CN103674600A - 一种燃煤锅炉运行效率的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤锅炉运行效率的监测方法，包括:通过测量排烟气中CO和CO₂气体的浓度、排烟气的流量、鼓风门中CO和CO₂的气体浓度和鼓风流量，根据碳平衡原理，计算出燃煤锅炉内的总热能；通过测量蒸汽管道中的蒸汽压力、蒸汽流量、过热蒸汽压力和蒸汽焓值，计算出燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量；根据燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量与燃煤锅炉内的总热能的比值，计算出燃煤锅炉的运行效率。本发明能够通过逆向碳的锅炉运行效率计算方法，有效地避免对燃煤质地进行分析，同时还避免了现行燃烧效率分析仪对烟气中O₂含量的测量。

Description

一种燃煤锅炉运行效率的监测方法

技术领域

本发明属于燃煤锅炉在线监测技术领域，更具体地说，涉及一种燃煤锅炉运行效率的监测方法。

背景技术

随着经济的快速发展和能源需求的增加，工业锅炉的需求量也在不断地增加。怎样确保锅炉高效率正常运行，是工业锅炉行业值得研究的课题。目前，国内外大型电厂的工业锅炉基本上都采用了正平衡法或反平衡法对燃煤锅炉的运行效率进行计算，而中小型锅炉使用企业，由于考虑降低生产成本，基本上没有实现对锅炉运行效率的实时监测。此外，国内不同地区的煤炭质地通常不同，大型电厂使用的煤炭经过了预先筛选处理，成分相对较为单一，但中小型锅炉使用企业采用的燃煤多数为非标准煤或劣质煤，而且没有对煤炭进行预先筛选处理。对于中小型燃煤锅炉使用企业而言，锅炉运行效率计算的工作很难依照传统的方法进行计算。

针对燃煤锅炉运行效率监测，市场上也出现了一些对锅炉燃烧效率进行测算的仪器。这一类的燃烧效率分析仪主要是通过在线测量排烟气中O2的含量、压力、温度、流速等，将污染物浓度转换成标准干烟气状态并计算出排放标准中规定的过剩空气系数(实际燃烧空气量和理论燃烧空气量的比值)，进而计算出锅炉燃烧过程中燃料的燃烧效率。由于这一类型的燃烧效率分析仪需要对烟气中O2的含量进行测量，导致测量探头在高温条件下极易氧化，氧气测量探头的正常使用寿命并不是很长，需要定期的更换测量探头。此外，该燃烧效率分析仪也需要获取输入煤炭的质地，才能计算出输入锅炉内的能量，对于需要压缩生产成本的中小型企业来说，不易推广。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种燃煤锅炉运行效率的监测方法，通过逆向碳的锅炉运行效率计算，有效地避免了对燃煤质地进行分析，同时也避免了现行燃烧效率分析仪对烟气中O₂含量的测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括以下步骤:

通过测量排烟气中CO和CO₂气体的浓度、排烟气的流量、鼓风门中CO和CO₂的气体浓度和鼓风流量，根据碳平衡原理，计算出燃煤锅炉内的总热能；

通过测量蒸汽管道中的蒸汽压力、蒸汽流量、过热蒸汽压力和蒸汽焓值，计算出燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量；

根据燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量与燃煤锅炉内的总热能的比值，计算出燃煤锅炉的运行效率。

优选的，所述通过测量排烟气中CO和CO₂气体的浓度、排烟气的流量、鼓风门中CO和CO₂的气体浓度和鼓风流量，根据碳平衡原理，计算出燃煤锅炉内的总热能的计算公式为：

Q'_r=(Q'_r1-Q'_r2)·393500/12；

$Q_{r1}^{\′}=[\frac{3}{16}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(C_1\·V\·2.14)\mathrm{dt}+\frac{3}{7}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(C_2\·V\·0.8)\mathrm{dt}]\·{10}^{-4}/3600;$

$Q_{r2}^{\′}=[\frac{3}{16}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_i=t_k}(C_1^{\′}\·V_1\·2.14)\mathrm{dt}+\frac{3}{7}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(C_2^{\′}\·V_1\·0.8)\mathrm{dt}]{10}^{-4}/3600;$

其中，Q'_r1为引风门空气中碳的含量，单位为kg；Q'_r2为鼓风门空气中碳的含量，单位为kg；C₁为引风门中CO₂的浓度，单位为ppm；C₂为引风门中CO的浓度，单位为ppm；V为引风门气体流量，单位为m³/h；t_k为累计时间，单位为s；C'₁为鼓风门中CO₂的浓度，单位为ppm；C'₂为鼓风门中CO的浓度，单位为ppm；V₁为鼓风门流量，单位为m³/h。

优选的，所述通过测量蒸汽管道中的蒸汽压力、蒸汽流量、过热蒸汽压力和蒸汽焓值，计算出燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量的计算公式为：

$Q_1^{\′}=\frac{\left[{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(D_{\mathrm{gr}}(i_{\mathrm{gr}}^{\′\′}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{zy}}(i_{\mathrm{zy}}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{pw}}(i^{\′}-i_{\mathrm{gs}}))\mathrm{dt}\right]}{3600};$

其中，D_gr为过热蒸汽流量，单位为kg/h；D_zy为自用蒸汽流量，单位为kg/h；D_pw为排污水流量，单位为kg/h；i''为过热蒸汽焓，单位为kJ/kg；i_zy为自用蒸汽焓，单位为kJ/kg；i'为饱和蒸汽焓，单位为kJ/kg；i_gs为给水焓，单位为kJ/kg。

根据燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量与燃煤锅炉内的总热能的比值，计算出燃煤锅炉的运行效率的计算公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{Q_1^{\′}}{Q_r^{\′}}=\frac{Q_1^{\′}\·12}{(Q_{r1}^{\′}-Q_{r2}^{\′})\·393500};$

$=\frac{D_{\mathrm{gr}}(i_{\mathrm{gr}}^{\′\′}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{zy}}(i_{\mathrm{zy}}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{pw}}(i^{\′}-i_{\mathrm{gs}})}{[(C_1\·V\·\frac{6.42}{16})+(C_2\·V\·\frac{2.4}{7})]-[(C_1^{\′}\·V_1\·\frac{6.42}{16})+(C_2^{\′}\·V_1\·\frac{2.4}{7})]}\·\frac{12}{39.35}.$

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的一种燃煤锅炉运行效率计算方法，首先，通过测量排烟气中CO和CO₂气体的浓度、引风门中排烟气的流量、鼓风门中CO和CO₂的气体浓度和鼓风流量，根据碳平衡原理，计算出燃煤锅炉内的总热能；其次，通过测量蒸汽管道中的蒸汽压力、蒸汽流量、过热蒸汽压力和蒸汽焓值，计算出燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量；最后，根据燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量与燃煤锅炉内的总热能的比值，计算出燃煤锅炉的运行效率。通过采用逆向碳效率计算法，避免了对煤炭质地成分的分析工作，有效地降低了燃煤锅炉运行效率测量的生产成本，且通过采用逆向碳效率计算法，避免了在高温环境对排气含氧量的测量，有效地延长了测量探头的使用寿命，且逆向碳效率计算法充分利用了现有锅炉监测系统的监测量，没有增加锅炉监测系统的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种燃煤锅炉运行效率计算方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种燃煤锅炉运行效率计算方法，通过逆向碳的锅炉运行效率计算方法，有效地避免了对燃煤质地进行分析，同时也避免了现行燃烧效率分析仪对烟气中O₂含量的测量。

如图1所示，一种燃煤锅炉运行效率计算方法，包括:

S101、通过测量排烟气中CO和CO₂气体的浓度、排烟气的流量、鼓风门中CO和CO₂的气体浓度和鼓风流量，根据碳平衡原理，计算出燃煤锅炉内的总热能；

S102、通过测量蒸汽管道中的蒸汽压力、蒸汽流量、过热蒸汽压力和蒸汽焓值，计算出燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量；

S103、根据燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量与燃煤锅炉内的总热能的比值，计算出燃煤锅炉的运行效率。

具体的，根据燃煤锅炉运行效率计算的热力学平衡理论，输入锅炉系统的能量等于有效利用的能量加上各种损耗的能量。输入的能量来源于燃煤、天然气等燃煤燃烧过程中释放的能量，有效利用的能量为产生蒸汽所消耗的能量，能量损耗包括排烟热损失、机械不完全燃烧热损失、排烟热损失、表面散热损失等。锅炉燃烧效率计算的热平衡公式如下：

Q'_r=Q₁'+Q'₂+Q'₃+Q'₄+Q'₅+Q'6         (1)

式中：Q'_r为输入锅炉的能量；Q'₁为有效利用热；Q'₂为排烟热损失；Q'₃为气体未完全燃烧热损失；Q'₄为固体未完全燃烧热损失；Q'₅为散热损失；Q'₆为灰渣物理热损失；

步骤S101主要是通过测量排烟气中CO和CO2气体的浓度，排烟气的流量，鼓风门中CO和CO2的气体浓度，鼓风流量等参数，依据锅炉系统碳平衡的原理，逆向测量输入燃煤锅炉内部的碳的含量，进而建立输入燃煤锅炉内部总热能的计算公式。输入锅炉内部的总能量计算主要是依据输入锅炉内纯碳完全燃烧所释放的化学能。输入锅炉内部的总能量Q'_r计算所遵循的化学方程式为：

C+O₂=CO₂      ΔJ=-393.5kJ/mol             (2)

式中，1mol碳完全燃烧释放出来的能量为393.5kJ，而1mol碳的质量为12g。故1kg碳完全燃烧释放出来的能量为(393500/12)kJ/kg。因此逆向碳模型中计算分量Q'_r的公式如下：

Q'_r=(Q'_r1-Q'_r2)·393500/12              (3)

式中：Q'_r1为引风门空气中碳的含量，单位为kg；Q'_r2为鼓风门空气中碳的含量，单位为kg；由于CO2的浓度1ppm≈2.14mg/m3=2.14·10-4kg/m3，CO的浓度1ppm≈0.8mg/m3=0.8·10-4kg/m3。CO2气体中碳元素的含量占3/16，CO气体中碳元素含量占3/7，因此Q'_r1和Q'_r2的计算公式如下：

$Q_{r1}^{\′}=[\frac{3}{16}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(C_1\·V\·2.14)\mathrm{dt}+\frac{3}{7}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(C_2\·V\·0.8)\mathrm{dt}]\·{10}^{-4}/3600;$

$Q_{r2}^{\′}=[\frac{3}{16}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_i=t_k}(C_1^{\′}\·V_1\·2.14)\mathrm{dt}+\frac{3}{7}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(C_2^{\′}\·V_1\·0.8)\mathrm{dt}]{10}^{-4}/3600---\left(4\right)$

式中：C₁为引风门中CO2的浓度，单位为ppm；C₂为引风门中CO的浓度，单位为ppm；V为引风门气体流量，单位为m3/h；tk为累计时间，单位为s；C'₁为鼓风门CO2的浓度，单位为ppm；C'₂为鼓风门CO的浓度，单位为ppm；V₁为鼓风门流量，单位为m3/h；

步骤S102中主要是通过测量蒸汽管道中蒸汽压力，蒸汽流量，过热蒸汽压力，蒸汽焓值等参数来计算燃煤锅炉产生蒸汽所消耗的能量Q'₁，建立燃煤锅炉系统有效利用热能的计算公式。

考虑到中小型工业锅炉通常没有进行用后蒸汽的回流加热处理，因此锅炉燃烧效率计算的逆向碳模型中产生蒸汽所消耗的能量Q'₁所示：

$Q_1^{\′}=\frac{\left[{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(D_{\mathrm{gr}}(i_{\mathrm{gr}}^{\′\′}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{zy}}(i_{\mathrm{zy}}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{pw}}(i^{\′}-i_{\mathrm{gs}}))\mathrm{dt}\right]}{3600}---\left(5\right)$

式中，D_gr为过热蒸汽流量，单位为kg/h；D_zy为自用蒸汽流量，单位为kg/h；D_pw为排污水流量，单位为kg/h；i''为过热蒸汽焓，单位为kJ/kg；i_zy为自用蒸汽焓，单位为kJ/kg；i'为饱和蒸汽焓，单位为kJ/kg；i_gs为给水焓，单位为kJ/kg；

在公式(5)中，给水焓值i_gs的计算按照t_水·4.18kJ/(kg·℃)可以计算得出，通常情况下，给水温度t_水大致取为40℃。自用蒸汽焓主要用于除氧器，通常情况下，工业锅炉都带有过热器，自用蒸汽基本来源于过热蒸汽，因此i_zy=i”_gr。

步骤S103中，根据步骤S101中计算的输入燃煤锅炉内部的总能量Q'_r和步骤S102中计算的产生蒸汽所利用的热能Q'₁，建立燃煤锅炉运行系统的运行效率值的计算公式。

由公式(2)～(5)可知，“逆向碳”计算法中计算的燃煤锅炉运行效率η如公式(6)所示：

$\begin{array}{c}\mathrm{\η}=\frac{Q_1^{\′}}{Q_r^{\′}}=\frac{Q_1^{\′}\·12}{(Q_{r1}^{\′}-Q_{r2}^{\′})\·393500}\\ =\frac{D_{\mathrm{gr}}(i_{\mathrm{gr}}^{\′\′}-i_{\mathrm{gr}})+D_{\mathrm{zy}}(i_{\mathrm{zy}}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{pw}}(i^{\′}-i_{\mathrm{gs}})}{[(C_1\·V\·\frac{6.42}{16})+(C_2\·V\·\frac{2.4}{7})]-[(C_1^{\′}\·V_1\·\frac{6.42}{16})+(C_2^{\′}\·V_1\·\frac{2.4}{7})]}\·\frac{12}{39.35}\end{array}---\left(6\right)$

在公式(6)中，分子中各种焓值的计算可以查找燃煤锅炉的数据手册获取，各种流量的测量有相应的流量传感器；分母中的各种浓度的测量有相应的浓度传感器，气体流量的测量有相应的流量传感器。通过后续计算，锅炉的运行效率便可以大致计算出来，简单适用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种燃煤锅炉运行效率的监测方法，其特征在于，包括:

通过测量排烟气中CO和CO₂气体的浓度、排烟气的流量、鼓风门中CO和CO₂的气体浓度和鼓风流量，根据碳平衡原理，计算出燃煤锅炉内的总热能；

通过测量蒸汽管道中的蒸汽压力、蒸汽流量、过热蒸汽压力和蒸汽焓值，计算出燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量；

根据燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量与燃煤锅炉内的总热能的比值，计算出燃煤锅炉的运行效率。

2.根据权利要求1所述的燃煤锅炉运行效率的监测方法，其特征在于，所述通过测量排烟气中CO和CO₂气体的浓度、排烟气的流量、鼓风门中CO和CO₂的气体浓度和鼓风流量，根据碳平衡原理，计算出燃煤锅炉内的总热能的计算公式为：

Q'_r=(Q'_r1-Q'_r2)·393500/12；

$Q_{r1}^{\′}=[\frac{3}{16}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(C_1\·V\·2.14)\mathrm{dt}+\frac{3}{7}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(C_2\·V\·0.8)\mathrm{dt}]\·{10}^{-4}/3600;$

$Q_{r2}^{\′}=[\frac{3}{16}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_i=t_k}(C_1^{\′}\·V_1\·2.14)\mathrm{dt}+\frac{3}{7}\·{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(C_2^{\′}\·V_1\·0.8)\mathrm{dt}]{10}^{-4}/3600;$

其中，Q'_r1为引风门空气中碳的含量，单位为kg；Q'_r2为鼓风门空气中碳的含量，单位为kg；C₁为引风门中CO₂的浓度，单位为ppm；C₂为引风门中CO的浓度，单位为ppm；V为引风门气体流量，单位为m³/h；t_k为累计时间，单位为s；C'₁为鼓风门中CO₂的浓度，单位为ppm；C'₂为鼓风门中CO的浓度，单位为ppm；V₁为鼓风门流量，单位为m³/h。

3.根据权利要求2所述的燃煤锅炉运行效率的监测方法，其特征在于，所述通过测量蒸汽管道中的蒸汽压力、蒸汽流量、过热蒸汽压力和蒸汽焓值，计算出燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量的计算公式为：

$Q_1^{\′}=\frac{\left[{\∫}_{t_1=0}^{t_1=t_k}(D_{\mathrm{gr}}(i_{\mathrm{gr}}^{\′\′}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{zy}}(i_{\mathrm{zy}}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{pw}}(i^{\′}-i_{\mathrm{gs}}))\mathrm{dt}\right]}{3600};$

其中，D_gr为过热蒸汽流量，单位为kg/h；D_zy为自用蒸汽流量，单位为kg/h；D_pw为排污水流量，单位为kg/h；i''为过热蒸汽焓，单位为kJ/kg；i_zy为自用蒸汽焓，单位为kJ/kg；i'为饱和蒸汽焓，单位为kJ/kg；i_gs为给水焓，单位为kJ/kg。

4.根据权利要求3所述的燃煤锅炉运行效率的监测方法，其特征在于，所述根据燃煤锅炉产生的蒸汽所消耗的热量与燃煤锅炉内的总热能的比值，计算出燃煤锅炉的运行效率的计算公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{Q_1^{\′}}{Q_r^{\′}}=\frac{Q_1^{\′}\·12}{(Q_{r1}^{\′}-Q_{r2}^{\′})\·393500};$

$=\frac{D_{\mathrm{gr}}(i_{\mathrm{gr}}^{\′\′}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{zy}}(i_{\mathrm{zy}}-i_{\mathrm{gs}})+D_{\mathrm{pw}}(i^{\′}-i_{\mathrm{gs}})}{[(C_1\·V\·\frac{6.42}{16})+(C_2\·V\·\frac{2.4}{7})]-[(C_1^{\′}\·V_1\·\frac{6.42}{16})+(C_2^{\′}\·V_1\·\frac{2.4}{7})]}\·\frac{12}{39.35}.$

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