CN102734782B - 一种燃煤锅炉能效监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃煤锅炉能效监测方法，该方法采用在线监测与人工分析相结合对燃煤锅炉能效进行实时监测。包括锅炉现场取燃煤样品分析燃煤的含碳量和计量锅炉若干小时的实际燃煤量，从而计算得出燃煤锅炉在这若干小时内平均每小时的总发热量，然后采集锅炉的必要数据计算有效供热量、烟气热损失以及气体不完全燃烧热损失等，从而计算得出锅炉的热效率，估算锅炉运行过程中热损波动较小部分值，最终通过实时监测锅炉运行过程中有效供热量、热损波动较大值以及已经计算得出的热损波动较小值实现对锅炉效率的在线实时监测，从而较为实时的实现提高燃煤锅炉能效的目的。

Description

一种燃煤锅炉能效监测方法

技术领域

本发明涉及一种锅炉运行效率实时监测方法，用于燃煤电站锅炉和燃煤工业锅炉。

背景技术

我国的能源结构以煤为主，量大面广的工业锅炉要消耗大量的煤，同时也是我国主要的煤烟污染源。据中国电器工业协会工业锅炉分会调查分析：我国目前在用燃煤工业锅炉约47万余台，每年消耗标准煤约4亿吨，约占我国煤炭消耗总量的四分之一。然而，燃煤工业锅炉平均运行效率仅达65%左右，这一指标比国际先进水平低15至20个百分点，不仅意味着大量燃煤在被低效率利用，而且大大加重了大气环境的污染。

近年来，我国能源消费的快速增长已经引起国内外有关方面的极大关注。因此，党中央、国务院已经把节能减排列为国家的基本国策，锅炉作为高耗能特种设备，实现节能降耗，已成为当前的一项紧迫任务。国家有关部门2010年9月发布实施了《锅炉节能技术监督管理规程》和《工业锅炉能效测试与评价规则》两个节能技术规范，这两个技术规范的实施将大力推进、规范目前锅炉节能减排工作，将对锅炉节能减排发挥巨大作用。

传统锅炉热效率计算方法有正平衡和反平衡两种方法：

正平衡法是根据锅炉热效率的定义（单位时间内锅炉有效利用热量占锅炉输入热量的百分比）演化而来的，其计算公式如下：

$\mathrm{\η}=\frac{Q_1}{B_{\mathrm{net}}\·Q_{\mathrm{net}}}\×100\%$

其中：η：锅炉热效率；

Q₁：锅炉有效吸收热量，单位KJ/h；

Q_net：煤收到基低位发热量（标态），单位为KJ/Kg；

B_net：燃料消耗速率，单位Kg/h；

利用正平衡发对燃煤锅炉进行在线监测和能效评估的难点在于：难以在线实时检测燃煤的碳含量同时与输送燃煤用量配套的实时燃煤量计量系统价格昂贵，国内锅炉都无燃煤用量以及煤质的在线监测系统，正是这些原因使得无法利用正平衡发对国内面广量大的燃煤锅炉进行在线监测和能效评估。

反平衡法基于的原理公式如下：

Q_all=Q+Q_sun；

Q_sun=Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆；

式中：Q_all：燃煤充分燃烧可产生的总热量（简称总热量）；

Q：锅炉有效供热量；

Q_all：燃煤充分燃烧可产生的总热量（简称总热量）；

Q_sun：总热量损失；

Q₂：排烟热损失；

Q₃：气体不完全燃烧损失；

Q₄：机械不完全燃烧损失；

Q₅：炉膛散热损失；

Q₆：灰渣物理热损失；

由此可得锅炉效率计算公式如下：

$\mathrm{\η}=\frac{Q}{Q+Q_{\mathrm{sum}}}\×100\%=\frac{Q}{Q+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5+Q_6}\×100\%;$

目前，锅炉效率测量的常规方法是反平衡法，即通过确定各项热量损失以确定锅炉效率。该计算方法不仅需要知道煤成分、煤发热量、灰渣含碳量等化验数据，同时还需要知道排烟热损失、气体不完全燃烧损失、机械不完全燃烧损失、炉膛散热损失以及灰渣物理热损失等测量难度较大的数据。显而易见这种锅炉效率的测量方法不仅测量困难同时该方法的时效性非常差，锅炉运行操作人员无法根据该计算方法所得到的效率值对当前锅炉的运行状况进行相应调整，从而根本无法起到提高锅炉效率降低供电煤耗的作用。

我们知道，锅炉的热损失主要包括：排烟热损失Q₂、气体不完全燃烧损失Q₃、机械不完全燃烧损失Q₄、炉膛散热损失Q₅以及灰渣物理热损失Q₆等五个方面。实际研究表明：燃煤锅炉正常运行过程中炉膛散热损失Q₅、灰渣物理热损失Q₆以及机械不完全燃烧热损失Q₄波动较小，影响锅炉效率的关键因素在于燃煤锅炉的负载Q、烟道气热损失Q₂以及气体不完全燃烧带来的热损失Q₃。

现阶段，锅炉运行往往根据试验调试人员针对锅炉的常用煤种进行燃烧调整，以获得最佳的各种锅炉运行参数供运行人员参考，从而实现锅炉的最大热效率。但这种方法会带来如下问题：①由于锅炉燃煤的多变性，针对某一煤种进行调整试验获得的最佳操作工况可能与目前燃用煤种的所需的最佳工况偏离；②由于调试试验进行的工况有限，试验获得的最佳工况可能并非全局最优值，即可能存在比试验最佳值更好的运行工况。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷和不足，提出一种正反平衡法相结合的燃煤锅炉能效监测方法。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种燃煤锅炉能效监测方法，包括以下步骤：

步骤1，根据燃煤锅炉每小时煤消耗量B_net，查表得出煤收到基低位发热量Q_net，计算得出燃煤每小时的发热量：Q_all=B_netQ_net；

步骤2，根据测得燃煤锅炉每小时平均蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度以及蒸汽湿度，计算得出锅炉每小时的供热量Q， $Q=D_{\mathrm{gs}}(h_{\mathrm{bq}}-h_{\mathrm{gs}}-\frac{\mathrm{r\ω}}{100})$

其中：D_gs：蒸汽锅炉给水流量，h_bq：饱和蒸汽焓，h_gs：给水焓；r：汽化潜热，ω：蒸汽湿度，单位为质量分数(%)；

步骤3，根据测得燃煤锅炉烟道气温度和流量，得出烟道气的平均温度以及平均流速，计算得出烟道气平均每小时的热损失Q₂，Q₂=ρ_air·F_flow(h_out-h_in)

式中：ρ_air：标准状态下烟道气密度；F_flow：标准状态下烟道气流速；h_out：排烟气焓，h_in：环境温度下空气焓；

步骤4，根据测得燃煤锅炉烟道气流量以及CO浓度，得出烟道气平均每小时通过的CO含量，气体不完全燃烧带来的热损失Q₃；Q₃=B_COQ_CO=F_flowN_COQ_CO/100

式中：Q₃：气体不完全燃烧带来的热损失；F_flow：标准状态下烟道气流速；B_CO：标准状态下CO消耗量；Q_CO：标准状态下CO燃料收到基低位发热量；N_CO：烟道气中CO所占份额；

步骤5，根据能量守恒定律，即锅炉每小时发热量等于所有设备每小时耗热量计算得出锅炉正常运行过程中热损波动较小部分Q_part：

Q_part=Q₄+Q₅+Q₆=Q_all-Q-Q₂-Q₃；

步骤6-1，通过采集若干时间段内锅炉蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度以及蒸汽湿度，用步骤2中的公式计算当前锅炉的供热量Q'；

步骤6-2，采集步骤6-1所述的时间段内烟道气温度和流量，根据步骤3的公式计算当前锅炉的烟道气热损失Q₂'；

步骤6-3，采集步骤6-1所述的时间段内烟道气流量以及一氧化碳浓度，根据步骤4提供的公式计算当前锅炉的气体不完全燃烧热损失Q₃'；

步骤6-4，根据Q_part'=Q_part，得到此时锅炉的热效率η'，其计算公式如下：

${\mathrm{\η}}^{\′}=\frac{Q^{\′}}{Q^{\′}+{Q_2}^{\′}+{Q_3}^{\′}+Q_{\mathrm{part}}}\×100\%.$

本发明采用上述技术方案具有如下有益效果：

本方法可以实时计算出锅炉当前的效率值，并结合烟气中一氧化碳以及氧气浓度，得出锅炉燃烧工况，从而给锅炉现场操作人员提供实时准确的信息，然后锅炉现场操作人员根据锅炉的燃烧工况实时的调节各种配风方式，包括各二次风、燃尽风、由送引风机配合所确定的氧量等，以提高锅炉效率。

附图说明

图1是采用正平衡法估算热损波动较小的示意图。

图2是采用反平衡法估算总热量的示意。

具体实施方案

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明采用在线监测与人工分析相结合对燃煤锅炉能效进行实时监测，具体过程如如图1、图2所示，人工分析主要体现在由检测人员不定时到锅炉现场取燃煤样品分析燃煤的含碳量和计量锅炉若干小时的实际燃煤量，从而计算得出燃煤锅炉在这若干小时内平均每小时的总发热量，并由在线监测系统采集锅炉的必要数据计算有效供热量、烟气热损失以及气体不完全燃烧热损失等，从而计算得出锅炉的热效率。

本发明根据所能测得的数据很好的表征锅炉的燃烧工况，然后锅炉现场操作人员根据锅炉的燃烧工况实时的调节各种配风方式，包括各二次风、燃尽风、由送引风机配合所确定的氧量等，从而较为实时的实现提高燃煤锅炉能效的目的。

锅炉的热损失主要包括：排烟热损失Q₂、气体不完全燃烧损失Q₃、机械不完全燃烧损失Q₄、炉膛散热损失Q₅以及灰渣物理热损失Q₆等五个方面。

通过分析烟气中气体成分，可以得出当前锅炉的燃烧工况从而给锅炉现场操作人员提供实时且准确的信息，进而操作人员根据这一信息通过调节各种配风方式，包括各二次风、燃尽风、由送引风机配合所确定的氧量等，来实现实时有效的提高燃煤锅炉的能效的目的。

燃煤锅炉正常运行过程中炉膛散热损失Q₅、灰渣物理热损失Q₆以及机械不完全燃烧热损失Q₄波动较小，影响锅炉效率的关键因素在于燃煤锅炉的负载Q、烟道气热损失Q₂以及气体不完全燃烧带来的热损失Q₃。

基于以上分析，本方法的具体实现过程描述如下：

1.根据锅炉监测人员测得的锅炉每小时消耗煤B_net（单位为Kg/h），查表得出煤收到基低位发热量（标态）Q_net（单位为KJ/Kg）。可计算得出燃煤每小时的发热量Q_all：Q_all=B_netQ_net。

2.根据测得每小时平均蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度以及蒸汽湿度，可以计算得出锅炉每小时的供热量Q。其计算方法如下：

$Q=D_{\mathrm{gs}}(h_{\mathrm{bq}}-h_{\mathrm{gs}}-\frac{\mathrm{r\ω}}{100});$

式中：

Q：锅炉供热量，单位为千焦每小时(kJ/h)；

D_gs：蒸汽锅炉给水流量，单位为千克每小时(kg/h)；

h_bq：饱和蒸汽焓，单位为千焦每千克(kJ/kg)；

h_gs：给水焓，单位为千焦每千克(kJ/kg)；

r：汽化潜热，单位为千焦每千克(kJ/kg)；

ω：蒸汽湿度，单位为质量分数(%)。

从而可以计算得出锅炉效率：

$\mathrm{\η}=\frac{Q}{B_{\mathrm{net}}{Q}_{\mathrm{net}}}\×100\%;$

3.根据测得燃煤锅炉烟道气温度和流量，可以得出烟道气的平均温度以及平均流速，从而可以计算得出烟道气平均每小时的热损失Q₂。其计算方法如下：

Q₂=ρ_air·F_flow(h_out-h_in)；

式中：

Q₂：烟道气的热损失(kJ/h)；

ρ_air：标准状态下烟道气密度（kg/m³）；

F_flow：标准状态下烟道气流速(m³/h)；

h_out：排烟气焓，单位为千焦每千克(kJ/kg)；

h_in：环境温度下空气焓，单位为千焦每千克(kJ/kg)。

4.根据测得燃煤锅炉烟道气流量以及CO浓度可以得出烟道气的平均每小时通过的CO含量，气体不完全燃烧带来的热损失Q₃。其计算方法如下：

Q₃=B_COQ_CO=F_flowN_COQ_CO/100

式中：

Q₃：气体不完全燃烧带来的热损失(kJ/h)；

F_flow：标准状态下烟道气流速(m³/h)；

B_CO：标准状态下CO消耗量(m³/h)；

Q_CO：标准状态下CO燃料收到基低位发热量(kJ/m³)；

N_CO：烟道气中CO所占份额(%)。

5.根据能量守恒定律，即锅炉每小时发热量等于所有设备每小时耗热量可以得到：

Q_all=Q+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆；

由于Q₄、Q₅以及Q₆在锅炉正常运行过程中波动较小，因此我们可以根据第一次测得的数据计算出这部分热损失Q_part：

Q_part=Q₄+Q₅+Q₆=Q_all-Q-Q₂-Q₃；

在本方法中，我们认为在锅炉正常工作情况下Q_part保持不变且根据第一次的测量结果可以估算出Q_part的值。有了该值，将会方便系统实现在线监测锅炉效率。

6.在线监测系统通过采集若干时间段内（根据实际需要调节时间长短）锅炉蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度以及蒸汽湿度，用过程2中提供的公式计算当前锅炉的供热量Q'；在线监测系统采集这段时间内烟道气温度和流量，根据过程3提供的公式计算当前锅炉的烟道气热损失Q₂'；在线监测系统采集这段时间内烟道气流量以及一氧化碳浓度根据过程4提供的公式计算当前锅炉的气体不完全燃烧热损失Q₃'；由过程5给出的结论可知Q_part'=Q_part。进而可以得到此时锅炉的热效率η'，其计算公式如下：

${\mathrm{\η}}^{\′}=\frac{Q^{\′}}{Q^{\′}+{Q_2}^{\′}+{Q_3}^{\′}+Q_{\mathrm{part}}}\×100\%;$

根据以上方法可以实现锅炉效率的在线监测。

Claims (1)

1.一种燃煤锅炉能效监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据燃煤锅炉每小时煤消耗量B_net，查表得出煤收到基低位发热量Q_net，计算得出燃煤每小时的发热量：Q_all=B_netQ_net；

步骤2，根据测得燃煤锅炉每小时平均蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度以及蒸汽湿度，计算得出锅炉每小时的供热量Q， $Q=D_{\mathrm{gs}}(h_{\mathrm{bq}}-h_{\mathrm{gs}}-\frac{\mathrm{r\ω}}{100});$

其中：D_gs：蒸汽锅炉给水流量，h_bq：饱和蒸汽焓，h_gs：给水焓；r：汽化潜热，ω：蒸汽湿度，单位为质量分数(%)；

步骤3，根据测得燃煤锅炉烟道气温度和流量，得出烟道气的平均温度以及平均流速，计算得出烟道气平均每小时的热损失Q₂，Q₂=ρ_air·F_flow(h_out-h_in)；

式中：ρ_air：标准状态下烟道气密度；F_flow：标准状态下烟道气流速；h_out：排烟气焓，h_in：环境温度下空气焓；

步骤4，根据测得燃煤锅炉烟道气流量以及CO浓度，得出烟道气平均每小时通过的CO含量，气体不完全燃烧带来的热损失Q₃；Q₃=B_COQ_CO=F_flowN_COQ_CO/100；

式中：Q₃：气体不完全燃烧带来的热损失；F_flow：标准状态下烟道气流速；B_CO：标准状态下CO消耗量；Q_CO：标准状态下CO燃料收到基低位发热量；N_CO：烟道气中CO所占份额；

步骤5，根据能量守恒定律，即锅炉每小时发热量等于所有设备每小时耗热量计算得出锅炉正常运行过程中热损波动较小部分Q_part：

Q_part=Q₄+Q₅+Q₆=Q_all-Q-Q₂-Q₃；

步骤6-1，通过采集若干时间段内锅炉蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度以及蒸汽湿度，用步骤2中的公式计算当前锅炉的供热量Q'；

步骤6-2，采集步骤6-1所述的时间段内烟道气温度和流量，根据步骤3的公式计算当前锅炉的烟道气热损失Q₂'；

步骤6-3，采集步骤6-1所述的时间段内烟道气流量以及一氧化碳浓度，根据步骤4提供的公式计算当前锅炉的气体不完全燃烧热损失Q₃'；

步骤6-4，根据Q_part'=Q_part，得到此时锅炉的热效率η'，其计算公式如下：

${\mathrm{\η}}^{\′}=\frac{Q^{\′}}{Q^{\′}+{Q_2}^{\′}+{Q_3}^{\′}+Q_{\mathrm{part}}}\×100\%.$

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