GB_T 10184—2015在高炉煤气锅炉炉效计算中的应用分析.pdf
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1、第 52 卷 第 10 期 Vol.52 No.10 2023 年 10 月 THERMAL POWER GENERATION Oct.2023 修 回 日 期:2023-07-10 基 金 项 目:中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ22-HF18)Supported by:Science and Technology Project of China Huaneng Group Co.,Ltd.(HNKJ22-HF18)第一作者简介:徐凯(1989),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为电站锅炉性能测试及优化调整,。DOI:10.19666/j.rlfd.202307380 GB/T
2、 101842015 在高炉煤气锅炉 炉效计算中的应用分析 徐 凯1,郑永峰2,聂 雨1,黄 伟1,刘 军3,郑 磊1,孟桂祥1,钟 平1,韩国庆1,曹寿峰1(1.西安热工研究院有限公司苏州分公司,江苏 苏州 215353;2.华能苏州热电有限责任公司,江苏 苏州 215129;3.华北水利水电大学能源与动力工程学院,河南 郑州 450045)摘要根据 GB/T 101842015,构建了高炉煤气锅炉炉效计算模型,分析了高炉煤气锅炉炉效计算方法。结果表明:燃气基准的差异导致高炉煤气水分及低位发热量的计算方法不同,并列出了 2 种燃气基准下高炉煤气水分的计算方法及低位发热量的换算方法;提出了 3
3、 种适用于高炉煤气锅炉的过量空气系数、实际烟气量及烟气中 CO2含量的求解方法,并提出了适用于含煤气加热器的高炉煤气锅炉排烟温度的修正方法;GB/T 101842015 对部分公式的计算有待于进一步探讨,并可作适当修改。关键词GB/T 101842015;高炉煤气;锅炉效率 引用本文格式徐凯,郑永峰,聂雨,等.GB/T 101842015 在高炉煤气锅炉炉效计算中的应用分析J.热力发电,2023,52(10):95-102.XU Kai,ZHENG Yongfeng,NIE Yu,et al.Application analysis of GB/T 10184-2015 standard in
4、 boiler efficiency calculation of blast furnace gas boilerJ.Thermal Power Generation,2023,52(10):95-102.Application analysis of GB/T 101842015 standard in boiler efficiency calculation of blast furnace gas boiler XU Kai1,ZHENG Yongfeng2,NIE Yu1,HUANG Wei1,LIU Jun3,ZHENG Lei1,MENG Guixiang1,ZHONG Pin
5、g1,HAN Guoqing1,CAO Shoufeng1(1.Suzhou Branch of Xian Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Suzhou 215153,China;2.Huaneng Suzhou Cogeneration Co.,Ltd.,Suzhou 215129,China;3.College of Energy and Power Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045,China
6、)Abstract:According to GB/T101842015,the calculation model of blast furnace gas boiler efficiency is constructed,and the calculation method of blast furnace gas boiler efficiency is analyzed.The results show that the calculation methods of gas moisture content and low-level calorific value are diffe
7、rent due to the difference of gas benchmarks.Three methods for solving the excess air coefficient,actual flue gas volume and CO2 content in the flue gas are proposed for blast furnace gas boilers,and a correction method for exhaust gas temperature of blast furnace gas boilers with gas heaters is pro
8、posed;The calculation of some formulas in the GB/T101842015 needs to be further discussed,and appropriate modifications can be made.Key words:GB/T 101842015;blast furnace gas;boiler efficiency 近年来,随着全烧高炉煤气燃烧技术的发展,高炉煤气锅炉参数及容量逐渐提高1-2,目前已有超临界高炉煤气发电机组成功投产运行。锅炉效率是衡量高炉煤气锅炉运行经济性的重要指标3-7,目前国内针对高炉煤气锅炉炉效的测试及计
9、算一般依据电站锅炉性能试验规程(GB/T 101842015)8进行,该标准提供了锅炉燃用气体燃料时的计算公式,但部分公式不适用于计算含氮量高且设置有煤96 2023 年 http:/ 气加热器(煤加)的煤气锅炉的锅炉效率。目前,已有学者利用 GB 1018419889对高炉煤气锅炉及煤/气混烧锅炉进行炉效计算相关的研究1,10-14,但尚无文献利用最新标准 GB/T 101842015 对高炉煤气锅炉进行炉效计算相关的应用分析。本文依据 GB/T 101842015,结合高炉煤气锅炉的高含氮量燃料特性及煤加布置特点,对高炉煤气锅炉炉效计算模型及修正方法进行分析,并提出GB/T 1018420
10、15 在高炉煤气锅炉炉效计算中存在的问题。1 高炉煤气锅炉炉效计算边界及数据来源 1.1 炉效计算边界 目前,高炉煤气锅炉尾部受热面常见布置方式有 2 种:第 1 种为常规的高炉煤气锅炉,锅炉最后一级受热面为空气预热器(空预器);第 2 种为设置有煤加的高炉煤气锅炉,锅炉最后一级受热面为煤加。高炉煤气锅炉炉效计算边界示意如图 1 所示。GB/T 101842015 提供了第 1 种常规高炉煤气锅炉的边界设定(图 1 中边界 1);针对第 2 种高炉煤气锅炉,由于高炉煤气在煤加中吸收空预器出口尾部烟气热量升温后,继续回到炉膛内部,因此煤加与空预器类似,锅炉烟气侧的系统边界应设定在煤加出口处,炉效
11、计算边界如图 1 中边界 2 所示。图 1 高炉煤气锅炉炉效计算边界示意 Fig.1 Boundary diagram of boiler efficiency calculation for BFG boiler 1.2 炉效计算数据来源 数据来源是炉效计算过程中重要的一部分,表 1 列出了高炉煤气锅炉炉效计算中所需要的部分重要参数,并给出了参数的来源方式。表 1 高炉煤气锅炉炉效计算所需参数 Tab.1 Data required for efficiency calculation of BFG boiler 项目 获取方式 煤气压力/kPa 测试 煤气温度/测试 湿煤气中2N、2H、2
12、CO、CO、4CH、2O/%实验室化验 湿煤气中2H O/%计算 高炉煤气 Qnet/(kJ m3)计算 边界进口风温/测试 边界处排烟温度/测试 边界处排烟中2O/%测试 边界处排烟中CO/%测试 边界处排烟中2co/%计算/测试 过量空气系数 计算 实际生成干烟气量/(m3 m3)计算 2 高炉煤气锅炉炉效计算模型 2.1 高炉煤气锅炉炉效计算 在高炉煤气锅炉炉效计算中,根据 GB/T 101842015,基准温度设定为 25,主要计算燃料效率。锅炉炉效可按下式计算:23456othex100()qqqqqqq (1)式中:为锅炉效率(燃料效率);q2为排烟热损失,%;q3为气体未完全燃烧
13、热损失,%;q4为固体未完全燃烧热损失,%;q5为锅炉散热损失,%;q6为灰、渣物理显热损失,%;qoth为其他热损失,可取约定值或经验值,%;qex为外来热量与气体燃料低位发热量的百分比,%。高炉煤气锅炉中无飞灰及炉渣产生,其固体未完全燃烧热损失 q4和灰、渣物理显热损失 q6均为 0。2.2 燃气基准 在工程上进行燃气燃烧计算时,习惯上有 2 种燃气基准:1)以 1 m3(标准状态,下同)的湿燃气为燃气基准;2)以1 m3的干燃气和含湿量hg(kg/m3)水蒸气组成的湿燃气为燃气基准15。采用第 2 种燃气基准的优点是在计算中所用的干燃气成分不随含湿量的变化而变化。对于第 1 种燃气基准,
14、高炉煤气成分可用下式表示:222mn22N,gH,gCO,gCO,gC H,gO,gH O,g100 (2)式中:2N,g、2H,g、2CO,g、CO,g、mnC H,g、2O,g、2H O,g分别为湿煤气中各组分的体积分数,%(高炉煤气中 H2S 含量近似为 0,后续不再讨论此项)。第 10 期 徐 凯 等 GB/T 101842015 在高炉煤气锅炉炉效计算中的应用分析 97 http:/ 对于第 2 种燃气基准,高炉煤气成分可用下式表示:222mn2N,g,dH,g,dCO,g,dCO,g,dC H,g,dO,g,d100 (3)式中:2N,g,d、2H,g,d、2CO,g,d、CO,g
15、,d、mnC H,g,d、2O,g,d分别为干煤气中各组分的体积分数,%。在 GB/T 101842015 中,每标准立方米燃料燃烧生成的烟气中水蒸气的体积 Vwv,fg,lv为:2gwv,fg,lvH,gC H,gcra,d,th,ga,ab110020.8041.293 0.804mnhnVVh (4)式中:Vwv,fg,lv为每标准立方米燃料燃烧生成的烟气中水蒸气的体积,m3/m3;hg为气体燃料的湿度(含湿量),kg/m3;cr为修正的过量空气系数;Va,d,th,g为气体燃料的理论干空气量,m3/m3;ha,ab为空气的绝对湿度,kg/kg 干空气。由上式可知 GB/T 101842
16、015 使用了第 2 种燃气基准。因式中 hg定义为气体燃料的湿度,即每标准立方米干气体燃料中含水蒸气的千克数。2 种燃气基准的差异导致高炉煤气水分体积分数/含湿量及低位发热量的计算方法不同。2.3 高炉煤气燃料中水分体积分数/含湿量计算 高炉煤气化验时需要分析煤气中各种气体组分的体积分数,通常根据GB/T 10410和GB/T 13610进行化验分析,但是上述 2 种标准只给出了 N2、H2、CO2、CO、CmHn、O2等成分的分析方法,且上述 2 个标准及 GB/T 101842015 均未提供气体燃料中的水分化验或计算方法。进入高炉煤气锅炉边界的高炉煤气通常含有饱和水蒸气,高炉煤气中的水
17、分计算需要锅炉机组热平衡系统边界处气体燃料的压力、温度及大气压力 3 个参数。对第 1 种燃气基准,高炉煤气燃料中水分体积分数可按下式计算:22H OH O,gg100pp (5)式中:2H O,g为第 1 种燃气基准下高炉煤气中的水分体积分数,%;2H Op为高炉煤气中水蒸气分压力,kPa,可根据高炉煤气温度计算得到;pg为高炉煤气绝对压力,kPa,可根据高炉煤气压力和大气压力计算得到。对于第 2 种燃气基准,高炉煤气燃料的含湿量hg可按下式计算:22H OggH O0.804phpp (6)2.4 高炉煤气低位发热量计算及换算 高炉煤气低位发热量需要根据第 1 种燃气基准下高炉煤气中的气体
18、组分体积分数计算得出。高炉煤气化验时,通常仅得到第 2 种燃气基准下的气体组分体积分数,即干燥基下的各气体组分体积分数。2 种燃气基准下的高炉煤气低位热值换算关系可按下式计算:2H O,gnet,gnet,g,dnet,g,dg1000.8040.804+100QQQh (7)式中:Qnet,g为第 1 种燃气基准(即湿燃气)下的高炉煤气低位发热量,kJ/m3;Qnet,g,d为第 2 种燃气基准(即干燃气)下的高炉煤气低位发热量,kJ/m3。在高炉煤气锅炉炉效计算中,应使用第 1 种燃气基准下的高炉煤气低位发热量。若使用第 2 种燃气基准下的高炉煤气低位发热量计算炉效,由于湿煤气中含有一定量
19、的饱和水蒸汽,根据式(7)可知,第 2 种燃气基准下的高炉煤气低位发热量高于第 1 种燃气基准下的高炉煤气低位发热量,则计算得到的炉效会偏高于实际炉效。2.5 过量空气系数、实际烟气量及干烟气中 CO2体积分数计算 2.5.1 过量空气系数 在 GB/T 101842015 中,过量空气系数计算公式为:2222N,fg,dN,fg,dO,fg,dO,fg,dCO,fg,d21212179210.5(8)式中:为过量空气系数;2N,fg,d、2O,fg,d、CO,fg,d分别为系统边界处干烟气中 N2、O2、CO 的体积分数,%。根据燃气燃烧原理推导,可得到过量空气系数的完整计算公式为:2222
20、222O,fg,dCO,fg,dN,gCO,fg,dO,fg,dCO,fg,dfg,d,lvO,fg,dCO,fg,dN,gN,fg,dfg,d,lv1=0.579121100()1 0.579121VV(9)式中:2CO,fg,d为系统边界处干烟气中 CO2的体积分数,%;Vfg,d,lv为系统边界处干烟气体积,m3/m3。98 2023 年 http:/ 由式(8)、式(9)可见,式(8)是假定气体燃料中 N2分数2N,g近乎为 0 且干烟气中 N2体积分数2N,fg,d接近 79%时的简化公式。因此,对于 N2体积分数高达 50%60%的高炉煤气锅炉而言,式(8)明显不适用,过量空气系数
21、需由式(9)确定。2.5.2 实际烟气量 在 GB/T 101842015 中,系统边界处干烟气体积 Vfg,d,lv计算公式为:fg,d,lvfg,d,th,ga,d,th,g=(1)VVV (10)式中:Vfg,d,th,g为理论干烟气量,m3/m3;Va,d,th,g为理论干空气量,m3/m3。由式(9)和式(10)可见,系统边界处干烟气体积Vfg,d,lv求解的前提是已知过量空气系数,但干烟气体积 Vfg,d,lv和过量空气系数互为未知数。2.5.3 干烟气中 CO2体积分数的计算方法 锅炉机组热平衡系统边界处干烟气中CO2体积分数可直接测量。实际炉效测试中存在烟气分析仪无 CO2测量
22、模块或 CO2测量模块精度低的情况,系统边界处干烟气中CO2体积分数也可通过计算方法得到。GB/T 101842015 提供了干烟气中 CO2体积分数的计算方法为:22CO,c,bCO,fg,dCO,fg,dfg,d,lv100=VV (11)22CO,gCO,gC H,gCO,c,b=100mnmV (12)式中:2CO,c,bV为每立方米气体燃料实际烧掉的碳计算的 CO2体积,m3/m3。由式(11)可见,干烟气中 CO2体积分数2CO,fg,d的求解需提前确定炉机组热平衡系统边界处干烟气体积 Vfg,d,lv的数值。综合来看,GB/T 101842015 中过量空气系数、系统边界处干烟气
23、体积fg,d,lvV及干烟气中 CO2体积分数2CO,fg,d的求解计算不完全适用于高炉煤气锅炉的炉效计算,需通过其他方法进行计算。2.5.4 过量空气系数、实际烟气量及烟气中 CO2体积分数联合求解 1)方法 1 参考文献11,对式(9)、式(10)和 式(11)进行联合求解,首先假定一个初始的实际烟气量,依次根据式(11)和式(9)分别得到一个假定的干烟气中 CO2体积分数和一个假定的过量空气系数,再将此二值代入式(10)得到计算出的实际烟气量,将初始的实际烟气量与计算出的实际烟气量进行比较,如果二者差值大于设定的误差范围,则重新设定一个新的初始实际烟气量,直至初始的实际烟气量与计算出的实
24、际烟气量差值小于设定的误差范围,即求解得到过量空气系数、实际烟气量Vfg,d,lv和干烟气中 CO2体积分数2CO,fg,d。此方法缺点在于过量空气系数、实际烟气量 Vfg,d,lv和干烟气中 CO2体积分数2CO,fg,d3 项必须经过迭代计算才能同时计算得出,增加了求解难度。2)方法 2 通过燃气燃烧原理推导,联合下述方程组依次求解干烟气中 CO2体积分数2CO,fg,d、干烟气体积 Vfg,d,lv和过量空气系数,具体计算方法为:22N,gN,fg,d,th,ga,d,th,g=0.79100VV (13)22CO,gCO,gC H,gCO,c,b=100mnmV (14)2222222
25、2CO,c,bN,fg,d,th,gCO,c,bO,fg,dCO,c,bCO,fg,dCO,fg,dN,fg,d,th,gCO,c,b18.5100()2110021VVVVVV(15)222N,fg,d,th,gfg,d,lvCO,fg,dO,fg,dCO,fg,d21210.210.185VV (16)2222O,fg,dCO,fg,dN,gCO,fg,dO,fg,dCO,fg,dfg,d,lv10.579121100()V(17)式中:2N,fg,d,th,gV为理论干烟气量 Vfg,d,th,g中的理论 N2量,m3/m3;Va,d,th,g为理论干空气量,m3/m3。3)方法 3 通
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