锅炉排烟温度升高对锅炉效率及煤耗的影响

张建中(中国电力建设工程咨询有限公司华东技术中心，上海 200137)



锅炉排烟温度升高对锅炉效率及煤耗的影响

张建中
(中国电力建设工程咨询有限公司华东技术中心，上海 200137)

摘要：在包含暖风器功能的烟气余热回收系统中，因锅炉排烟温度发生变化，在计算汽轮机侧获得热效率增益的同时，还涉及对锅炉侧热效率变化的评估。按传统理念，锅炉排烟温度升高引起排烟热损失的增大，必定使锅炉效率发生下降，煤耗增加。但在空预器进风温度提高情况下，对于锅炉排烟温度升高是否一定引起锅炉效率下降、煤耗增加，则是一个值得探讨的问题。根据热平衡原理分析了排烟温度与锅炉效率及煤耗之间的关系，论证结果表明：排烟温度对锅炉效率的影响存在两种不同基准的表达模式；因空预器进风温度提高所导致排烟温度升高时，以燃煤发热量为基准的锅炉效率计算值增大，而以输入热量为基准的锅炉效率计算值下降，但这两种表达模式对最终煤耗变化的影响则是相同的，在应用时必须区分两种不同的效率概念。在实践中，推荐首选以燃煤发热量为基准的锅炉效率模式，并按排烟温度增幅与进风温度增幅两者的比率、而不是仅按排烟温度是否升高来评估排烟热损失、锅炉效率及煤耗三者的变化。并提出在烟气余热回收系统中，应该区分“空预器排烟温度”及“锅炉机组排烟温度”这两种不同的概念。

关键词：排烟温度；排烟热损失；锅炉效率；锅炉煤耗；空预器；等效排烟温度。

1　概述

锅炉排烟温度的高低是决定烟气余热回收系统效益高低的关键参数。在包含暖风器功能的烟气余热回收系统中，由于锅炉排烟温度发生变化，在计算汽轮机侧获得热效率增益的同时，还涉及对锅炉侧热效率变化的评估。关于锅炉排烟温度升高对锅炉效率的影响，在现行锅炉热力计算方法中是非常明确的——随着排烟温度升高，排烟热损失就增大，锅炉效率下降。一般情况下，对此并不存在什么争议。按文献介绍，对600MW机组排烟温度每升高10℃，锅炉效率下降0.4%～0.6%，发电煤耗升高1.5 g/kWh(中位值)，业界对此是达成共识的。但需要指出的是，这一结论应该有一个前提——空预器进风温度为基准温度。如果空预器进风温度高于基准温度，排烟热损失是否一定增大，尤其是煤耗是否增大，实际上是一个存有争议的问题。例如，在以往常见的炉顶吸风方式中，伴随空预器进风温度的提高也提高了排烟温度，若简单按现行锅炉热力计算方法就难于评估锅炉是得益还是增大了热损失。在目前节煤降耗的大形势下，出现了一批深度节能降温的烟气余热回收系统新流程，有些流程中的烟气余热不仅用于汽轮机回热系统也用于加热锅炉进风温度，此时锅炉输入热量增大，同时排烟温度也发生升高，排烟热损失增大，这种情况下如何准确评估锅炉排烟温度升高对锅炉效率及煤耗变化的影响，就成为一个更加实际的问题。

2　现行文献中几种代表性观点

(1)业界相当大一部分意见认为，应该按现行锅炉性能试验规程[1]为准，不论什么原因，只要是锅炉排烟温度提高其结果必然是锅炉效率下降、煤耗增加。在文献[2]中，以环境温度变化为例进行的计算分析认为，同一台锅炉，夏季工况与冬季运行工况相比，由于夏季排烟温度升高，得出的计算结果是此时的锅炉效率较低煤耗较高，见表1。为此建议企业在制定机组上网策略时考虑这一因素。这是其中最有代表性的观点。

表1　环境温度变化时锅炉效率计算数据(表中以50℃为基准)

(2)有部分业界意见认为应按ASME PTC.4.1规范为准，当空预器进风温度提高后若排烟温度提高幅度小于进风温度提高幅度，锅炉效率将发生升高，并提供了按ASME PTC.4.1规范计算的案例参见附件。

(3)在DL/T 5240 - 2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》中则提出：① “当空气预热器进风温度发生变化时，锅炉效率可因所取基准温度或参照温度的不同而有不同的折算值，但一定环境温度及进风温度下的锅炉燃煤量则不存在折算值，为避免因采用不同热平衡模式而引起燃煤量计算的失误，可运用燃煤量的全微分方程作为核查准则和评估准则”。② “无论采用何种锅炉效率表述模式，所计算的燃煤变化率都是相同的，即主要取决于锅炉排出热量变化与输入热量变化的差值，而不是只取决于排出热量的多少或排烟温度的高低，更不是单纯地取决于锅炉效率的变化”。③“当空气预热器进风温度变化时，也可按热风温度的变化来评估锅炉燃煤量的变化”。

以上几种观点虽然都是有据可查的，但其结果明显相左；为此需要从理论上进一步探源分析。

3　理论分析

3.1基本方程推导

可以借助热平衡原理来分析锅炉排烟温度对排烟热损失、锅炉效率及煤耗的影响规律。

(1)锅炉汽水系统受热面侧的热平衡方程

式中： B为燃料量(kg/s)； Qnet,ar为燃料低位发热量(kJ/kg)；Gp, Gs为一次风(二次风流量(kg/s)；hhp, hhs为空预器出口一次风(二次风焓值(kJ/kg)； ΣDh为主蒸汽及再热蒸汽系统吸热量(kJ/s)； Gg为烟气流量(kg/s)；Hg.Eco为省煤器出口烟气焓值(kJ/kg)； ΣBq3 - 5为气体不完全燃烧、固体不完全燃烧及散热等这几项热损失(%)。

(2)空预器侧的热平衡方程

式中：hP.AH1, hs.AH1为空预器入口一次风，二次风焓值(kJ/kg)； Hg.AH为空预器出口排烟焓值(kJ/kg)。

(3)以燃料低位发热量Qnet,ar为基准的排烟热损失计算式q2.A为联立求解式(1)(2)可得与效率模式A相匹配的q2.A计算式为：

近似式为：

式中：θg.AH为空预器排烟温度(℃)；tAH.1为空预器进风温度(℃)；Cg为烟气比热容(kJ/kg.K)。

这是ASME PTC.4.1中的排烟热损失计算式。

(4)以炉膛输入总热量(Qnet,ar+ΔH)为基准的排烟热损失计算式q2.B——对式(2)变换成式(5)：

联立求解式(1)(4)可得到与效率模式B相匹配的q2.B计算式为：

近似式为：

这是国标GB/T 10184 - 1998 “电站锅炉性能试验规程”中的排烟热损失计算式。

应该指出，按式(3)与式(5)所计算的排烟热损失以及相应的锅炉效率都是不同的，但两种情况下的总热平衡条件即耗煤量是完全等效的。其中，式(3)直接以煤耗量为基准，应用该式来分析排烟热损失即排烟温度对煤耗的影响将更为方便。

3.2模式A

如上所述，对式(4)写出排烟热损失q2.A或锅炉效率ηA的全微分方程如下：

整理得到：

已知在空预器受热面不变条件下，因进风温度提高而引起的排烟温度增幅Δθg.AH恒小于进风温升ΔtAH.1，即[Δθg.AH/ΔtAH.1]<1.0，故有ΔηH> 0.0，表明提高空预器进风温度的结果是使以煤耗量B为基准的锅炉效率ηA发生提高；而又由于ηABQnet,ar=ΣDh =const，得知这种情况下的最终结果是排烟温度提高锅炉效率也提高，并使耗煤量减少。

需要着重指出的是，在模式A中的锅炉效率ηA对应于燃料低位热值Qnet,ar，而这正是工程应用中最常见的情况。

3.3模式B

同理，对式(7)写出全微分方程：

整理得到：

或

式中：ΔhAH为外来热量(用于加热空预器进风) (kJ/kg)。

式中：等式右边分子项因其中的Qnet,ar数值远大于其它项而为小于1.0的负值，则可知随着排烟温度升高dθg.AH将使排烟热损失dq2.B增大而锅炉效率ηB趋于降低。

但又由于ηBB(Qnet,ar+ΔhAH)=ΣDh =const，得知这种情况下的最终结果是排烟温度提高使排烟热损失q2.B增大锅炉效率ηB下降，但由于输入热量增幅大于锅炉效率降幅，最终导致耗煤量B趋于减少。

需要着重指出的是，在模式B中的锅炉效率ηA对应于燃料低位热值Qnet,ar与外来热量ΔhAH之和 。

3.4计算示例

已知：Qnet,ar=23419 kJ/kg，Cg=1.063 kJ/kg.K，Gg/B=10.93kg/kg.按模式A及模式B计算的数据见表2。

表2　进风温度提高对排烟热损失、锅炉效率及煤耗影响计算数据比较

4　分析

(1)理论推导及计算数据均表明，按两种模式计算的排烟热损失、锅炉效率虽均有明显差异，但对最终煤耗计算的结果则完全相同，并均证实提高空预器进风温度后锅炉是得益的。

(2)当以一定的环境温度或送风机出口温度t0为基准时，锅炉排烟温度升高将导致锅炉效率下降，但由于输入热量增大，使最终的煤耗值不增反降。前苏联锅炉文献、国内现行锅炉性能试验规程GB/T10184 - 1988及国内各高校教材或节能文献中，对于锅炉排烟热损失的计算模式均是q2∞(θpy- t0)，排烟温度θpy升高时必将引起排烟热损失上升，锅炉效率下降。但在这种方法中的锅炉效率系相对于输入热量而言；当进风温度高于环境温度时必须将这部分热量加入到输入热量中，否则将会得出错误结果。

(3)当以空气预热器进风温度tAH.in为基准时——按ASME PTC.4.1计算的排烟热损失计算模式是q2∞(θpy- tAH.in)。若进风温度高于环境温度或送风机出口温度t0，随进风温度的提高锅炉排烟温度也升高；但对于受热面一定的空气预热器，由传热/热平衡方程得知此时排烟温度升幅小于空气温度升幅，按这一模式计算的排烟热损失会发生降低，锅炉计算效率趋于提高，这种方法中的锅炉效率系相对于燃料低位发热量而言，计算效率越高煤耗也就越低。

5　空预器进风不同加热方式讨论

5.1炉顶吸风方式

此时排烟温度升幅小于空气温度升幅，锅炉因热风温度有小幅提高而得益，又由于此时排烟温度升高所排掉的热量来自炉顶吸风带入的废热，其最终结果是锅炉计算效率及实际效率均趋于提高，锅炉煤耗下降。按国外专业文献介绍，当环境温度为16℃时，炉顶吸风方式可使锅炉进风温度提高11～17℃，虽然排烟温度有所升高但最终可使热耗降低约10.3 kJ/MW.s(或效率提高0.4%),就煤耗角度而言这相当于使锅炉效率提高；为此有的国家尤其是德国的锅炉基本上都采用屋内布置及炉顶吸风方式并将其作为一种节能手段。这是在一定条件下锅炉排烟温度升高对锅炉效率仍可以产生正面影响最直观的应用案例。

5.2暖风器加热空气方式

此时排烟温度随空气温度提高而升高，同理，由于排烟温度升幅小于空气温度升幅，按模式A计算的排烟热损失同样会发生下降，锅炉计算效率ηg.c趋于提高；但此时随排烟温度升高所排掉的热量来自暖风器所消耗的汽轮机抽汽，在发电功率不变条件下，汽轮机侧热耗是增加的；计入暖风器消耗热源后，除非所用汽轮机抽汽压力极低——但以过低压力的汽轮机抽汽作为汽源受到管径/布置条件限制，一般情况下多认为此时最终的锅炉煤耗将发生提高，如国外文献指出，即使暖风器系统的热力设计良好仍将带来机组净效率的损失；排烟温度每提高10 K，效率下降约0.2%。

5.3尾部烟气换热器加热

当设置尾部烟气换热器用来加热空预器进风时：必须区分“锅炉排烟温度”与“空预器排烟温度”这两个不同的概念。

(1)在烟气余热回收系统中，烟气换热器全部用来加热空预器进风的流程：此时空预器进口烟温基本不变，进出口风温同时提高(热风温度升幅相对较小)，由于冷、热端的对数温压都变小导致空预器传热效率下降，空预器排烟温度必定随进风温度提高而升高；但这并不意味锅炉排烟温度也相应提高，因为空预器出口温度升高后的排烟热量通过尾部烟气换热器加热冷风后得到回收，又进入了炉膛，此处的尾部烟气换热器实际上就是空预器受热面的延伸，对于锅炉来说排烟温度不再是空预器排烟温度而是尾部烟气换热器出口烟温。而且由于这个温度是可以低于原空预器排烟温度的，因此不能误以为空预器排烟温度升高了，锅炉效率就降低了。

(2)部份烟气换热器用来加热空预器进风的流程：此时对于锅炉来说排烟温度同样不再是空预器排烟温度，但也不是尾部烟气换热器出口烟温，而建议引入“锅炉等效排烟温度”这一概念来表达，可按下述近似方程确定：

锅炉等效排烟温度=加热进风后的空预器排烟温度- (用于汽轮机回热系统烟气换热器的出口烟温+引风机/增压风机温升-用于加热空气这部分烟气换热器的最终烟温)。

若“锅炉等效排烟温度”<原来的空预器排烟温度，说明锅炉侧明显得益，锅炉效率明显升高；

若“锅炉等效排烟温度”≥原来的空预器排烟温度，需根据空预器出口热风温度变化情况来判断锅炉侧是否得益。

按上述方程可知，在脱硫塔前是否装设低温换热器也即是否利用“引风机/增压风机温升”这部分热量，对于锅炉等效排烟温度有不容忽视的影响。仅在电除尘器前装设低温换热器时，要使“锅炉等效排烟温度“低于原来的空预器排烟温度，就得减少分配给汽轮机回热系统的烟气热量。

5.4 因环境温度变高导致排烟温度升高

国内不少文献根据现行锅炉性能试验规程GB/T10184 - 1988中的计算公式认为，环境温度或送风机出口温度t0升高时因排烟温度升高将使锅炉效率降低煤耗增加；实际上这是一种误解，因为在该规程中明确指出，当进风温度变更时对排烟热损失计算须同时修正进风温度及排烟温度，而不是只进行排烟温度一项修正，又由于这种情况下不存在外来热量，此时GB/ T10184 - 1988中的排烟热损失计算公式实际上与ASME PTC.4.1计算公式是完全相同的。

在空预器受热面一定条件下，按上海锅炉厂性能设计处的经验认为，夏季环境温度升高时，由于空预器的换热温差不会大变化，排烟温度也是上升的，但实际计算下来排烟温度的上升量是低于环境温度上升量，所以锅炉效率是变高的；这与按ASME PTC.4.1计算的结果相同。在有的文献中之所以得出夏季排烟温度升高锅炉效率降低煤耗升高的结果，其原因在于对GB/T10184 - 1988使用上的误解——环境温度变更时，在排烟热损失计算中仅修正了排烟温度，对进风温度并未按实际环境温度选用而是假定了一个并不存在的基准温度。

6　结论

(1)锅炉排烟温度升高对锅炉效率及煤耗的影响问题需视烟温升高的原因而定，不能简单认为排烟温度升高必定是锅炉效率下降煤耗增加。

(2)空预器进风温度变化时，排烟温度对于排烟热损失及锅炉效率的影响存在两种不同的计算模式：模式A——以空气预热器进风温度tAH.in为基准，输入热量采用燃料低位发热量；模式B——以环境温度为基准，输入热量采用[燃料低位发热量]与[进风温度高于环境温度这部分热量]二者之和。

(3)按最终计算结果耗煤量变化为判据，两种计算模式是等效的。但是模式A、B中的锅炉效率分别对应不同的输入热量，模式A中的锅炉效率增高直接标志煤耗的降低，而模式B中的锅炉效率降低并不代表煤耗的升高。在分析排烟温度影响时需要区分两种不同锅炉效率的概念。

(4)空预器进风温度变化时，推荐首选模式A来分析排烟温度升高对锅炉效率及煤耗的影响；当使用模式B时应正确计算输入热量。不能采用以环境温度为基准，输入热量按燃料低位发热量的错误组合计算模式；也不能采用以空预器进风温度为基准，输入热量按[燃料低位发热量+外来热量]的错误组合计算模式。

(5)当排烟温度因空预器进风温度提高而升高时，判断锅炉是否得益的关键准则并非效率变化而应该是煤耗变化，或热风温度变化。针对不同情况可大体归纳如下：

①若加热冷空气的热源是炉顶热风，按模式A的锅炉效率有所升高；按模式B的锅炉效率有所降低；但最终的煤耗必定都是有所降低的。

②若加热冷空气的热源是汽轮机抽汽，按全厂热力系统核算的锅炉效率通常是降低的。

③若加热冷空气的热源是烟气余热，当使用模式B时宜按“锅炉等效排烟温度”来评估锅炉效率的变化。在烟气深度冷却(此时用于加热空气这部分烟气换热器的入口烟温接近原设计空预器排烟温度)条件下，锅炉效率是提高的，机组煤耗有所下降。

④夏季环境温度升高所引起的排烟温度升高，无论按模式A还是模式B的计算结果都是锅炉效率有所提高、煤耗有所下降。

(6)从锅炉耗煤量角度来说，以DL/T 5240 - 2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》中推荐的评估方法更为确切。

参考文献：

[1]GB/T 10184-1998，电站锅炉性能试验规程[S]．

[2]翟培强，环境温度变化对锅炉效率影响[J]．华中电力，2005，(2)．

[3]ASME PTC.4.1 PowerTest Code for Steam Generating Unites[S]．

[4]DL/T 5240-2010，火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程[S]．

[5]E.WittchowFossil beheizte Dampfkraftwerke[M].1986

[6]Yasenchak ,G.M：Engineering Assessment of an Advanced Pulverized-Coal Power Plant；EPRI Final Report CS-2555；Reseach Project 1403-2[R],August 1982．

Effect of Boiler Exhaust Gas Temperature Increased on Boiler Efficiency and Coal Consumption

ZHANG Jian-zhong
(Technical Center of East China，China Power Construction Engineering Consulting Corporation,Ltd., Shanghai 200137, China)

Abstract:In flue gas waste heat recovery system which contains the air heater function ,It also involves changes to the boiler side thermal efficiency evaluation at the same time in calculating thermal heat efficiency gain of steam turbine side because of the boiler exhaust temperature changing. According to the traditional concept, the boiler exhaust gas temperature increase give rise to the heat exhaust gas loss, which will enable the boiler efficiency decline and coal consumption increase. But the problem whether boiler exhaust gas temperature increase is certainly caused by boiler efficiency decrease and coal consumption increase is worth discussing when the air preheater inlet air temperature improving. According to the heat balance principle, the relationship between exhaust gas temperature and boiler efficiency and coal consumption is analysised, the results show that: there are two different kinds of expression patterns is existed between the effect of flue gas temperature and the boiler efficiency. When the exhaust gas temperature increased which caused by air preheater inlet air temperature improve, the boiler calculation efficiency which is taking the coal calorific value as the base will increase, which is taking the input heat as the base will reduce. But the effectof these two kinds of expression pattern to the final coal consumption change is the same. Two different efficiency concepts must be distinguished in application. In practice, boiler efficiency mode based on coal calorific value is first recommended. In addition, the ratio between the exhaust temperature increase and the inlet air temperature increase, but the exhaust temperature only ,to assess the change of exhaust heat loss, boiler efficiency and coal consumption. Two different concepts should be distinguished also between “air preheater exhaust temperature” and “boilerunit exhaust temperature” in gas waste heat recovery system.

Key words:exhaust gas temperature; heat loss due to exhaust gas;boiler efficiency;coal consumption of boiler; air temperature increase; air preheater; equivalent exhaust temperature .

中图分类号：TM621

文献标志码：B

文章编号：1671-9913(2016)01-0038-06

* 收稿日期：2015-06-27

作者简介：张建中(1937- )，男，浙江湖州人，教授级高级工程师，长期从事火电厂设计、科研、监理及咨询工作。