CN111157266B - 一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法 - Google Patents

一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法。目的是提供一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法，该方法能较为方便测量出锅炉热功率和锅炉热效率，具有测量简单，试验不确定度相比较小等特点。技术方案是：一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法，依次包括以下步骤：1)实地测量单位时间燃料消耗量、燃料温度、入炉冷空气温度、排烟温度、排烟处烟气成分；2)分析燃料的成分、分析灰渣可燃物的成分(如有)；3)计算输入热量、各项损失热量；4)计算出锅炉热功率Q和锅炉热效率η。

Description

一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法
技术领域
本发明涉及一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法，尤其是适应于锅炉工质比热等热物理性质难测定的锅炉热功率、热效率试验。
背景技术
目前GB/T10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》规定锅炉的热功率采用测量锅炉进出口流量以及进出口工质的比热、温度等参数，获得锅炉热功率。锅炉的热效率采用正平衡、反平衡、正反平衡其中一种测量相关参数计算得到锅炉热效率。根据GB/T10180的规定，获得试验工况的锅炉热功率、热效率，必须要测量锅炉工质的质量流量(或者体积流量和相应的密度)、锅炉进出口的温度、该温度下的工质比热等数据。
对于有机热载体锅炉由于其工质有机热载体为混合物，其热物理性质各不相同；另外对于高温的密度测定、有机热载体比热容测定缺少相应的标准方法，有机热载体锅炉热功率、锅炉热效率测定按照现行的标准很难开展，已经制约了有机热载体锅炉能效指标的评定。
对于工质是水或者水蒸气，由于对应相应的温度、压力测量后，可以查找水和水蒸气性质表或者更具水和水蒸气性质的工业公式获得相应状态下的密度，比热、焓等数据。但是在某些试验工况下，比如测量工质的仪器精度限制，饱和蒸汽湿度测量方法的限制，通过测量众多工质的参数获得锅炉热功率和锅炉热效率其试验的不确定度较大，不能满足试验要求。
发明内容
本发明的目的是解决上述背景技术的不足，提供一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法，该方法能较为方便测量出锅炉热功率和锅炉热效率，具有测量简单，试验不确定度相比较小等特点。
本发明提供的技术方案是：
一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法，依次包括以下步骤：
1)实地测量单位时间燃料消耗量、燃料温度、入炉冷空气温度、排烟温度、排烟处烟气成分；
2)分析燃料的成分、分析灰渣可燃物的成分(如有)；
3)计算输入热量、各项损失热量
所述输入热量包括：
单位时间燃料消耗量B、收到基低位发热量Qnet,v,ar、加热燃料或外来热量Qex、燃料物理热Qf以及自用蒸汽带来热量Qpu；
所述各项损失热量包括：排烟损失热量Q2、气体不完全燃烧损失热量Q3、固体不完全燃烧损失热量Q4、散热损失热量Q5、灰渣物理损失热量Q6、石灰石脱硫损失热量Q7；
4)根据以下公式计算计算出锅炉热功率Q和锅炉热效率η；
锅炉热效率η＝100％-q2-q3-q4-q5-q6-q7+qex
锅炉热功率Q＝B×Qnet,v,ar×η/3600/1000
式中：
排烟热损失q2＝Q2/Qnet,v,ar×100％
燃料不完全燃烧热损失q3＝Q3/Qnet,v,ar×100％；
固体燃料不完全燃烧热损失q4＝Q4/Qnet,v,ar×100％；
散热损失q5＝Q5/Qnet,v,ar×100％；
灰渣物理热损失q6＝Q6/Qnet,v,ar×100％；
石灰石脱硫热损失q7＝Q7/Qnet,v,ar×100％；
燃料物理和自用蒸汽发热率qex＝(Qex+Qf+Qpu)/Qnet,v,ar×100％；
以上各参数的计算单位为：
Q单位为MW；
B为kg/h或者m3/h；
Qnet,v,ar、Qex、Qf、Qpu、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6以及Q7均为kJ/kg或者kJ/m3。
本发明的工作原理是(参见图1)：根据热量守恒定律，输入锅炉的热量等于锅炉输出的热量。锅炉的输出热量包括锅炉有效吸收热量输出和各项损失热量。单位时间内锅炉有效吸收热量输出即为锅炉热功率。锅炉热效率即锅炉有效吸收热量与输入热量的比值，也即是100％减去各项热损失。工程中锅炉热效率常指锅炉燃料热效率即锅炉有效吸收热量与燃料输入的热量的比值。
输入单位质量(或单位体积)燃料的热平衡公式(1)为：
Qnet,v,ar+Qex+Qf+Qpu＝Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7……(1)；
(1)式中：
Qnet,v,ar_——收到基低位发热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3；
Qex——加热燃料或外来热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3；
Qf——燃料物理热，单位为kJ/kg或者kJ/m3；
Qpu——自用蒸汽带来热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3；
Q1——总有效吸收热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3；
Q2——排烟损失热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3；；
Q3——气体不完全燃烧损失热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3；
Q4——固体不完全燃烧损失热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3；
Q5——散热损失热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3；
Q6——灰渣物理损失热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3；
Q7——石灰石脱硫损失热量，单位为kJ/kg或者kJ/m3。
单位质量(或单位体积)燃料中有效吸收热量的比例，即锅炉热效率η可以表示为式(2)：
η＝Q1/Qnet,v,ar×100％………………(2)
由式(1)得到
Q1＝Qnet,v,ar-Q2-Q3-Q4-Q5-Q6-Q7+Qex+Qf+Qpu………………(3)
通过式(3),式(2)可以表示:
η＝Qnet,v,ar/Qnet,v,ar-Q2/Qnet,v,ar-Q3/Qnet,v,ar-Q4/Qnet,v,ar-Q5/Qnet,v,ar-Q6/Qnet,v,ar-Q7 Qnet,v,ar+(Qex+Qf+Qpu)/Qnet,v,ar＝100％-q2-q3-q4-q5-q6-q7+qex………………(4)
式(4)中：
q2＝Q2/Qnet,v,ar×100％；
q3＝Q3/Qnet,v,ar×100％；
q4＝Q4/Qnet,v,ar×100％；
q5＝Q5/Qnet,v,ar×100％；
q6＝Q6/Qnet,v,ar×100％；
q7＝Q7/Qnet,v,ar×100％；
qex＝(Qex+Qf+Qpu)/Qnet,v,ar×100％。
由式(2)和式(4)以及单位时间燃料消耗量B，可以得到锅炉热功率Q为：
Q＝B×Qnet,v,ar×η/3600/1000………………(5)
Q单位为MW；B单位为kg/h或者m3/h。
本发明的有益效果是：一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法，该方法能较为方便测量出锅炉热功率和锅炉热效率，具有测量数据准确、测量简单，试验不确定度相比较小等特点，能有效提供锅炉工质热物理性质不明的情况进行热功率和热效率试验。
附图说明
图1是锅炉能量平衡图。
图2实施例1的测点示意图。
具体实施方式
本发明提供的免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法，包括测量(计算)输入热量，测量(计算)各项损失热量；无需测量锅炉工质的各项参数；计算出锅炉热功率、锅炉热效率。
所述测量(计算)输入热量包括单位时间燃料消耗量(单位为kg/h或者m3/h)、收到基低位发热量(单位为kJ/kg或者kJ/m3)、加热燃料或外来热量(单位为kJ/kg或者kJ/m3)、燃料物理热(单位为kJ/kg或者kJ/m3)、自用蒸汽带来热量(单位为kJ/kg或者kJ/m3)。通过实地测量单位时间燃料消耗量、分析燃料的成分、燃料温度等等获得。
所述测量(计算)各项损失热量包括排烟损失热量、气体不完全燃烧损失热量、固体不完全燃烧损失热量、散热损失热量、灰渣物理损失热量、石灰石脱硫损失热量。通过实地测量入炉冷空气温度、排烟温度、排烟处烟气成分、分析灰渣(如有)可燃物的成分等获得。
所述无需测量锅炉工质的各项参数，指不需要测试工质的密度、工质比热容等参数。
所述计算出锅炉热功率，指通过测量输入热量和各项热损失，通过能量平衡法计算得到锅炉热功率。
所述计算出锅炉热效率，指通过根据能量平衡法，用100％减去各项热损失即得到锅炉热效率。
以下结合实施例对本发明作进一步说明；但本发明并不局限于以下实施案例。
实施例1：
图2所示某单位型号为YQL-14000Q燃天然气有机热载体锅炉，锅炉含有空气预热器。锅炉设计额定功率为14MW，锅炉散热面积为365m2,锅炉运行状态下有机热载体的密度、比热不详，要求测试运行状态下锅炉热效率和测试锅炉热功率。
根据目前GB/T10180是不能测试运行状态下热效率和测试热功率。但是依据本发明。只要测量图2所示的天然气流量、天然气温度、入炉冷空气温度、排烟温度、排烟处烟气成分，分析天然气成分，无需测量有机热载体流量、有机热载体进出口温度、有机热载体在进口出口温度下的密度和比热能够得出锅炉运行状态下的锅炉热效率和锅炉热功率。
一、试验分析天然气的成分如下(该成分数据可从燃气公司直接获得)：
收到基甲烷 CH<sub>4</sub> ％ 94.13
收到基乙烷 C<sub>2</sub>H<sub>6</sub> ％ 3.41
收到基丙烷 C<sub>3</sub>H<sub>8</sub> ％ 0.50
收到基丁烷 C<sub>4</sub>H<sub>10</sub> ％ 0.18
收到基戊烷 C<sub>5</sub>H<sub>12</sub> ％ 0.08
收到基氢气 H<sub>2</sub> ％ 0
收到基氧气 O<sub>2</sub> ％ 0.03
收到基氮气 N<sub>2</sub> ％ 0.78
收到基一氧化碳 CO ％ 0
收到基二氧化碳 CO<sub>2</sub> ％ 0.89
收到基硫化氢 H<sub>2</sub>S ％ 0
收到基不饱和烃 ∑C<sub>m</sub>H<sub>n</sub> ％ 0
燃气所带的水量 M<sub>d</sub> ％ 0
气体燃料含灰量 μ<sub>h</sub> g/m<sup>3</sup> 0
收到基低位发热量 (Q<sub>net,v,ar</sub>)<sub>q</sub> kJ/m<sup>3</sup> 36630
二、测得天然气消耗量为B＝964.6m3/h；天然气温度为9.0℃
(天然气消耗量、天然气温度在燃烧器燃料进口管道部位测得)；
三、测得入炉冷空气温度、排烟温度、排烟处烟气成分如下；
Figure GDA0002402439100000071
Figure GDA0002402439100000081
入炉冷空气温度在空气预热器进口管道部位测得；
排烟温度、排烟处烟气成分在烟囱出口部位测得；
四、计算过程如下:
因为天然气温度与入炉冷空气温度相同，无加热燃料的热量，也无自用蒸汽，即Qex＝Qf＝Qpu＝0；
qex＝(Qex+Qf+Qpu)/Qnet,v,ar×100％＝0％。
由排烟处烟气成分以及天然气成分，根据国标GB/T10180可以计算单位体积燃料的排烟处水蒸汽体积2.23m3/m3,单位体积燃料的排烟处干烟气体积11.88m3/m3,以及入炉空气温度和排烟温度可以计算出排烟处烟气焓Hpy＝2436kJ/m3，入炉冷空气焓Hlk＝153kJ/m3；
排烟热损失q2
＝Q2/Qnet,v,ar×100％＝(Hpy-Hlk)/Qnet,v,ar×100％
＝(2436-153)/36630×100％＝6.23％
由排烟处烟气成分可以知道没有CO含量，所以
气体不完全燃烧热损失q3＝0％；
因为是气体燃料，固体未完全燃烧热损失q4可以设为0即：
q4＝0％；
散热损失q5可以通过散热面积由国标GB/T10180附录计算
q5＝Q5/Qnet,v,ar×100％＝1670×F/B/Qnet,v,ar×100％
＝1670×365/964.6/36630×100％＝1.73％；
气体燃料无灰渣，即灰渣物理损失热量Q6＝0，灰渣物理热损失q6＝0％；
气体燃料无石灰石，所以石灰石脱硫损失热量Q7＝0，石灰石脱硫热损失q7＝0％；
锅炉热效率η
＝100％-6.23％-0％-0％-1.73％-0％+0％＝92.04％；
锅炉热功率Q
＝B×Qnet,v,ar×η/3600/1000＝964.6×36630×92.04％/3600/100＝9.03MW
该案例如采用GB/T10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》标准进行试验。根据GB/T10180-2017中5.4条款规定需要采用正反平衡进行试验才能得到锅炉热功率和锅炉热效率。目前技术条件，可以测量出有机热载体锅炉有机热载体进出口温度t1、t2，有机体热载体体积流量。但是根据GB/T10180-2017中9.13条款采用GB23971、GB/T24747是不能分析出对应于有机体热载体体积流量测点位置的相对应的密度，以及相对应t1、t2的焓值或比热。也即采用GB/T10180-2017不能计算出有机热载体锅炉的有机体热载体质量流量、锅炉热功率、锅炉热效率。
实施例2(对比试验)：
某单位一台型号为WNS2-1.0-Q(Y)燃天然气蒸汽锅炉，锅炉含有节能器。锅炉设计额定为2t/h,出口蒸汽为饱和温度，锅炉散热面积为255m 2,，要求测试运行状态下锅炉热效率和测试锅炉热功率。
一、按照现有方法测试
采用GB/T10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》标准进行试验。必须采用正反平衡法试验。
现场必须测试工质参数，给水流量、给水压力、给水温度、出口蒸汽压力、出口蒸汽湿度(湿度通过电导率测量必须测试蒸汽冷凝水电导率、锅水取样电导率、锅水取样量)。
现场测试需要输入热量即天然气流量、天然气温度。
现场测试各项热损失需要测量数据入炉冷空气温度、排烟温度、排烟处烟气成分，分析天然气成分。
比如给水体积流量1.455m3/h,给水温度97.06℃，给水压力0.89MPa，通过查水及水蒸气性质表，计算给水流量为1407.17kg/h,锅水取样量为42.86kg/h，蒸汽压力为0.76MPa，通过蒸汽冷凝水化验和锅水取样化验，确定蒸汽湿度为3.8％。锅炉蒸发量为1397.10kg/h。锅炉给水焓407.4kJ/kg,锅炉干蒸汽焓值2771.3kJ/h,汽化潜热2036.8kJ/h锅水焓值为734.5kJ/h，
锅炉热功率为Q＝(1407.17×(2771.3-407.4-2036.8×3.8/100)-42.86×734.5)/3600/1000＝0.885MW
锅炉热效率89.68％。
二、采用本发明测试
天然气成分化验分析(该成分数据可从燃气公司直接获得)：
Figure GDA0002402439100000101
Figure GDA0002402439100000111
测量得到，天然气流量为97.09m3/h；天然气温度、入炉冷空气温度均为14.39℃，没有其他热量加热燃料，无自用蒸汽带入热量
锅炉正平衡效率η1＝0.885×1000×3600/97.09/36613.91×100％＝89.62％
测量锅炉排烟温度、烟气成分如下
排烟温度 ℃ 试验数据 196.02
干烟气氧气体积分数 ％ 试验数据 4.70
干烟气一氧化碳体积分数 umol/mol 试验数据 0.00
干烟气二氧化碳体积分数 ％ 试验数据 8.90
排烟热损失q2
＝Q2/Qnet,v,ar×100％＝(Hpy-Hlk)/Qnet,v,ar×100％
＝9.08％
由排烟处烟气成分可以知道没有CO含量，所以
气体不完全燃烧热损失q3＝0％；
因为是气体燃料，固体未完全燃烧热损失q4可以设为0即：
q4＝0％；
散热损失q5可以通过散热面积由国标GB/T10180附录计算
q5＝Q5/Qnet,v,ar×100％＝1670×F/B/Qnet,v,ar×100％
＝1.17％；
气体燃料无灰渣，即灰渣物理损失热量Q6＝0，灰渣物理热损失q6＝0％；
气体燃料无石灰石，所以石灰石脱硫损失热量Q7＝0，石灰石脱硫热损失q7＝0％。
锅炉反平衡热效率η2＝100-9.08％-0％-0％-1.17％-0％-0％＝89.75％。
锅炉热效率η＝(η1+η2)/2＝89.68％。
采用本发明试验求锅炉热功率和热效率如下：
无需测量工质参数，即无需现场测量给水流量、给水压力、给水温度、出口蒸汽压力、出口蒸汽湿度(湿度通过电导率测量必须测试蒸汽冷凝水电导率、锅水取样电导率、锅水取样量)。
其他测量现场测试天然气流量、天然气温度、入炉冷空气温度、排烟温度、排烟处烟气成分，分析天然气成分同GB/T10180-2017一致。
先计算锅炉热效率，方法步骤基本同样与GB/T10180-2017的反平衡法一致，锅炉热效率η’＝89.75％。
锅炉热功率Q’
＝B×Qnet,v,ar×η/3600/1000＝＝97.09×36613.91×89.75％/3600/1000＝0.886MW
结论：本发明的试验得到锅炉热功率0.886MW，锅炉热效率为89.75％；
而现有方法(采用GB/T10180-2017试验)得到锅炉热功率0.885MW，锅炉热效率89.68％。
两者结果基本一致；证明本发明提供的方法准确可靠。同时因为被测量的各项热损失只占总能量很小的份额；因此比起测量各种工质参数的现有方法，锅炉试验的的不确定度较小；减少了工质参数的测量试验的工作量；同时很好解决了有些工质物理性质参数不能分析的锅炉热效率、热功率试验问题。

Claims (2)

1.一种免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法，依次包括以下步骤：
1)实地测量单位时间燃料消耗量、燃料温度、入炉冷空气温度、排烟温度、排烟处烟气成分；
2)分析燃料的成分、分析灰渣可燃物的成分；
3)计算输入热量、各项损失热量
所述输入热量包括：
单位时间燃料消耗量B、收到基低位发热量Qnet,v,ar、加热燃料或外来热量Qex、燃料物理热Qf以及自用蒸汽带来热量Qpu；
所述各项损失热量包括：排烟损失热量Q2、气体不完全燃烧损失热量Q3、固体不完全燃烧损失热量Q4、散热损失热量Q5、灰渣物理损失热量Q6、石灰石脱硫损失热量Q7；
4)根据以下公式计算出锅炉热功率Q和锅炉热效率η；
锅炉热效率η＝100％-q2-q3-q4-q5-q6-q7+qex
锅炉热功率Q＝B×Qnet,v,ar×η/3600/1000
式中：
排烟热损失q2＝Q2/Qnet,v,ar×100％
燃料不完全燃烧热损失q3＝Q3/Qnet,v,ar×100％；
固体燃料不完全燃烧热损失q4＝Q4/Qnet,v,ar×100％；
散热损失q5＝Q5/Qnet,v,ar×100％；
灰渣物理热损失q6＝Q6/Qnet,v,ar×100％；
石灰石脱硫热损失q7＝Q7/Qnet,v,ar×100％；
燃料物理和自用蒸汽发热率qex＝(Qex+Qf+Qpu)/Qnet,v,ar×100％。
2.根据权利要求1所述的免检测工质参数的锅炉热功率和热效率检测方法，其特征在于：
各参数的计算单位为：
Q单位为MW；
B为kg/h或者m3/h；
Qnet,v,ar、Qex、Qf、Qpu、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6以及Q7为kJ/kg或者kJ/m3。
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