一臺循環流化床在用電站鍋爐能效測試分析

薛紅香，張 霞，王 誠，張 哲

（1.泰安市特種設備檢驗研究院，山東泰安 271000；2.山東泰安山鍋集團有限公司，山東泰安 271000）

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，世界面臨著各類能源的短缺和環境日趨惡化難題，再加上目前能源的不合理性和能源低效率利用的現狀，在此基礎上又加劇了該類問題的嚴重性和復雜性[1-2]。

國內外對工業鏈條鍋爐節能研究較多，而且關于鍋爐能效測試及節能監測的研究主要集中在工業鍋爐的節能改造上。綜合鍋爐節能研究的發展概況，對電站鍋爐的能效測試有較高的要求，計算數學模型針對性較強，計算過程復雜，對循環流化床在用電站鍋爐熱效率的具體測試研究較少。對電站鍋爐進行能效測試分析，可以有效地掌握該臺鍋爐的能效狀況，分析各項熱損失，對所測試的鍋爐提高節能性具有指導性作用。

因此，分析與掌握鍋爐能效測試尤其是循環流化床在用電站鍋爐能效測試的項目內容與原理是解決鍋爐節能環保問題的首要任務。本文對一臺循環流化床在用電站鍋爐進行能效測試，根據現場測試數據和實驗室分析數據，并進行離線計算得出該臺鍋爐的各項熱損失和熱效率。最后，針對該臺循環流化床電站鍋爐的測試數據與計算結果，具體分析排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失和固體未完全燃燒熱損失等各項熱損失對鍋爐熱效率的影響程度，以期為以后的鍋爐能效測試工作提供一定的參考。

1 鍋爐測試

（1）鍋爐

該鍋爐為某電廠一臺TG-130/5.29-M4循環流化床電站鍋爐，投用日期為2012年10月1日，額定蒸發量130 t/h，額定壓力5.29 MPa，設計熱效率86%，設計燃料為煙煤，設計排煙溫度150℃，設計給水溫度150℃，設計過熱蒸汽溫度485℃。

（2）試驗任務

對某電廠的一臺TG-130/5.29-M4循環流化床在役電站鍋爐進行鍋爐運行工況熱效率測試。

（3）試驗目的要求

采用反平衡法進行主要參數的簡單測試，快速判定鍋爐實際運行能效狀況。

（4）測試依據

TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》、GB/T 10184-2015《電站鍋爐性能試驗規程》、DL/T 964-2005《循環流化床鍋爐性能試驗規程》及雙方簽訂的合同中有關技術要求[3-5]。

（5）測試方案的編制

根據鍋爐現場情況、試驗任務、目的要求及測試依據編制該臺鍋爐的能效測試方案，確定測試方法、測試項目及試驗用儀器設備。

2 測試過程

鍋爐熱效率的計算有兩種方法，即輸入-輸出熱量法和熱損失法（也稱正平衡法和反平衡法），該鍋爐本次采用熱損失法（反平衡法）測試計算。測試時間為該臺電站鍋爐實際運行工況下測試2 h，測量讀數次數為9次，間隔時間15 min。工況說明如表1所示，測試項目及測點布置說明如表2所示。

表1 工況說明

表2 測試項目測點布置說明

3 數據整理及計算

該臺電站鍋爐能效測試燃料、灰及渣的化驗數據由委托的第三方煤質檢測公司提供。現場測試原始數據如表3所示。

由于本臺鍋爐采用熱損失法（反平衡法）測試計算。依據GB/T 10184-2015《電站鍋爐性能試驗規程》該臺鍋爐熱效率η計算公式如下：

3.1 排煙熱損失q2

鍋爐的排煙熱損失q2計算如下：

表3 現場測試原始數據

式中：Q2為每kg燃料產生的排煙熱損失，kJ/kg；Qnet.ar為入爐燃料（收到基）低位發熱量，kJ/kg。

排煙熱損失熱量為離開鍋爐系統邊界的煙氣帶走的物理顯熱，按照下式計算：

式中：Q2.fg.d為干煙氣帶走的熱量，kJ/kg；Q2.wv.fg為煙氣所含水蒸氣帶走的熱量，kJ/kg。

干煙氣帶走的熱量按照下式計算：

式中：Vfg.d.AH.1V為每kg燃料燃燒生成的空氣預熱器出口處的干煙氣體積，m3/kg；cP.fg.d為干煙氣定壓比熱容，kg/(m ·3K )；Vfg.d.AH.1V為空氣預熱器出口煙氣溫度，℃；tre為基準溫度，℃。

每kg燃料燃燒生成的空氣預熱器出口處的干煙氣體積按照下式計算：

式中：Vfg.d.AH.1V為修正的理論干煙氣量，m3/kg；αcr為修正的空氣過量系數；Va.d.th.cr為修正的理論干空氣量，m3/kg。

修正的理論干煙氣量按照下式計算：

式中：wc.b為實際燃燒掉的碳占入爐燃料的質量分數，%；wS.ar為入爐燃料中元素硫的質量分數，%；wN.ar為入爐燃料中元素氮的質量分數，%。

修正的理論干空氣量按照下式計算：

式中：wH.ar為入爐燃料中元素氫的質量分數，%；wO.ar為入爐燃料中元素氧的質量分數，%。

實際燃燒掉的碳占入爐燃料的質量分數按照下式計算：

式中：wC.ar為入爐燃料中元素氧的質量分數，%；was.ar為入爐燃料中元素灰分的質量分數，%；wc.rs.m為灰渣平均可燃物的質量分數，%。

將測試數據及化驗試數據代入公式（2）～（8）得：干煙氣帶走的熱量Q2.wv.fg=353.55 kJ/kg。

煙氣所含水蒸氣帶走的熱量按照下式計算：

式中：Vwv.fg.AH.1V為每kg燃料燃燒生成的空氣預熱器出口處的煙氣中水蒸氣體積，m3/kg。

每kg燃料燃燒生成的空氣預熱器出口處的煙氣中水蒸氣體積按照下式計算：

式中：wm.ar為入爐燃料中水分的質量分數，%；ha.ab為空氣絕對濕度，kg/kg；qm.f為燃料質量流量，kg/h；qm.st.at為霧化蒸汽質量流量，kg/h。

空氣絕對濕度按照下式計算：

式中：ha.ar為空氣香港對濕度，%；Pwv.sat為在大氣溫度下的水蒸氣飽和壓力，Pa。

將已知數據及所測數據、計算數據代入公式（9）～（11）得出煙氣所含水蒸氣帶走的熱量Q2.wv.fg=83.07 kJ/kg。

由以上（2）～（11）式可得出鍋爐的排煙熱損失q2=1.80%。

3.2 氣體未完全燃燒熱損失q3

造成氣體未完全燃燒熱損失的原因是由于排煙中有未完全燃燒產物CO、H2、CH4和CmHm，氣體未完全燃燒熱損失q3按照下式計算：

式中：Q3為每千克燃料產生的氣體未完全燃燒損失熱量，kJ/kg。

氣體未完全燃燒損失熱量按照下式計算：

式中：φCO.fg.d為干煙氣中CO體積分數，%；φCH4.fg.d為干煙氣中CH4體積分數，%；φH2.fg.d為干煙氣中氫氣體積分數，%。

由測試數據、化驗數據及公式（12）～（13）計算得氣體未完全燃燒熱損失q3=0.10%。

3.3 固體未完全燃燒熱損失q4

固體未完全燃燒熱損失q4按照下式計算：

式中：Q4為每kg燃料產生的固體未完全燃燒損失熱量kJ/kg。

固體未完全燃燒熱損失等于灰、渣中可燃物含量造成的熱量損失，按照下式計算：

由測試數據、化驗數據及公式（14）～（15）計算得固體未完全燃燒熱損失q4=2.88%。

3.4 鍋爐散熱熱損失q5

根據GB/T10184-2015附錄I，鍋爐散熱損失按照下式計算：

式中：q5.BMCR為最大出力下的鍋爐散熱損失，%；Qr為鍋爐額定輸出熱量，kJ/kg；QBMCR為鍋爐最大輸出熱量，kJ/kg；β為鍋爐表面輻射率系數。

由試驗數據及公式（16）計算得出鍋爐散熱熱損失q5=1.24%。

3.5 灰、渣物理顯熱損失q6

灰、渣物理顯熱損失q6按照下式計算：

式中：Q6為每千克燃料產生的灰、渣物理顯熱損失熱量，kJ/kg。

灰、渣物理損失熱量等于爐渣、沉降灰和飛灰排出鍋爐設備時所帶走的顯熱，按照下式計算：

式中：ws為爐渣占燃料總灰量的質量分數，%；ts為爐渣溫度，℃；cs為爐渣比熱，kg/(m3·K)；wc.s為爐渣中可燃物的質量分數，%；wpd為沉降灰占燃料總灰量的質量分數，%；tpd為沉降灰溫度，℃；cpd為沉降灰比熱，kg/(m3·K)；wc.pd為沉降灰中可燃物的質量分數，%；was為飛灰占燃料總灰量的質量分數，%；tas為飛灰溫度，℃；cas為飛灰比熱，kg/(m3·K)；wc.as為飛灰中可燃物的質量分數，%。

由測試和化驗數據及公式（17）～（18）計算得灰、渣物理顯熱損失q6=0.30%。

3.6 其他熱損失q oth

式中：qoth為鍋爐其他熱損失，%；Qoth為鍋爐其他損失熱量，kJ/kg。

此次測試其他熱損失qoth=0。

因此，由3.1～3.6及公式（1）得出該臺鍋爐熱效率為：

4 結束語

此次該臺TG-130/5.29-M4鍋爐測試熱效率93.19%達到了TSGG0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》第1號修改單規定的目標值，該臺在用電站鍋爐的排煙熱損失，也就是鍋爐的排煙所帶走的熱量，是其各項熱損失中占比量比較大的一項熱損失。排煙溫度越高，鍋爐熱損失就越大。有資料研究鍋爐熱效率受排煙溫度的直接影響，排煙溫度和鍋爐效率成負相關，一般溫度每升高10～15℃，效率下降1%[6]，所以適當增加鍋爐尾部煙道受熱面，降低排煙溫度，有利于提高鍋爐熱效率。

該臺鍋爐除了排煙熱損失以外，最大的熱損失是固體未完全燃燒熱損失，因此，促進燃料的充分燃燒是提高其鍋爐效率的一個有效途徑。

通過該臺電站鍋爐測試結果來看，對該臺電站鍋爐熱效率影響最大的因素是排煙熱損失和固體不完全燃燒熱損失兩方面。散熱損失、化學不完全燃燒熱損失、灰渣顯熱損失及其他因素導致的熱損失量相對來說不是很大。