CN103528846B - 煤气锅炉热效率与煤气特性的实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤气锅炉热效率与煤气特性的实时监测方法，该方法通过锅炉实时运行数据对基本煤气特性进行修正，得到实时煤气特性，并将其用于煤气锅炉热效率计算，实现了锅炉热效率与煤气特性的实时在线监测。本发明克服了煤气特性波动给锅炉热效率计算带来的不利影响，比传统方法中采用定期化验煤气特性计算得到的锅炉热效率更加准确；现场不需要额外增加昂贵的在线分析仪，充分利用电厂现有的条件即可实现，具有良好的可实施性和可操作性；结果能够实时指导锅炉运行人员进行优化调整，有助于实现锅炉的经济运行，达到节能降耗的目的。

Description

煤气锅炉热效率与煤气特性的实时监测方法

技术领域

本发明涉及钢铁行业煤气发电机组性能监测技术领域，尤其涉及一种煤气锅炉热效率与煤气特性的实时监测方法。

背景技术

钢铁企业在冶炼过程中产生了大量的副产煤气，作为煤气资源回收与利用的主要用户，煤气锅炉机组在钢铁企业得到了大量应用。

随着钢铁企业节能降耗工作的积极开展，煤气锅炉的经济运行越来越受到重视。对煤气锅炉热效率进行在线计算，实时监测锅炉的运行经济性，已成为相关技术人员普遍关心的问题，具有重要的实用意义。

煤气锅炉实时效率的精确计算需要有完整的入炉煤气特性实时数据(包括煤气成分和煤气热值)，但是由于在线测量设备存在价格昂贵、长期运行时测量精度降低等问题，目前大多钢铁企业自备电厂都未配备入炉煤气特性在线分析仪，电厂对于入炉煤气特性的监测主要采用离线化验结果。电厂会定期对入炉煤气进行取样化验获得分析数据，并将该数据作为下一周期的入炉煤气特性。由于煤气特性难免出现一定范围的波动，况且取样分析时存在取样代表性、取样误差等问题，因此采用定期化验数据不能真实反映实时入炉煤气特性，用于锅炉热效率实时计算时必然造成结果的失真。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种煤气锅炉热效率与煤气特性的实时监测方法，该方法通过机组实时运行数据对定期化验的煤气特性进行实时修正，并将修正后的结果用于煤气锅炉热效率在线监测计算，最终实现锅炉热效率与煤气特性的实时匹配。

为达到上述目的，本发明所述一种煤气锅炉热效率与煤气特性的实时监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)设置一个假定的煤气锅炉热效率η_b,jd(％)；

(2)对机组实时采集运行数据，并利用实时数据得到锅炉有效利用热Q₁(kJ/h)；

(3)根据煤气锅炉热效率η_b,jd和锅炉有效利用热Q₁得到锅炉输入热量Q_r(kJ/m³)；

(4)根据得到的锅炉输入热量Q_r得到煤气干燥基低位发热量Q_d,net(kJ/m³)；

(5)将手工输入的定期化验煤气特性作为基本煤气特性，根据煤气干燥基低位发热量Q_d,net对基本煤气特性数据进行修正；

(6)根据修正后的煤气特性数据进行燃烧计算，包括烟气成分计算、干烟气量计算以及烟气中水蒸气含量计算；

(7)根据上述得到的各种结果进行各项热损失计算；

(8)根据各项热损失值得到锅炉热效率η_b(％)；

(9)判断假定锅炉热效率η_b,jd和计算锅炉热效率η_b的大小：

若(η_b,jd-η_b)的绝对值大于给定的微小量ε，则将当前的锅炉热效率η_b赋值给锅炉热效率η_b,jd，然后重新执行步骤(1)～步骤(9)，直到(η_b,jd-η_b)的绝对值小于或等于给定的微小量ε；

若(η_b,jd-η_b)的绝对值小于给定的微小量ε，则输出锅炉热效率η_b作为当前锅炉热效率，输出煤气低位发热量Q_d,net、各煤气成分修正值作为当前煤气特性数据。

优选地，根据煤气锅炉热效率η_b,jd和锅炉有效利用热Q₁得到锅炉输入热量Q_r：

$Q_r=k\frac{Q_1}{B_g{\mathrm{\η}}_{b,jd}}\×100$

$k=\frac{0.833+d_g}{0.833}$

其中，Q_r为锅炉输入热量，kJ/m³；B_g为实时采集的煤气量，m³/h；k为热量换算系数；d_g为煤气含湿量，kg/m³；

根据锅炉输入热量Q_r计算得到煤气干燥基低位发热量Q_d,net：

Q_d,net＝Q_r+2257d_g

其中，Q_d,net为煤气干燥基低位发热量，kJ/m³；

对于可燃组分CO、H₂以及各碳氢化合物C_mH_n，煤气特性修正方法如下：

$k_1=\frac{Q_{d,net}}{Q_{d,net}^0}$

其中，为煤气中各可燃组分的容积成分修正值，％；为煤气中各可燃组分的容积成分基本值，％；k₁为可燃组分修正系数；为煤气干燥基低位发热量基本值，kJ/m³；

对于不可燃组分CO₂、N₂、O₂，煤气特性修正方法如下：

其中，为煤气中各不可燃组分的容积成分修正值，％；为煤气中各不可燃组分的容积成分基本值，％；

根据修正的煤气特性数据进行燃烧计算，包括烟气成分计算、干烟气量计算以及烟气中水蒸气含量计算：

1)烟气成分计算

干烟气成分主要由O₂、CO、CO₂以及N₂组成，其中O₂含量和CO含量均采用锅炉尾部烟道处的实时监测值，而CO₂和N₂含量则通过计算得到：

首先根据煤气成分计算得到燃料特性系数β：

其中，为煤气中各可燃组分的容积成分修正值，％；

为煤气中各不可燃组分的容积成分修正值，％；

然后根据排烟中O₂氧量CO含量以及燃料特性系数β计算得到干烟气中CO₂的容积成分

其中，为干烟气中O₂的容积成分，％；为干烟气中CO的容积成分，％；为干烟气中CO₂的容积成分，％；

获得了干烟气中O₂、CO以及CO₂的容积成分后，最后得到干烟气中N₂的容积成分

其中，为干烟气中N₂的容积成分，％；

2)干烟气量计算：

根据上述获得的煤气成分和获得的烟气成分计算得到实际干烟气量V_gy:

其中，V_gy为实际干烟气量，m³/m³；

3)烟气中水蒸气含量计算：

其中，为烟气中所含水蒸气容积，m³/m³；α为排烟处过量空气系数；为理论干空气需要量，m³/m³；d_k为空气的绝对湿度，kg/kg；

所述各项热损失计算方法如下：

a、排烟热损失q₂

根据上述获得的输入热量Q_r、干烟气量V_gy、以及排烟温度实时监测值θ_py计算得到排烟热损失：

$q_2=\frac{V_{gy}{c}_{p,gy}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)+V_{H_{2}O}{c}_{p,H_{2}O}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)}{Q_r}\×100$

其中，q₂为排烟热损失，％；θ_py为排烟温度，℃；c_p,gy为干烟气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，kJ/(m³·K)；为水蒸气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，kJ/(m³·K)；

b、化学不完全燃烧热损失q₃：

根据上述获得的输入热量Q_r、干烟气量V_gy以及尾部烟气中CO含量实时监测值计算得到化学不完全燃烧热损失：

其中，q₃为化学不完全燃烧热损失，％；

c、散热损失q₅：

根据锅炉额定蒸发量D_e和实际蒸发量D计算得到散热损失q₅：

$q_5=\frac{D_e}{D}{q}_{5e}$

$q_{5e}=5.82\×{\left(D_e\right)}^{-0.38}$

其中，q₅为散热损失，％；D_e为锅炉额定负荷下的蒸发量，t/h；D为锅炉实际蒸发量，t/h；q_5e为锅炉额定负荷下的散热损失，％；

根据各项热损失数据计算得到锅炉热效率η_b：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)

其中，η_b为锅炉热效率，％；q₄为机械不完全燃烧热损失，％，对于煤气锅炉取为0；q₆为灰渣物理热损失，％，对于煤气锅炉取为0；

本发明的有益效果为：

本发明通过由锅炉实时运行数据计算得到的煤气发热量对基本煤气特性进行修正，得到实时煤气特性，并将其用于煤气锅炉热效率计算，实现了锅炉热效率与煤气特性的实时在线监测。本发明克服了煤气特性波动给锅炉热效率计算带来的不利影响，比传统方法中采用定期化验煤气特性计算得到的锅炉热效率更加准确；现场不需要额外增加昂贵的在线分析仪，充分利用电厂现有的条件即可实现，具有良好的可实施性和可操作性；结果能够实时指导锅炉运行人员进行优化调整，有助于实现锅炉的经济运行，达到节能降耗的目的。

附图说明

图1是本发明实施例中煤气锅炉热效率与煤气特性的实时监测方法的流程示意图

图2是本发明实施例中煤气锅炉热效率计算过程中的燃烧计算的流程示意图；

图3是本发明实施例所述方法的硬件实现框架图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例所述一种煤气锅炉热效率与煤气特性的实时监测方法，该方法包括以下步骤：

(1)设置一个假定的煤气锅炉热效率η_b,jd(％)；

(2)对锅炉实时采集运行数据，并利用实时数据得到锅炉有效利用热Q₁(kJ/h)；

(3)根据步骤(1)和步骤(2)的结果计算得到锅炉输入热量Q_r(kJ/m³)：

$Q_r=k\frac{Q_1}{B_g{\mathrm{\η}}_{b,jd}}\×100$

$k=\frac{0.833+d_g}{0.833}$

其中，B_g为实时采集的煤气量，m³/h；k为热量换算系数；d_g为煤气含湿量，kg/m³；

入炉煤气中的水分一般以饱和水蒸气形式存在，因此煤气含湿量d_g可根据炉前煤气总管上的实时煤气压力和煤气温度监测值计算得到：

$d_g=0.804\frac{p_s}{p-p_s}$

其中，p为煤气的绝对压力，Pa；p_s为煤气温度下的饱和水蒸气分压力，Pa；

(4)根据步骤(3)获得的锅炉输入热量Q_r计算得到煤气干燥基低位发热量Q_d,net：

Q_d,net＝Q_r+2257d_g

其中，Q_d,net为煤气干燥基低位发热量，kJ/m³；

(5)设定定期化验分析得到的煤气特性为基本煤气特性，根据步骤(4)获得的煤气干燥基低位发热量Q_d,net对基本煤气特性数据进行修正：

(5a)对于可燃组分CO、H₂以及各碳氢化合物C_mH_n，修正公式如下：

$k_1=\frac{Q_{d,net}}{Q_{d,net}^0}$

其中，为煤气中各可燃组分的容积成分修正值，％；为煤气中各可燃组分的容积成分基本值，％；k₁为可燃组分修正系数；为煤气干燥基低位发热量基本值，kJ/m³；

(5b)对于不可燃组分CO₂、N₂、O₂，修正公式如下：

其中，为煤气中各不可燃组分的容积成分修正值，％；为煤气中各不可燃组分的容积成分基本值，％；

(6)根据步骤(5)获得的煤气特性数据进行燃烧计算，包括烟气成分计算、干烟气量计算以及烟气中水蒸气含量计算：

(6a)烟气成分计算

干烟气成分主要由O₂、CO、CO₂以及N₂组成，其中O₂含量和CO含量均采用锅炉尾部烟道处的实时监测值，而CO₂和N₂含量则通过计算得到：

首先根据煤气成分计算得到燃料特性系数β：

其中，为煤气中各可燃组分的容积成分修正值，％；

为煤气中各不可燃组分的容积成分修正值，％；

然后根据排烟中排烟氧量CO含量以及燃料特性系数β计算得到干烟气中CO₂的容积成分

其中，为干烟气中O₂的容积成分，％；为干烟气中CO的容积成分，％；为干烟气中CO₂的容积成分，％；

获得了干烟气中O₂、CO以及CO₂的容积成分后，最后得到干烟气中N₂的容积成分

其中，为干烟气中N₂的容积成分，％；

(6b)干烟气量计算：

根据步骤(5)获得的煤气成分和步骤(6a)获得的烟气成分计算得到实际干烟气量V_gy:

其中，V_gy为实际干烟气量，m³/m³；

该干烟气量计算公式是通过对C元素的平衡进行跟踪分析得到的，此方法有别于传统的干烟气量计算方法，后者是通过理论干烟气量和过量空气量计算得到，公式如下：

$V_{gy}=V_{gy}^0+(\mathrm{\α}-1)V_{gk}^0$

其中，为理论干烟气量，m³/m³；为理论干空气需要量，m³/m³；α为排烟处过量空气系数；

对于煤气锅炉，由于煤气含N量往往较高，尤其是高炉煤气，甚至高达50％～60％，过量空气系数α应按下式求解：

可见，传统的干烟气量计算需要先求解过量空气系数α，而α的计算公式中又含有干烟气体积V_gy，因此必须经过迭代才能求出干烟气量V_gy。而采用计算煤气锅炉的干烟气量则非常方便，无须迭代计算，根据煤气和烟气成分数据就可获得干烟气量。

(6c)烟气中水蒸气含量计算：

其中，为烟气中所含水蒸气容积，m³/m³；α为排烟处过量空气系数；d_k为空气的绝对湿度，可按季节取，在冬季取0.002kg/kg，夏季取0.02kg/kg，春季与秋季取0.01kg/kg；

(7)计算各项热损失：

(7a)排烟热损失q₂

根据步骤(3)获得的输入热量Q_r、步骤(6b)获得的干烟气量V_gy、以及排烟温度实时监测值θ_py计算得到排烟热损失：

$q_2=\frac{V_{gy}{c}_{p.gy}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)+V_{H_{2}O}{c}_{p,H_{2}O}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)}{Q_r}\×100$

其中，q₂为排烟热损失，％；θ_py为排烟温度，c_p,gy为干烟气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，kJ/(m³·K)；为水蒸气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，kJ/(m³·K)；

(7b)化学不完全燃烧热损失q₃：

根据步骤(3)获得的输入热量Q_r、步骤(6b)获得的干烟气量V_gy以及尾部烟气中CO含量实时监测值计算得到化学不完全燃烧热损失：

其中，q₃为化学不完全燃烧热损失；

(7c)散热损失q₅：

根据锅炉额定蒸发量D_e和实际蒸发量D计算得到散热损失q₅：

$q_5=\frac{D_e}{D}{q}_{5e}$

q_5e＝5.82×(D_e)^-0.38

其中，q₅为散热损失，％；D_e为锅炉额定负荷下的蒸发量，t/h；D为锅炉实际蒸发量，t/h；q_5e为锅炉额定负荷下的散热损失，％；

(8)根据步骤(7)获得的各项热损失数据计算得到锅炉热效率η_b：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)

其中，η_b为锅炉热效率，％；q₄为机械不完全燃烧热损失，％，对于煤气锅炉取为0；q₆为灰渣物理热损失，％，对于煤气锅炉取为0；

(9)将步骤(1)假定的锅炉热效率η_b,jd和步骤(8)计算得到的锅炉热效率η_b进行比较，如果(η_b,jd-η_b)的绝对值大于给定的微小量ε，则将当前的锅炉热效率η_b赋值给锅炉热效率η_b,jd，然后重新执行步骤(1)～步骤(9)，直到(η_b,jd-η_b)的绝对值小于或等于给定的微小量ε；

(10)输出锅炉热效率η_b作为当前锅炉热效率，输出煤气低位发热量Q_d,net、煤气成分作为当前煤气特性数据。

以一台220t/h煤气锅炉为例，进行煤气锅炉热效率和煤气特性的实时监测。该锅炉纯燃高炉煤气，为高温高压锅炉，过热蒸汽温度为540℃，过热蒸汽压力为9.81MPa。将本发明提出的方法应用于该锅炉热效率与煤气特性的实时监测，并通过现场热效率测试数据进行对比验证。锅炉的主要实时运行数据见表1，基本煤气特性采用上一个班组的煤气化验结果，数据见表2。假定一个初始热效率89％，给定的微小量ε设置为0.005，最终计算结果见表3。

由表3所示结果可见，在测试工况下，采用本发明计算得到的锅炉热效率与试验值的绝对误差仅为0.10％，相对误差仅为0.11％，说明本发明提出的方法是合理可行的，能够满足锅炉热效率实时监测的精度要求；煤气特性方面，结合表1所示的基本煤气特性可知，基本煤气特性与实际煤气特性(试验值)偏差较大，不能反映真实的煤气特性，将其用于锅炉热效率计算必然带来结果的失真，而经过修正后的煤气特性则与试验值保持了较好的一致性，说明本发明提出的方法能够及时跟踪煤气特性的波动和变化情况，减小煤气特性波动给锅炉热效率计算带来的不利影响，进而提高煤气锅炉热效率实时监测结果的精确性和可靠性。

表1基本煤气特性

表2锅炉主要运行数据

表3锅炉热效率与煤气特性实时计算结果与试验结果对比表

针对上述方法，有具体的硬件结构去实现。如图3所示为一硬件结构的框架图。在图中，机组DCS(集散控制系统)实时采集的运行数据通过接口机与交换机1相连，并通过交换机1将机组实时运行数据传递到实时数据库。为了保护实时数据库的数据安全，在网路中设置一个单向隔离装置(数据只能单向传输)，从实时数据库中调用的数据都要经过单向隔离装置。镜像数据库服务器通过交换机2从实时数据库中提取需要的实时运行数据并做镜像备份处理，以供锅炉效率计算应用服务器调用。另外，运行人员定期通过手工输入接口输入化验分析得到的煤气特性，这样，有了手工输入的煤气特性和从实时数据库来的机组实时运行数据，锅炉效率计算应用服务器就可以按照上述步骤1～步骤9进行计算，得到锅炉热效率。最后，WEB服务器发布最终计算结果，并提供网络浏览服务，使得用户终端可以及时浏览。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种煤气锅炉热效率与煤气特性的实时监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)设置一个假定的煤气锅炉热效率η_b,jd(％)；

(2)对机组实时采集运行数据，并利用实时数据得到锅炉有效利用热Q₁(kJ/h)；

(3)根据煤气锅炉热效率η_b,jd和锅炉有效利用热Q₁得到锅炉输入热量Q_r(kJ/m³)；

(4)根据得到的锅炉输入热量Q_r得到煤气干燥基低位发热量Q_d,net(kJ/m³)；

(5)将手工输入的定期化验煤气特性作为基本煤气特性，根据煤气干燥基低位发热量Q_d,net对基本煤气特性数据进行修正；

(6)根据修正后的煤气特性数据进行燃烧计算，包括烟气成分计算、干烟气量计算以及烟气中水蒸气含量计算；

(7)根据上述得到的各种结果进行各项热损失计算；

(8)根据各项热损失值计算得到锅炉热效率η_b(％)；

(9)判断假定锅炉热效率η_b,jd和计算锅炉热效率η_b的大小：

若(η_b,jd-η_b)的绝对值大于给定的微小量ε，则将当前的锅炉热效率η_b赋值给锅炉热效率η_b,jd，然后重新执行步骤(1)～步骤(9)，直到(η_b,jd-η_b)的绝对值小于或等于给定的微小量ε；

若(η_b,jd-η_b)的绝对值小于给定的微小量ε，则输出锅炉热效率η_b作为当前锅炉热效率，输出煤气低位发热量Q_d,net、各煤气成分修正值作为当前煤气特性数据；

根据煤气锅炉热效率η_b,jd和锅炉有效利用热Q₁得到锅炉输入热量Q_r：

其中，Q_r为锅炉输入热量，kJ/m³；B_g为实时采集的煤气量，m³/h；k为热量换算系数；d_g为煤气含湿量，kg/m³；

根据锅炉输入热量Q_r计算得到煤气干燥基低位发热量Q_d,net：

Q_d,net＝Q_r+2257d_g

其中，Q_d,net为煤气干燥基低位发热量，kJ/m³；

对于可燃组分CO、H₂以及各碳氢化合物C_mH_n，煤气特性修正方法如下：

其中，为煤气中各可燃组分的容积成分修正值，％；为煤气中各可燃组分的容积成分基本值，％；k₁为可燃组分修正系数；为煤气干燥基低位发热量基本值，kJ/m³；

对于不可燃组分CO₂、N₂、O₂，煤气特性修正方法如下：

其中，为煤气中各不可燃组分的容积成分修正值，％；为煤气中各不可燃组分的容积成分基本值，％；

根据修正的煤气特性数据进行燃烧计算，包括烟气成分计算、干烟气量计算以及烟气中水蒸气含量计算：

1)烟气成分计算

干烟气成分主要由O₂、CO、CO₂以及N₂组成，其中O₂含量和CO含量均采用锅炉尾部烟道处的实时监测值，而CO₂和N₂含量则通过计算得到：

首先根据煤气成分计算得到燃料特性系数β：

其中，为煤气中各可燃组分的容积成分修正值，％；

为煤气中各不可燃组分的容积成分修正值，％；

然后根据排烟中O₂氧量CO含量以及燃料特性系数β计算得到干烟气中CO₂的容积成分

其中，为干烟气中O₂的容积成分，％；为干烟气中CO的容积成分，％；为干烟气中CO₂的容积成分，％；

获得了干烟气中O₂、CO以及CO₂的容积成分后，最后得到干烟气中N₂的容积成分

其中，为干烟气中N₂的容积成分，％；

2)干烟气量计算：

根据上述获得的煤气成分和获得的烟气成分计算得到实际干烟气量V_gy:

其中，V_gy为实际干烟气量，m³/m³；

3)烟气中水蒸气含量计算：

其中，为烟气中所含水蒸气容积，m³/m³；α为排烟处过量空气系数；为理论干空气需要量，m³/m³；d_k为空气的绝对湿度，kg/kg；

所述各项热损失的计算方法如下：

a、排烟热损失q₂

根据上述获得的输入热量Q_r、干烟气量V_gy、以及排烟温度实时监测值θ_py计算得到排烟热损失：

其中，q₂为排烟热损失，％；θ_py为排烟温度，℃；c_p,gy为干烟气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，kJ/(m³·K)；为水蒸气在t₀至θ_py温度间的平均比定压热容，kJ/(m³·K)；

b、化学不完全燃烧热损失q₃：

根据上述获得的输入热量Q_r、干烟气量V_gy以及尾部烟气中CO含量实时监测值计算得到化学不完全燃烧热损失：

其中，q₃为化学不完全燃烧热损失，％；

c、散热损失q₅：

根据锅炉额定蒸发量D_e和实际蒸发量D计算得到散热损失q₅：

q_5e＝5.82×(D_e)^-0.38

其中，q₅为散热损失，％；D_e为锅炉额定负荷下的蒸发量，t/h；D为锅炉实际蒸发量，t/h；q_5e为锅炉额定负荷下的散热损失，％；

根据各项热损失数据计算得到锅炉热效率η_b：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)

其中，η_b为锅炉热效率，％；q₄为机械不完全燃烧热损失，％，对于煤气锅炉取为0；q₆为灰渣物理热损失，％，对于煤气锅炉取为0。