ASME PTC 4-2013與GB 10184-88的主要差異及各因素對熱效率的影響分析

項群揚，姚 凱，楊 威，黃華俊，胡 卿

（浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 311121）

ASME PTC 4-2013與GB 10184-88的主要差異及各因素對熱效率的影響分析

項群揚，姚 凱，楊 威，黃華俊，胡 卿

（浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 311121）

由于鍋爐性能試驗規程ASME PTC 4-2013與GB 10184-88有較大差異，從適用范圍、性能試驗程序、相關概念的定義、測量方法、熱效率計算方法及修正方法等方面對這兩個規程進行對比，分析兩者主要差異。并以某660 MW燃煤機組依據ASME規程的熱效率測試結果為例，分析空預器進出口的煙氣成分和溫度、進風溫度、環境條件、煤質、灰渣等參數對鍋爐熱效率的影響程度，以幫助理解和分析鍋爐熱損失的原因。

鍋爐；性能試驗；ASME PTC 4；熱效率

0 引言

鍋爐熱效率是衡量電站鍋爐經濟性的一項重要的指標，通過鍋爐性能試驗進行熱效率計算的準確性將直接影響鍋爐經濟性的評估。目前國際上通常采用美國ASME的規程作為鍋爐性能試驗的依據，國內機組性能試驗主要參考ASME規程和國標電站性能試驗規程。

ASME PTC 4-2013[1]是ASME鍋爐性能試驗規程的最新版本，與我國現行電站鍋爐性能試驗規程GB 10184-88[2]有較大的差異，主要體現在適用范圍、性能試驗程序、相關參數的定義、測量方法、熱效率計算方法及修正方法等方面。以下針對兩者之間的主要差異進行比對，可為鍋爐性能試驗提供參考。

依據ASME PTC 4-2013，在鍋爐性能試驗中需要測量的參數包括：空預器進出口的煙氣成分和溫度、進風溫度、環境條件、煤質、灰渣等。各參數的測量結果對熱效率都有不同程度的影響。以某660 MW燃煤機組性能試驗結果為例，依據ASME PTC 4-2013對各項測量結果對熱效率的影響程度進行了分析，以幫助理解和分析鍋爐熱損失的原因。

1 ASME PTC 4-2013與GB 10184-88的主要差異

1.1 適用范圍

GB 10184-88主要適用于電站鍋爐，要求蒸發量大于35 t/h，蒸汽出口壓力高于2.45 MPa或蒸汽出口溫度超過400℃，對于工業鍋爐的性能試驗需要參考GB/T 10180《工業鍋爐熱工性能試驗規程》。

ASME PTC 4-2013只規定了燃料的種類，即燃煤、燃油、燃氣鍋爐及其他碳氫化合物，同時適用于電站和工業的蒸汽鍋爐。

1.2 性能試驗程序

ASME PTC 4-2013對試驗前機組穩定時間、運行參數波動范圍、測量儀表、固體燃料溫度、灰渣取樣方法及時間和網格的劃分、工況作廢條件、參數測量頻率等方面均作了詳細的規定，與GB 10184-88有一定的區別。

1.3 相關參數的定義和測量方法

1.3.1 系統邊界的定義

ASME PTC 4-2013規定的煙氣出口邊界為空預器出口截面；空氣進口邊界為空預器進入截面。GB 10184-88習慣把送風機和一次風機劃分在鍋爐邊界內，以送風機入口作為空氣側的入口。

1.3.2 物理量的單位

ASME PTC 4-2013采用英制單位，并給出了國際單位表達的公式和換算關系；GB 10184-88中采用國際單位。

1.3.3 基準溫度

ASME PTC 4-2013規定性能計算的基準溫度為25℃，與基準溫度有關的計算具體反映在焓值計算中，空氣、煙氣、蒸汽、灰渣、燃料等的焓值均需要根據ASME PTC 4-2013規定的方法進行計算，基準溫度時焓值為0。

GB 10184-88未有與ASME標準相對應的基準溫度概念，其基準溫度定義為送風機入口的進風溫度，但該基準溫度并不用于焓值的計算。

由于兩個規程對基準溫度定義不同，計算與基準溫度有關的熱損失與外來熱量時，計算方法與結果均有所不同。例如對于干煙氣熱損失，ASME PTC 4-2013直接根據排煙溫度計算干煙氣焓，即相當于排煙溫度下的干煙氣焓與基準溫度干煙氣焓之差；而空氣在基準溫度與進風溫度之間的焓值差則被認為是外來熱量。

1.3.4 鍋爐效率的定義

ASME PTC 4-2013定義的鍋爐輸入熱量為燃料釋放的所有能量，因此定義的鍋爐效率為燃料效率。GB 10184定義的輸入熱量除了燃料燃燒輸入的熱量外，還包括外來熱量，其定義的熱效率更接近于ASME標準中的毛效率。

1.3.5 發熱量基準

在ASME PTC 4-2013中均采用恒壓下燃料燃燒的高位發熱量。由于對于固體和液體燃料高位發熱量的測定，一般由氧彈量熱計在恒容條件下進行；并修正到恒壓條件下的高位發熱量。

GB 10184-88采用燃料低位發熱量，并給出不同種類燃料分析需要參考的標準。如對于煤的發熱量測定，在GB/T 213-2008《煤的發熱量測定方法中》給出了恒容低位發熱量和恒壓低位發熱量的測定和計算方法。

1.3.6 過量空氣系數的定義

ASME PTC 4-2013定義的過量空氣率為實際送入的空氣量減去理論所需空氣量除以理論空氣量再乘以100。GB 10184-88定義的過量空氣系數為實際使用空氣量占理論空氣量的比例。

1.3.7 焓值計算方法

ASME PTC 4-2013給出了水、水蒸氣、干煙氣、灰渣及燃料的焓值計算方法，即應用5階的JANAF/NASA焓溫關聯式和系數計算得到。ASME PTC 4-2013中對于熱損失和外來熱量通過組分在進出口截面的焓值差計算。

GB 10184-88未采用焓值的概念，對于干煙氣的熱損失、水蒸氣熱損失、灰渣物理顯熱損失等項通過平均定壓比熱容來計算得到。

1.3.8 煙氣比熱容的計算方法

ASME PTC 4-2013中濕煙氣的平均比熱容需要通過迭代計算。因濕煙氣平均比熱容與無漏風修正后的排煙溫度相關，需假定1個初始的濕煙氣平均比熱容，以計算無漏風修正的排煙溫度，再根據濕煙氣焓值計算濕煙氣平均比熱容；通常通過2～3次迭代。

GB 10184-88中煙氣比熱容通過煙氣各組分的平均定壓比熱容加權平均計算。各煙氣組分的平均定壓比熱容可通過查表或公式計算得到。

1.3.9 不確定度

ASME PTC 4-2013不確定度計算的主要參考依據是ASME PTC19.1《試驗不確定度》。GB 10184-88中未提出不確定度概念，而用誤差分析來評價測量結果的質量高低。

1.3.10 灰渣分析方法

ASME PTC 4-2013灰渣可燃物分析中以游離碳作為未燃盡碳，因而不允許采用燒失法，主要考慮灰渣中的碳酸鹽在高溫下會分解產生CO2。GB 10184-88規定可以采用燒失法測量灰渣中的未燃盡碳。

1.3.11 鍋爐本體散熱損失測定方法

ASME PTC 4-2013要求對鍋爐的輻射及對流散熱損失進行實際測量，需要在足夠多的位置測定鍋爐表面溫度、環境溫度和環境空氣流速等參數。GB 10184-88中，鍋爐本體的散熱損失通過可以通過查表計算得到。

1.4 熱效率計算

1.4.1 外來熱量的定義

在ASME PTC 4-2013中，以基準溫度計算各項熱損失和外來熱量，因此需要考慮的外來熱量項比GB 10184-88多。兩者主要差異在于ASME PTC 4-2013中規定的進入系統干空氣攜帶的外來熱量和空氣中水分攜帶的外來熱量項作為外來熱量考慮，而GB 10184-88直接在熱損失中考慮。

1.4.2 輸入熱量定義

由于對鍋爐效率定義的不同，ASME PTC 4-2013規定的輸入熱量即燃料的輸入熱量；GB 10184-88規定的輸入熱量包括燃料輸入熱量和外來熱量。

GB 10184-88定義的熱損失項為5項，ASME PTC 4-2013對于熱損失項的規定更加細致和詳細，定義了16大項熱損失，主要增加的熱損失項包括：灰渣未燃盡氫損失、因高溫煙氣凈化設備造成的損失、因鍋爐出口至空預器入口段漏風引起的損失、生成NOX引起的損失、爐內脫硫引起的損失、灰渣池熱損失、由于再循環物質流所造成的熱損失、鍋爐汽水管道外的冷卻水造成的損失、內部熱源加熱暖風器的損失。

1.4.4 無漏風修正

ASME PTC 4-2013規定，與排煙損失有關的干煙氣量取為省煤器出口處的煙氣量，而排煙溫度則采用無漏風修正后的空氣預熱器出口煙溫，即把實測的空預器出口煙氣溫度修正到完全沒有漏風的狀態。因此，干煙氣熱損失和相應的煙氣水分熱損失均按無漏風修正后的空氣預熱器出口煙溫計算。

GB 10184-88定義的干煙氣熱損失和煙氣中水分熱損失直接由實際測量的排煙溫度與實際煙氣量計算。

1.5 熱效率修正方法

鍋爐熱效率的修正即將試驗結果修正到設計燃料條件和設計工況下。ASME PTC 4-2013和GB 10184-88均規定需要對實測鍋爐效率進行修正，但兩者的修正方法有較大差異。

1.5.1 GB 10184-88熱效率修正方法

在GB 10184-88中，熱效率修正主要包括輸入熱量的修正、熱損失的修正和燃料特性變化的修正。

輸入熱量的修正包括用設計的進風溫度替代外來熱量計算公式中的試驗進風溫度。

熱損失的修正主要是對排煙溫度的修正，從進風溫度和給水溫度兩方面修正。通過實測進風溫度與設計進風溫度以及實測給水溫度與設計給水溫度來修正排煙溫度。

本次實驗選擇的100例患者的資料來源于一項皮膚疣隨機對照臨床試驗入選冷凍治療組的患者。本次實驗方案得到醫院委員會批準，對患者的資料的收集也得到患者的許可。年齡＞18周歲，學歷在初中以上。其中，男56例，女44例，平均年紀（31±8）歲，平均患病時長（2.2±1.5）年。實驗中選擇的患者均排除其他病理影響。

燃料特性的修正即當試驗所用燃料超出約定的變化范圍，在計算排煙熱損失過程中用燃料中各組分及低位發熱量的設計值替代試驗值。

1.5.2 ASME PTC 4-2013熱效率修正方法

ASME PTC 4-2013對于能量平衡法和輸入輸出法均提出了熱效率的修正方法。對于輸入輸出法，GB 10184-88沒有相應的修正方法；ASME PTC 4-2013提出可從空氣與煙氣阻力、蒸汽或水的壓力損失、蒸汽溫度和減溫水量等方面修正。

對于能量平衡法，ASME PTC 4-2013的熱效率修正內容主要包括進風溫度、排煙溫度，此外該規程也提到了燃料、脫硫反應、灰渣、過量空氣率、其他進入系統物質流、表面輻射和對流散熱損失等項目的修正方法。

ASME PTC 4-2013規定的進風溫度修正與GB 10184-88規定的輸入熱量修正類似，即用設計的進風溫度替代實測值，以完成對外來熱量的修正。另外，ASME PTC 4-2013并未給出明確的燃料修正方法，當燃料偏離設計值時，試驗各方需協商確定修正方法。

ASME PTC 4-2013規定排煙溫度的修正包括：

（1）考慮進風溫度的修正。此項修正GB 10184-88中也有體現，但修正公式有一定差異。

（2）考慮空預器進口煙溫的修正。ASME PTC 4-2013認為如果空氣預熱器進口煙溫偏離設計值，應該進行修正。GB 10184-88標準中沒有此項修正，而是修正了給水溫度；給水溫度偏離設計值后，直接影響省煤器換熱以及爐膛內換熱，但最終還是通過煙氣溫度和煙氣量表現出來。因此空預器進口煙溫修正和給水溫度修正本質上是一致的。

（3）空預器進口煙氣流量偏差修正。當空氣預熱器進口煙氣流量偏離設計值將影響排煙溫度，需要進行修正。

（4）空預器熱容比修正。

（5）磨煤機調溫風量的修正。

2 各項測量參數變化對熱效率的影響

ASME PTC 4-2013推薦用能量平衡法來進行性能試驗，即根據各項損失和外來熱量計算鍋爐熱效率。各項熱損失和外來熱量需要依據對空預器進出口的煙氣成分和溫度、進風溫度、環境條件、煤質分析、灰渣成分分析的測試結果計算。這些因素對于熱效率的影響程度不同，以無爐內脫硫的某660 MW燃煤機組熱效率測試結果作為基準，分析不同因素變化對于熱效率的影響程度。

2.1 實際測試結果

鍋爐熱效率測試依據ASME PTC 4-2013進行，對于灰渣比例、散熱損失和較小的熱損失項（不可計量熱損失）采用協商值，忽略燃料帶入的顯熱，假定各截面煙氣流量均勻。 試驗的煤質分析如表1所示，主要測試結果如表2所示。

表1 煤質分析結果

2.2 不同參數變化對熱效率的影響

鍋爐熱效率由各項熱損失和外來熱量計算確定。對熱效率影響較大的因素包括：干煙氣熱損失、氫生成水引起的損失、燃料水分引起的損失、空氣中水分引起的損失、未燃可燃物引起的損失、進入系統干空氣攜帶的外來熱量和空氣中水分攜帶的外來熱量。這些熱損失和外來熱量主要由以下參數確定：空預器進口氧量、空預器出口氧量、煙氣CO含量、空預器進口煙溫、空預器出口煙溫、空預器進口風溫、環境溫度、大氣壓、環境濕度、燃料成分、灰渣成分、灰渣比例等。不同的參數對于熱效率的影響程度不同，表3列舉了在基準工況下，單獨變化某一參數對各項損失/外來熱量和鍋爐熱效率的影響程度。

表2 主要測試結果

空預器進口氧量主要影響實際煙氣量，從而影響干煙氣熱損失、煙氣中水分損失和煙氣中可燃物損失，對修正后的鍋爐效率影響較小。在本試驗基礎上，若空預器入口氧量增加1%，修正后的鍋爐效率降低0.018%。

空預器出口氧量的變化主要影響系統的漏風率，從而影響無漏風修正后的排煙溫度，對修正后的效率影響較大。在本試驗基礎上，若空預器出口氧量增加1%，修正后鍋爐效率降低0.27%。

排煙溫度的變化主要影響干煙氣熱損失和相應的水分熱損失，對修正后的鍋爐影響效率非常大。在本試驗基礎上，若排煙溫度增加10℃，修正后鍋爐效率降低0.54%。

空預器進口煙溫的變化對于實測鍋爐效率沒有影響，但會影響空預器進口煙溫修正后的排煙溫度，從而影響修正后的鍋爐效率。在本試驗基礎上，若空預器進口煙溫增加10℃，修正后鍋爐效率提高0.16%。

表3 各因素的變化對鍋爐效率的影響%

煙氣CO濃度和灰渣可燃物含量會影響未燃可燃物的熱損失，并同等程度的影響實測鍋爐效率和修正后的鍋爐效率。此外，煙氣未燃可燃物損失還與爐膛出口氧量有關，灰渣未燃可燃物損失也與燃料中的灰分含量有關。在本試驗基礎上，煙氣中的CO含量增加500 mg/L，修正后鍋爐效率降低0.18%；灰渣可燃物含量增加1%，修正后鍋爐效率降低0.14%。

變化空氣中的水蒸氣分壓會影響空氣中水分熱損失和進入系統水分外來熱量，從而影響修正后的熱效率。在本試驗基礎上，空氣中的水蒸氣分壓增加1 000 Pa，修正后鍋爐效率降低0.05%。

變化環境溫度（進風溫度）主要改變修正后的排煙溫度，同時也會改變空氣中的水分含量，對修正后的干煙氣熱損失和空氣中水分熱損失有較大影響，從而影響修正后的鍋爐效率。在本試驗基礎上，環境溫度提高10℃，修正后鍋爐效率提高0.33%。

需要說明的是，在實際運行過程中，理想的單獨改變某一參數的情況是不存在的，一個參數的變化必然會導致其他參數隨之改變。分析各參數變化對于熱效率影響程度分析可以有效的幫助理解和分析鍋爐熱損失的原因，以便及時改進和提高鍋爐效率；同時也方便對同一臺機組不同時間段熱效率測試結果的縱向對比和不同機組之間的橫向對比。

3 結語

從適用范圍、性能試驗程序、相關參數的定義和測量方法、熱效率計算及修正項等方面對電站鍋爐性能試驗規程ASME PTC 4-2013和GB 10184-88之間的差異性進行比較和討論，可為鍋爐性能試驗提供參考。

同時，以無爐內脫硫過程的某660 MW燃煤機組熱效率測試結果為例，分析變化空預器進出口的煙氣成分和溫度、進風溫度、環境條件、煤質、灰渣等參數對鍋爐熱效率的影響程度，以幫助理解和分析鍋爐熱損失的原因；其中空預器出口氧量、排煙溫度、空預器進口煙溫、未燃可燃物和進風溫度的變化對熱效率的影響程度較大。

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2017-9-22

項群揚（1989），男，工程師，從事鍋爐燃燒和節能優化研究。

（本文編輯：陸 瑩）

發展電力 科技先行

Differences between ASME PTC 4-2013 and GB 10184-88 and Analysis of Major Effects on Thermal Efficiency

XIANG Qunyang， YAO Kai， YANG Wei， HUANG Huajun， HU Qing
（Zhejiang Energy Group Ramp;D Co.， Ltd.， Hangzhou 311121,China）

The differences in application range， performance test procedures， concept definition， measurement methods，thermal efficiency calculation methods and corrections between the boiler performance test codes ASME PTC 4-2013 and GB 10184-88 are compared and analyzed in this paper.Besides，the effect degree of flue gas components and temperature of air preheater inlet and outlet， intake air temperature， environmental conditions，coal quality and slag on boiler thermal efficiency is analyzed based on the performance test of a 660 MW coal-fired unit in compliance with ASME code.This work would be helpful to understand and analyze reasons of thermal losses of boiler.

boiler； performance test； ASME PTC 4； thermal efficiency

10.19585/j.zjdl.201711012

1007-1881（2017）11-0067-06

TK114

A