CN111521430B - 一种余热锅炉性能试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种余热锅炉性能试验方法，其特征是首先基于目前测量水平和仪器精度测量相关可测准的物理参数，然后根据这些准确的测量结果进行计算，分别计算出余热锅炉热效率，出力以及汽水侧和烟气侧压降。本发明在相关试验标准的基础上考虑到现场实际情况、测量仪器以及测量水平等因素，给出了一种实际可操作的试验方法，简化了试验过程，提高了试验结果的准确性和可信度。

Description

一种余热锅炉性能试验方法

技术领域

本发明涉及燃气蒸汽联合循环机组余热锅炉性能试验技术领域，更具体地说是一种余热锅炉性能试验方法。

背景技术

新能源发电负荷不稳定，随着时间发生变化，比如风电随着风速变化而变化，光伏发电随着日照的强度而发生变化。因此，新能源发电具有间歇性和波动性的特征。大规模快速增长的新能源发电并网后必然对电网的电压、电流和频率产生较大冲击，影响电网的电能质量。为了消除这些不利影响，需要增加快速调峰机组的容量。调峰性能好、运行灵活的燃气蒸汽联合机组将会用于适应装机规模和发电量不断增长的新能源发电。燃气蒸汽联合机组包括压气机、燃气轮机、余热锅炉、汽轮机和发电机等主要设备。随着燃气蒸汽联合机组的发展，余热锅炉作为余热利用的关键设备，其性能指标是比较重要的技术参数。在机组建设之后或者检修前后，需要对余热锅炉的性能进行测量试验，对新建的余热锅炉进行性能考核或者对已投产的余热锅炉的检修工作提供参考与建议，并将检修前与检修后的余热锅炉性能指标进行比较，以确定检修的效果。

目前，针对联合循环余热锅炉性能试验，国家能源局2015年发布了DL/T 1427-2015《联合循环余热锅炉性能试验规程》，规程对联合循环余热锅炉性能试验过程做了详细规定，从试验前的准备，试验执行过程以及试验报告的格式均做了详细介绍，并对测量的仪器和测量方法也做了规定，给出了试验数据处理与计算的过程，通过算例进行演示。尽管如此，在目前的测量水平和测量装备下，规程中给出的试验方法更多的停留在理论阶段，不具有可操作性，并不适用于各种类型的余热锅炉性能试验的现场实际情况。根据目前的测量水平，规程中有些参数并不能直接准确获得，比如：余热锅炉的蒸汽流量无法准确测量，同轴燃气蒸汽联合循环机组的燃气轮机做功发电功率与蒸汽轮机做功发电功率不能完全分开计量等。正是由于相当一些关键参数在实际现场的条件下无法直接准确测量，因此现有规程中从能量守恒角度提出的试验方法在实际应用过程中不具有可操作性。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存的不足，提供一种余热锅炉性能试验方法，根据现场实际可准确测量的数据，并依据质量守恒的原则给出针对现场测量情况的计算方法，使得对于余热锅炉性能试验具有可操作性，试验结果更加准确与可信。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明余热锅炉性能试验方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、确定余热锅炉烟道中进口烟气组分和摩尔分数，所述进口烟气组分包括N₂、O₂、CO₂、H₂O、Ar和SO₂，一一对应的摩尔分数为

X_Ar和

无补燃余热锅炉烟道中出口烟气组分和摩尔分数与进口相同；

步骤2、计算获得余热锅炉进口烟气焓值H_in

确定进口烟气温度T_in，并根据进口烟气温度T_in计算获得进口烟气中各组分的焓值，包括：

进口烟气中N₂的焓值

为：

进口烟气中O₂的焓值

为：

进口烟气中CO₂的焓值

为：

进口烟气中H₂O的焓值

为：

进口烟气中Ar的焓值H_Ar为：

进口烟气中SO₂的焓值

为：

其中，

a_j,Ar和

均为经验系数，j＝1,2,…,6；

计算获得余热锅炉的进口烟气焓值H_in为：

其中，

M_Ar和

一一对应为N₂、O₂、CO₂、H₂O、Ar和SO₂的摩尔质量；

步骤3、按照与步骤2相同的方式确定出口烟气温度T_out，计算获得出口烟气焓值H_out；

步骤4、计算获得进口烟气质量流量Q_in

按照网格法分别测量获得烟道中烟气进口网格点烟气动压ΔP_i和网格点烟气静压P_i；则：通过计算平均值获得进口烟气静压P_in为：

其中，n为烟道中烟气进口网格点的数量；

进口烟气密度ρ_in为：

其中，L为理想气体的摩尔体积；

烟气进口网格点烟气流速V_i为：

通过计算平均值获得进口烟气流速V_in为：

计算获得进口烟气质量流量Q_in为：Q_in＝ρ_inV_inA

其中，A为余热锅炉烟道进口的截面积；

步骤5、计算获得余热锅炉热效率η

余热锅炉的输入热量E_in为：E_in＝Q_inH_in

针对密封状态良好，且无泄漏的无补燃余热锅炉，烟道中出口烟气质量流量Q_out等于进口烟气质量流量Q_in，则有：

余热锅炉的排烟热量E_out为：E_out＝Q_inH_out

余热锅炉的排烟热损失q₂为：

若余热锅炉的输入热量E_in满足式(2)：

1.055×10⁸kJ/h≤E_in≤1.583×10⁹kJ/h (2)

则余热锅炉的散热损失q₅为：

若余热锅炉的输入热量E_in不满足式(2)，按如下方式确定余热锅炉的散热损失q₅：

若0<De≤850t/h，则余热锅炉的散热损失q₅由式(3a)计算获得：

若850<De<2000t/h，则余热锅炉的散热损失q₅由式(3b)计算获得：

其中，D为余热锅炉给水流量的现场测量值，De为余热锅炉给水流量的额定值；

则计算获得余热锅炉热效率η为：

η＝100-q₂-q₅-q_oth

其中，q_oth为不可计量热损失，q_oth值包括连续排污热损失和定期排污热损失；

步骤6、计算获得余热锅炉出力，包括高压蒸发量D_hs、中压蒸发量D_ms和低压蒸发量D_ls

高压蒸发量D_hs为：D_hs＝xD_h

中压蒸发量D_ms为：D_ms＝xD_m

低压蒸发量D_ls为：D_ls＝xD_l

D_h为高压蒸发量设计值，D_m为中压蒸发量设计值，D_l为低压蒸发量设计值；

x是依据能量守恒原理由式(4)计算获得的蒸发量比例常数：

Q_zr为再热减温水流量，H_zw为再热减温水焓值；

H_rz为热再热蒸汽焓值，H_lz为冷再热蒸汽焓值；

H_h为高压蒸汽焓值，H_m为中压蒸汽焓值，H_l为低压蒸汽焓值，H_w为总给水焓值；

若余热锅炉有再热减温水系统，则：再热减温水流量Q_zr、再热减温水的压力P_zw和再热减温水的温度T_zw均为试验期间采集数据的算术平均值；再热减温水焓值H_zw根据再热减温水的压力P_zw和再热减温水的温度T_zw查表或者通过IAPWS-iF97公式计算获得；

若余热锅炉无再热减温水系统，则：再热减温水流量Q_zr和再热减温水焓值H_zw均为零；

若余热锅炉有再热系统，则：热再热蒸汽的压力P_rz和热再热蒸汽的温度T_rz，以及冷再热蒸汽的压力P_lz和冷再热蒸汽的温度T_lz均为试验期间采集数据的算术平均值；热再热蒸汽焓值H_rz和冷再热蒸汽焓值H_lz分别根据热再热蒸汽的压力P_rz和热再热蒸汽的温度T_rz，冷再热蒸汽的压力P_lz和冷再热蒸汽的温度T_lz查表或者通过IAPWS-iF97公式计算获得；

若余热锅炉无再热系统，则：热再热蒸汽焓值H_rz和冷再热蒸汽焓值H_lz均为零；再热减温水流量Q_zr和再热减温水焓值H_zw也均为零；

若余热锅炉为三压系统，则：高压蒸汽的压力P_h和高压蒸汽的温度T_h、中压蒸汽的压力P_m和中压蒸汽的温度T_m、低压蒸汽的压力P_l和低压蒸汽的温度T_l，以及总给水的压力P_w和总给水的温度T_w均取为试验期间采集数据的算术平均值；高压蒸汽焓值H_h、中压蒸汽焓值H_m、低压蒸汽焓值H_l，以及总给水的焓值H_w分别根据P_h、T_h、P_m、T_m、P_l、T_l、P_w以及T_w的值查表或者通过IAPWS-iF97公式计算获得；

若余热锅炉为双压系统，则：中压蒸发量D_ms、中压蒸汽的压力P_m和中压蒸汽的温度T_m，以及中压蒸汽焓值H_m均为零；

若余热锅炉为单压系统，则：中压蒸发量D_ms、中压蒸汽的压力P_m和中压蒸汽的温度T_m、中压蒸汽焓值H_m、低压蒸发量D_ls、低压蒸汽的压力P_l和低压蒸汽的温度T_l，以及低压蒸汽焓值H_l均为零；

步骤7、计算获得高压汽水侧压降ΔP_h、中压汽水侧压降ΔP_m、低压汽水侧压降ΔP_l，以及烟气侧压降ΔP_g：

高压汽水侧压降ΔP_h为：ΔP_h＝P_hw-P_h

P_hw为高压给水泵出口压力，取为试验期间DCS采集数据的算术平均值；

中压汽水侧压降ΔP_m为：ΔP_m＝P_mw-P_m

P_mw为中压给水泵出口压力，取为试验期间DCS采集数据的算术平均值；

低压汽水侧压降ΔP_l为：ΔP_l＝P_lw-P_l

P_lw为低压给水泵出口压力，取为试验期间DCS采集数据的算术平均值；

烟气侧压降ΔP_g为：ΔP_g＝P_in-P_out

P_out为余热锅炉出口烟气静压，按照网格法测量烟道中烟气出口各网格点的烟气静压，按照与式(1)相应的方式计算获得；若现场不具备直接测量的条件，则余热锅炉烟道中进口烟气静压P_in和出口烟气静压P_out均取为试验期间DCS采集数据的算术平均值。

本发明余热锅炉性能试验方法的特点也在于在所述步骤1中，采用红外烟气分析仪现场直接测量获得进口烟气组分和摩尔分数；或按如下方式计算获得进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

的值：

步骤1.1、计算获得试验环境中空气各组分的摩尔分数，所述空气各组分包括H₂O、N₂、O₂、Ar和CO₂，一一对应的摩尔分数为

X_Ar,a、

计算获得空气中水蒸汽分压

为：

HR为试验环境中的空气相对湿度，t₀为试验环境中的空气温度；

计算获得空气中水蒸汽组分摩尔分数

为：

P_act为试验环境中的大气压力；空气中其它组分的摩尔分数

X_Ar,a和

根据干空气各组分摩尔分数与空气中水蒸汽组分摩尔分数

一一对应计算获得；

步骤1.2、计算获得进入燃气轮机的空气体积流量Q_a

单位体积的燃气完全燃烧所需空气中O₂体积a为：

单位体积的燃气完全燃烧后体积的变化量b为：

其中，

X_r,CO、

分别为进入燃气轮机的燃气组分H₂、CO、C_mH_n、H₂S和O₂的摩尔分数，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；m和n为燃气组分C_mH_n的下角标系数；则，进入燃气轮机的空气体积流量Q_a为：

其中，Q_r为进入燃气轮机的燃料体积流量，由试验期间DCS采集数据求算术平均值获得；

为进口烟气中O₂的摩尔分数，无补燃余热锅炉进口烟气中O₂的摩尔分数与出口相同，由CEMS在线系统获得；

步骤1.3、计算获得进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

的值；进口烟气中N₂的摩尔分数

为：

进口烟气中CO₂的摩尔分数

为：

进口烟气中H₂O的摩尔分数

为：

进口烟气中Ar的摩尔分数X_Ar为：

进口烟气中SO₂摩尔分数

为：

其中，

分别为进入燃气轮机的燃气组分N₂、CO₂和H₂O的摩尔分数，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；无补燃余热锅炉出口烟气中各组分的摩尔分数与进口相同。

本发明余热锅炉性能试验方法的特点也在于：

当现场不具备条件直接测量进口烟气质量流量时，将权利要求1的步骤4中计算获得进口烟气质量流量Q_in的方法替换为由式(10)计算获得进口烟气质量流量Q_in：

本发明余热锅炉性能试验方法的特点也在于：

步骤2中所述的进口烟气温度T_in按如下方式获得：采用热电偶按照网格法现场测量获得进口烟气网格点温度T_i，i表示进口烟气网格点，i＝1,2,…,n，n为烟道中烟气进口网格点的数量；通过计算平均值获得进口烟气温度T_in为：

若现场不具备直接测量的条件，则进口烟气温度T_in取自DCS数据。

本发明余热锅炉性能试验方法的特点也在于：针对补燃余热锅炉，因补燃余热锅炉的出口烟气质量流量Q_out大于进口烟气质量流量Q_in，余热锅炉的出口烟气组分与进口烟气组分存在有不同，并有：

补燃燃气质量流量Q_br,m为：Q_br,m＝Q_out-Q_in

进入余热锅炉的热量E_in为：E_in＝Q_inH_in+Q_br,mH_br

其中，H_br为补燃燃气的低位热值，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；

出口烟气热量E_out为：E_out＝Q_outH_out

若现场具备直接测量烟气组分、温度和流量的条件，则按步骤1到步骤4的相应方法通过测量和计算同样获得余热锅炉出口烟气组分的摩尔分数

X_c,Ar和

出口烟气焓H_out，以及出口烟气质量流量Q_out；

在现场不具备直接测量烟气组分、温度和流量的条件时，在所述步骤1到步骤4中，按如下方式计算获得进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

进口烟气质量流量Q_in以及进口烟气焓值H_in；出口烟气组分的摩尔分数

X_c,Ar和

出口烟气质量流量Q_out以及出口烟气焓值H_out：

步骤a、计算获得进入燃气轮机的空气体积流量Q_a；

单位体积的补燃燃气完全燃烧所需空气中O₂的体积a₂为：

单位体积的补燃燃气完全燃烧后体积的变化量b₂为：

其中，

X_br,CO、

和

一一对应为进入余热锅炉的补燃燃气组分H₂、CO、C_mH_n、H₂S和O₂的摩尔分数，是由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；m和n为燃气组分C_mH_n的下角标系数；进入燃气轮机的空气体积流量Q_a为：

其中，Q_br为补燃燃气的体积流量，由试验期间DCS采集数据求算术平均值获得；

为出口烟气中O₂的摩尔分数，由CEMS在线系统获得；

步骤b、计算获得余热锅炉进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

以及进口烟气质量流量Q_in的值；余热锅炉进口烟气中O₂的摩尔分数

为：

余热锅炉进口烟气中其它各组分的摩尔分数

X_Ar和

以及进口烟气质量流量Q_in按照式(5)-(10)分别计算获得；

步骤c、计算获得余热锅炉出口烟气各组分摩尔分数

X_c,Ar和

以及出口烟气质量流量Q_out的值，则有：

出口烟气中N₂的摩尔分数

为：

出口烟气中CO₂的摩尔分数

为：

出口烟气中H₂O的摩尔分数

为：

出口烟气中Ar的摩尔分数X_c,Ar为：

出口烟气中SO₂的摩尔分数

为：

余热锅炉出口烟气质量流量Q_out为：

步骤d、余热锅炉的进口烟气焓值H_in和出口烟气焓值H_out按权利要求1中的步骤2的方式计算获得，余热锅炉的进口烟气温度T_in和出口烟气温度T_out取自DCS数据。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明根据现场实际情况给出的余热锅炉性能试验方法，在现场实际应用中更具有可操作性；

2、本发明通过实际测量条件与风险评估，选择相应的试验过程和计算方法，很大程度上保障了现场试验人员人身和设备的安全；

3、本发明依据目前测量水平和技术，从实际测量与理论计算相结合的方法根据实际可准确测量的数据计算获得余热锅炉的性能指标，从而保证了试验结果的准确性与可信性。

附图说明

图1本发明方法操作流程示意图；

具体实施方式

本实施例中余热锅炉性能试验方法按如下步骤进行：

步骤1、确定余热锅炉烟道中进口烟气组分和摩尔分数，进口烟气组分包括N₂、O₂、CO₂、H₂O、Ar和SO₂，一一对应的摩尔分数为

X_Ar和

无补燃余热锅炉烟道中出口烟气组分和摩尔分数与进口相同。

步骤2、计算获得余热锅炉进口烟气焓值H_in

确定进口烟气温度T_in，并根据进口烟气温度T_in计算获得进口烟气中各组分的焓值，包括：

进口烟气中N₂的焓值

为：

进口烟气中O₂的焓值

为：

进口烟气中CO₂的焓值

为：

进口烟气中H₂O的焓值

为：

进口烟气中Ar的焓值H_Ar为：

进口烟气中SO₂的焓值

为：

其中，

a_j,Ar和

为查表获得的如表1-1和表1-2所示的经验系数，j＝1,2,…,6；

计算获得余热锅炉的进口烟气焓值H_in为：

其中，

M_Ar和

一一对应为查表获得的N₂、O₂、CO₂、H₂O、Ar和SO₂的摩尔质量，如表2所示。

步骤3、按照与步骤2相同的方式确定出口烟气温度T_out，计算获得出口烟气焓值H_out。

步骤4、计算获得进口烟气质量流量Q_in

采用毕托管和微压计按照网格法分别测量获得烟道中烟气进口网格点烟气动压ΔP_i和网格点烟气静压P_i；则：

通过计算平均值获得进口烟气静压P_in为：

其中，n为烟道中烟气进口网格点的数量；

进口烟气密度ρ_in为：

其中，L为查表获得的理想气体的摩尔体积；

烟气进口网格点烟气流速V_i为：

通过计算平均值获得进口烟气流速V_in为：

计算获得进口烟气质量流量Q_in为：Q_in＝ρ_inV_inA

其中，A为余热锅炉烟道进口的截面积。

步骤5、计算获得余热锅炉热效率η

余热锅炉的输入热量E_in为：E_in＝Q_inH_in

针对密封状态良好，且无泄漏的无补燃余热锅炉，烟道中出口烟气质量流量Q_out等于进口烟气质量流量Q_in，则有：

余热锅炉的排烟热量E_out为：E_out＝Q_inH_out

余热锅炉的排烟热损失q₂为：

若余热锅炉的输入热量E_in满足式(2)：

1.055×10⁸kJ/h≤E_in≤1.583×10⁹kJ/h (2)

则余热锅炉的散热损失q₅为：

若余热锅炉的输入热量E_in不满足式(2)，按如下方式确定余热锅炉的散热损失q₅：

若0<De≤850t/h，则余热锅炉的散热损失q₅由式(3a)计算获得：

若850<De<2000t/h，则余热锅炉的散热损失q₅由式(3b)计算获得：

其中，D为余热锅炉给水流量的现场测量值，De为锅炉设计说明书中记载的余热锅炉给水流量的额定值；则计算获得余热锅炉热效率η为：

η＝100-q₂-q₅-q_oth

其中，q_oth为不可计量热损失，包括连续排污热损失、定期排污热损失，及其它不可测量热损失。

步骤6、计算获得余热锅炉出力，包括高压蒸发量D_hs、中压蒸发量D_ms和低压蒸发量D_ls高压蒸发量D_hs为：D_hs＝xD_h，中压蒸发量D_ms为：D_ms＝xD_m，低压蒸发量D_ls为：D_ls＝xD_l；D_h为高压蒸发量设计值，D_m为中压蒸发量设计值，D_l为低压蒸发量设计值，D_h、D_m和D_l均由锅炉设计说明书获得，x是依据能量守恒原理由式(4)计算获得的蒸发量比例常数：

Q_zr为再热减温水流量，H_zw为再热减温水焓值；

H_rz为热再热蒸汽焓值，H_lz为冷再热蒸汽焓值；

H_h为高压蒸汽焓值，H_m为中压蒸汽焓值，H_l为低压蒸汽焓值，H_w为总给水焓值。

若余热锅炉有再热减温水系统，则：再热减温水流量Q_zr、再热减温水的压力P_zw和再热减温水的温度T_zw均为试验期间采集数据的算术平均值；再热减温水焓值H_zw根据再热减温水的压力P_zw和再热减温水的温度T_zw查表或者通过IAPWS-iF97公式计算获得。

若余热锅炉无再热减温水系统，则：再热减温水流量Q_zr和再热减温水焓值H_zw均为零。

若余热锅炉有再热系统，则：热再热蒸汽的压力P_rz和热再热蒸汽的温度T_rz，以及冷再热蒸汽的压力P_lz和冷再热蒸汽的温度T_lz均为试验期间采集数据的算术平均值；热再热蒸汽焓值H_rz和冷再热蒸汽焓值H_lz分别根据热再热蒸汽的压力P_rz和热再热蒸汽的温度T_rz，冷再热蒸汽的压力P_lz和冷再热蒸汽的温度T_lz查表或者通过IAPWS-iF97公式计算获得。

若余热锅炉无再热系统，则：热再热蒸汽焓值H_rz和冷再热蒸汽焓值H_lz均为零；再热减温水流量Q_zr和再热减温水焓值H_zw也均为零。

若余热锅炉为三压系统，则：高压蒸汽的压力P_h和高压蒸汽的温度T_h、中压蒸汽的压力P_m和中压蒸汽的温度T_m、低压蒸汽的压力P_l和低压蒸汽的温度T_l，以及总给水的压力P_w和总给水的温度T_w均取为试验期间采集数据的算术平均值；高压蒸汽焓值H_h、中压蒸汽焓值H_m、低压蒸汽焓值H_l，以及总给水的焓值H_w分别根据P_h、T_h、P_m、T_m、P_l、T_l、P_w以及T_w的值查表或者通过IAPWS-iF97公式计算获得。

若余热锅炉为双压系统，则：中压蒸发量D_ms、中压蒸汽的压力P_m和中压蒸汽的温度T_m，以及中压蒸汽焓值H_m均为零。

若余热锅炉为单压系统，则：中压蒸发量D_ms、中压蒸汽的压力P_m和中压蒸汽的温度T_m、中压蒸汽焓值H_m、低压蒸发量D_ls、低压蒸汽的压力P_l和低压蒸汽的温度T_l，以及低压蒸汽焓值H_l均为零。

步骤7、计算获得高压汽水侧压降ΔP_h、中压汽水侧压降ΔP_m、低压汽水侧压降ΔP_l，以及烟气侧压降ΔP_g：

高压汽水侧压降ΔP_h为：ΔP_h＝P_hw-P_h

P_hw为高压给水泵出口压力，取为试验期间DCS采集数据的算术平均值；

中压汽水侧压降ΔP_m为：ΔP_m＝P_mw-P_m

P_mw为中压给水泵出口压力，取为试验期间DCS采集数据的算术平均值；

低压汽水侧压降ΔP_l为：ΔP_l＝P_lw-P_l

P_lw为低压给水泵出口压力，取为试验期间DCS采集数据的算术平均值；

烟气侧压降ΔP_g为：ΔP_g＝P_in-P_out

P_out为余热锅炉出口烟气静压，按照网格法测量烟道中烟气出口各网格点的烟气静压，按照与式(1)相应的方式、根据烟道中烟气出口网格点的烟气静压求算术平均值获得。若现场不具备直接测量的条件，则余热锅炉烟道中进口烟气静压P_in和出口烟气静压P_out均取为试验期间DCS采集数据的算术平均值。

具体实施中，在步骤1中是采用红外烟气分析仪现场直接测量获得进口烟气组分和摩尔分数；或按如下方式计算获得进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

的值：

步骤1.1、计算获得试验环境中空气各组分的摩尔分数，空气各组分包括H₂O、N₂、O₂、Ar和CO₂，一一对应的摩尔分数为

X_Ar,a、

计算获得空气中水蒸汽分压

为：

HR为试验环境中的空气相对湿度，单位％；

t₀为试验环境中的空气温度，单位℃，HR和t₀均为现场直接测量获得；

计算获得空气中水蒸汽组分摩尔分数

为：

P_act为试验环境中的大气压力，单位Pa，由现场直接测量获得；空气中其它组分的摩尔分数

X_Ar,a和

根据干空气各组分摩尔分数与空气中水蒸汽组分摩尔分数

一一对应计算获得，干空气各组分摩尔分数为查表获得；

步骤1.2、计算获得进入燃气轮机的空气体积流量Q_a

单位体积的燃气完全燃烧所需空气中O₂体积a为：

单位体积的燃气完全燃烧后体积的变化量b为：

其中，

X_r,CO、

分别为进入燃气轮机的燃气组分H₂、CO、C_mH_n、H₂S和O₂的摩尔分数，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；m和n为燃气组分C_mH_n的下角标系数；则，进入燃气轮机的空气体积流量Q_a为：

其中，Q_r为进入燃气轮机的燃料体积流量，单位Nm³/h，由试验期间DCS采集数据求算术平均值获得；

为进口烟气中O₂的摩尔分数，无补燃余热锅炉进口烟气中O₂的摩尔分数与出口相同，由CEMS在线系统获得。

步骤1.3、计算获得进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

的值；进口烟气中N₂的摩尔分数

为：

进口烟气中CO₂的摩尔分数

为：

进口烟气中H₂O的摩尔分数

为：

进口烟气中Ar的摩尔分数X_Ar为：

进口烟气中SO₂摩尔分数

为：

其中，

分别为进入燃气轮机的燃气组分N₂、CO₂和H₂O的摩尔分数，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；无补燃余热锅炉出口烟气中各组分的摩尔分数与进口相同。

当现场不具备条件直接测量进口烟气质量流量时，将步骤4中计算获得进口烟气质量流量Q_in的方法替换为由式(10)计算获得进口烟气质量流量Q_in：

具体实施中，步骤2中的进口烟气温度T_in按如下方式获得：采用热电偶按照网格法现场测量获得进口烟气网格点温度T_i，以i表示进口烟气网格点，i＝1,2,…,n，n为烟道中烟气进口网格点的数量，通过计算平均值获得进口烟气温度T_in为：

若现场不具备直接测量的条件，则进口烟气温度T_in取自DCS数据。

具体实施中，针对补燃余热锅炉，因补燃余热锅炉的出口烟气质量流量Q_out大于进口烟气质量流量Q_in，余热锅炉的出口烟气组分与进口烟气组分存在有不同，并有：

补燃燃气质量流量Q_br,m为：Q_br,m＝Q_out-Q_in

进入余热锅炉的热量E_in为：E_in＝Q_inH_in+Q_br,mH_br

其中，H_br为补燃燃气的低位热值，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；

出口烟气热量E_out为：E_out＝Q_outH_out

若现场具备直接测量烟气组分、温度和流量的条件，则按步骤1到步骤4的相应方法通过测量和计算同样获得余热锅炉出口烟气组分的摩尔分数

X_c,Ar和

出口烟气焓H_out，以及出口烟气质量流量Q_out。

在现场不具备直接测量烟气组分、温度和流量的条件，在步骤1至步骤4中，按如下方式计算获得进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

进口烟气质量流量Q_in以及进口烟气焓值H_in；出口烟气组分的摩尔分数

X_c,Ar和

出口烟气质量流量Q_out以及出口烟气焓值H_out：

步骤a：计算获得进入燃气轮机的空气体积流量Q_a；

单位体积的补燃燃气完全燃烧所需空气中O₂的体积a₂为：

单位体积的补燃燃气完全燃烧后体积的变化量b₂为：

其中，

X_br,CO、

和

一一对应为进入余热锅炉的补燃燃气组分H₂、CO、C_mH_n、H₂S和O₂的摩尔分数，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；m和n为燃气组分C_mH_n的下角标系数；进入燃气轮机的空气体积流量Q_a为：

其中，Q_br为补燃燃气的体积流量，单位Nm³/h，由试验期间DCS采集数据求算术平均值获得；

为出口烟气中O₂的摩尔分数，由CEMS在线系统获得。

步骤b、计算获得余热锅炉进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

以及进口烟气质量流量Q_in的值；余热锅炉进口烟气中O₂的摩尔分数

为：

余热锅炉进口烟气中其它各组分的摩尔分数

X_Ar和

以及进口烟气质量流量Q_in按照式(5)-(10)分别计算获得。

步骤c、计算获得余热锅炉出口烟气各组分摩尔分数

X_c,Ar和

以及出口烟气质量流量Q_out的值，则有：

出口烟气中N₂的摩尔分数

为：

出口烟气中CO₂的摩尔分数

为：

出口烟气中H₂O的摩尔分数

为：

出口烟气中Ar的摩尔分数X_c,Ar为：

出口烟气中SO₂的摩尔分数

为：

余热锅炉出口烟气质量流量Q_out为：

步骤d、余热锅炉的进口烟气焓值H_in和出口烟气焓值H_out按步骤2的相应方式计算获得，余热锅炉的进口烟气温度T_in和出口烟气温度T_out取自DCS数据。

如图1所示的操作流程，首先收集余热锅炉类型的资料和现场实际运行状态的信息，判断试验对象余热锅炉是否是补燃锅炉，实际现场是否进行补燃运行；评估测试风险确定实际现场是否具备直接测量余热锅炉进、出口烟气组分的摩尔分数、流量和温度的试验条件；最后根据锅炉类型、运行状态与试验测试条件，按照相应的步骤获得试验数据，并对试验数据进行处理，计算获得余热锅炉热效率、锅炉出力和锅炉汽水侧、烟气侧压降的结果。

表1-1：查表获得的根据温度求取N₂、O₂和CO₂气体焓值的经验系数

气体	N<sub>2</sub>	O<sub>2</sub>	CO<sub>2</sub>
				系数a<sub>1</sub>	-6.5604875×10<sup>3</sup>	8.9009217×10<sup>3</sup>	-9.3398089×10<sup>3</sup>
系数a<sub>2</sub>	-1.1333376×10<sup>2</sup>	1.259436×10<sup>2</sup>	-1.1834503×10<sup>2</sup>
				系数a<sub>3</sub>	2.20796×10<sup>2</sup>	-8.72569×10<sup>2</sup>	3.94483×10<sup>2</sup>
系数a<sub>4</sub>	1.8053856	0.29076177	1.0016303
				系数a<sub>5</sub>	-1.2660079×10<sup>-3</sup>	5.5785819×10<sup>-4</sup>	2.3651695×10<sup>-4</sup>
系数a<sub>6</sub>	1.3698985×10<sup>-6</sup>	-5.9211059×10<sup>-8</sup>	-1.3396751×10<sup>-8</sup>
				系数a<sub>7</sub>	-7.142453×10<sup>-10</sup>	-1.3143737×10<sup>-10</sup>	-3.6320845×10<sup>-11</sup>
系数a<sub>8</sub>	1.4957213×10<sup>-13</sup>	5.3996454×10<sup>-14</sup>	1.0767527×10<sup>-14</sup>

表1-2：查表获得的根据温度求取H₂O、Ar和SO₂气体焓值的经验系数

气体	H<sub>2</sub>O	Ar	SO<sub>2</sub>
				系数a<sub>1</sub>	1.8220844×10<sup>4</sup>	0	6.8926679×10<sup>3</sup>
系数a<sub>2</sub>	2.6564163×10<sup>2</sup>	0	1.1797846×10<sup>2</sup>
				系数a<sub>3</sub>	-1.80771×10<sup>3</sup>	-1.50225×10<sup>2</sup>	-7.00143×10<sup>2</sup>
系数a<sub>4</sub>	0.4300414	0.52033331	-0.30588875
				系数a<sub>5</sub>	1.6667329×10<sup>-3</sup>	0	1.4305209×10<sup>-3</sup>
系数a<sub>6</sub>	-1.1295923×10<sup>-6</sup>	0	-1.0862046×10<sup>-6</sup>
				系数a<sub>7</sub>	5.7171965×10<sup>-10</sup>	0	4.6926969×10<sup>-10</sup>
系数a<sub>8</sub>	-1.2340574×10<sup>-13</sup>	0	-8.7450866×10<sup>-14</sup>

表2查表获得的各气体的摩尔质量

气体组分	N<sub>2</sub>	O<sub>2</sub>	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>O	Ar	SO<sub>2</sub>
							摩尔质量M	28.01348	31.9988	44.0098	18.01528	39.948	64.0648

应用实例：

某电厂某台燃气蒸汽联合循环余热锅炉为双压带自身除氧器、卧式、无补燃型、无再热系统的自然循环燃机余热锅炉。经现场勘查与交流，发现现场测量环境恶劣、测量风险较高，而且没有试验测点，因此按如下方式操作：

第一步：采用温湿度仪与大气压力表测量空气相对湿度HR为80％、环境温度t₀为15.6℃，大气压P_act为101325Pa；

第二步：现场取燃气样品化验分析获得进入燃气轮机的燃气组分以及各组分的摩尔分数(体积分数)，实际现场采用高炉煤气和焦炉煤气作为燃机的燃料，分别取样化验各燃气的组分，根据混合比例，计算出进入燃气轮机的燃气各组的平均分摩尔分数(体积分数)如表3：

表3

第三步：通过电厂DCS分别获得进入燃气轮机的燃料体积流量为267061Nm³/h(高炉煤气+焦炉煤气)，余热锅炉进、出口烟气温度分别为575.1℃和136.3℃，高压蒸汽压力7.5MPa(表压)、温度505℃，低压蒸汽压力0.647MPa(表压)、温度278.6℃，除氧蒸发器进水压力1.173MPa，进水温度58℃，高压给水泵出口压力10MPa(表压)，低压给水泵出口压力1.26MPa(表压)，余热锅炉烟气进口压力3.14kPa(表压)，出口压力0.1kPa(表压)。查设计参数，高压蒸汽量与低压蒸汽量之比为6.35:1。

第四步、根据CEMS在线系统获得出口烟气中O₂(湿基)的摩尔分数为0.118(体积百分数为11.8％)。

第五步、按照步骤1.1至步骤1.3，步骤2至步骤7的相应公式对以上试验数据进行处理与计算，获得锅炉热效率、锅炉出力和锅炉汽水侧、烟气侧压降。的结果如表4

表4

本实施例中计算获得的锅炉热效率、锅炉出力和锅炉汽水侧、烟气侧压降如表4。

Claims (5)

1.一种余热锅炉性能试验方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、确定余热锅炉烟道中进口烟气组分和摩尔分数，所述进口烟气组分包括N₂、O₂、CO₂、H₂O、Ar和SO₂，一一对应的摩尔分数为

X_Ar和

无补燃余热锅炉烟道中出口烟气组分和摩尔分数与进口相同；

步骤2、计算获得余热锅炉进口烟气焓值H_in

确定进口烟气温度T_in，并根据进口烟气温度T_in计算获得进口烟气中各组分的焓值，包括：

进口烟气中N₂的焓值

为：

进口烟气中O₂的焓值

为：

进口烟气中CO₂的焓值

为：

进口烟气中H₂O的焓值

为：

进口烟气中Ar的焓值H_Ar为：

进口烟气中SO₂的焓值

为：

其中，

a_j,Ar和

均为经验系数，j＝1,2,…,6；

计算获得余热锅炉的进口烟气焓值H_in为：

其中，

M_Ar和

一一对应为N₂、O₂、CO₂、H₂O、Ar和SO₂的摩尔质量；

步骤3、按照与步骤2相同的方式确定出口烟气温度T_out，计算获得出口烟气焓值H_out；

步骤4、计算获得进口烟气质量流量Q_in

按照网格法分别测量获得烟道中烟气进口网格点烟气动压ΔP_i和网格点烟气静压P_i；则：通过计算平均值获得进口烟气静压P_in为：

其中，n为烟道中烟气进口网格点的数量；

进口烟气密度ρ_in为：

其中，L为理想气体的摩尔体积；

烟气进口网格点烟气流速V_i为：

通过计算平均值获得进口烟气流速V_in为：

计算获得进口烟气质量流量Q_in为：Q_in＝ρ_inV_inA

其中，A为余热锅炉烟道进口的截面积；

步骤5、计算获得余热锅炉热效率η

余热锅炉的输入热量E_in为：E_in＝Q_inH_in

针对密封状态良好，且无泄漏的无补燃余热锅炉，烟道中出口烟气质量流量Q_out等于进口烟气质量流量Q_in，则有：

余热锅炉的排烟热量E_out为：E_out＝Q_inH_out

余热锅炉的排烟热损失q₂为：

若余热锅炉的输入热量E_in满足式(2)：

1.055×10⁸kJ/h≤E_in≤1.583×10⁹kJ/h (2)

则余热锅炉的散热损失q₅为：

若余热锅炉的输入热量E_in不满足式(2)，按如下方式确定余热锅炉的散热损失q₅：

若0<De≤850t/h，则余热锅炉的散热损失q₅由式(3a)计算获得：

若850<De<2000t/h，则余热锅炉的散热损失q₅由式(3b)计算获得：

其中，D为余热锅炉给水流量的现场测量值，De为余热锅炉给水流量的额定值；

则计算获得余热锅炉热效率η为：

η＝100-q₂-q₅-q_oth

其中，q_oth为不可计量热损失，q_oth值包括连续排污热损失和定期排污热损失；

步骤6、计算获得余热锅炉出力，包括高压蒸发量D_hs、中压蒸发量D_ms和低压蒸发量D_ls高压蒸发量D_hs为：D_hs＝xD_h

中压蒸发量D_ms为：D_ms＝xD_m

低压蒸发量D_ls为：D_ls＝xD_l

D_h为高压蒸发量设计值，D_m为中压蒸发量设计值，D_l为低压蒸发量设计值；

x是依据能量守恒原理由式(4)计算获得的蒸发量比例常数：

Q_zr为再热减温水流量，H_zw为再热减温水焓值；

H_rz为热再热蒸汽焓值，H_lz为冷再热蒸汽焓值；

H_h为高压蒸汽焓值，H_m为中压蒸汽焓值，H_l为低压蒸汽焓值，H_w为总给水焓值；

若余热锅炉有再热减温水系统，则：再热减温水流量Q_zr、再热减温水的压力P_zw和再热减温水的温度T_zw均为试验期间采集数据的算术平均值；再热减温水焓值H_zw根据再热减温水的压力P_zw和再热减温水的温度T_zw查表或者通过IAPWS-iF97公式计算获得；

若余热锅炉无再热减温水系统，则：再热减温水流量Q_zr和再热减温水焓值H_zw均为零；

若余热锅炉有再热系统，则：热再热蒸汽的压力P_rz和热再热蒸汽的温度T_rz，以及冷再热蒸汽的压力P_lz和冷再热蒸汽的温度T_lz均为试验期间采集数据的算术平均值；热再热蒸汽焓值H_rz和冷再热蒸汽焓值H_lz分别根据热再热蒸汽的压力P_rz和热再热蒸汽的温度T_rz，冷再热蒸汽的压力P_lz和冷再热蒸汽的温度T_lz查表或者通过IAPWS-iF97公式计算获得；

若余热锅炉无再热系统，则：热再热蒸汽焓值H_rz和冷再热蒸汽焓值H_lz均为零；再热减温水流量Q_zr和再热减温水焓值H_zw也均为零；

若余热锅炉为三压系统，则：高压蒸汽的压力P_h和高压蒸汽的温度T_h、中压蒸汽的压力P_m和中压蒸汽的温度T_m、低压蒸汽的压力P_l和低压蒸汽的温度T_l，以及总给水的压力P_w和总给水的温度T_w均取为试验期间采集数据的算术平均值；高压蒸汽焓值H_h、中压蒸汽焓值H_m、低压蒸汽焓值H_l，以及总给水的焓值H_w分别根据P_h、T_h、P_m、T_m、P_l、T_l、P_w以及T_w的值查表或者通过IAPWS-iF97公式计算获得；

若余热锅炉为双压系统，则：中压蒸发量D_ms、中压蒸汽的压力P_m和中压蒸汽的温度T_m，以及中压蒸汽焓值H_m均为零；

若余热锅炉为单压系统，则：中压蒸发量D_ms、中压蒸汽的压力P_m和中压蒸汽的温度T_m、中压蒸汽焓值H_m、低压蒸发量D_ls、低压蒸汽的压力P_l和低压蒸汽的温度T_l，以及低压蒸汽焓值H_l均为零；

步骤7、计算获得高压汽水侧压降ΔP_h、中压汽水侧压降ΔP_m、低压汽水侧压降ΔP_l，以及烟气侧压降ΔP_g：

高压汽水侧压降ΔP_h为：ΔP_h＝P_hw-P_h

P_hw为高压给水泵出口压力，取为试验期间DCS采集数据的算术平均值；

中压汽水侧压降ΔP_m为：ΔP_m＝P_mw-P_m

P_mw为中压给水泵出口压力，取为试验期间DCS采集数据的算术平均值；

低压汽水侧压降ΔP_l为：ΔP_l＝P_lw-P_l

P_lw为低压给水泵出口压力，取为试验期间DCS采集数据的算术平均值；

烟气侧压降ΔP_g为：ΔP_g＝P_in-P_out

P_out为余热锅炉出口烟气静压，按照网格法测量烟道中烟气出口各网格点的烟气静压，按照与式(1)相应的方式计算获得；若现场不具备直接测量的条件，则余热锅炉烟道中进口烟气静压P_in和出口烟气静压P_out均取为试验期间DCS采集数据的算术平均值。

2.根据权利要求1所述的余热锅炉性能试验方法，其特征是在所述步骤1中，采用红外烟气分析仪现场直接测量获得进口烟气组分和摩尔分数；或按如下方式计算获得进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

的值：

步骤1.1、计算获得试验环境中空气各组分的摩尔分数，所述空气各组分包括H₂O、N₂、O₂、Ar和CO₂，一一对应的摩尔分数为

X_Ar,a、

计算获得空气中水蒸汽分压

为：

HR为试验环境中的空气相对湿度，t₀为试验环境中的空气温度；

计算获得空气中水蒸汽组分摩尔分数

为：

P_act为试验环境中的大气压力；空气中其它组分的摩尔分数

X_Ar,a和

根据干空气各组分摩尔分数与空气中水蒸汽组分摩尔分数

一一对应计算获得；

步骤1.2、计算获得进入燃气轮机的空气体积流量Q_a

单位体积的燃气完全燃烧所需空气中O₂体积a为：

单位体积的燃气完全燃烧后体积的变化量b为：

其中，

X_r,CO、

分别为进入燃气轮机的燃气组分H₂、CO、C_mH_n、H₂S和O₂的摩尔分数，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；m和n为燃气组分C_mH_n的下角标系数；则，进入燃气轮机的空气体积流量Q_a为：

其中，Q_r为进入燃气轮机的燃料体积流量，由试验期间DCS采集数据求算术平均值获得；

为进口烟气中O₂的摩尔分数，无补燃余热锅炉进口烟气中O₂的摩尔分数与出口相同，由CEMS在线系统获得；

步骤1.3、计算获得进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

的值；

进口烟气中N₂的摩尔分数

为：

进口烟气中CO₂的摩尔分数

为：

进口烟气中H₂O的摩尔分数

为：

进口烟气中Ar的摩尔分数X_Ar为：

进口烟气中SO₂摩尔分数

为：

其中，

分别为进入燃气轮机的燃气组分N₂、CO₂和H₂O的摩尔分数，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；无补燃余热锅炉出口烟气中各组分的摩尔分数与进口相同。

3.根据权利要求2所述的余热锅炉性能试验方法，其特征是：

当现场不具备条件直接测量进口烟气质量流量时，将权利要求1的步骤4中计算获得进口烟气质量流量Q_in的方法替换为由式(10)计算获得进口烟气质量流量Q_in：

4.根据权利要求1所述的余热锅炉性能试验方法，其特征是：

步骤2中所述的进口烟气温度T_in按如下方式获得：采用热电偶按照网格法现场测量获得进口烟气网格点温度T_i，i表示进口烟气网格点，i＝1,2,…,n，n为烟道中烟气进口网格点的数量；通过计算平均值获得进口烟气温度T_in为：

若现场不具备直接测量的条件，则进口烟气温度T_in取自DCS数据。

5.根据权利要求1所述的余热锅炉性能试验方法，其特征是：针对补燃余热锅炉，因补燃余热锅炉的出口烟气质量流量Q_out大于进口烟气质量流量Q_in，余热锅炉的出口烟气组分与进口烟气组分存在有不同，并有：

补燃燃气质量流量Q_br,m为：Q_br,m＝Q_out-Q_in

进入余热锅炉的热量E_in为：E_in＝Q_inH_in+Q_br,mH_br

其中，H_br为补燃燃气的低位热值，由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；

出口烟气热量E_out为：E_out＝Q_outH_out

若现场具备直接测量烟气组分、温度和流量的条件，则按步骤1到步骤4的相应方法通过测量和计算同样获得余热锅炉出口烟气组分的摩尔分数

X_c,Ar和

出口烟气焓H_out，以及出口烟气质量流量Q_out；

在现场不具备直接测量烟气组分、温度和流量的条件时，在所述步骤1到步骤4中，按如下方式计算获得进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

进口烟气质量流量Q_in以及进口烟气焓值H_in；出口烟气组分的摩尔分数

X_c,Ar和

出口烟气质量流量Q_out以及出口烟气焓值H_out：

步骤a、计算获得进入燃气轮机的空气体积流量Q_a；

单位体积的补燃燃气完全燃烧所需空气中O₂的体积a₂为：

单位体积的补燃燃气完全燃烧后体积的变化量b₂为：

其中，

X_br,CO、

和

一一对应为进入余热锅炉的补燃燃气组分H₂、CO、C_mH_n、H₂S和O₂的摩尔分数，是由在线燃气组分分析仪或取燃气样品分析获得；m和n为燃气组分C_mH_n的下角标系数；进入燃气轮机的空气体积流量Q_a为：

其中，Q_br为补燃燃气的体积流量，由试验期间DCS采集数据求算术平均值获得；

为出口烟气中O₂的摩尔分数，由CEMS在线系统获得；

步骤b、计算获得余热锅炉进口烟气各组分的摩尔分数

X_Ar和

以及进口烟气质量流量Q_in的值；余热锅炉进口烟气中O₂的摩尔分数

为：

余热锅炉进口烟气中其它各组分的摩尔分数

X_Ar和

以及进口烟气质量流量Q_in按照式(5)-(10)分别计算获得；

步骤c、计算获得余热锅炉出口烟气各组分摩尔分数

X_c,Ar和

以及出口烟气质量流量Q_out的值，则有：

出口烟气中N₂的摩尔分数

为：

出口烟气中CO₂的摩尔分数

为：

出口烟气中H₂O的摩尔分数

为：

出口烟气中Ar的摩尔分数X_c,Ar为：

出口烟气中SO₂的摩尔分数

为：

余热锅炉出口烟气质量流量Q_out为：

步骤d、余热锅炉的进口烟气焓值H_in和出口烟气焓值H_out按权利要求1中的步骤2的方式计算获得，余热锅炉的进口烟气温度T_in和出口烟气温度T_out取自DCS数据。

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