或節(jié)能文獻中，對于鍋爐排煙熱損失的計算模式均是q2∞(θpy- t0)，排煙溫度θpy升高時必將引起排煙熱損失上升，鍋爐效率下降。但在這種方法中的鍋爐效率系相對于輸入熱量而言；當(dāng)進風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度時必須將這部分熱量加入到輸入熱量中，否則將會得出錯誤結(jié)果。

(3)當(dāng)以空氣預(yù)熱器進風(fēng)溫度tAH.in為基準時——按ASME PTC.4.1計算的排煙熱損失計算模式是q2∞(θpy- tAH.in)。若進風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度或送風(fēng)機出口溫度t0，隨進風(fēng)溫度的提高鍋爐排煙溫度也升高；但對于受熱面一定的空氣預(yù)熱器，由傳熱/熱平衡方程得知此時排煙溫度升幅小于空氣溫度升幅，按這一模式計算的排煙熱損失會發(fā)生降低，鍋爐計算效率趨于提高，這種方法中的鍋爐效率系相對于燃料低位發(fā)熱量而言，計算效率越高煤耗也就越低。

5　空預(yù)器進風(fēng)不同加熱方式討論

5.1爐頂吸風(fēng)方式

此時排煙溫度升幅小于空氣溫度升幅，鍋爐因熱風(fēng)溫度有小幅提高而得益，又由于此時排煙溫度升高所排掉的熱量來自爐頂吸風(fēng)帶入的廢熱，其最終結(jié)果是鍋爐計算效率及實際效率均趨于提高，鍋爐煤耗下降。按國外專業(yè)文獻介紹，當(dāng)環(huán)境溫度為16℃時，爐頂吸風(fēng)方式可使鍋爐進風(fēng)溫度提高11～17℃，雖然排煙溫度有所升高但最終可使熱耗降低約10.3 kJ/MW.s(或效率提高0.4%),就煤耗角度而言這相當(dāng)于使鍋爐效率提高；為此有的國家尤其是德國的鍋爐基本上都采用屋內(nèi)布置及爐頂吸風(fēng)方式并將其作為一種節(jié)能手段。這是在一定條件下鍋爐排煙溫度升高對鍋爐效率仍可以產(chǎn)生正面影響最直觀的應(yīng)用案例。

5.2暖風(fēng)器加熱空氣方式

此時排煙溫度隨空氣溫度提高而升高，同理，由于排煙溫度升幅小于空氣溫度升幅，按模式A計算的排煙熱損失同樣會發(fā)生下降，鍋爐計算效率ηg.c趨于提高；但此時隨排煙溫度升高所排掉的熱量來自暖風(fēng)器所消耗的汽輪機抽汽，在發(fā)電功率不變條件下，汽輪機側(cè)熱耗是增加的；計入暖風(fēng)器消耗熱源后，除非所用汽輪機抽汽壓力極低——但以過低壓力的汽輪機抽汽作為汽源受到管徑/布置條件限制，一般情況下多認為此時最終的鍋爐煤耗將發(fā)生提高，如國外文獻指出，即使暖風(fēng)器系統(tǒng)的熱力設(shè)計良好仍將帶來機組凈效率的損失；排煙溫度每提高10 K，效率下降約0.2%。

5.3尾部煙氣換熱器加熱

當(dāng)設(shè)置尾部煙氣換熱器用來加熱空預(yù)器進風(fēng)時：必須區(qū)分“鍋爐排煙溫度”與“空預(yù)器排煙溫度”這兩個不同的概念。

(1)在煙氣余熱回收系統(tǒng)中，煙氣換熱器全部用來加熱空預(yù)器進風(fēng)的流程：此時空預(yù)器進口煙溫基本不變，進出口風(fēng)溫同時提高(熱風(fēng)溫度升幅相對較小)，由于冷、熱端的對數(shù)溫壓都變小導(dǎo)致空預(yù)器傳熱效率下降，空預(yù)器排煙溫度必定隨進風(fēng)溫度提高而升高；但這并不意味鍋爐排煙溫度也相應(yīng)提高，因為空預(yù)器出口溫度升高后的排煙熱量通過尾部煙氣換熱器加熱冷風(fēng)后得到回收，又進入了爐膛，此處的尾部煙氣換熱器實際上就是空預(yù)器受熱面的延伸，對于鍋爐來說排煙溫度不再是空預(yù)器排煙溫度而是尾部煙氣換熱器出口煙溫。而且由于這個溫度是可以低于原空預(yù)器排煙溫度的，因此不能誤以為空預(yù)器排煙溫度升高了，鍋爐效率就降低了。

(2)部份煙氣換熱器用來加熱空預(yù)器進風(fēng)的流程：此時對于鍋爐來說排煙溫度同樣不再是空預(yù)器排煙溫度，但也不是尾部煙氣換熱器出口煙溫，而建議引入“鍋爐等效排煙溫度”這一概念來表達，可按下述近似方程確定：

鍋爐等效排煙溫度=加熱進風(fēng)后的空預(yù)器排煙溫度- (用于汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)煙氣換熱器的出口煙溫+引風(fēng)機/增壓風(fēng)機溫升-用于加熱空氣這部分煙氣換熱器的最終煙溫)。

若“鍋爐等效排煙溫度”<原來的空預(yù)器排煙溫度，說明鍋爐側(cè)明顯得益，鍋爐效率明顯升高；

若“鍋爐等效排煙溫度”≥原來的空預(yù)器排煙溫度，需根據(jù)空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度變化情況來判斷鍋爐側(cè)是否得益。

按上述方程可知，在脫硫塔前是否裝設(shè)低溫換熱器也即是否利用“引風(fēng)機/增壓風(fēng)機溫升”這部分熱量，對于鍋爐等效排煙溫度有不容忽視的影響。僅在電除塵器前裝設(shè)低溫換熱器時，要使“鍋爐等效排煙溫度“低于原來的空預(yù)器排煙溫度，就得減少分配給汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)的煙氣熱量。

5.4 因環(huán)境溫度變高導(dǎo)致排煙溫度升高

國內(nèi)不少文獻根據(jù)現(xiàn)行鍋爐性能試驗規(guī)程GB/T10184 - 1988中的計算公式認為，環(huán)境溫度或送風(fēng)機出口溫度t0升高時因排煙溫度升高將使鍋爐效率降低煤耗增加；實際上這是一種誤解，因為在該規(guī)程中明確指出，當(dāng)進風(fēng)溫度變更時對排煙熱損失計算須同時修正進風(fēng)溫度及排煙溫度，而不是只進行排煙溫度一項修正，又由于這種情況下不存在外來熱量，此時GB/ T10184 - 1988中的排煙熱損失計算公式實際上與ASME PTC.4.1計算公式是完全相同的。

在空預(yù)器受熱面一定條件下，按上海鍋爐廠性能設(shè)計處的經(jīng)驗認為，夏季環(huán)境溫度升高時，由于空預(yù)器的換熱溫差不會大變化，排煙溫度也是上升的，但實際計算下來排煙溫度的上升量是低于環(huán)境溫度上升量，所以鍋爐效率是變高的；這與按ASME PTC.4.1計算的結(jié)果相同。在有的文獻中之所以得出夏季排煙溫度升高鍋爐效率降低煤耗升高的結(jié)果，其原因在于對GB/T10184 - 1988使用上的誤解——環(huán)境溫度變更時，在排煙熱損失計算中僅修正了排煙溫度，對進風(fēng)溫度并未按實際環(huán)境溫度選用而是假定了一個并不存在的基準溫度。

6　結(jié)論

(1)鍋爐排煙溫度升高對鍋爐效率及煤耗的影響問題需視煙溫升高的原因而定，不能簡單認為排煙溫度升高必定是鍋爐效率下降煤耗增加。

(2)空預(yù)器進風(fēng)溫度變化時，排煙溫度對于排煙熱損失及鍋爐效率的影響存在兩種不同的計算模式：模式A——以空氣預(yù)熱器進風(fēng)溫度tAH.in為基準，輸入熱量采用燃料低位發(fā)熱量；模式B——以環(huán)境溫度為基準，輸入熱量采用[燃料低位發(fā)熱量]與[進風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度這部分熱量]二者之和。

(3)按最終計算結(jié)果耗煤量變化為判據(jù)，兩種計算模式是等效的。但是模式A、B中的鍋爐效率分別對應(yīng)不同的輸入熱量，模式A中的鍋爐效率增高直接標志煤耗的降低，而模式B中的鍋爐效率降低并不代表煤耗的升高。在分析排煙溫度影響時需要區(qū)分兩種不同鍋爐效率的概念。

(4)空預(yù)器進風(fēng)溫度變化時，推薦首選模式A來分析排煙溫度升高對鍋爐效率及煤耗的影響；當(dāng)使用模式B時應(yīng)正確計算輸入熱量。不能采用以環(huán)境溫度為基準，輸入熱量按燃料低位發(fā)熱量的錯誤組合計算模式；也不能采用以空預(yù)器進風(fēng)溫度為基準，輸入熱量按[燃料低位發(fā)熱量+外來熱量]的錯誤組合計算模式。

(5)當(dāng)排煙溫度因空預(yù)器進風(fēng)溫度提高而升高時，判斷鍋爐是否得益的關(guān)鍵準則并非效率變化而應(yīng)該是煤耗變化，或熱風(fēng)溫度變化。針對不同情況可大體歸納如下：

①若加熱冷空氣的熱源是爐頂熱風(fēng)，按模式A的鍋爐效率有所升高；按模式B的鍋爐效率有所降低；但最終的煤耗必定都是有所降低的。

②若加熱冷空氣的熱源是汽輪機抽汽，按全廠熱力系統(tǒng)核算的鍋爐效率通常是降低的。

③若加熱冷空氣的熱源是煙氣余熱，當(dāng)使用模式B時宜按“鍋爐等效排煙溫度”來評估鍋爐效率的變化。在煙氣深度冷卻(此時用于加熱空氣這部分煙氣換熱器的入口煙溫接近原設(shè)計空預(yù)器排煙溫度)條件下，鍋爐效率是提高的，機組煤耗有所下降。

④夏季環(huán)境溫度升高所引起的排煙溫度升高，無論按模式A還是模式B的計算結(jié)果都是鍋爐效率有所提高、煤耗有所下降。

(6)從鍋爐耗煤量角度來說，以DL/T 5240 - 2010《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)程》中推薦的評估方法更為確切。

參考文獻：

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Effect of Boiler Exhaust Gas Temperature Increased on Boiler Efficiency and Coal Consumption

ZHANG Jian-zhong
(Technical Center of East China，China Power Construction Engineering Consulting Corporation,Ltd., Shanghai 200137, China)

Abstract:In flue gas waste heat recovery system which contains the air heater function ,It also involves changes to the boiler side thermal efficiency evaluation at the same time in calculating thermal heat efficiency gain of steam turbine side because of the boiler exhaust temperature changing. According to the traditional concept, the boiler exhaust gas temperature increase give rise to the heat exhaust gas loss, which will enable the boiler efficiency decline and coal consumption increase. But the problem whether boiler exhaust gas temperature increase is certainly caused by boiler efficiency decrease and coal consumption increase is worth discussing when the air preheater inlet air temperature improving. According to the heat balance principle, the relationship between exhaust gas temperature and boiler efficiency and coal consumption is analysised, the results show that: there are two different kinds of expression patterns is existed between the effect of flue gas temperature and the boiler efficiency. When the exhaust gas temperature increased which caused by air preheater inlet air temperature improve, the boiler calculation efficiency which is taking the coal calorific value as the base will increase, which is taking the input heat as the base will reduce. But the effectof these two kinds of expression pattern to the final coal consumption change is the same. Two different efficiency concepts must be distinguished in application. In practice, boiler efficiency mode based on coal calorific value is first recommended. In addition, the ratio between the exhaust temperature increase and the inlet air temperature increase, but the exhaust temperature only ,to assess the change of exhaust heat loss, boiler efficiency and coal consumption. Two different concepts should be distinguished also between “air preheater exhaust temperature” and “boilerunit exhaust temperature” in gas waste heat recovery system.

Key words:exhaust gas temperature; heat loss due to exhaust gas;boiler efficiency;coal consumption of boiler; air temperature increase; air preheater; equivalent exhaust temperature .

中圖分類號：TM621

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913(2016)01-0038-06

* 收稿日期：2015-06-27

作者簡介：張建中(1937- )，男，浙江湖州人，教授級高級工程師，長期從事火電廠設(shè)計、科研、監(jiān)理及咨詢工作。