余热锅炉散热损失计算方法研究

白云山，刘志敏，李 炜

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

余热锅炉是燃气-蒸汽联合循环发电机组的重要组成部分，其效率对联合循环机组的经济性有着重要影响[1-3]。新建机组需要进行余热锅炉效率的验收试验，已投运机组在检修前后也需要进行余热锅炉效率的对比试验，以评估检修效果[4]。余热锅炉效率通常采用反平衡法进行计算，计算方法如下：

ξ=100-q2-q3-q4-q5-q6

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ξ为余热利用率，%；q2为排烟热损失，%；q3为可燃气体不完全燃烧热损失，%；q4为可燃固体不完全燃烧热损失，%；q5为炉体散热损失，%；q6为其他热损失，%；Q3，Q4，Q5，Q6分别为排烟损失热量，可燃气体不完全燃烧损失热量，可燃固体不完全燃烧损失热量，炉体散热损失热量，其他损失热量，Qr为余热锅炉输入热量。

对于无补偿的燃气-蒸汽联合循环发电机组余热锅炉，Q3，Q4，Q6均为零。Qr，Q2可通过余热锅炉进口烟气焓值hr、出口烟气焓值h2及烟气流量M计算，如式(7)、式(8)所示：

Qr=hr×M

(7)

Q2=h2×M

(8)

综上所述，式(1)中唯一未知量为炉体散热损失， 本文对余热锅炉散热损失的计算方法进行对比分析。

1 余热锅炉的散热损失计算

目前，基于标准ASME PTC4.4—2008和GB/T10863—2011规定[5]，余热锅炉散热损失的计算主要有3种方法，现分别叙述如下：

方法1：GB/T 10863—2011中给出了关于余热锅炉散热损失计算的的推荐方法，如式(9)所示：

(9)

方法2：ASME PTC 4.4—2008中给出了余热锅炉散热损失的计算方法，如式(10)、式(11)所示：

(10)

Qhl=Qhl%×100×(QG,IN-QG,OUT)

(11)

式中：Qhl为锅炉在额定负荷下的热损失；QG,IN为进入余热锅炉的烟气热量；QG,OUT为离开余热锅炉的烟气热量。

方法3：ASME PTC4.4—2008中给出了余热锅炉散热损失的另外一种计算方法，如式(12)—(15)所示：

Qrl=q*A

(12)

q=qr+qc

(13)

(14)

qc=0.296×(TC-TA)1.25×[(V5280/60+

(15)

式中：A为炉体散热面积；q为总热流；qc为对流热流密度；qr为辐射热流密度；TC为外壁温度；TA为大气温度。

2 计算举例及分析

选取3台不同型号、不同容量的余热锅炉，分别用A、B、C表示，用以上3种计算方法对其散热损失、热效率等参数进行计算。

余热锅炉A为NG-M701F4-R型三压、再热、卧式、无补燃、自身除氧、自然循环燃机余热锅炉，锅炉本体受热面采用模块结构，由垂直布置的顺列和错列螺旋鳍片管和进出口集箱组成，与M701F4燃机配套。

余热锅炉B型号为Q1153/526-173.6(33.3)-5.9(0.67)/500(257)，为双压、无补燃、悬吊卧式、正压运行、自然循环锅炉，与9E燃机配套。

余热锅炉C型号为DG233.9/7.95/57.4/0.63-M106，为双压、无补燃、卧式、自然循环露天布置，与SGT-2000E燃机配套。

为对余热锅炉散热损失的计算更具有参考性，选取了3台余热锅炉对应的燃气-蒸汽联合循环机组运行在Baseload工况下的数据用于对其散热损失进行计算，试验工况如表1所示。根据表1中数据和上文中余热锅炉散热损失的3种计算方法，得出余热锅炉A、B、C用3种方法计算的散热损失如表2所示。表2中，锅炉输入热量和锅炉排烟损失热量根据式(7)、式(8)进行计算，烟气质量流量及锅炉进、出口烟气焓值根据燃气轮机能量平衡方程计算，在此不作赘述。

表1 试验工况

表2 余热锅炉A、B、C散热损失

根据表2中的计算结果，可以看出：

a.对于余热锅炉A、B、C，方法3比方法2得出的结果分别高3.85%、-24.26%、6.74%，通过2种方法计算出的余热锅炉散热损失总体上较为接近，二者的差异与余热锅炉型号、容量等参数有关；

b.对于余热锅炉A、B、C，方法1计算出的结果数值最大，方法1比方法2得出的结果分别高128.99%、98.74%、146.95%。

为进一步对余热锅炉散热损失的3种计算方法进行比较，分别对3种计算方法中散热损失对自变量的灵敏度进行了计算，即方法1—方法3中散热损失随锅炉额定负荷的变化情况。计算结果如图1—图3所示。

从图1—图3可以看出，方法1中散热损失的变化随锅炉额定负荷的变化较小，锅炉额定负荷增加20 t/h，散热损失减小127.3 MJ/h；方法2中散热损失的变化随进口烟气温度变化较小，进口烟气温度增加20 ℃，散热损失增加20.39 MJ/h；方法3中散热损失的变化随锅炉外壁温度的变化较大，外壁温度增加20 ℃，散热损失增加1741 MJ/h。在余热锅炉散热损失计算过程中，锅炉蒸发量、进口烟气温度、外壁温度等参数难以测量，通过上述参数对散热损失灵敏度计算，可以看出，采用方法3对余热锅炉散热损失进行计算时，锅炉外壁温度对计算结果影响较大，需尽可能测量准确。

为进一步对锅炉散热损失的3种计算方法进行比较，对余热锅炉A、B、C效率进行计算，结果如表3所示。计算结果表明，散热损失的3种计算结果对锅炉效率影响很小。算例中，受散热损失计算方法影响最大的为余热锅炉B，采用不同的计算

表3 余热锅炉A、B、C效率 %

方法时，锅炉效率最大相差0.5232个百分点。

3 结论

a.本文对余热锅炉散热损失的3种计算方法进行了详细说明，并以3台不同型号、不同容量的余热锅炉为例，对3种散热损失计算方法进行了量化分析。

b.以余热锅炉配套的燃气轮机运行在Baseload时的工况作为试验工况，对余热锅炉A、B、C散热损失用3种方法进行计算，结果表明方法1较其他2种计算方法得出的结果明显偏大，方法1比方法2计算出的散热损失高146.95个百分点。

c.对余热锅炉散热损失的3种计算方法随自变量的变化情况进行了计算分析，结果表明，方法1和方法2随各自的自变量变化较小，有较好的稳定性，方法3中散热损失随锅炉外壁温度的变化较大，外壁温度增加20 ℃，散热损失增加1741 MJ/h，即增加了75.33个百分点。从该角度分析，因余热锅炉外壁温度较难测量，因此该方法计算的散热损失不确定度较大。

d.从余热锅炉效率的角度，对3种方法计算得出散热损失进行了对比。结果表明，散热损失的3种计算方法对锅炉效率影响较小，在本文的算例中，锅炉效率最大相差0.5232个百分点。