CN102803847B - 用于确定来自蒸汽发生系统的二氧化碳排放的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于确定来自蒸汽发生系统(100)的碳排放的方法。该方法包括测量进入蒸汽发生系统(100)的给水的第一能量和测量离开蒸汽发生系统(100)的蒸汽的第二能量。从第二能量中减去第一能量以确定由蒸汽发生系统(100)吸收的总能量。将由蒸汽发生系统(100)吸收的总能量除以总能量以确定对蒸汽发生系统(100)的热输入。该热输入用来确定来自蒸汽发生系统(100)的碳排放。

Description

用于确定来自蒸汽发生系统的二氧化碳排放的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2009年6月4日的临时申请61/184,136和提交于2009年9月21日的临时申请61/244,278的优先权，这些申请的全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及一种用于确定来自用来加热工作流体的蒸汽发生系统的二氧化碳排放的方法。

背景技术

随着世界越来越关注温室气体(且特别是二氧化碳)的排放，存在尽可能准确地量化这些排放以便可将努力指向减少它们的不断增长的需求。减少温室气体的一种方法是改进现有技术，从而使其变得更加高效。然而，即使是对现有技术最佳的改进充其量也只能导致温室气体排放物减少大约百分之几。因此，重要的是，用来测量这些排放物减少的方法足够精确，以便可以准确地记录减少。如果用于确定和记录这些改进的方法具有高度的不确定性，则这些改进将几乎肯定地失去价值。

现有技术利用了对烟囱中的二氧化碳和烟气流率的测量或者使用燃料流量和燃料中的碳含量对二氧化碳进行的计算。在这两种情况中，流量的测量在算出的二氧化碳排放(量)中产生通常大于约7％的明显的不确定性。对于诸如煤炭的固体燃料尤其是这样。当利用差来确定二氧化碳排放的变化时，这种较大的不确定性变得甚至更加有问题。

授予Wang的美国专利公开No.2007/0184566公开了一种用于监测变换器设备的性能的在线方法。该方法通过测量变换器设备的操作数据来实时监测燃料成分，并且包括下列步骤：确定反应物成分及其变量数；确定燃料成分及其变量数；确定不完全产物的成分及其变量数；确定燃料成分和卡值之间的关系；根据燃烧过程中的能量平衡关系和材料平衡关系建立涉及燃料成分、反应物成分和产物成分的方程组；为关于上述方程组中的变量的独立关系提供给定条件；测量锅炉运行数据并为上述方程组中的变量赋值；以及对方程组求解并获得变换器设备的实时监测数据。该方法涉及直接测量烟气流或燃料中的二氧化碳、二氧化硫和/或一氧化碳，并在各种关系中使用这些值来确定燃料中的挥发物质的量和固定碳的量。

Basu等人还在BoilersandBurners(锅炉与燃烧器)，SpringerVerlag，2000的第3章中描述了一种用于估计多种锅炉的效率的方法。该参考文献还提供了一种用于测量烟气流中的二氧化碳的直接方法并利用测量结果来计算锅炉的效率。

因此，希望有一种能够准确估计从燃烧过程排放的二氧化碳的量的方法。只有在对温室排放物准确地进行量化之后，才能有对用来减少这些气体的排放的各种方法的功效的实际确定。

发明内容

本文公开了一种方法，该方法包括：测量进入蒸汽发生系统的给水的第一能量；测量离开蒸汽发生系统的蒸汽的第二能量；减得第一能量和第二能量之间的差以确定由蒸汽发生系统吸收的总能量；将由蒸汽发生系统吸收的总能量除以蒸汽发生系统的效率以确定向蒸汽发生系统的热输入；以及根据向蒸汽发生系统的热输入确定碳排放。

本文还公开了一种方法，该方法包括：计算当锅炉中的工作流体经受状态变化时由该工作流体吸收的总能量；将由锅炉吸收的总能量除以锅炉的效率以确定向锅炉的热输入；以及根据向锅炉的热输入确定碳排放。

附图说明

图1是用于产生蒸汽的锅炉的示例性描绘；

图2是能量平衡法、直接法和CEMS法的不确定性极限的图示；以及

图3是能量平衡法、直接法和CEMS法的不确定性极限的另一个图示。

具体实施方式

将理解，虽然可在本文中使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但这些元件、部件、区域、层和/或区段不应受到这些术语的限制。这些术语仅用来区分一个元件、部件、区域、层或区段与另一元件、部件、区域、层或区段。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以称为第二元件、部件、区域、层或区段。如本文所用，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

本文所用的技术术语仅仅是为了描述特定实施例，而并非旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确表示不是这样。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括有”，或者“包含”和/或“包含有”表明存在所述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或附加一个或多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。

除非另行限定，本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还将理解，术语(例如在通常使用的字典中定义的那些术语)应当解释为具有与它们在相关领域和本公开的背景中的含义一致的含义，并且不会以理想化或过度正式的含义来解释，除非本文中这样明确地限定。

本文公开了一种能够准确估计从蒸汽发生系统排放的二氧化碳的量的方法。在一个实施例中，该方法包括：测量由蒸汽发生系统中的工作流体吸收的总能量和将所吸收的总能量除以蒸汽发生系统的效率以得到总热输入。然后，可根据总热输入确定碳排放。

工作流体可包括水、氨等。在一个实施例中，工作流体为水。在一个示例性实施例中，该方法包括：测量供给到蒸汽发生系统(例如在给水入口处)的给水的第一能量和在多个点处(例如在蒸汽出口处)离开蒸汽发生系统的蒸汽或热水的第二能量，以及用第二能量减去第一能量以提供对蒸汽发生系统中“吸收的能量”的量度。然后，将该吸收的能量除以蒸汽发生系统的效率以确定热输入。然后，使用热输入计算排放到环境中的二氧化碳的质量。

该方法被称为能量平衡法，因为它不测量进入蒸汽发生系统的任何直接含碳输入，而是根据进入和离开蒸汽发生系统的工作流体的流来估计碳排放。由于与蒸汽发生系统中燃烧的燃料的重量或由蒸汽发生系统产生的烟气的量相比，可更准确地测量工作流体的温度和压力，因此该方法更加精确以及更加准确。

能量平衡法或热损失法这样命名是因为其根据给水能量和蒸汽能量(当工作流体为水时)之间的差以及蒸汽发生系统的效率来确定碳排放，而不直接测量燃料输入或气体流出物。能量平衡法可准确地用来确定蒸汽发生器中的碳排放，蒸汽发生器为例如燃油以及燃气的蒸汽发生器、燃烧煤粉的蒸汽发生器、循环流化床蒸汽发生器、燃烧加煤机用煤(stokercoal)的蒸汽发生器、沸腾式流化床蒸汽发生器等。一种用于在上述蒸汽发生器中使用的示例性蒸汽发生系统为锅炉。蒸汽发生系统中使用的燃料可以是煤、煤粉、汽油、重油、柴油等。该方法与用于实时或在线测量的类似性质的其它方法的区别在于包括空气加热器以及测量空气加热器出口处的格栅中的烟气氧含量和烟气温度。这种包括提高了方法的准确性并且使得能够连续确定效率。

图1是蒸汽发生系统100中的锅炉10的示例性描绘。蒸汽发生系统100在下文中将称为锅炉系统100。蒸汽发生系统100由空气系统、燃料系统、烟气系统和蒸汽与水系统构成。空气系统包括入口管道系统，入口管道系统包括风机30、空气预热器32、34以及风箱和燃烧器36。该入口管道系统进一步包括空气预热器32，空气预热器32在空气进入主空气加热器34之前加热空气，主空气加热器34在将空气排入燃料系统(粉碎机)、风箱和燃烧器36之前加热空气。

风箱和燃烧器36是具有气密罩壳的锅炉10的一部分，燃料在气密罩壳中燃烧。锅炉10由水冷壁18构成，水在水冷壁18中被沸腾成蒸汽。蒸汽与水系统包括用来将热量从燃烧的燃料和空气传递至水和蒸汽的管道和传热表面。给水在节热器12中进入蒸汽与水系统，节热器12加热给水，且然后将给水送至蒸汽鼓14，其在蒸汽鼓14中与在炉膛水冷壁18中循环的水混合。水在水冷壁中或者利用自然循环或者通过循环泵16循环，直到足够的能量将其转化为蒸气。这种水蒸气或蒸汽离开蒸汽鼓并被导向至一级过热器20，且然后导向至末级过热器22。在蒸汽离开锅炉并到达蒸汽轮机以产生功率或者到达做有用功的过程之前，过热器将温度升高至饱和温度以上。

蒸汽减温站(有时称为降温器)用来控制蒸汽温度和防止系统金属过热。在这种情况下，水被喷入减温器以通过蒸发冷却蒸汽。喷雾水被注入二级过热器22，同时从二级过热器22移除主蒸汽。来自锅炉的蒸汽也被输送至鼓24并被用作辅助蒸汽。水可以在必要时作为排水抽出以改善水质。

在发电设施的情况中，蒸汽的一部分可返回以再热，且然后返回蒸汽轮机。蒸汽与水系统的再热部分包括传热表面24，传热表面24用于在使蒸汽返回蒸汽轮机之前升高蒸汽温度。离开节热器(economizer)的燃烧产物称为烟气并进入烟气系统。烟气系统包括热空气质量控制系统(AQCS)，并且如果适用，空气预热器34的烟气侧包括颗粒控制装置40，并且可能包括附加的AQCS设备。因此，烟气在经烟囱42引入到大气之前行进穿过热空气质量控制系统和颗粒控制装置40。在一些锅炉构造中，使用气体再循环风机38将烟气的一部分再循环至炉膛以改善热传递。

燃料(如煤粉)和空气经燃烧器36引入到锅炉10中。也可将油和气经燃烧器36引入到风箱以有利于点燃燃料或用作主燃料来引入。在锅炉10中产生的烟气被用来将给水加热成蒸汽，然后用蒸汽来驱动发电机。然后将烟气经由空气加热器34排放至烟囱42。由燃料燃烧产生的灰被从锅炉10的底部移除。由锅炉10产生的飞灰由颗粒控制装置40移除，颗粒控制装置40或者位于空气预热器34的热侧，或者如图所示位于空气预热器之后。来自节热器的灰也可以如图1中所示被移除。

参照图1，锅炉系统100包括三个主要系统：空气与烟气系统、燃料系统和蒸汽与水系统。在空气与烟气系统中，空气被吸入称为强制通风机(FD风机)的一个或多个风机30中，且然后被导向至入口管道系统，该管道系统可将这种空气导向至空气预热器34。来自该空气预热器34的空气(或在空气预热器34不存在的情况下)被导向至风箱和燃烧器36，在这里燃料与用于燃烧的空气混合并在锅炉10中燃烧。该烟气然后传送经过空气预热器34的传热表面并在排放至大气之前传输至污染控制设备。

燃料系统取决于锅炉系统中燃烧的燃料的类型。气体燃料最简单，其中气体被直接供应至燃烧器。油系统可加热油以输送和/或加热蒸汽以雾化。固体燃料通常在三种装置中燃烧：加煤机或移动炉篦(travellinggrate)、流化床或煤粉。在煤粉系统中，将煤在粉碎机中研磨成细粉，其中，也将热空气引入以将煤干燥且将其输送至燃烧器36和锅炉10以用于燃烧。通过将来自空气加热器的热空气与未加热的空气混合来控制进入粉碎机的空气的温度。

在蒸汽与水系统中，水首先在节热器12中被加热，且然后被引入蒸汽鼓14中，蒸汽与水混合物在蒸汽鼓14中循环通过炉膛水冷壁并返回至蒸汽鼓14，蒸汽鼓14将蒸气与液体分离。液体被再循环至水冷壁18，同时蒸气被送至一级过热器20以进行额外的热传递。在超临界锅炉或普通水加热器的情况中，不使用蒸汽鼓，因为在入口流体和出口流体之间没有明显的密度差。来自一级过热器20的蒸汽被送至取决于锅炉源的设计的其它过热表面。在许多情况下，使用蒸汽减温器(或降温器)作为对最终蒸汽温度的控制器。在一些机组设计中，可以存在不止一个减温或降温级。在许多锅炉设计中结合了再热段。该(再热)段接纳已在过程中使用的蒸汽并在返回过程之前对其进行再热。用于这种再热的传热表面在烟气流中与主蒸汽过热器混合。

为了确定来自锅炉的碳排放，希望测量蒸汽的温度和压力。由于蒸汽的温度和压力可容易而准确地测量，也可以准确地确定蒸汽或水的焓。在锅炉的多个点处的蒸汽的质量和焓可被测量和用来通过利用公式Q＝MH确定蒸汽的能量，其中M为质量，H为比焓。通过确定在锅炉的多个点处的蒸汽的能量和进入锅炉的给水的能量之间的差，可确定由蒸汽和水吸收的能量。锅炉的效率被定义为蒸汽和水所吸收的能量除以在锅炉中燃烧的热量。因此，通过将蒸汽和水中的能量除以锅炉的效率，可估计向锅炉的热输入。向锅炉的热输入可用来估计碳排放。

在本节接着将会出现大量公式。这些公式用来基于蒸汽和给水之间的能量差来确定碳排放。以下名称表将用于读者来确定以下公式中使用的各种术语的含义。如在以下公式中将看到的，存在多个串列在一起的术语。这些组合的术语的含义可利用表1来估计。

表1

术语	描述	术语	描述
				A	空气	Mp	质量百分比
Ad	附加	Mq	质量，磅/BTU
				Ap	灰坑	MS	主蒸汽
AsF	燃料中的灰	MSspray	主蒸汽喷雾
				Bd/bd	排出蒸汽	Mw	分子量
BLR	锅炉	NF	燃料中的氮
				C/Cr	碳	OF	燃料中的氧

Cb	燃烧	Pr	粉碎机石子煤(reject)
				Cb	已燃烧碳	Q	能量
CF	燃料中的碳	R	废物
				CFA	飞灰中的碳	r	速率
Cl	煅烧	Re	基准
				CR	废物中的可燃物
Cr	修正	RH	再热蒸汽
				D	干燥	Rs	残余物
DA	干空气	Rs	循环流
				DPc	燃烧的干燥产物	Ry	循环的
DR	干燥废物	Sb	吸附剂
				DvpO2	基于体积的氧干燥百分比	Sb/SB/sb	吹灰蒸汽
Em	排放物	Slf	硫酸盐化
				En	进入	SF	燃料中的硫
F	燃料	Th	理论
				FA	飞灰	Ub	未燃烧
Fg	烟气	Vaz	表面附近的空气速度
				Fr/fr	分数	VpO2	基于湿体积的氧百分比
FW	给水	W	湿
				H	焓	WA	湿空气
Hc	烃	WPc	燃烧的湿产物
				H2OF	燃料中的水	Wv	水蒸气
HF/H2F	燃料中的氢	X	过量
				HHV	高位热值	z	位置标识符
Hrk
				L	损失	η	效率
Lv	离开
				M	质量
Me	每kW排放物的质量
				Mte	基于吨/小时的排放物质量
Mn	平均
				Mo	摩尔

主蒸汽中吸收的能量Q_MS在以下公式(1)中提供：

Q_MS＝(M_FW-M_SB-M_Bd-M_Aux)(H_MS-H_FW)(1)，

其中M_FW是给水的质量，M_SB是吹灰蒸汽的质量，M_Bd是排出物的质量，M_Aux是辅助蒸汽的质量，H_MS是主蒸汽的焓，H_FW是给水的焓。给水的质量是来自站仪表(staioninstrument)的主测量结果，该值通过经由围绕脱气器(deaerator)的能量平衡与冷凝物流量比较来确认。吹灰蒸汽流和辅助蒸汽流的质量流量(如果适用且在使用中)为辅流量，其中准确性对于方法的总体准确性可能较不关键。排出物流量(如果在使用中)也具有次要的重要性，并且可通过阀门的开启和阀门的流动特性来估计。蒸汽流或水流的焓通过基于测量温度和/或压力使用ASME蒸汽表确定。排出物焓基于蒸汽鼓压力下的饱和液体，除非循环中使用排出物冷却器，且于是将使用来自该冷却器的排放物(当其离开循环时)。

吹灰蒸汽中吸收的能量在以下公式(2)中提供：

Q_SB＝M_SB(H_sb-H_FW)(2)，

其中M_SB和H_FW在上文中指出，并且H_sb是吹灰蒸汽的焓。

排出蒸汽中吸收的能量在以下公式(3)中提供：

Q_Bd＝M_Bd(H_bd-H_FW)(3)，

其中M_Bd和H_FW在上文中指出，并且H_bd是排出蒸汽的焓。任何辅助蒸汽中吸收的能量在以下公式(4)中提供：

Q_AUX＝M_AUX(H_AUX-H_FW)(4)，

其中M_AUX和H_FW在上文中指出，并且H_AUX是辅助蒸汽的焓。由通向主蒸汽的喷雾吸收的能量在以下公式(5)中提供：

QrMSsoray＝MrMSspray(H_MS-H_MSspray)(5)，

其中QrMSspray和MrMSspray分别是通向主蒸汽的喷雾的能量率(energyrate)和通向主蒸汽的喷雾的质量速率，H_MS如上文所指，并且H_MSspray是主蒸汽喷雾的焓。再热蒸汽中吸收的能量在以下公式(6)中提供：

QrRH＝MrCRH(H_HRH-H_CRH)(6)，

其中QrRH和MrCRH分别是再热蒸汽的能量率和质量速率，并且H_HRH和H_CRH分别是热再热蒸汽的焓和冷再热蒸汽的焓。冷再热CRH的质量速率由主蒸汽的质量流量MrMS减去高性能(HP)涡轮中的估计泄漏速率以及来自涡轮的任何抽汽或在重新引入锅炉之前的排汽来确定。到给水加热器的抽汽根据围绕加热器的热平衡计算。围绕加热器的热平衡包括由抽汽蒸汽放出的能量等于给水吸收的能量。由喷向再热蒸汽的喷雾吸收的能量在以下公式(7)中提供：

QrRHspray＝MrRHspray(H_HRH-HRH_RHSpray)(7)

其中QrRHspray和MrRHspray是通向再热蒸汽的喷雾的焓速率和质量速率，H_HRH和HRH_RHSpray分别是热再热蒸汽的焓和用于再热蒸汽的喷雾的焓。

在锅炉中吸收的总能量可使用以下公式(8)计算，其中来自公式(1)至(7)的能量被加在一起。公式(5)至(7)被归一化以除去比率。

Q_BLR＝Q_MS+Q_MSspray+Q_Bd+Q_SB+Q_AUX+Q_RH+Q_RHspray(8)，

其中Q_MS、M_MSspray、Q_Bd、Q_SB、Q_AUX、Q_RH和Q_RHspray具有上文所指的含义。在按照ASMEPTC4-2008能量平衡法确定由锅炉吸收的总能量并确定锅炉效率之后，可利用公式(9)或(10)中所示的关系确定供应至锅炉的热量

$Q_{\mathrm{FIRED}}=\frac{Q_{\mathrm{BLR}}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{BLR}}}---\left(10\right),$

其中公式(10)的Q_FIRED是公式(9)的热输入，公式(10)的Q_BLR是公式(9)的吸收能量，并且公式(10)的η_BLR是公式(9)的锅炉效率。如上所述，锅炉的效率可利用由美国机械工程师协会性能测试规程4-2008方法(ASMEPTC4)提供的计算方法来计算。该方法将在下文中详细描述。

可利用热输入的知识基于每百万制动(brake)热单位(BTU)的二氧化碳重量和燃烧的热输入来确定碳排放。碳排放可根据下列公式(11)、(12)和(13)确定：

(11)，

(12)，和

(13)，其中MqCO₂、MeCO₂和MteCO₂分别是以磅/BTU计的二氧化碳质量、每kW基础上的二氧化碳排放物的质量和吨/小时基础上的二氧化碳排放物的质量，MFrCF是燃料中的碳的质量分数，MqCO₂是以磅/BTU计的二氧化碳质量，而是二氧化碳的质量(分别)，并且Q_FIRED是向蒸汽发生系统的热输入。其它排放可以与碳排放类似的方式利用以下公式(14)和(15)估计：

${\mathrm{MeEm}=\frac{\mathrm{MqEm}}{\mathrm{kW}}\×Q}_{\mathrm{FIRED}}\mathrm{lb\; Em}/\mathrm{kW}$

(14)，和

$\mathrm{MeEm}=\frac{\mathrm{MqEm}}{2000}\×Q_{\mathrm{FIRED}}\mathrm{Em\; Ton}/\mathrm{hr}$

(15)，

其中MeEm和MteEm分别表示每kW基础上的排放物质量和吨/小时基础上的排放物质量，并且其中Q_FIRED具有如上所指的相同含义。在一个实施例中，公式(14)和(15)可用来估计氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳和其它排放物的量。

到锅炉的燃料流量可通过以下公式(15a)确定：

(15a)美国机械工程师协会性能测试规程4-2008蒸汽发生器(ASMEPTC4-2008)是用于确定蒸汽发生器效率的AmericanNationalStandardsInstitute(ANSI)。该标准将效率定义为“燃料效率”并提供了用于根据针对各种各样的蒸汽发生器设计的限定确定锅炉或蒸汽发生器效率的方法。该方法还提供了用于确定效率的两种方法：输入输出法和能量平衡法。ASME燃料效率被定义为输出与燃料中的化学能的比率；输出被定义为由在蒸汽发生器边界内未被回收的工作流体所回收的能量。

本专利中描述的方法使用根据ASME-PTC4(2008)确定的输出除以效率来确定燃料中燃烧的化学能(热量)。ASMEPTC42008方法旨在用于使用测试仪器的性能保障类型测试和在测试过程期间收集燃料和灰的样本。本文所述的计算和测定遵循该方法进行，只不过做了某些修改以使得能够在线、实时确定效率和输出。规程级测试(codeleveltest)旨在提供具有大约0.5％的不确定性水平的结果。本专利申请中描述的方法使用定期基础上收集的燃料和灰分析作为计算基础。

由于这些样本不是在计算时的过程中取得，为计算结果增加了额外的不确定性。在许多情况下，由于煤来自一致的来源，这种不确定性微乎其微。行业经验和出版的报告显示，这将在热输入中引入小于0.1％的误差。未燃烧碳在灰中的碳以及烟气中的一氧化碳(CO)的浓度两者中都是明显的。大多数工厂定期测量灰中的碳，因为它是煤粉碎机上的磨损的标志。工厂通常将一氧化碳作为污染物测量。碳损失参数的大小小于1％，且因此这些参数的变化通常导致对热输入的小于0.1％的影响，即使该值变化10％以上。因此，对燃料和灰定期取样并维护这些分析的数据库可以在确定热输入中得到较高的准确度。然后，可使用该历史记录来建立在结果中产生最低不确定性的分析。除了收到基之外，将以无水分无灰基进行这种分析。然后，可通过更频繁的水分和灰分析调节无水分无灰基。

该方法还利用灰流中和烟气中(作为一氧化碳)的燃料和碳的分析来确定已燃烧碳。该方法也可用来在使用化学计量计算时确定理论空气以及修正的理论空气。这些确定在磅/百万BTU(即产生的每百万BTU的碳或空气的磅数)基础上或磅/磅燃料(即所使用的每磅燃料的碳或空气的磅数)基础上进行。大多数损失是以每磅燃料的损失百分比(BTU损失/HHV)来确定。一些损失是在总BTU损失基础上确定，并且通过除以燃料流量的初始估计乘以热值而转化为每磅燃料的百分比。损失的确定使用燃料流量的初始估计并在已确定效率时重新计算。

为了使用ASMEPTC4方法来确定锅炉效率，希望进行对各种因素的评价。如下所列的这些因素涉及进行煤的元素分析(即，确定诸如碳、氢、氮、氧、硫、水分和灰的煤的主要成分的质量百分比)、煤的工业分析(即，确定固定碳、挥发物质、水分、灰和高位热值)、计算燃烧的湿产物和干燥产物、利用在空气加热器入口和出口两者处的烟气确定过量空气水平、计算在空气加热器入口和出口两者处的燃烧产物和烟气成分、确定焓以及计算针对无泄漏修正的离开空气加热器的烟气的温度(除了别的以外)。对来自蒸汽发生器的灰或废物的样本进行灰中的碳含量分析。备选地，许多工厂使用烧失量(LOI)程序来估计灰中的碳。

煤的元素分析和灰分析使得能够确定干燥废物中的可燃物、确定已燃烧碳、确定理论空气并确定针对已燃烧碳修正的理论空气。

煤的元素分析和灰分析使得下列公式(16)-(23)成为可能。公式(16)测量废物中的可燃物。

CR＝MpFA×MpC_FA+MpBA×MpC_BA

(16)，

其中CR是废物中的可燃物，MpFA是飞灰中灰的百分比(即灰的质量百分比)；MpC_FA是飞灰中碳的质量百分比，MpBA是底灰的质量百分比，并且MpC_BA是底灰中碳的质量百分比。在公式(16)中，“Mp”表示在给定符号中其后面的相应成分或产物的“质量百分比”。要指出的是，可通过在公式(16)中包括灰源的碳含量和所收集的灰流的百分比来包括额外的灰源。机组中的灰分布通常基于机组设计来估计。对于燃烧煤粉的机组，由于引入炉膛的燃料非常细，假设80％的灰作为飞灰离开炉膛，而20％则落入炉底。由于落入炉底的大部分灰是由于对水冷壁吹灰的结果，在这些灰中常常有很少的碳，并且由于这种样本的收集常常非常困难(或者有时不可能)，这往往证明了低碳值的假设。可采集灰的定期样本并分析碳含量。该信息可存储在数据库中。可在上述计算中使用最新取样结果。存储该信息以及确定该信息的走向将不仅为在线系统提供信息，而且还有助于发现错误或无代表性的样本。

在公式(17)中估计干燥废物，其是来自燃料的灰和未燃烧碳，在公式(18)中估计已燃烧碳，在公式(19)和(20)中估计理论空气，并且在公式(21)至(23)中估计对于已燃烧碳的理论空气。干燥废物

$\mathrm{DR}=\frac{\mathrm{MpAsF}}{(1-\mathrm{CR})}$

(17)，

其中DR是干燥废物，MpAsF是燃料中的灰的质量百分比，并且CR在以上公式(16)中指出。如果适用，在以上公式中使用来自石灰石与SO₂的流化床反应的固体沉淀物用于总干燥废物。来自PTC4的方法以引用方式并入。

已燃烧碳的质量百分比为

$\mathrm{MpCb}=\mathrm{MpCF}-\frac{\mathrm{DR}\×\mathrm{CR}}{100}$

(18)，

其中MpCb是已燃烧碳的质量百分比，MpCF是燃料中碳的质量百分比，DR和CR具有其上文所指的有用含义。

理论空气可由以下公式(19)、(19a)和(20)确定：

MFrThA＝0.1151×MpCF+0.3430×MpH₂F+0.0431×MpSF-0.0432×MpO₂F

(19)，

$\mathrm{MFrThAcr}=(0.1168\×\mathrm{MpCb}+0.3503\×\mathrm{Mp}{H}_{2}F+0.0438\×\mathrm{MpSF}(1+.5\mathrm{MFrSc})-0.0441\×\mathrm{Mp}{O}_{2}F)\×(\frac{10}{I}$

(19a)

其中MFrThA是以每磅燃料干基的空气磅数计的理论空气的质量，公式19aMFrThAw是湿基的理论空气。MpH₂F是氢的质量百分比，MpSF是硫的质量百分比，并且MpO₂F是氧的质量百分比。

$\mathrm{MqThAf}=\frac{\mathrm{MFrThA}}{\mathrm{HHV}}$

(20)，

其中MqThAf是以磅/BTU/磅燃料计的理论空气的质量，MFrThA是以磅空气/BTU计的理论空气的质量，并且HHV是以BTU/磅计的高位热值。

针对已燃烧碳修正的理论空气由以下公式(21)给出：

MFrThACr＝0.1151×MpCb+0.3430×MpH₂F+0.0431×MpSF(1+.5MFrSc)-0.0432×MpO₂F

(21)，

其中MFrThACr是针对已燃烧碳修正的以磅/磅燃料计的理论空气，其中MFrSc是捕获的硫的质量分数(其对于非流化床机组通常为零)，并且其中MpCb、MpH₂F、MpSF和MpO₂F具有其如上所指的通常含义。公式(21)可以公式(22)和(23)的形式表示

(22)，

(23)，

其中MqThACr和MoThACr表示以磅/BTU计的质量和针对已燃烧碳修正的理论空气的摩尔数。

在磅/百万BTU基础上的理论空气是燃料元素分析的质量的良好指示。对于所有烟煤，765磅/百万BTU的湿基理论空气(19a)预计应+/-2.6％(20磅/百万BTU)。因此，无论煤如何变化，除非你使用不同煤级的煤，最大偏差为+/-2.6％，并且即使工厂在现货市场上购买煤，也非常不可能将从西部次烟煤变为东部烟煤。

燃烧的湿产物和干燥产物使用以下公式(24)、(25)和(26)来估计。干燥产物的摩尔数可从以下公式(24)估计：

$\mathrm{MoDPc}=\frac{\mathrm{MpCb}}{12.01}+(1-\mathrm{MfrSc})\frac{\mathrm{MpSF}}{32.064}+\frac{\mathrm{MpNF}}{28.013}+\mathrm{Mo}{\mathrm{CO}}_2\mathrm{Sb}$

(24)，

其中MoDPc是干燥产物的摩尔数，MpCb、MfrSc和MpSF如上文所指，MpNf是燃料中的氮的质量百分比，并且MoCO₂Sb是吸附剂中的二氧化碳的摩尔数。

每摩尔干空气的水分的摩尔数根据以下公式(25)估计：

MoWA＝1.608×MFrWA

(25)，

其中MoWA表示水分的摩尔数，并且其中MFrWA是以每磅干空气的水的磅数计的比湿度。燃烧的湿产物的摩尔数可从以下公式(26)估计：

$\mathrm{MoWPc}=\mathrm{MoDPc}+\frac{\mathrm{Mp}{H}_{2}F}{201.6}+\frac{\mathrm{MpWF}}{1801.5}+\frac{\mathrm{MFrWAdz}}{18.015}+\mathrm{MoWSb}$

(26)，

其中MoWPc表示燃烧的湿产物的摩尔数，MoDPc、MpH₂F和MFrWA如上文所指。MpWF和MoWSb分别是给水的质量百分比和吹灰蒸汽中的水的摩尔数。

过量空气水平使用在空气加热器入口和出口两者处的烟气中的氧的测量百分比来确定。其分别由公式(27)和(28)确定。

$\mathrm{XpA}=100\frac{\mathrm{DVp}{O}_2(\mathrm{MoDPc}+.7905\×\mathrm{MoThACr})}{\mathrm{MoThACr}(20.95-\mathrm{DVp}{O}_2)}$

(27)，

其中DVpO₂＝基于干体积的氧的百分比，并且其中Mo表示其作为前缀的术语的摩尔数，MoDPc和MoThACr是干燥产物的摩尔数和针对已燃烧碳修正的理论空气的摩尔数。基于湿基氧体积的过量空气由公式(28)表示

$\mathrm{XpA}=100\frac{\mathrm{Vp}{O}_2(\mathrm{MoWPc}+\mathrm{MoThACr}(0.7095+\mathrm{MoWA}))}{\mathrm{MoThACr}(20.95-\mathrm{Vp}{O}_2(1+\mathrm{MoWA})}$

(28)，

其中VpO₂是基于湿体积的氧的百分比。

在空气加热器入口和出口两者处的燃烧产物和烟气成分使用以下所列化学计量计算来确定。下标z表示位置的特定信息。成分的差异是从较高压的入口向较低压的出口的空气泄漏的结果。

在位置z前面进入锅炉的干空气根据以下公式(29)至(42)估计。

(29)，

其中Mq表示以磅/BTU计的质量，MqDAz表示在位置z处的干空气的以磅/BTU计的质量，MqThACr表示以磅/磅燃料计的理论空气的以磅/BTU计的质量，并且XpAz表示在位置z处的基于湿基氧体积的过量空气。

(30)

在位置z前面进入锅炉的湿空气由公式(31)和(32)给出

MqAz＝(1+MFrWA)MqDAz磅/BTU

(31)

MFrAz＝(1+MFrWA)MFrDAz磅/磅燃料

(32)，其中术语MqAz、MFrWA、MqDAz和MFrDAz在上文中详细说明。

来自燃料的湿气体可根据以下公式(33)确定。

(33)

其中术语MqFgF是燃料中的湿气体以磅/BTU计的质量，MpAsF是燃料中的灰的质量百分比，MpUbC是未燃烧碳的质量百分比，MFrSc是捕获的硫的质量分数，MpSF是燃料中的硫的质量百分比。

来自燃料中的水的水分可在如下公式(34)中估计

(34)，

其中MqWF是以磅/BTU计的燃料中的水的质量，并且MpWF是燃料中的水的质量百分比。

来自燃料中的H₂的燃烧的水分可在如下公式(35)中估计

(35)，

其中MqWH₂F是以磅/BTU计的燃料中的湿氢的质量，并且MpH₂F是燃料中的氢的质量百分比。

来自吸附剂的二氧化碳气体(如适用，例如用于CFB型机组)可在如下公式(36)中估计

(36)，

其中MqCO₂b和MFrCO₂b分别是来自吸附剂的以磅/BTU计的二氧化碳的质量和二氧化碳的理论质量。

来自吸附剂的水可根据如下公式(37)估计

$\mathrm{MqWSb}=\frac{\mathrm{MFrWSb}}{\mathrm{HHV}}$

(37)，

其中MqWSb和MFrWSb是以磅/BTU计的吸附剂中的水的质量和吸附剂中的水的质量分数。

附加的水(来自吹灰、雾化蒸汽等，如适用)根据如下公式(38)估计

$\mathrm{MFrWADz}=\frac{\mathrm{MrStz}}{\mathrm{MrF}}$

(38)，

其中MFrWADz是燃烧的每磅燃料中增加的水分的质量分数，MrStz是增加的蒸汽/水的质量流率，并且MrF是燃料的质量流率(初始估计)。

$\mathrm{MqWADz}=\frac{\mathrm{MFrWADz}}{\mathrm{HHV}}$

(39)，

其中MqWADz是燃烧的每磅燃料增加的水分以磅/BTU计的质量。

烟气中的总水分在公式(40)中通过将从上述公式获得的水分的值求和而提供

MqWFgz＝MqWF+MqWvF+MqWH₂F+MqWSb+MqWAz+MqWADz

(40)，

其中MqWvF是燃料中的水蒸气以磅/BTU计的质量。燃料中的水蒸气存在于气体燃料中。

以磅/BTU计的总湿烟气重量在公式(41)中提供，其中

MqFgz＝MqDAz+MqWAz+MqFgF+MqCO₂Sb+MqWSb+MqWADz

(41)，

离开锅炉的烟气流在以下公式(42)中示出。以下在公式(42)中所示的干燥烟气重量通过用公式(41)减去公式(40)获得

MqDFgz＝MqFgz-MqWFgz

(42)。

如下文讨论的那样确定焓。焓的确定基于ASMEPTC42008公开物中详细描述的联合军海军空军/美国太空总署(JointArmyNavyAirForce/NorthAmericanSpaceAgency)(JANAF/NASA)相关性。如ASMEPTC42008中规定的，77℉的基准温度用于效率计算，JANAF公式也以77℉为基准。在ASMEPTC42008中干燥烟气的焓可基于15.3％CO₂、3.5％O₂、0.1％SO₂和81.1％N₂的成分。如果过量空气水平小于300％，则由于与用于矿物燃料的燃烧的该成分的偏差导致的误差不显著。本专利中提供的方法可使用上述ASMEPTC4相关性或根据烟气的单独的组分计算并以重量组成为基础组合的那些相关性。对于非标准燃料，应使用单独组分法并基于重量组合。

由于水蒸气引起的焓由以下公式(43)提供

HWv＝0.4408×T+2.381E^-5×T²+9.638E^-9×T³-34.1

(43)，

其中HWv是水蒸气的焓，并且T是以K氏度计的温度。

蒸汽和水的焓在以下公式(44)和(45)中提供

HSt＝0.4329×T+3.958E^-5T²+1062.2

(44)，

HW＝T-32

(45)，

其中HSt是蒸汽的焓，并且HW是水的焓。

残余物的焓在以下公式(46)中提供

HRs＝0.167+1.09E^-4T²-2.843E^-8T³-12.95

(46)，

其中HRs是残余物的焓。

干燥烟气的焓在下面在公式(47)中列出为

HDFg＝-0.1231899E³+0.4065568×Tk+0.5795050E^-5Tk²+

0.631121E^-7Tk³-0.2924434E^-10Tk⁴+0.2491009E^-14Tk⁵

(47)

其中HDFg是干燥烟气的焓。

烟气的焓在以下公式(48)中列出

HFg＝(1-MFrWFg)HDFg+MFrWFg×HWv+MFrRsFg×HRs

(48)，

其中HFg是烟气的焓，MFrWFg是烟气中的水分的质量分数，MFrRsFg是烟气中的残余物的质量分数，并且其中HDFg、HWv和HRs在上文中指出。MFrRsFg仅在灰的浓度大于15lm/百万BTU时使用。如果使用，参考ASMEPTC42008以进行计算。

离开空气加热器的烟气的温度使用公式(49)、(50)和(51)针对无泄漏进行修正。

空气的平均比热在公式(49)中提供

$\mathrm{MnCpA}=\frac{\mathrm{HATFgLv}-\mathrm{HAEn}}{\mathrm{TFgLv}-\mathrm{TAEn}}\mathrm{BTU}/\mathrm{lb\; F}$

(49)

烟气的平均比热在下面在公式(50)中列出

$\mathrm{MnCpFg}=\frac{\mathrm{HFgTFgLv}-\mathrm{HFgTFgLvCr}}{\mathrm{TFgLv}-\mathrm{TFgLvCr}}\mathrm{BTU}/\mathrm{lb\; F}$

(50)

(51)

其中HATFgLv是在烟气离开温度处的空气的焓，HAEn是在空气进入温度处的空气的焓，TAEn是进入空气加热器的空气的温度，TFgLv是离开空气加热器的烟气的测量温度，HFgTFgLv是在烟气离开温度处的烟气的焓，HFgTFgLvCr是在烟气离开修正温度处的烟气的焓，MqFgLv是以磅/BTU计的离开空气加热器的总湿烟气，并且MqFgEn是以磅/BTU计的进入空气加热器的总湿烟气。

由于使用修正温度来确定烟气的平均比热，该计算为迭代计算。可在空气加热器空气入口处安装将充当空气入口温度的热电偶的格栅。可使用站湿度计提供在线相对湿度。在多数情况下，一氧化碳(CO)、总烃和氢的浓度可忽略不计。如果任何值被测量或确定为显著的，将从测量数据计算或分配非零值。

ASMEPTC4方法考虑以下效率损失和抵减(credit)。这些损失和抵减如下所列：

a)损失

i)干燥气体损失

ii)燃料中的水导致的损失

(1)由于燃料中的氢燃烧形成的水导致的损失

(2)由于燃料中的液态水导致的损失

(3)由于气体燃料中的水蒸气导致的损失-该损失仅用于气体燃料，而不用于固体或液体燃料。

iii)由于空气中的水分导致的损失

iv)由于未燃烧可燃物导致的损失

(1)由于未燃烧碳导致的损失

(2)由于未燃烧氢导致的损失-该损失可以可选地不适用或可以忽略不计

(3)由于一氧化碳导致的损失-通常忽略不计

(4)由于粉碎机石子煤导致的损失-如适用，将输入估计值

v)由于残余物中的显热导致的损失

vi)由于热空气质量控制设备导致的损失-该损失可以可选地不适用

vii)由于空气渗透导致的损失-如适用，将包括在热空气质量控制系统(AQCS)中

viii)由于形成氮氧化物(NOx)导致的损失

ix)由于表面辐射导致的损失-基于ASMEPTC4程序进行估计，以确定BTU/hr损失，然后将该损失作为因素考虑在内以确定百分比，

x)由于附加水分导致的损失

xi)由于煅烧导致的损失-该损失可以可选地不适用

xii)由于吸附剂中的水导致的损失-该损失可以可选地不适用

xiii)由于湿灰坑导致的损失-按照ASME程序估计

xiv)由于循环流导致的损失-该损失可以可选地不适用

xv)来自冷却水的损失-该损失可以可选地不适用

xvi)由于内部供应的空气预热导致的损失-该损失可以可选地不适用

b)抵减

i)由于进入干空气导致的抵减

ii)由于空气中的水分导致的抵减

iii)由于燃料中的显热导致的抵减

iv)由于硫酸盐化导致的抵减-该抵减可以可选地不适用

v)由于辅助设备功率导致的抵减-该抵减可以可选地不适用

vi)由于吸附剂中的显热导致的抵减-该抵减可以可选地不适用

vii)由于附加水分所供应的附加能量导致的抵减

效率损失计算如下：

i)干燥气体损失以百分比表示

QpLDFg＝100×MqDFg×HDFgLvCr

(52)

其中MqDFg是以磅干燥烟气/BTU计的重量，HDFgLvCr是在离开空气加热器的修正温度处的干燥烟气的焓。

ii)燃料中的水导致的损失可分为由公式(53)、(54)和(55)确定的以下三种

(1)由于燃料中的氢燃烧形成的水导致的损失

QpLH₂F＝100×MqWH₂F(HStLvCr-HWRe)

(53)

(2)由于燃料中的液态水导致的损失

QpLWF＝100×MqWF(HStLvCr-HWRe)

(54)

(3)由于气体燃料中的水蒸气导致的损失

QpLWvF＝100×MqWvF×HWvLvCr

(55)

其中MqWH₂F是燃料中的H₂燃烧导致的水分，HStLvCr是在离开空气加热器的修正温度处的蒸汽的焓，HWRe是在基准温度处的水的焓，并且HWvLvCr是在离开空气加热器的修正温度处的水蒸气的焓。

iii)由于空气中的水分导致的损失在以下公式(56)中示出

QpLWA＝100×MFrWA×MqDA×HWvLvCr

(56)

其中MFrWA是以每磅干空气的水的磅数计的空气的比湿度，MqDA是以每BTU的干空气的磅数计的重量，并且HWvLvCr是在离开空气加热器的修正温度处的水蒸气的焓。

iv)由于未燃烧可燃物导致的损失

(1)由于未燃烧碳导致的损失由公式(57)确定

$\mathrm{QpLUbC}=\mathrm{MpUbC}\frac{\mathrm{HHVCRs}}{\mathrm{HHV}}$

(57)

其中MpUbC是每磅燃料的未燃烧碳的质量，HHVCr是废物中的碳的高位热值并等于14,500BTU/lb，HHV＝燃料的高位热值。

(2)由于残余物中的未燃烧氢导致的损失(对于检测到氢的情况，使用非正常地存在的公式)由公式(58)确定

$\mathrm{QpL}{H}_2\mathrm{Rs}=\frac{\mathrm{MrRs}\×\mathrm{Mp}{H}_2\mathrm{Rs}\×\mathrm{HHV}{H}_2}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(58)

其中MrRs是残余物的质量速率，MpH₂Rs是残余物中的H₂的百分比(对于多个流加权的质量)，HHVH₂是H₂的高位热值61,100BTU/lb，MrF是以lb/hr计的燃料流量，并且HHV是燃料的高位热值。

(3)由于一氧化碳导致的损失由公式(59)确定，一氧化碳从效率角度来看通常可忽略不计，然而，如果存在CO监测仪，则可以容易地计算它。

$\mathrm{QpLCO}=\mathrm{DVpCO}\×\mathrm{MoDFg}\×\mathrm{MwCO}\frac{\mathrm{HHVCO}}{\mathrm{HHV}}$

(59)

其中DVpCO是一氧化碳干体积，MoDFg是每磅燃料的干燥烟气的摩尔数，MwCO是一氧化碳的分子量(28.01)，HHVCO是CO的高位热值4,347BTU/lb，并且HHV是燃料的高位热值。

(4)由于粉碎机石子煤导致的损失使用(60)中的公式计算

$\mathrm{MqPr}=\frac{\mathrm{MrPr}}{\mathrm{MrF}}$

QpLPr＝100MqPr(HHVPr+HPr)

(60)

其中MrPr是粉碎机石子煤的质量速率，MrF是燃料流量，HHVPr是来自实验室分析的粉碎机石子煤的热值，并且HPr是粉碎机石子煤的焓(使用在碾磨机出口温度处的残余物的焓)。

(5)由于未燃烧烃导致的损失由公式(61)确定，未燃烧烃通常为可忽略不计的量，在某些已知过程中除外，其中未燃烧烃可计算(accountfor)如下：

$\mathrm{QpLUbHc}=\mathrm{VpHc}\×\mathrm{MoFg}\×\mathrm{MwHc}\frac{\mathrm{HHVHc}}{\mathrm{HHV}}$

(61)

其中DVpHc是以干体积百分比(％)计的总烃，MoDFg是每磅燃料的干燥烟气的摩尔数，MWHc表示烃的分子量(用于分析的基准气体的分子量通常为丙烷44.096克/摩尔)，HHVHc是所用基准气体的高位热值，并且HHV是燃料的高位热值。

v)由于残余物中的显热导致的损失由公式(62)确定

QpLRs＝100∑MqRsz×HRsz

(62)

其中MqRsz是在特定位置处以磅/BTU计的残余物，并且HRsz是在该位置的温度处的残余物的焓。

vi)由于热空气质量控制设备导致的损失由公式(63)确定

QpLAq＝100[MqFgEn(HFgEn-HFgLv)-(MqFgLv-MqFgEn)(HAAqLv-HALvCr)]

(63)

其中MqFgEn是以磅/BTU计的进入AQCS的烟气的质量，MqFgLv是以磅/BTU计的离开AQCS的烟气的质量，HFgEn是在进入温度处的烟气的焓，HFgLv是在离开温度处的烟气的焓，HAAqLv是在离开AQCS的气体的温度处的湿空气的焓，并且HALvCr是在离开空气加热器的气体的修正温度处的湿空气的焓。

vii)由于在正常锅炉出口(例如气体节热器出口)和空气加热器出口之间的空气渗透导致的不包括在进入热AQCS的泄漏中的损失由公式(64)确定

QpLALg＝100MqALg(HALvCr-HALgEn)

(64)

其中MqALg是以磅/BTU计的进入空气加热器的空气的质量，HALgEn是在进入空气加热器的空气的温度处的湿空气的焓，并且HALvCr是在离开空气加热器的气体的修正温度处的湿空气的焓。

viii)由于形成NOx导致的损失

$\mathrm{QpLNOx}=\mathrm{DVpNOx}\×\mathrm{MoDFg}\frac{\mathrm{HrNOx}}{\mathrm{HHV}}$

(65)

其中DVpNOx是干体积的NOx％，MoDFg是每磅燃料的干燥烟气的摩尔数，MwCO是一氧化碳的分子量(28.01克/摩尔)，HrNOx是形成氮氧化物的热量(认为形成氧化一氮的热量为约38,600BTU/lb，且认为形成二氧化氮的热量为约35,630BTU/lb)，并且HHV是燃料的高位热值。

ix)由于表面辐射导致的损失由以下公式确定

使用以下中的较大者：

Hcaz＝0.2(TDi)^1/3

或

Hcaz＝0.35VAz^0.8

(66)

在公式(66)中

Hraz＝0.847+2.637E^-3TDi+2.94E^-6TDi²+1.37E^-9TDi³

(67)

QpLSrc＝∑(Hcaz+Hraz)Afz(TMnAfz-TMnAz)

(68)

和

$\mathrm{QpLSrc}=100\frac{\mathrm{QrLSrc}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(69)

其中Hcaz是对流传热系数，Hraz是辐射传热系数，TDi是表面温度(除了已知更高的表面之外，假设环境温度为50)，Vaz是假设为1.67的表面附近的空气速度，并且可针对测试和多个区域测量Tdi和Vaz，或者可以如上所述来假设它们。

x)由于附加水分导致的损失可由公式(70)和(71)确定

QrLWAd＝∑MrStz(HStLvCr-HWRe)

(70)

$\mathrm{QpLWAd}=100\frac{\mathrm{QrLWAd}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(71)

xi)由于锻烧导致的损失可由公式(72)和(73)确定

QrLClh＝∑MrSbk×MFrClhk×Hrk

(72)

$\mathrm{QpLClh}=100\frac{\mathrm{QrLClh}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(73)

xii)由于吸附剂中的水导致的损失可由公式(74)和(75)确定

QrLWSb＝MrWSb(HStLvCr-HWRe)

(74)

$\mathrm{QpLWSb}=100\frac{\mathrm{QrLWSb}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(75)

xiii)由于湿灰坑导致的损失可由公式(76)和(77)确定

QrLAp＝10000×ApAf

(76)

$\mathrm{QpLAp}=100\frac{\mathrm{QrLAp}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(77)

xiv)下面针对循环气体流和循环固体流详细描述由于循环流导致的损失。

(1)循环气体流可由公式(78)和(79)确定

QrLRyFg＝MrRyFg(HFgCr-HFgEn)

(78)

$\mathrm{QpLRyFg}=100\frac{\mathrm{QrLRyFg}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(79)

(2)循环固体流可由公式(80)和(81)确定

QrLRyRs＝MrRyRs(HRsLv-HRsEn)

(80)

$\mathrm{QpLRyRs}=100\frac{\mathrm{QrLRyRs}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(81)

xv)来自冷却水的损失可由公式(82)和(83)确定

QrLCw＝∑MrCwn(HWLv-HWEn)

(82)

$\mathrm{QpLCw}=100\frac{\mathrm{QrLCw}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(83)

xvi)由于内部供应的空气的预热导致的损失可由公式(84)和(85)确定

QrLAc＝MrSt36(HW36-HW24)

(84)

$\mathrm{QpLAc}=100\frac{\mathrm{QrLAc}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(85)

用于计算效率的ASMEPTC4抵减如下所列。

i)由于进入干空气导致的抵减可由公式(86)确定

QpBDA＝100MqDA×HDAEn

(86)

其中MqDA是以磅/BTU计的干空气，并且HDAEn是在空气热进入温度处的干空气的焓。

ii)由于空气中的水分导致的抵减可由公式(87)确定

QpBWA＝100MFrWA×MqDA×HWvEn

(87)

其中MFrWA是比湿度，MqDA是以磅/BTU计的干空气的质量，并且HWvEn是在空气热进入温度处的水蒸气的焓。

iii)由于燃料中的显热导致的抵减可由公式(88)确定

$\mathrm{QpBF}=\frac{100}{\mathrm{HHV}}\mathrm{HFEn}$

(88)

其中HFEn是进入的燃料的焓，并且HHV是燃料的高位热值。

iv)由于硫酸盐化导致的抵减可由公式(89)确定

$\mathrm{QpBSlf}=\mathrm{MFrSc}\frac{\mathrm{MpSf}}{\mathrm{HHV}}\mathrm{HRSlf}$

(89)

其中MFrSc是捕获的硫的质量分数，MpSF是燃料中的硫的质量百分比，HRSlf是硫酸盐化形成的热量，并且HHV是燃料的高位热值。

v)由于辅助设备功率导致的抵减适用于蒸汽驱动的设备且适用于电驱动的设备。

(1)对于蒸汽驱动的设备，该值可由公式(90)和(91)确定

$\mathrm{QrBX}=\mathrm{MrStX}\frac{\mathrm{HStEn}-\mathrm{HStLv}}{100}\mathrm{EX}$

(90)

$\mathrm{QpBX}=100\frac{\mathrm{QrBX}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(91)

其中MrStX是供应至设备的蒸汽的质量速率，HStEn是到设备的蒸汽的焓，HStLv是以出口压力离开的蒸汽的焓和进入的熵，并且EX是总驱动效率；并且

(2)对于电驱动的设备，该值可由公式(92)确定

$\mathrm{QpBX}=100\frac{3412\×\mathrm{QX}\frac{\mathrm{EX}}{100}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(92)

其中QX是以千瓦时(kWh)计的输入到装置的能量，并且EX是总驱动效率。

vi)由于吸附剂中的显热导致的抵减

$\mathrm{QpBX}=100\frac{\mathrm{MrSb}\×\mathrm{HSbEn}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(93)

其中MrSb是进入的吸附剂的质量速率，HSbEn是进入的吸附剂的焓，MrF是进入的燃料的质量速率，并且HHV是燃料的高位热值。

vii)由于附加水分提供的附加能量导致的抵减可由公式(94)和(95)确定

QrBWAd＝∑MrStz(HStEnz-HWRe)

(94)

$\mathrm{QpBX}=100\frac{\mathrm{QrBWAd}}{\mathrm{MrF}\×\mathrm{HHV}}$

(95)

其中MrStz是附加水分的质量流率，HStEnz是进入的附加水分的焓，HWRe是处于基准温度的水的焓，MrF是进入的燃料的质量速率，并且HHV是燃料的高位热值。

然后，通过将损失之和与抵减之和求和来计算效率。

计算效率

EF＝100-∑QpL+∑QpB

(96)

其中EF是效率，QpL是表示公式(52)-(85)中所列的相应损失和公式(86)-(96)中的相应抵减的符号。

在一个实施例中，为了连续监测来自蒸汽发生系统的温室气体的排放，蒸汽发生系统在设施处包括燃烧的燃料的燃料分析数据库。该数据库将存储对于分析的所有样本的元素分析、工业分析和HHV分析。对于每个矿源，可保持基于无水分无灰的复合平均分析。可将关于水分和灰含量的定期(每日到每周或每列车装载)工业分析与进行的平均元素分析结合使用来构成“在线收到”成分。从长远来看，该方法将取得比其它受限形式的测试更高的准确度。基于无水分无灰，来自给定矿井的煤分析变化很小，因此与对水分和灰含量的频繁取样和分析结合的该信息将使在线系统能够利用准确的燃料特性计算性能。该方法不排除对“在线”燃料分析监测仪的使用，其结果可或者单独地或者与以上提供的数据库结合来并入。

上述用于确定碳排放的能量平衡法通常比迄今使用的直接法更准确，在直接法中，通过测量进入蒸汽发生系统中的燃料流量或烟囱中的烟气流率来确定碳含量。对于能量平衡法以及直接法和其它方法进行的不确定性分析证明了这一点。能量平衡法具有比直接法更低的不确定性极限。这表明了能量平衡法的准确性。

该方法是有利的，因为其显著降低了二氧化碳测量中的不确定性的量。此类排放物的该准确量化可提供有关用于减少这些排放物的各种措施的有效性的有价值的数据。准确的量化可导致用于减少这些排放物的最有效方法的确定，从而有利于开发减少向环境的二氧化碳排放的更新的方法。

在一个实施例中，直接法的不确定性极限至少比能量平衡法的不确定性极限小20％。在另一个实施例中，直接法的不确定性极限至少比能量平衡法的不确定性极限小30％。在又一个方法中，直接法的不确定性极限至少比能量平衡法的不确定性极限小40％。

意图为示例性的而非限制性的下列示例示出了根据本文所述方法的各种实施例的测量碳排放的能量平衡法的准确性。

示例

本示例用来通过三种不同的方法确定测量的碳排放。对这些方法进行测试，以确定哪种方法最准确并确定哪种方法以最小的标准差提供一致的准确结果。

这三种不同的方法是：a)能量平衡法；b)直接法；和c)来自部分75，附录F的美国环境保护局连续排放监测系统(UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgencyContinuousEmissionsMonitoringSystem(USEPACEMS))方法。能量平衡法基于锅炉效率和如上详述的能量输出。该方法也称为能量平衡法，且有时称为热损失法。

几种国际公认的标准采用该方法，例如，ASME/ANSIPTC4能量平衡效率法(EnergyBalanceEfficiencyMethod)、德国DIN1942和紧密地遵循德国DIN1942标准的ISO标准草案。所有这些程序都结合到此引用中；然而，各具体标准利用微小的调整来适应在线计算方法。由于这些程序的相似性，不确定性分析的结果将不会与本文提供和详细描述的那些程序有显著不同，本文的程序基于为在线计算修改的ASMEPTC4能量平衡效率法。再次，由于这些标准的相似性，本文所列修改也适用于那些标准。

根据能量平衡法进行的测量将几种非标准测量结合到发电厂构造中以提高实时准确度。这些测量包括在格栅形式的空气加热器出口处的烟气氧(测量)，格栅的尺寸将取决于特定机组构造和管道尺寸。这些是关键特征，因为我们的方法将由于安装了用于测量氧的格栅而偏离正常的工厂构造。温度格栅安装在空气加热器出口处。这些格栅是位于离开空气加热器的烟气管道中的点处的单独的测量(装置)，这些点在垂直于烟气的流的平面内定位于具有相等面积的接近中心处。对于所进行的每次氧和温度测量，格栅将由最少4个点组成，除非管道的尺寸小于或等于约100平方英尺。相比于其它测量方法，安装这些格栅提供了在准确度上明显的改善。

温度格栅安装在空气加热器的烟气出口处。虽然许多其它工厂测量离开空气加热器的温度，但该测量基于未适当分布的数量非常有限的温度探测器，以获得有代表性的测量结果。相比于具有数量非常有限的温度探测器的标准工厂，温度格栅的使用提供了在烟气出口处和空气加热器处的更准确的测量。进行了给水流量测量的验证并采取措施以确保流量的不确定性小于1.5％。

在直接法中，根据测量的煤流量和燃料分析来确定二氧化碳排放。通过知道燃料中碳的百分比和对应的燃料流量，可直接确定二氧化碳的吨数。美国环境保护局连续排放监测系统(USEPACEMS)方法使用测量的烟囱流量和测量的烟囱中的CO₂来确定CO₂排放。该方法在(美国)联邦法规代码(CodeofFederalRegulations)的标题40，部分75，附录F中有详细描述。

本示例的数据通过从以满负荷或接近满负荷运行的机组收集两小时时间段的数据来获得。该数据由多个分布式控制系统(DCS)标签组成。存储在工厂的分布式控制系统(其中标签是与时间戳结合的特定测量位置)中的数据提供了在该时间段期间每分钟取样的用于特定时间点的数据值。从该数据获得平均值、标准差和样本的数量。

根据能量平衡法进行的二氧化碳计算在上文中在公式(13)中列出。

使用直接法计算CO ₂

以下公式(97)用来使用直接法计算CO₂排放：

其中CO₂＝与煤流在相同机组中的二氧化碳；％碳＝燃料中碳的重量百分比；并且煤流量＝以磅/小时或吨/小时计的煤的质量流量。

使用CEMS方法计算CO ₂

USEPA在标题40，部分75，附录F中规定了用于在使用CEMS时确定CO₂排放的程序。EPAEq.F-11作为以下公式(98)而提供：

E_h＝KC_hQ_h

(98)

其中E_h是在机组运行期间每小时的二氧化碳质量排放率，以吨/小时计；对于二氧化碳，K＝5.7x10^-7(吨每标准立方英尺每二氧化碳百分比)；C_h是在机组运行期间的每小时平均二氧化碳浓度，湿基，或者用二氧化碳监测仪直接测量或者根据湿基氧数据使用公式F-14b计算，以二氧化碳百分比计；Q_h是在机组运行期间的每小时平均体积流率，湿基，以标准立方英尺-小时计。

不确定性计算

对于每个参数，记录平均值、标准差和样本数量。这些值用来确定不确定性的随机分量。对于每个输入参数，标准差的值、平均标准差和不确定性的随机分量由以下公式确定。

样本的标准差使用公式(99)测量

$S_x=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(X_i-\stackrel{\‾}{X})}^2}{(N-1)}}$

(99)

其中S_x是样本的标准差，X是X_i的平均值，N是点的数目，并且i是点编号。在确定标准差之后，由如下公式(100)确定平均标准差：

${\stackrel{\‾}{S}}_x=\frac{S_x}{\sqrt{N}}$

(100)

其中是平均标准差，S_x是样本的标准差，并且N是点的数目。

通过确定绝对灵敏度系数来考虑每个输入对最终结果的影响。该系数是每单位输入变化在结果中的变化并且表示如下：

$\mathrm{\θ}=\frac{\left(\mathrm{\ΔR}\right)}{\left(\mathrm{\ΔX}\right)}$

(101)

其中θ是绝对灵敏度系数，ΔR是对于输入参数中的给定变化在结果中的变化，并且ΔX是输入参数的变化。

一旦为每个输入参数确定了这些值，即可对不确定性的随机分量进行如下计算：

结果的随机不确定性

$S_R=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\θ}}_i^{\′}{\stackrel{\‾}{S}}_x\right)}^2}$

(102)

S_R是结果的随机不确定性，是参数i的绝对灵敏度系数，是平均标准差，并且N是输入点的数目。

除了每个参数的不确定性的随机分量之外，还估计不确定性的系统分量。对于该分析，也在一般类型的仪器上进行估计。

下表1显示了用于该分析的估计：

表1

^*UOM＝测量单位

^**可能存在的相对于读数的偏差或偏离量或系统误差

总不确定性是以前分别称为精度和偏离量的随机分量和系统分量的组合。随机分量通过使用t因子(学生t)来调节，以针对95％置信区间来调节。系统分量估计应在与随机分量相同的置信区间进行。对于具有20个以上的测量结果的95％的置信区间，假设t因子为2。该分析的结果清楚地表明，能量平衡法(即本文详述的方法)对于两个客户都产生三种方法中最低的不确定性。下表2显示了结果。

表2

从表1和2可看出，直接法和CEMS方法两者都依赖于趋于不准确的流量测量结果。在直接法的情况中，流量测量结果为煤流量。煤，作为非均匀的固体燃料，即使用现代化的测重给料机也难以测量。这是由于煤自身的尺寸变化以及煤在称量带上的放置。较老式的机组不具有测重给料机，而是具有计量轮子的转数并假设煤体积和密度的体积给料机。

在CEMS的情况中，测量烟囱烟气流量。烟囱流量使用S型皮托管横移法或至多3孔探测器进行校准。这些探测器具有在4％至8％范围内的固有的较差准确度。

图2和3示出了3种测量之间的比较。从图2和3可看到，直接法产生较高的值，并且估计的不确定性的范围不能覆盖其它两种测量值。这表明，直接法的不确定性估计可能太低，并且更接近8％范围的值可能是系统误差的更好估计。

虽然已参照一些实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种更改并可用等同物替代本发明的元件。此外，可作出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导而不脱离其实质范围。因此，本发明意图不限于作为为了实现本发明构思到的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (27)

1.一种用于确定来自蒸汽发生系统的碳排放方法，包括：

计算当蒸汽发生系统(100)中的工作流体经受状态变化时由所述工作流体吸收的总能量；

将由所述蒸汽发生系统(100)吸收的所述总能量除以所述蒸汽发生系统(100)的效率，以确定对所述蒸汽发生系统(100)的热输入；以及

由对所述蒸汽发生系统(100)的所述热输入确定碳排放；

其中，计算由蒸汽发生系统(100)中的工作流体在其经受状态变化时吸收的所述总能量包括：

测量进入蒸汽发生系统(100)的给水的第一能量；

测量离开所述蒸汽发生系统(100)的蒸汽或水的第二能量；以及

由对所述蒸汽发生系统的所述热输入确定碳排放；

其中，所述碳排放可根据下列公式(11)、(12)和(13)确定：

磅二氧化碳/百万BTU

(11),

磅二氧化碳/千瓦

(12)，和

吨二氧化碳/小时

(13)，其中MqCO₂、MeCO₂和MteCO₂相应地分别是以磅/BTU计的二氧化碳质量、每kW基础上的二氧化碳排放物的质量和吨/小时基础上的二氧化碳排放物的质量，MFrCF是燃料中的碳的质量分数，MqCO₂是以磅/BTU计的二氧化碳质量，MW_CO2相应地是二氧化碳的分子量，MW_C是碳的分子量，并且Q_FIRED是对所述蒸汽发生系统(100)的所述热输入，并且HHV表示高位热值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括测量空气加热器出口处的格栅中的烟气氧含量和烟气温度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从所述蒸汽发生系统(100)中周期性地对燃料和灰取样并分析所述燃料和所述灰。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括维护对燃料和灰的分析的数据库并使用来自所述数据库的数据准确地确定对所述蒸汽发生系统(100)的所述热输入。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述数据库用来编辑历史记录；所述历史记录用来建立在结果中产生最低不确定性的分析，其中，所述分析除了收到基之外以无水分且无灰基进行；所述收到基涉及收到的燃料。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，氮氧化物、二氧化硫和一氧化碳的量使用下列公式(14)和(15)确定：

lbEm/kW

(14)，和

EmTon/hr

(15)，

其中MqEm、MeEm和MteEm分别是氮氧化物、二氧化硫或一氧化碳排放物的以磅/BTU计的质量、每kW基础上的排放物的质量和吨/小时基础上的排放物的质量，并且其中Q_FIRED是对所述蒸汽发生系统(100)的所述热输入。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述蒸汽发生系统吸收的所述总能量Q_BLR根据公式(8)获得

(8)，

其中Q_MS是主蒸汽的总能量；Q_MSspray是引入主蒸汽中的喷雾的总能量，Q_Bd是排出蒸汽的总能量，Q_SB是吹灰蒸汽的总能量，Q_AUX是辅助蒸汽的总能量，Q_RH是再热蒸汽的总能量，并且Q_Rhspray是引入再热蒸汽中的喷雾的总能量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述主蒸汽的所述总能量Q_MS由公式(1)确定

(1)，

其中M_FW是所述给水的质量，M_SB是所述吹灰蒸汽的质量，M_Bd是所述排出蒸汽的排水的质量，M_Aux是所述辅助蒸汽的质量，H_MS是所述主蒸汽的焓，H_FW是所述给水的焓。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述吹灰蒸汽的所述总能量由以下公式(2)确定：

(2)，

其中Q_SB是吹灰蒸汽的总能量，M_SB是所述吹灰蒸汽的质量，H_FW是所述给水的焓，并且H_sb是所述吹灰蒸汽的焓。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述Q_Bd由以下公式(3)确定：

(3)，

其中M_Bd是排水的质量，H_FW是给水的焓，并且H_bd是所述排水在鼓压力的饱和条件处的焓。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述辅助蒸汽的所述总能量Q_AUX由以下公式(4)确定：

(4)

其中M_AUX是辅助蒸汽的所述质量，H_FW是给水的焓，并且H_AUX是所述辅助蒸汽的焓。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由通向所述主蒸汽的喷雾吸收的所述总能量由以下公式(5)确定：

(5)，

其中QrMSspray和MrMSspray分别是通向所述主蒸汽的喷雾的能量率和通向所述主蒸汽的所述喷雾的z质量速率，H_MS是所述主蒸汽的焓，并且H_MSspray是通向所述主蒸汽的喷雾的焓。

13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述再热蒸汽中吸收的所述总能量由以下公式(6)确定：

(6)，

其中QrRH和MrCRH分别是所述再热蒸汽的所述能量率和所述质量速率，并且H_HRH和H_CRH分别是热再热蒸汽的焓和冷再热蒸汽的焓。

14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，由通向所述再热蒸汽的喷雾吸收的所述总能量在以下公式(7)中提供：

(7)

其中QrRHspray和MrRHspray是通向所述再热蒸汽的所述喷雾的焓速率和质量速率，H_HRH和HRH_RHSpray分别是热再热蒸汽的焓和用于所述再热蒸汽的喷雾的焓。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括由以下公式(15a)确定通向所述蒸汽发生系统的所述燃料的流量：

吨/小时

(15a)

其中Q_FIRED是对所述蒸汽发生系统的所述热输入，并且HHV表示高位热值。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过公式(29)确定在位置z前面进入所述蒸汽发生系统(100)的干空气的量

磅/BTU(29)，

其中Mq表示以磅/BTU计的质量，MqDAz表示在位置z处的干空气的以磅/BTU计的质量，MqThACr表示以磅/磅燃料计的理论空气的以磅/BTU计的质量，并且XpAz表示在位置z处的基于湿基氧体积的过量空气。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括由公式(31)和(32)确定在位置z前面进入所述蒸汽发生系统(100)的湿空气

磅/BTU(31)

磅/磅燃料(32)，

其中术语Mq表示以磅/BTU计的质量，MqAz表示在位置z处的干空气的以磅计的质量，MFrWA是湿空气的质量分数，MqDAz表示在位置z处的干空气以磅/BTU计的质量，并且MFrDAz表示在位置z处的干空气的质量分数。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括由以下公式(33)确定来自燃料的湿气体：

磅/BTU(33)

其中术语MqFgF是燃料中的湿气体以磅/BTU计的质量，MpAsF是燃料中的灰的质量百分比，MpUbC是未燃烧碳的质量百分比，MFrSc是捕获的硫的质量分数，MpSF是燃料中的硫的质量百分比。

19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过公式(41)确定以磅/BTU计的湿烟气总重量，其中

(41)，

其中MqFgz是在位置z处的燃料中的湿气体以磅/BTU计的质量，MqDAz表示在位置z处的干空气以磅/BTU计的质量，MqWAz表示在位置z处的湿空气以磅/BTU计的质量，MqFgF是以磅/BTU计的燃料中的湿气体的质量，MqCO₂Sb是以磅/BTU计的吸附剂中的二氧化碳的质量，MqWSb是以磅/BTU计的湿吸附剂的质量，并且MqWADz是燃烧的每磅燃料所增加的水分的以磅/BTU计的质量。

20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过以下公式(21)确定针对已燃烧碳修正的理论空气：

(21)，

其中MFrThACr是针对以磅/磅燃料计的已燃烧碳修正的所述理论空气，其中MFrSc是捕获的硫的质量分数，并且其中MpCb、MpH₂F、MpSF和MpO₂F分别是碳的质量百分比、燃料中氢的质量百分比、燃料中硫的质量百分比和燃料中氧的质量百分比。

21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸汽发生系统(100)的效率由ASMEPTC4方法确定。

22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蒸汽发生系统(100)为锅炉(10)。

23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作流体为水。

24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算由所述工作流体吸收的所述总能量包括测量在所述工作流体进入所述蒸汽发生系统(100)时所述工作流体的第一能量和在所述工作流体离开所述蒸汽发生系统(100)时所述工作流体的第二能量，并从所述第二能量中减去所述第一能量。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一能量是在给水进入所述蒸汽发生系统(100)时所述给水的能量。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，通过反复验证给水流量测量结果至流量不确定性小于1.5%的情况来确定给水的所述能量。

27.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第二能量是在蒸汽离开所述蒸汽发生系统(100)时所述蒸汽的能量。