白云山,劉志敏,李 煒
(華電電力科學(xué)研究院有限公司,浙江 杭州 310030)
余熱鍋爐是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的重要組成部分,其效率對聯(lián)合循環(huán)機組的經(jīng)濟性有著重要影響[1-3]。新建機組需要進行余熱鍋爐效率的驗收試驗,已投運機組在檢修前后也需要進行余熱鍋爐效率的對比試驗,以評估檢修效果[4]。余熱鍋爐效率通常采用反平衡法進行計算,計算方法如下:
ξ=100-q2-q3-q4-q5-q6
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
式中:ξ為余熱利用率,%;q2為排煙熱損失,%;q3為可燃氣體不完全燃燒熱損失,%;q4為可燃固體不完全燃燒熱損失,%;q5為爐體散熱損失,%;q6為其他熱損失,%;Q3,Q4,Q5,Q6分別為排煙損失熱量,可燃氣體不完全燃燒損失熱量,可燃固體不完全燃燒損失熱量,爐體散熱損失熱量,其他損失熱量,Qr為余熱鍋爐輸入熱量。
對于無補償?shù)娜細?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組余熱鍋爐,Q3,Q4,Q6均為零。Qr,Q2可通過余熱鍋爐進口煙氣焓值hr、出口煙氣焓值h2及煙氣流量M計算,如式(7)、式(8)所示:
Qr=hr×M
(7)
Q2=h2×M
(8)
綜上所述,式(1)中唯一未知量為爐體散熱損失, 本文對余熱鍋爐散熱損失的計算方法進行對比分析。
目前,基于標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC4.4—2008和GB/T10863—2011規(guī)定[5],余熱鍋爐散熱損失的計算主要有3種方法,現(xiàn)分別敘述如下:
方法1:GB/T 10863—2011中給出了關(guān)于余熱鍋爐散熱損失計算的的推薦方法,如式(9)所示:
(9)
方法2:ASME PTC 4.4—2008中給出了余熱鍋爐散熱損失的計算方法,如式(10)、式(11)所示:
(10)
Qhl=Qhl%×100×(QG,IN-QG,OUT)
(11)
式中:Qhl為鍋爐在額定負荷下的熱損失;QG,IN為進入余熱鍋爐的煙氣熱量;QG,OUT為離開余熱鍋爐的煙氣熱量。
方法3:ASME PTC4.4—2008中給出了余熱鍋爐散熱損失的另外一種計算方法,如式(12)—(15)所示:
Qrl=q*A
(12)
q=qr+qc
(13)
(14)
qc=0.296×(TC-TA)1.25×[(V5280/60+
(15)
式中:A為爐體散熱面積;q為總熱流;qc為對流熱流密度;qr為輻射熱流密度;TC為外壁溫度;TA為大氣溫度。
選取3臺不同型號、不同容量的余熱鍋爐,分別用A、B、C表示,用以上3種計算方法對其散熱損失、熱效率等參數(shù)進行計算。
余熱鍋爐A為NG-M701F4-R型三壓、再熱、臥式、無補燃、自身除氧、自然循環(huán)燃機余熱鍋爐,鍋爐本體受熱面采用模塊結(jié)構(gòu),由垂直布置的順列和錯列螺旋鰭片管和進出口集箱組成,與M701F4燃機配套。
余熱鍋爐B型號為Q1153/526-173.6(33.3)-5.9(0.67)/500(257),為雙壓、無補燃、懸吊臥式、正壓運行、自然循環(huán)鍋爐,與9E燃機配套。
余熱鍋爐C型號為DG233.9/7.95/57.4/0.63-M106,為雙壓、無補燃、臥式、自然循環(huán)露天布置,與SGT-2000E燃機配套。
為對余熱鍋爐散熱損失的計算更具有參考性,選取了3臺余熱鍋爐對應(yīng)的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組運行在Baseload工況下的數(shù)據(jù)用于對其散熱損失進行計算,試驗工況如表1所示。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)和上文中余熱鍋爐散熱損失的3種計算方法,得出余熱鍋爐A、B、C用3種方法計算的散熱損失如表2所示。表2中,鍋爐輸入熱量和鍋爐排煙損失熱量根據(jù)式(7)、式(8)進行計算,煙氣質(zhì)量流量及鍋爐進、出口煙氣焓值根據(jù)燃氣輪機能量平衡方程計算,在此不作贅述。
表1 試驗工況
表2 余熱鍋爐A、B、C散熱損失
根據(jù)表2中的計算結(jié)果,可以看出:
a.對于余熱鍋爐A、B、C,方法3比方法2得出的結(jié)果分別高3.85%、-24.26%、6.74%,通過2種方法計算出的余熱鍋爐散熱損失總體上較為接近,二者的差異與余熱鍋爐型號、容量等參數(shù)有關(guān);
b.對于余熱鍋爐A、B、C,方法1計算出的結(jié)果數(shù)值最大,方法1比方法2得出的結(jié)果分別高128.99%、98.74%、146.95%。
為進一步對余熱鍋爐散熱損失的3種計算方法進行比較,分別對3種計算方法中散熱損失對自變量的靈敏度進行了計算,即方法1—方法3中散熱損失隨鍋爐額定負荷的變化情況。計算結(jié)果如圖1—圖3所示。
從圖1—圖3可以看出,方法1中散熱損失的變化隨鍋爐額定負荷的變化較小,鍋爐額定負荷增加20 t/h,散熱損失減小127.3 MJ/h;方法2中散熱損失的變化隨進口煙氣溫度變化較小,進口煙氣溫度增加20 ℃,散熱損失增加20.39 MJ/h;方法3中散熱損失的變化隨鍋爐外壁溫度的變化較大,外壁溫度增加20 ℃,散熱損失增加1741 MJ/h。在余熱鍋爐散熱損失計算過程中,鍋爐蒸發(fā)量、進口煙氣溫度、外壁溫度等參數(shù)難以測量,通過上述參數(shù)對散熱損失靈敏度計算,可以看出,采用方法3對余熱鍋爐散熱損失進行計算時,鍋爐外壁溫度對計算結(jié)果影響較大,需盡可能測量準(zhǔn)確。
為進一步對鍋爐散熱損失的3種計算方法進行比較,對余熱鍋爐A、B、C效率進行計算,結(jié)果如表3所示。計算結(jié)果表明,散熱損失的3種計算結(jié)果對鍋爐效率影響很小。算例中,受散熱損失計算方法影響最大的為余熱鍋爐B,采用不同的計算
表3 余熱鍋爐A、B、C效率 %
方法時,鍋爐效率最大相差0.5232個百分點。
a.本文對余熱鍋爐散熱損失的3種計算方法進行了詳細說明,并以3臺不同型號、不同容量的余熱鍋爐為例,對3種散熱損失計算方法進行了量化分析。
b.以余熱鍋爐配套的燃氣輪機運行在Baseload時的工況作為試驗工況,對余熱鍋爐A、B、C散熱損失用3種方法進行計算,結(jié)果表明方法1較其他2種計算方法得出的結(jié)果明顯偏大,方法1比方法2計算出的散熱損失高146.95個百分點。
c.對余熱鍋爐散熱損失的3種計算方法隨自變量的變化情況進行了計算分析,結(jié)果表明,方法1和方法2隨各自的自變量變化較小,有較好的穩(wěn)定性,方法3中散熱損失隨鍋爐外壁溫度的變化較大,外壁溫度增加20 ℃,散熱損失增加1741 MJ/h,即增加了75.33個百分點。從該角度分析,因余熱鍋爐外壁溫度較難測量,因此該方法計算的散熱損失不確定度較大。
d.從余熱鍋爐效率的角度,對3種方法計算得出散熱損失進行了對比。結(jié)果表明,散熱損失的3種計算方法對鍋爐效率影響較小,在本文的算例中,鍋爐效率最大相差0.5232個百分點。