標準ASME PTC 4.3—1968和ASME PTC 4.3—2017關于空氣預熱器性能計算區別

王祝成，梁 昊，徐 凱，韓國慶，陳寶康，施延洲

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標準ASME PTC 4.3—1968和ASME PTC 4.3—2017關于空氣預熱器性能計算區別

王祝成，梁 昊，徐 凱，韓國慶，陳寶康，施延洲

（西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇 蘇州 215153）

本文針對實際工程常用的美國標準ASME PTC 4.3—1968和ASME PTC 4.3—2017中關于空氣預熱器性能計算方法的區別進行了分析，詳細比較了空氣預熱器漏風率計算及修正、煙氣阻力修正的差異。試驗案例計算結果表明：2個標準計算的空氣預熱器漏風率結果相對偏差值為2.06%，得空氣預熱器漏風率修正值的相對值偏差為12.73%，煙氣阻力修正值的相對值偏差為22.91%；如果將ASME PTC 4.3—1968標準修正公式中煙氣量改成基于每小時計量，則2個標準計算的漏風率修正值的相對值偏差為2.62%，煙氣阻力修正值的相對值偏差為1.28%。

ASME PTC 4.3—1968；ASME PTC 4.3—2017；空氣預熱器；漏風率；煙氣阻力；計算方法；修正；性能試驗

通常，電站鍋爐省煤器后都布置有空氣預熱器（空預器），以降低排煙溫度，預熱空氣，強化燃燒，提高鍋爐效率?？疹A器通常有管式、回轉式和熱管式3種形式[1]，主要性能通常包括煙氣側效率、漏風率、修正系數、煙風阻力和煙風溫度[2]。國內常用空預器熱力性能試驗標準有中國標準和美國標準2種[3-6]。目前，使用的國標為《電站鍋爐性能試驗規程》（GB/T 10184—2015）中8.6章節部分，2015年之前國標為《電站鍋爐性能試驗規程》（GB 10184—88）中的9.6章節和附錄部分。上述標準有關空預器試驗性能的內容編寫相對簡單，只給出了空預器漏風率等的基本定義和簡化公式，沒有涉及到漏風率修正計算及阻力修正計算。目前，使用的美國標準為《空氣預熱器試驗規程》（ASME PTC 4.3—2017），2017年之前使用的版本為《空氣預熱器試驗規程》（ASME PTC 4.3—1968），此版本延續時間接近40年，被國內廣大工程技術人員普遍使用。美國標準ASME PTC 4.3—2017和ASME PTC 4.3—1968在空預器性能計算和修正方面存在差別，會對試驗結果造成一些影響。國內已有學者對ASME PTC 4.1—1964、ASME PTC 4.3—1968標準的使用做了研究[7-10]，但對ASME PTC 4.3—2017的實際使用研究較少。

本文主要分析ASME PTC 4.3—2017和ASME PTC 4.3—1968 2個標準關于空預器性能試驗中漏風率和煙氣阻力計算及修正的區別，并結合試驗案例進行比較分析，為理解和使用標準提供參考。

1 空預器漏風率計算

1.1 漏風率計算公式

ASME PTC 4.3—1968中空預器漏風率定義為漏到煙氣側的空氣質量，除以進入空預器煙氣質量，計算公式為

式中：L為空預器漏風率，%；G14、G15分別為進、出空預器濕煙氣量，kg/kg（每千克入爐燃料，下同）。

ASME PTC 4.3—2017中空預器漏風率定義與ASME PTC 4.3—1968相同，計算為

式中：Aln為空預器漏風率，%；Fg14n、Fg15n分別為進、出空預器濕煙氣量，kg/kJ（每千克入爐燃料，下同）。

1.2 漏風率計算公式區別

2個標準關于空預器漏風率的區別主要表現在空預器進、出口濕煙氣量的單位和計算上。ASME PTC 4.3—1968為基于每千克入爐燃料的濕煙氣量，ASME PTC 4.3—2017為基于每千焦入爐燃料的濕煙氣量，兩者濕煙氣量轉換為

式中：HVF為每千克入爐燃料的高位熱值，kJ/kg；Fg14,Fg15為空預器進、出口濕煙氣量，kg/kJ；G14,G15為空預器進、出口濕煙氣量，kg/kg。

ASME PTC 4.3—2017標準中空預器漏風率計算公式還可表示為式(4)，該式對于標準ASME PTC 4.3—1968也同樣適用，等同于式(1)分子分母同時乘以入爐燃料流量（kg/h）。

式中：Al為空預器漏風率，%；Al為空氣側漏到煙氣側的流量，kg/h；Fg14為空預器進口煙氣流量，kg/h。

ASME PTC 4.3—1968濕煙氣量為式(5)和式(6)之和，其中式(5)為干煙氣量計算、式(6)為煙氣中水分計算；ASME PTC 4.3—2017濕煙氣量為式(7)和式(8)之和，其中式(7)為干煙氣量計算、式(8)為煙氣中水分計算。2個標準中關于煙氣中水分計算公式(6)、公式(8)完全等價，而關于干煙氣量計算公式(5)、公式(7)則有所區別。式(5)煙氣量計算需要O2、CO2、CO等煙氣成分分析及入爐煤元素分析等相關參數。而式(7)煙氣量計算需要煙氣中氧量分析及入爐煤元素分析等相關參數，不再需要現場測量煙氣中的CO、CO2體積分數，也就不需要CO、CO2的測試儀器。盡管這會造成干煙氣量計算值有所不同，但空預器漏風率是相對值，因此對漏風率計算結果影響較小。

2 空預器漏風率修正

2.1 漏風率修正公式

空預器漏風量主要受到空預器冷端風側與煙氣側之間壓差和冷端風溫的影響（式(9)）。ASME PTC 4.3—1968經過對壓差和空氣溫度偏離設計值修正的空預器漏風量見式(10)，修正的漏風率見式(11)。

式中：(AL)為修正后的空預器漏風量，kg/kg；(AL)為空預器漏風量，kg/kg；Δ(8-15)D為設計的空預 器冷端空氣進口與出口煙氣之間的靜壓差，kPa；Δ(8–15)為測量的空預器冷端空氣進口與空預器出口煙氣之間的靜壓差，kPa；A8D為設計的空預器入口空氣溫度，K；A8為測量的空預器入口空氣溫度，K；G14D為設計的空預器進口濕煙氣量，kg/kg；G14為測量的空預器進口濕煙氣量，kg/kg。

ASME PTC 4.3—2017經過對壓差和空氣溫度偏離設計值修正的空氣熱漏風率為

式中：AlCr為經過壓差和空氣溫度修正后的空預器漏風率，%；AlCr為經過壓差和空氣溫度偏離設計值修正的漏風量，kg/h；Fg14Ds為設計的空氣預熱器進口煙氣流量，kg/h。

對于兩分倉空預器，經過壓差和空氣溫度修正后的漏風量見式(13)，對于多分倉空預器（三分倉），經過壓差和空氣溫度修正后的漏風量見式(14)。

式中：DiA8Fg15SDs為設計的空預器冷端二次風進口與出口煙氣之間的靜壓差，kPa；DiA8Fg15S為測量的空預器冷端二次風進口與出口煙氣之間的靜壓差，kPa；A8SDs為設計的空熱器二次風進口溫度，K；A8S為測量的空預器二次風進口溫度，K；AlFg為設計的一次風泄漏量占總空氣泄漏量（漏到煙氣側），%；DiA8Fg15SDs為設計的空預器冷端一次風進口與出口煙氣之間的靜壓差，kPa；DiA8Fg15P為測量的空預器冷端一次風進口與出口煙氣之間的靜壓差，kPa；A8PDs為設計的空預器一次風進口溫度，K；A8P為測量的空預器一次風進口溫度，K。

2.2 漏風率修正公式區別

2個標準對于空預器漏風率修正的區別主要表現在計算公式上。ASME PTC 4.3—1968標準提供了二分倉空預器漏風率的修正公式，ASME PTC 4.3—2017標準分別提供了二分倉和多分倉（三分倉）空預器的漏風率修正公式。

對于三分倉空預器漏風率修正，如果使用ASME PTC 4.3—1968標準，根據現場經驗，一、二次風冷端壓差通常采用算術平均處理，一、二次風空氣溫度通常采用風量加權處理：

式中：Δ(8–15)P為空預器冷端一次風進口與出口煙氣之間的靜壓差，kPa；Δ(8–15)S為空預器冷端二次風進口與出口煙氣之間的靜壓差，kPa；A8P、A8S為空預器進口一、二次風溫度，K；AP、AS為空預器進口一、二次風流量，kg/h。

ASME PTC 4.3—1968標準中空預器漏風率修正公式中的煙氣流量G14、G14D為基于每千克入爐燃料的煙氣量，ASME PTC 4.3—2017標準中空預器漏風率修正公式中的煙氣流量Fg14、Fg14Ds為基于每小時的煙氣量。ASME PTC 4.3—1968標準關于空預器漏風率修正公式(11)隱含了入爐燃料流量試驗值等于設計值的條件。根據現場經驗，在空預器漏風率修正中應使用基于每小時的煙氣量。但實際工作中也有部分技術人員完全按照公式(11)修正，其結果存在較大差異。

3 空預器煙風阻力修正

3.1 煙風阻力修正公式

空預器煙氣阻力（靜壓差）主要受空預器煙氣流量和煙氣溫度影響。ASME PTC 4.3—1968經過對流量和溫度偏離設計值修正的空預器煙氣阻力為

式中：Δ(14–15)為修正后的空預器煙氣阻力，kPa；Δ(14–15)為測量的空預器煙氣阻力，kPa；GD為設計的煙氣流量（取空預器進、出口煙氣流量平均值），kg/ kg；G為測量的煙氣流量，kg/ kg；G14D、G15D為設計的空預器進、出口煙溫，K；G14、G15為測量的空預器進、出口煙溫，K。

ASME PTC 4.3—2017經過對流量和溫度偏離設計值修正的空預器煙氣阻力為

式中：DiFg14Fg15Cr為經過煙氣量和煙氣溫度修正后的空預器煙氣阻力，kPa；DiFg14Fg15為測量的空預器煙氣阻力，kPa；Fg14Ds為設計的空預器進口煙氣流量，kg/h；Fg14為測量（或計算）的空預器進口煙氣流量，kg/h；Fg14Ds、Fg15Ds為設計的空預器進、出口煙氣溫度，K；Fg14、Fg15為測量的空預器進、出口煙氣溫度，K；為修正系數，由空預器廠家提供，一般為1.7~1.8。

3.2 煙風阻力修正公式區別

ASME PTC 4.3—1968標準空預器煙氣阻力修正公式中煙氣流量采用空預器進、出口流量平均值，并且是基于每千克入爐燃料的煙氣量，同樣是隱含了入爐燃料流量試驗值等于設計值的條件。當入爐燃料流量試驗值與設計值不同時，基于每千克入爐燃料的煙氣流量進行修正的煙氣阻力結果明顯與常識不符。在空預器煙氣阻力修正實際使用中，多使用基于每小時的煙氣量。

ASME PTC 4.3—2017標準空預器煙氣阻力修正公式中煙氣流量采用空預器進口流量，并且是基于每小時的煙氣量，其煙氣阻力與煙氣量的成正比。而ASME PTC 4.3—1968標準中煙氣阻力與煙氣量的二次方成正比。

4 試驗案例分析

某燃煤電廠亞臨界300 MW級機組鍋爐為一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣、∏型布置、四角切園燃燒，采用直吹式制粉系統。該機組安裝脫硫與脫硝裝置，設計煤種為晉北煙煤。煤質設計數據見表1，鍋爐主要設計參數見表2。在300 MW工況下，進行了空預器性能測試，試驗測試數據見表3。

表1 煤質設計數據

Tab.1 The design quality data of the coal

表2 鍋爐主要設計數據

Tab.2 Main design data of the boiler

表3 空預器性能測試結果

Tab.3 Performance test data of the air heaters

分別使用ASME PTC 4.3—1968和ASME PTC 4.3—2017 2個標準計算空預器漏風率和煙氣阻力。ASME PTC 4.3—1968修正公式涉及到的煙氣量分別采用基于每千克入爐燃料計量和基于每小時計量，一、二次風冷端壓差采用算術平均處理，一、二次風空氣溫度采用風量加權處理，計算結果對比見表4。從表4可以看出：使用標準ASME PTC 4.3—1968計算A/B空預器漏風率為4.73%/4.52%，漏風率修正值為4.60%/4.73%（修正公式中煙氣量基于每千克入爐燃料計量）、4.13%/4.24%（修正公式中煙氣量改為基于每小時入爐燃料計量），A/B空預器煙氣阻力修正值為1.95 kPa/1.70 kPa（修正公式中煙氣流量基于每千克入爐燃料計量）、2.43 kPa/2.11 kPa（修正公式中煙氣量改為基于每小時入爐燃料計量）；使用標準ASME PTC 4.3—2017計算A/B空預器漏風率為4.65%/4.41%，漏風率修正值為4.04%/4.10%，A/B空預器煙氣阻力修正值為2.36 kPa/2.11 kPa。

表4 空預器性能試驗計算結果

Tab.4 Calculation results of performance test data of the air heaters

2個標準計算的空預器漏風率絕對值偏差為0.09%，相對值偏差為2.06%。ASME PTC 4.3—1968中空預器漏風率和煙氣阻力修正值與ASME PTC 4.3—2017計算得到得到的修正值偏差較大，空預器漏風率修正值的絕對值偏差為0.59%，相對值偏差為12.73%，煙氣阻力修正值的絕對值偏差為0.42 kPa，相對值偏差為22.91%。如果將ASME PTC 4.3—1968漏風率和煙氣阻力修正公式中的煙氣量改成基于每小時計量，則兩個標準空預器漏風率修正值的絕對值偏差為0.11%，相對值偏差為2.62%，煙氣阻力修正值的絕對值偏差為0.03 kPa，相對值偏差為1.28%。

ASME PTC 4.3—1968標準從頒布執行，迄今已有約40年，國內許多在役火電機組空預器有關設計參數均依據該標準進行計算，如果要求空預器性能試驗結果與設計值對比，最好使用ASME PTC 4.3—1968版本。為了更好地正確使用此標準，空預器漏風率和煙氣阻力修正公式中的煙氣量建議改成基于每小時計量，從而使得修正結果更加合理。

5 結 論

1）使用ASME PTC 4.3—1968標準時，空預器漏風率試驗需要測量空預器進、出口煙氣中O2、CO、CO2體積分數；使用ASME PTC 4.3—2017標準時，試驗中需要測量空預器進、出口煙氣中的O2體積分數，不再需要CO、CO2的測試儀器。試驗案例計算結果表明，2個標準計算的空預器漏風率絕對值偏差為0.09%，相對值偏差為2.06%。

2）ASME PTC 4.3—1968標準中空預器漏風率和煙氣阻力修正公式中的煙氣量基于每千克入爐燃料計量；ASME PTC 4.3—2017標準中空預器漏風率和煙氣阻力修正公式中的煙氣量基于每小時計量。試驗案例計算結果表明，2個標準修正值偏差較大，建議將ASME PTC 4.3—1968標準中空預器漏風率和煙氣阻力修正公式中的煙氣量改為基于每小時計量。

3）ASME PTC 4.3—1968標準中空預器漏風率修正公式應用在三分倉空預器時，建議將一、二次風冷端壓差進行算術平均處理，一、二次風空氣溫度進行風量加權處理，或者直接參照ASME PTC 4.3—2017標準修正方法執行，2種處理方法的修正值比較接近。

4）ASME PTC 4.3—1968標準中空預器煙氣阻力修正公式中煙氣量取為空預器進、出口煙氣流量平均值；ASME PTC 4.3—2017標準取為空預器進口煙氣流量，并且2個標準煙氣阻力修正公式中煙氣量的冪有所區別。

5）新建或在役火電機組空預器性能考核試驗應根據空預器廠家原始設計資料，選擇合適的ASME PTC 4.3標準版本，如果使用ASME PTC 4.3—1968標準時，特別需要注意修正公式中煙氣量的計算問題，建議改成基于每小時計量。

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Difference in air heaters performance calculation between ASME PTC 4.3—1968 and ASME PTC 4.3—2017

WANG Zhucheng, LIANG Hao, XU Kai, HAN Guoqing, CHEN Baokang, SHI Yanzhou

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Suzhou Branch, Suzhou 215153, China)

The differences of air heaters performance calculation method between ASME PTC 4.3—1968 and ASME PTC 4.3—2017 are discussed, and the difference in calculation and correction of percent air heater leakage, as well as correction of flue gas resistance, are compared in detail. The calculation results of the performance test case show that, the relative deviation of the percent air heater leakage calculated by the two standards is 2.06%, and the relative deviation of the percent air heater leakage corrected by the two standards is 12.73%, and the relative deviation of flue gas resistance corrected by the two standards is 22.91%. If the amount of flue gas in the correction formula is changed to be based on hourly in ASME PTC 4.3—1968, the relative deviation of the percent air heater leakage corrected by the two standards is 2.62%, and the relative deviation of flue gas resistance corrected by the two standards is 1.28%.

ASME PTC 4.3—1968, ASME PTC 4.3—2017, air preheater, percent air heater leakage, flue gas resistance, calculation method, correction, performance test

TK223.3

A

10.19666/j.rlfd.201812228

王祝成, 梁昊, 徐凱, 等. 標準ASME PTC 4.3—1968和ASME PTC 4.3—2017關于空氣預熱器性能計算區別[J]. 熱力發電, 2019, 48(5): 25-30. WANG Zhucheng, LIANG Hao, XU Kai, et al. Difference in air heaters performance calculation between ASME PTC 4.3—1968 and ASME PTC 4.3—2017[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 25-30.

2018-12-06

王祝成(1971—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為鍋爐性能試驗及優化運行，wangzhucheng@tpri.com.cn。

（責任編輯 楊嘉蕾）