鍋爐熱力計算中兩個重要參數(shù)的校核方法

姚萬業(yè)，王晶晶，趙振寧，童家麟

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北保定 071003; 2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045;

3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

鍋爐熱力計算是評價鍋爐安全性和經(jīng)濟性最主要的途徑[1]，是鍋爐整體計算的核心，對鍋爐的設(shè)計、改造及運行有著極其重要的作用。鍋爐熱力計算主要分為設(shè)計計算和校核計算兩種。設(shè)計計算是以額定負荷為前提，在鍋爐的給水參數(shù)和鍋爐燃料成分已知的情況下，計算滿足額定蒸發(fā)量、額定蒸汽參數(shù)及選定經(jīng)濟指標的鍋爐各個受熱面的所需結(jié)構(gòu)尺寸;校核計算是指以校核工況下的鍋爐參數(shù)和燃料特性為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在鍋爐各受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)已知或改變某些受熱面結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，對鍋爐效率、燃料消耗量及各受熱面進出口的工質(zhì)溫度、煙氣溫度、煙氣流量、空氣溫度、空氣流量等進行的計算[2～9]。

一般情況下，在進行新鍋爐的設(shè)計或?qū)ΜF(xiàn)有鍋爐進行計算時都采用校核計算。減溫水校核及煙氣份額校核是鍋爐熱力計算中最重要和復雜的兩個校核。對于不同的鍋爐，由于蒸汽、煙氣流程及鍋爐結(jié)構(gòu)的多變性，減溫水和煙氣份額數(shù)據(jù)的選取、校核的順序及計算誤差超出范圍后如何調(diào)整也不盡相同。尤其是在面對多支路或多個噴水減溫裝置時，多變量的校核情況更為復雜。

關(guān)于減溫水校核及煙氣份額校核方法進行研究的資料和文章很少。文獻[10]在闡述鍋爐校核計算時，只是探討了受熱面的校核方法，對于減溫水及煙氣份額校核并沒有提及。文獻[11]僅提出了調(diào)節(jié)減溫水量的方法，對于多級減溫水和煙氣份額的校核順序和方法沒有研究。本文對這兩個校核方法進行了詳細的探討，并以某400 t/h中間再熱鍋爐為例，闡述了兩個校核的具體步驟，對其他鍋爐進行校核計算提供了明確的思路。

1 校核計算方法

校核計算主要分為受熱面內(nèi)部校核計算和受熱面外部校核計算。內(nèi)部校核計算是指對受熱部件本身采用校核方法進行傳熱計算，即先假定一種介質(zhì)的終溫和焓并求出其吸熱量，再通過計算傳熱系數(shù)得到傳熱量，控制傳熱量和吸熱量的差值在誤差范圍之內(nèi)，否則重新假設(shè)并計算。受熱面外部校核計算是指在某一受熱面假設(shè)參數(shù)值，直到煙氣流程后面的另一受熱面才能對該值進行計算，得到計算值后，將計算值與假設(shè)值進行比較，若不在有效范圍內(nèi)則返回、重新假設(shè)此參數(shù)值并計算，直到滿足誤差要求為止。例如鍋爐減溫水校核，在爐膛傳熱計算中就需用到各級減溫水的流量，直到所有的附加受熱面吸熱量全部完成后，才能計算得到各級減溫水量值，然后對減溫水量進行校核。與內(nèi)部校核相比，受熱面外部校核要相對復雜。

減溫水校核及煙氣份額校核是鍋爐熱力計算中校核順序較復雜、靈活性較強的兩個外部校核。為了能夠更加清晰、直觀地表達出減溫水校核和煙氣份額校核的具體校核流程，現(xiàn)以某400 t/h中間再熱鍋爐為例，闡述其煙氣份額及減溫水校核的具體步驟及程序?qū)崿F(xiàn)方法，鍋爐本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某400 t/h中間再熱鍋爐本體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Body struct of a 400 t/h reheat boiler

鍋爐主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of the boiler

2 煙氣份額校核

在主煙道，為保證再熱器工質(zhì)進、出口參數(shù)確定了煙氣份額。一般在第一轉(zhuǎn)向室后對煙氣進行分流，一部分煙氣流到達低溫再熱器;另一部分煙氣流經(jīng)旁路省煤器，兩部分煙氣最終混合后流入主省煤器。通常先確定流經(jīng)低溫再熱器的煙氣份額，使得低溫再熱器的進口工質(zhì)參數(shù)和高溫再熱器的出口工質(zhì)參數(shù)滿足要求。這樣，另一條支路的煙氣份額也就隨之確定，旁路煙道中的旁路省煤器就可以進行熱力計算了。旁路煙氣份額的精度要求最低，一般可取5%左右。

煙氣份額校核實例。某些鍋爐系統(tǒng)中，煙道的分支不只為兩條，本文所研究的某400 t/h中間再熱鍋爐煙氣流程如圖2所示。煙氣在第一轉(zhuǎn)向室出現(xiàn)旁路，一部分流向旁路省煤器;另一部分流向第二轉(zhuǎn)向室。其中，流向第二轉(zhuǎn)向室的煙氣也出現(xiàn)分叉，一部分直接流向低溫再熱器;另一部分煙氣先流經(jīng)低溫再熱器引出管、第三轉(zhuǎn)向室，再流入低溫再熱器。

圖2 煙氣流程圖Fig.2 Gas flow chart

在處理這種稍復雜的多分支情況進行煙氣份額的校核時，本文作者提出了“固定一端法”，對煙氣份額進行校核，具體步驟如下:

(1)固定支路2流經(jīng)低溫再熱器引出管至低溫再熱器煙氣鏈上的煙氣旁通份額，按照經(jīng)驗給予一個值，一般在0.15左右，以保證低溫再熱器的進出口工質(zhì)的溫度。

(2)由于低溫再熱器進口工質(zhì)已知，出口工質(zhì)也在低溫再熱器引出管傳熱計算中確定，按式(1)計算低溫再熱器工質(zhì)的對流吸熱量Qd。根據(jù)式 (2)對低溫再熱器進行傳熱計算，得到對流傳熱量Q。

3 減溫水量校核

式中:Qd為對流吸熱量，kJ/kg;Dzr為再熱蒸汽流量，kg/h;δ為煙氣份額;Bj為計算燃料消耗量，kg/h。

式中:Q為每千克計算燃料的煙氣通過受熱面時被工質(zhì)所吸收的對流熱量，kJ/kg;k為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃);Δt為溫壓，℃;Hjs為計算對流受熱面積，m2;Bj為計算熱量消耗量，kg/s。

(3)對傳熱量和吸熱量進行比較，根據(jù)熱平衡原理，如果傳熱量大于吸熱量，說明煙氣份額過大，煙氣釋放的熱量大于低溫再熱器吸收的熱量，那么減小第二轉(zhuǎn)向室中煙氣份額;如果傳熱量小于吸熱量，說明煙氣份額過小，煙氣釋放的熱量不能夠滿足再熱器吸收的熱量，那么增大第二轉(zhuǎn)向室中煙氣份額。

(4)增大或較小煙氣份額后，返回到第二轉(zhuǎn)向室重新進行熱力計算，直至滿足誤差要求。改變第二轉(zhuǎn)向室的煙氣份額，支路1的煙氣份額隨之進行改變，而支路2的煙氣份額始終保持不變。這兩部分的煙氣份額確定后，旁路省煤器的旁通份額也就隨之確定。

這樣，各支路的煙氣份額都得到了確定，通過旁通份額的分配，最終使得再熱汽溫的進、出口溫度達到額定值。再熱蒸汽及各支路最終校核計算值如表2所示。

由表2可見:按上述方法對各支路值進行校核，校核值分別為0.465，0.15，0.385;再熱蒸汽的溫度、壓力及流量等參數(shù)均達到設(shè)計值，說明該煙氣份額校核方法切實可行。

表2 再熱蒸汽及煙氣份額校核計算值Tab.2 Values of checking calculation for reheated steam and gas share

為了保證過熱蒸汽溫度在不同負荷、不同工況下接近恒定，達到額定的蒸汽參數(shù)，一般需要用減溫器對蒸汽的參數(shù)進行調(diào)節(jié)。因此，在進行鍋爐熱力計算的過程中要對減溫水進行校核，一般對于調(diào)整主蒸汽溫度的減溫水，中壓鍋爐一般采用面式減溫器調(diào)節(jié)過熱汽溫，高壓及以上鍋爐一般采用噴水調(diào)節(jié)過熱汽溫。在大型鍋爐中，由于過熱器采用多級布置，為了提高運行的安全性和改善過熱器的調(diào)節(jié)特性，通常采用二到三級調(diào)節(jié)。高壓自然循環(huán)鍋爐常采用二級噴水，第一級布置在屏式過熱器前，起保護屏的作用;第二級布置在末級過熱器前，以保證過熱器的出口汽溫。設(shè)定噴水量約為鍋爐額定蒸發(fā)量的3%～5%。在對最后一級再熱器熱力計算完成之后進行校核。

減溫水校核實例。本文所研究的某400 t/h中間再熱該鍋爐的過熱蒸汽流程如圖3所示。該鍋爐系統(tǒng)一共有兩級減溫水:一級減溫水設(shè)定在前屏與后屏過熱器中間;二級減溫水設(shè)在后屏與對流過熱器中間。在對減溫水進行校核時，由于受到管道直徑、鍋爐的熱效率等的影響，最后一級減溫水的流量一般限制在2%以內(nèi)，二級減溫水量限制在5%以內(nèi)。當在限定范圍內(nèi)仍不能滿足蒸汽參數(shù)的需要的情況下，取其最大值，根據(jù)該值進行整體熱力計算，并確定最終的蒸汽參數(shù)值。

(1)在爐膛傳熱計算中，先根據(jù)經(jīng)驗值，對一、二級減溫水分別設(shè)其初值，開始熱力計算。本例中，設(shè)定一級減溫水量為6 000 kg/h，二級減溫水量為5 000 kg/h。

圖3 過熱蒸汽流程圖Fig.3 Superheated steam flow chart

(2)在對流過熱器傳熱計算中，對二級減溫水量進行校核，根據(jù)式 (3)得到二級減溫水量的計算值。若該計算減溫水量超出上限值5 250 kg/h(5 000/1.05)，則賦予二級減溫水量上限值，并返回到爐膛受熱面，重新進行傳熱計算，此時的主蒸汽參數(shù)是根據(jù)二級減溫水量的實際值計算得到，并不能使用額定值;若計算值未超出上限值，但未在誤差范圍之內(nèi)，則重新假設(shè)二級減溫水量并返回到爐膛重新進行熱力計算，此時所用到的蒸汽參數(shù)均為額定參數(shù)。

(3)在旁路省煤器熱力計算完成后，所有的附加受熱面、再熱蒸汽、過熱蒸汽的吸熱量都已得到，這時可根據(jù)熱量平衡公式 (3)，得到減溫水總量的計算值，再根據(jù)計算值與假設(shè)值的誤差對一級減溫水量重新賦值，返回到爐膛重新進行熱力計算，直至滿足誤差。這里必須保證一級減溫水量不能超出其設(shè)定的上限值6 120 kg/h(6 000/1.02)。

式中:Bj為計算燃料消耗量，kg/h;ΣQ為對流過熱器及之前所有主受熱面和附加受熱面吸收的總熱量，kJ/kg;D為總的減溫水量，kg/h;hgr″為過熱蒸汽進口蒸汽焓，kJ/kg;hbg為過熱蒸汽出口蒸汽焓，kJ/kg;hgs為給水焓，kJ/kg。

減溫水校核的關(guān)鍵就是先確定第一級減溫水量，所有附加受熱面和高溫對流過熱器計算完成后，再對整體減溫水量進行校核，總減溫水量的改變主要是通過改變除第一級外的其他各級減溫水量來完成。主熱蒸汽及各級減溫水量最終校核計算值如表3所示。

表3 主蒸汽及減溫水量校核計算值Tab.3 Values of checking calculation for superheated steam and desuperheating water

由表3可見:按上述方法對減溫水量進行校核，校核值分別為16 835 kg/h，8 400 kg/h，主蒸汽溫度、壓力及流量等參數(shù)均達到設(shè)計值，說明該減溫水量校核方法切實方便可行。

4 結(jié)論

減溫水校核和煙氣份額校核是鍋爐校核計算中最復雜、關(guān)鍵的部分，本文對這兩個校核進行了討論，提出了適用于電站鍋爐的普遍校核方法，以某400 t/h中間再熱鍋爐為例，詳細闡述了兩個校核的具體步驟，結(jié)果印證了這種校核方法的準確性。這兩個校核方法為鍋爐校核熱力計算提供了明確思路，有助于高效、準確地完成鍋爐校核熱力計算。