锅炉排烟热损失计算方法

1.本发明涉及锅炉节能技术领域，特别是一种锅炉排烟热损失计算方法。


背景技术：

2.现有的锅炉烟气余热回收技术中，采用热泵+喷淋塔复合系统可以将排烟温度降低至环境温度甚至更低。当排烟焓值等于环境空气焓值时，将彻底消除排烟热损失，从而进一步提高锅炉热效率。虽然在技术层面上已经可以做到基本消除排烟热损失，但至今仍没有一个明确的锅炉排烟热损失计算方法。
3.国家能源部于2018年颁布的行业标准nb/t47066-2018《冷凝锅炉热工性能试验方法》，其中，各项基础热损失计算公式已经列明(包括冷凝潜热和冷凝水显热的计算公式)，并提供了干烟气热损失计算式，可以根据反平衡法计算出锅炉热效率。锅炉热效率计算中的重要一环便是计算排烟热损失，因此，排烟热损失计算的准确性与锅炉热效率计算的准确性存在关联性。然而，上述行业标准中存在以下含糊不清之处：1、排烟热损失的计算应该基于燃料的高位发热量还是低位发热量尚不明确；2、冷凝潜热和冷凝水显热是否应该归为排烟热损失中计算尚不明确；3、将排烟温度降低至何数值时排烟热损失完全降至零尚不明确。
4.基于上述行业标准中的含糊不清之处，计算出的锅炉热效率会存在一定的误差，并且，当计算对象为燃气冷凝锅炉或者排烟中水蒸气含量较高的非冷凝锅炉时，锅炉热效率的计算误差会更大(偏高)，有时接近甚至超过100％，看似达到了能效极限，实际上能效还有提升空间，这样反而禁锢了锅炉节能技术的进一步发展。
5.因此，研究准确度较高的锅炉排烟热损失的计算方法，将有助于提高锅炉热效率计算的准确性，进而为锅炉节能技术的进一步发展提供先决基础。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种锅炉排烟热损失计算方法，它相比现有的锅炉排烟热损失计算方法准确度更高，尤其适用于燃气冷凝锅炉或者排烟中水蒸气含量较高的非冷凝锅炉的排烟热损失计算。
7.本发明的技术方案是：锅炉排烟热损失计算方法，步骤如下：
8.s01，若干参数的前置计算：
9.按照公式1计算每标准立方米燃料燃烧对应的干烟气热损失q
p.l.fg.d.gr
，按照公式2计算每标准立方米燃料燃烧对应的烟气中携带水蒸气的显热损失q
p.l.fg.cond.gr
，按照公式3计算25℃达到饱和湿度状态下单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量
10.公式1：q
p.l.fg.d.gr
＝v
fg.d.cond.lvcp.fg.d
(t
fg.cond.lv-t
fg.cond.re
)；
11.式中，v
fg.d.cond.lv
为最后一级冷凝受热面出口处每标准立方米燃料燃烧生成的干烟气体积，c
p.fg.d
为最后一级冷凝受热面出口处干烟气平均定压比热容，t
fg.cond.lv
为离开系
统边界的烟气温度，t
fg.cond.re
为离开系统边界的烟气基准温度；
12.公式2：
13.式中，为每标准立方米燃料燃烧对应的最后一级冷凝受热面出口烟气中水蒸气量，为水蒸气的定压比热容；
14.公式3：
15.式中，v
lk
为单位立方米燃料燃烧需要的空气量；dv为单位立方米空气所含有的水蒸气体积量；pv为饱和水蒸气对应的饱和压力；p0为大气环境压力；
16.s02，计算基于高位发热量的排烟热损失：
17.基于公式1、2、3的计算结果和已知参数，代入公式4计算每标准立方米燃料燃烧对应的烟气中未被吸收的冷凝潜热和冷凝水显热损失q
p.l.fg.cond.gr.l
；基于公式1、2、4的计算结果，带入公式5计算每标准立方米燃料燃烧对应的排烟热损失q2；基于公式5的计算结果和已知参数，带入公式6计算基于高位发热量的排烟热损失q2；
18.公式4：公式4：
19.式中，γ
cond
为最后一级冷凝受热面烟气平均压力下的水蒸气汽化潜热，为每标准立方米燃料燃烧对应的最后一级冷凝受热面出口烟气中水蒸气量，为单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量，为基于环境空气干湿度决定的修正系数，为每标准立方米燃料燃烧生成的烟气经最后一级冷凝受热面冷凝下来的水蒸气量，为离开系统边界的烟气温度对应的冷凝水焓，为基准温度对应的冷凝水焓；
20.公式5：q2＝q
p.l.fg.d.gr
+q
p.l.fg.cond.gr
+q
p.l.fg.cond.gr.l
；
21.公式6：式中，q
gr
为燃料高位发热量。
22.本发明进一步的技术方案是：s02步骤中，的取值规则为：环境空气越干燥，取值越小，环境空气越潮湿，取值越大，的取值范围在0～1之间。
23.本发明与现有技术相比具有如下优点：
24.其提出了一种新的排烟热损失计算公式，并引入新的基准参数对公式加以修正，相比现有的锅炉排烟热损失计算方法准确度更高，尤其适用于燃气冷凝锅炉或者排烟中水蒸气含量较高的非冷凝锅炉的排烟热损失计算，有助于提高锅炉热效率计算的准确性，进而为锅炉节能技术的进一步发展提供先决基础。
具体实施方式
25.实施例1：
26.锅炉排烟热损失计算方法，步骤如下：
27.s01，若干参数的前置计算：
28.按照公式1计算每标准立方米燃料燃烧对应的干烟气热损失q
p.l.fg.d.gr
，按照公式2计算每标准立方米燃料燃烧对应的烟气中携带水蒸气的显热损失q
p.l.fg.cond.gr
，按照公式3计算25℃达到饱和湿度状态下单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量
29.公式1：q
p.l.fg.d.gr
＝v
fg.d.cond.lvcp.fg.d
(t
fg.cond.lv-t
fg.cond.re
)；
30.式中，v
fg.d.cond.lv
为最后一级冷凝受热面出口处每标准立方米燃料燃烧生成的干烟气体积，c
p.fg.d
为最后一级冷凝受热面出口处干烟气平均定压比热容，t
fg.cond.lv
为离开系统边界的烟气温度，t
fg.cond.re
为离开系统边界的烟气基准温度；
31.公式2：
32.式中，为每标准立方米燃料燃烧对应的最后一级冷凝受热面出口烟气中水蒸气量，为水蒸气的定压比热容；
33.公式3：
34.式中，v
lk
为单位立方米燃料燃烧需要的空气量；dv为单位立方米空气所含有的水蒸气体积量；pv为饱和水蒸气对应的饱和压力；p0为大气环境压力。
35.s02，计算基于高位发热量的排烟热损失：
36.基于公式1、2、3的计算结果和已知参数，代入公式4计算每标准立方米燃料燃烧对应的烟气中未被吸收的冷凝潜热和冷凝水显热损失q
p.l.fg.cond.gr.l
；基于公式1、2、4的计算结果，带入公式5计算每标准立方米燃料燃烧对应的排烟热损失q2；基于公式5的计算结果和已知参数，带入公式6计算基于高位发热量的排烟热损失q2；
37.公式4：公式4：
38.式中，γ
cond
为最后一级冷凝受热面烟气平均压力下的水蒸气汽化潜热，为每标准立方米燃料燃烧对应的最后一级冷凝受热面出口烟气中水蒸气量，为单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量，为基于环境空气干湿度决定的修正系数，环境空气越干燥，取值越小，环境空气越潮湿，取值越大，的取值范围在0～1之间，为每标准立方米燃料燃烧生成的烟气经最后一级冷凝受热面冷凝下来的水蒸气量，为离开系统边界的烟气温度对应的冷凝水焓，为基准温度对应的冷凝水焓；
39.公式5：q2＝q
p.l.fg.d.gr
+q
p.l.fg.cond.gr
+q
p.l.fg.cond.gr.l
；
40.公式6：式中，q
gr
为燃料高位发热量。
41.简述本发明的研发技术路线：
42.计算热效率究竟采用高位发热量还是低位发热量关键在于对输入热量的认定。根据锅炉热平衡图，输入能量是燃料完全燃烧释放的化学能，但是燃烧产物中的液态水会吸收一部分燃料燃烧释放的化学能，这就导致燃烧释放出来的化学能打了折扣。取低位发热
量计算热效率，就等于默认打了折扣的化学能作为初始输入热量。以往的燃煤锅炉燃烧生成的水分较少(特别是干燥无烟煤炉)，排烟烟气中水蒸气分压低，水蒸气量有时甚至不足1％，高位发热量和低位发热量相差不大，冷凝潜热可以忽略不计，故而取低位发热量计算热效率不会造成较大偏差。但是，对于燃气冷凝锅炉或者排烟中水蒸气含量较高的非冷凝锅炉，使用低位发热量计算热效率就不太合理，计算出的热效率也普遍偏高。因此，对于冷凝锅炉或者排烟中水蒸气含量较高的非冷凝锅炉，排烟热损失的计算应该基于燃料的高位发热量，冷凝潜热和冷凝水显热应该归为排烟热损失中计算。
43.结合上述分析和热平衡法，推断出每标准立方米燃料燃烧对应的排烟热损失q2的表达式，参看公式5。结合公式5和nb/t47066-2018《冷凝锅炉热工性能试验方法》中提出的干烟气热损失计算式(公式x：q
p.l.fg.d.gr
＝v
fg.d.cond.lvcp.fg.d
(t
fg.cond.lv-t
fg.cond.re
))、烟气中携带水蒸气的显热损失计算式(公式y：)和冷凝潜热和冷凝水显热计算式(公式z：)可知，当排烟温度等于基准温度时，因为有冷凝潜热的存在，每标准立方米燃料燃烧对应的排烟热损失q2并不会等于0。只有当每标准立方米燃料燃烧对应的最后一级冷凝受热面出口烟气中水蒸气量等于0，公式z中的冷凝潜热部分才等于0。因此，可得出结论，排烟出口烟气为纯干烟气(含湿量为0)且排烟温度等于基准温度时，排烟热损失完全为0。
44.然而，在常压下，将空气温度降低至接近零摄氏度，都不可能将其含湿量完全降为零，况且排烟湿度比空气湿度更大。这样一来，即便是采用溶液吸收法和冷凝法两种方法复合来进行余热回收，也很难将排烟热损失完全降为0。事实上，排烟烟气中所含的水蒸气也并不全是燃烧生成的水蒸气，有一部分是引入炉膛的空气中自带的水蒸气。
45.无论是计算干空气显热还是水蒸气显热，显热计算中都会取一个基准温度(一般为环境冷空气温度)。因此在计算潜热时，公式z中需引入一个基准参数(基准含湿量或者基准水蒸气量)修正，此基准参数可以参考环境空气湿度来确定。
46.基准参数可根据热平衡法推导出。由锅炉热平衡图可以确定，输入锅炉的外来能量有干空气、空气水分和燃料显热。为了方便计算，基准温度一般取行标25℃，而输入锅炉的干空气和燃料的温度又和环境温度相同(一般环境平均温度被认为也是25℃)，因此参照基准温度(行标为25℃)下输入锅炉的干空气和燃料显热的能量为零，但此时空气水分所含能量不为零。若要让输入的空气水分蕴含的潜热部分能量也为零，除了要有基准温度(行标为25℃)外，还需要引入单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量作为基准参数。当输入锅炉中的水蒸气量等于单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量时，可得输入锅炉水分的能量亦为零。
47.同样的，排烟出口烟气计算焓值要同时参照基准温度(行标为25℃)和单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量故而给出公式z的第一个修正公式，公式7；
48.公式7：
[0049][0050]
式中，q
p.l.fg.cond.gr.l
为每标准立方米燃料燃烧对应的烟气中未被吸收的冷凝潜热和冷凝水显热损失，γ
cond
为最后一级冷凝受热面烟气平均压力下的水蒸气汽化潜热，为每标准立方米燃料燃烧对应的最后一级冷凝受热面出口烟气中水蒸气量，为单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量，为每标准立方米燃料燃烧生成的烟气经最后一级冷凝受热面冷凝下来的水蒸气量，为离开系统边界的烟气温度对应的冷凝水焓，为基准温度对应的冷凝水焓。
[0051]
联立公式x、公式y和公式7计算锅炉热效率，可以令t
fg.cond.lv
＝t
fg.cond.re
，即得到q2＝q
p.l.fg.d.gr
+q
p.l.fg.cond.g
+q
p.l.fg.cond.gr.l
＝0，但是空气中水蒸气量不是定值，随着气候条件和地理位置而发生变化，不宜作为基准参数，故而可以考虑用标准气压、基准温度25℃、空气湿度达到饱和湿度状态下，单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量作为基准参数，故而给出公式z的第二个修正公式，公式8；
[0052]
公式8：
[0053][0054]
式中，为25℃达到饱和湿度状态下单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量。
[0055]
冷凝锅炉排烟烟气经过冷凝后一直处于饱和湿度，当排烟温度降至基准温度时，单位立方米燃料燃烧生成的烟气量中的水蒸气量近似等于单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量通过公式8，联公式x、公式y和公式5计算锅炉热效率，可以令以及t
fg.cond.lv
＝t
fg.cond.re
，得到所以q2＝q
p.l.fg.d.gr
+q
p.l.fg.cond.g
+q
p.l.fg.cond.gr.l
＝0，公式8中的基准参数为定值，并且符合排烟温度等于基准温度时排烟热损失为零的公知常识。但公式8是存在误差的，尤其是环境空气干燥、湿度低的情况下，误差更明显。故而可以在公式8的基础上引入基于环境空气干湿度决定的修正系数φ，即得到公式4。
[0056]
简述本发明的实际计算例：
[0057]
现以湖南省衡阳市某锅炉厂1台额定蒸发量1t/h的燃气锅炉(型号为wns1)为例，开始本次算例的计算(表1为该锅炉热力参数及环境空气指标)。
[0058]
表1：
[0059][0060][0061]
离开系统边界的烟气温度t
fg.cond.re
为150℃；增加该锅炉省煤器换热面积后，排烟温度可降至70℃；加装热泵+喷淋换热系统进行深入节能改造后，排烟温度可降至25℃。该锅炉烟气冷凝温度为60℃，计算时均假定析出冷凝水离开系统时的温度等于离开系统边界的烟气温度t
fg.cond.re
。
[0062]
一、按照行业标准提供的公式计算
[0063]
1.1、t
fg.cond.re
为150℃的前提下：
[0064]
按照行业标准中的公式分别计算得到：q
p.l.fg.d.gr
＝1546.27kj/m3，q
p.l.fg.cond.gr
＝508.95kj/m3。将数据代入公式算得q
p.l.fg.cond.gr.l
＝3395.13kj/m3。将数据代入公式5计算得到q2＝5450.35kj/m3。将数据代入公式6计算得到q2＝13.98％。
[0065]
1.2、t
fg.cond.re
为75℃的前提下：
[0066]
计算得到q2＝4870.64kj/m3，q2＝12.49％。
[0067]
1.3、t
fg.cond.re
为25℃的前提下：
[0068]
计算得到q2＝718.2kj/m3，q2＝1.8％。
[0069]
二、按照本发明提供的公式计算
[0070]
2.1、t
fg.cond.re
为75℃的前提下：
[0071]
根据公式1、2、3分别计算得到：q
p.l.fg.d.gr
＝1546.27kj/m3，q
p.l.fg.cond.gr
＝508.95kj/m3，将数据代入公式4计算得到：q
p.l.fg.cond.gr.l
＝3008.46kj/m3。将数据代入公式5和6计算得到：q2＝5063.68kj/m3；q2＝12.98％。
[0072]
2.2、t
fg.cond.re
为75℃的前提下：
[0073]
计算得到q2＝4409.15kj/m3，q2＝11.3％。
[0074]
2.3、t
fg.cond.re
为25℃的前提下：
[0075]
计算得到q2＝223kj/m3，q2＝0.5％。
[0076]
本发明论证了冷凝锅炉和排烟中水分较多的非冷凝锅炉不应采用通用的排烟热损失公式计算热效率，冷凝潜热和冷凝水显热应该归为排烟热损失中计算且应适用高位发热量；通过行业标推导出了新的排烟热损失公式，并引入新的基准参数对公式加以修正，使得公式计算结果更加精确。通过引入算例，得到如下结论：
[0077]
1、使用通用公式计算燃气锅炉排烟热损失明显偏低，计算出来的热效率虚高；
[0078]
2、排烟温度略微低于环境温度时(排烟温度处于环境干球温度与露点温度之间的某个温度)，排烟热损失等于零；
[0079]
3、当环境空气的相对湿度比较大，排烟温度等于环境温度时，排烟热损失近似等于零。
[0080]
本发明对冷凝锅炉和排烟中水分较多的非冷凝排烟热损失计算，提出不应采用通用的排烟热损失计算公式，而应将排烟中冷凝潜热和冷凝水显热计入排烟热损失，同时计算热效率对应采用高位发热量。本发明通过对行业标准的分析研究，对排烟热损失计算公式进行了推导，考虑了烟气中含水量较高时的基准参数推导和修正后，导出了对含水量较高的烟气热损失精确计算式。本发明提供了计算实例对比，证明修正公式计算的排烟热损失更精确可信。本发明观点和有关内容，对含湿高的排烟热损失计算，有实际指导作用。

技术特征：
1.锅炉排烟热损失计算方法，其特征是，步骤如下：s01，若干参数的前置计算：按照公式1计算每标准立方米燃料燃烧对应的干烟气热损失q
p.l.fg.d.gr
，按照公式2计算每标准立方米燃料燃烧对应的烟气中携带水蒸气的显热损失q
p.l.fg.cond.gr
，按照公式3计算25℃达到饱和湿度状态下单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量公式1：q
p.l.fg.d.gr
＝v
fg.d.cond.lv
c
p.fg.d
(t
fg.cond.lv-t
fg.cond.re
)；式中，v
fg.d.cond.lv
为最后一级冷凝受热面出口处每标准立方米燃料燃烧生成的干烟气体积，c
p.fg.d
为最后一级冷凝受热面出口处干烟气平均定压比热容，t
fg.cond.lv
为离开系统边界的烟气温度，t
fg.cond.re
为离开系统边界的烟气基准温度；公式2：式中，为每标准立方米燃料燃烧对应的最后一级冷凝受热面出口烟气中水蒸气量，为水蒸气的定压比热容；公式3：式中，v
lk
为单位立方米燃料燃烧需要的空气量；d
v
为单位立方米空气所含有的水蒸气体积量；p
v
为饱和水蒸气对应的饱和压力；p0为大气环境压力；s02，计算基于高位发热量的排烟热损失：基于公式1、2、3的计算结果和已知参数，代入公式4计算每标准立方米燃料燃烧对应的烟气中未被吸收的冷凝潜热和冷凝水显热损失q
p.l.fg.cond.gr.l
；基于公式1、2、4的计算结果，带入公式5计算每标准立方米燃料燃烧对应的排烟热损失q2；基于公式5的计算结果和已知参数，带入公式6计算基于高位发热量的排烟热损失q2；公式4：公式4：式中，γ
cond
为最后一级冷凝受热面烟气平均压力下的水蒸气汽化潜热，为每标准立方米燃料燃烧对应的最后一级冷凝受热面出口烟气中水蒸气量，为单位立方米燃料燃烧所需的实际空气量中的水蒸气量，为基于环境空气干湿度决定的修正系数，为每标准立方米燃料燃烧生成的烟气经最后一级冷凝受热面冷凝下来的水蒸气量，为离开系统边界的烟气温度对应的冷凝水焓，为基准温度对应的冷凝水焓；公式5：q2＝q
p.l.fg.d.gr
+q
p.l.fg.cond.gr
+q
p.l.fg.cond.gr.l
；公式6：式中，q
gr
为燃料高位发热量。2.如权利要求1所述的锅炉排烟热损失计算方法，其特征是，s02步骤中，的取值规则为：环境空气越干燥，取值越小，环境空气越潮湿，取值越大，的取值范围在0～1之间。

技术总结
锅炉排烟热损失计算方法，基于公式4计算每标准立方米燃料燃烧对应的烟气中未被吸收的冷凝潜热和冷凝水显热损失Q


技术研发人员：顾炜莉 蒋胜蓝 武巧 肖于宗 叶美宏 马德林
受保护的技术使用者：南华大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/14