CN104238534A - 一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置及监测方法，包括数据采集单元和数据处理单元，机组分散控制系统采集高炉煤气锅炉及高、低温段省煤器的运行数掘，将运行数据存储在实时数据库服务器和镜像数据库服务器中，计算服务器从镜像数据库服务器中读取运行数据，对其进行计算处理获得高温段省煤器沸腾度的计算结果，并把计算结果存入镜像数据库服务器，WEB发布服务器将计算结果发布到用户显示终端；用户通过用户显示终端可以实时查阅高温段省煤器的沸腾度数值，并以此为依据进行锅炉运行调整来控制高温段省煤器沸腾度，使高温段省煤器处于安全状态，以确保高炉煤气锅炉的安全稳定运行，并延长高炉煤气锅炉省煤器的使用寿命。

Description

一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置和监测方法

技术领域

本发明涉及热能工程的锅炉技术领域，尤其涉及一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置以及基于该监测装置的监测方法。

背景技术

钢铁企业在冶炼过程中产生了大量的副产煤气，包括高炉煤气、转炉煤气以及焦炉煤气。其中，高炉煤气在炼铁工序中产生，其数量是三种煤气中最大的。然而，由于高炉煤气含氮量高，发热量较低且燃烧稳定性差，许多钢铁厂对高炉煤气的利用都不够充分，大量高炉煤气被直接放散，造成了能源的巨大浪费。如何利用好宝贵的高炉煤气资源，一直是钢铁厂相关技术人员普遍关心的问题。

近年来，随着低热值燃料燃烧技术的发展，高炉煤气锅炉在钢铁企业中得到了大量应用，并取得了较好的成效。然而，高炉煤气锅炉的设计与运行方面还未达到完全合理，仍然存在不少细节需要改进，其中省煤器的沸腾问题是众多运行问题中的热点问题。

对于燃用高炉煤气的锅炉，其燃烧与换热特点与常规燃煤锅炉有较大不同，主要体现在以下几方面：一方面，由于高炉煤气中含有大量的不可燃气体(仅氮气含量就高达50％～60％)，高炉煤气燃烧时的理论燃烧温度比煤粉低很多，如一般烟煤的理论燃烧温度约为1800℃～2200℃，而即使是经过煤气加热器预热后的高炉煤气，其理论燃烧温度也只有1300℃～1450℃，由于炉内火焰的热辐射力与其绝对燃烧温度的四次方成正比，高炉煤气较低的燃烧温度必然造成其火焰辐射力偏弱；另一方面，与燃用煤和油不同，锅炉在燃用高炉煤气时，燃烧产生的烟气中不含有碳黑和灰粒，炉内换热只能依靠烟气中的三原子气体进行辐射热传递，这就造成高炉煤气锅炉烟气自身的辐射力较弱，大大低于常规的燃煤锅炉；此外，高炉煤气锅炉的烟气量较大，烟气流速较高，导致烟气还未来得及完全换热就已流至下一级换热面，造成大量的热量被带至尾部受热面。这样，对于燃用高炉煤气的锅炉，在工质从水到饱和蒸汽所需的总吸热量中，炉膛内蒸发受热面只能完成55％左右，其余的吸热必须通过省煤器来完成，造成给水在省煤器中极易产生一定程度的汽化。

省煤器沸腾度是用来表征省煤器内蒸汽量与流经省煤器给水总量百分比的指标参数，其设计值通常为10％～15％，一般不超过20％。当省煤器沸腾度过高时，会对锅炉的安全运行产生极大的威胁：1)沸腾度过高意味着给水的大量汽化，由于蒸汽的比容要比水大很多，给水汽化必然引起汽水流动阻力的增加，从而造成省煤器压降的大幅增加；2)当省煤器沸腾度达到一定数值时，省煤器内的混合物由水中含汽转变为汽中含水，汽水混合物的流动状态也会随之发生改变，原本汽水流经管路中的弯头部位时，对弯头背部内表面的冲刷是连续均匀的，但随着汽水比值的波动性变化，蒸汽中的水滴就像风中的沙砾一样，在离心力的作用下，间断地大力冲击弯头内壁，从而形成了纵向冲蚀槽沟纹理，随着时间的积累，管子内壁不停地减薄，最终形成泄漏，发生爆管事故；3)沸腾度过高时，省煤器极易出现局部管段内发生膜态沸腾的现象，管内蒸汽气泡生成速度过快，形成连片汽膜，将给水与管壁分离，导致传热恶化，并随着外界条件变化引起管子壁温频繁变化，发生疲劳破坏，经过一定使用周期后发牛裂纹或断裂。

由此可见，需要有一种方法对高炉煤气锅炉省煤器的沸腾度进行在线监测，为高炉煤气锅炉运行人员的操作调整提供依据，确保锅炉的安全运行。然而，从理论而言，要想精确实现省煤器沸腾度的在线监测，不仅需要如省煤器烟气侧进口温度、省煤器烟气侧出口温度、锅炉给水流量等常规锅炉都会实时测量的数据，还需要包括入炉煤气成分和省煤器处烟气成分等并非所有锅炉都会在线测量的数据，而实际现状是大多数钢铁厂都未配置入炉煤气实时检测分析仪和省煤器处烟气成分在线分析仪。

此外，目前国内已投运的煤气锅炉中，一定容量以上的煤气锅炉一般都采用省煤器分级布置的方式，即省煤器分为高温段和低温段两部分，通过分级加热给水来进行烟气能量的梯级利用。对于这类分级布置的省煤器，给水沸腾一般发生在高温段省煤器中。因此，高温段省煤器的运行安全性是煤气锅炉运行人员尤为关注的问题。

基于此背景，如何在钢铁厂现有热工仪表配置条件下，构建一套适用于省煤器分级布置的高炉煤气锅炉的省煤器沸腾度在线监测方法，是当前亟待解决的工程问题，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置以及基于该监测装置的监测方法。

本发明的技术方案是提供一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置，其设计要点，包括：

数据采集单元，其包括机组分散控制系统、实时数据库服务器和第一交换机，第一交换机分别和机组分散控制系统、实时数据库服务器连接；机组分散控制系统采集高炉煤气锅炉的运行数据，并通过第一交换机将所采集的运行数据存储在实时数据库服务器中；

数据处理单元，其包括镜像数据库服务器、计算服务器、WEB发布服务器、用户显示终端和第二交换机，第二交换机分别和镜像数据库服务器、计算服务器、WEB发布服务器、用户显示终端连接；实时数据库服务器把所接收并存储的运行数据发送到镜像数据库服务器进行保存，计算服务器从镜像数据库服务器中读取运行数据，对所读取的运行数据进行计算处理获得高温段省煤器沸腾度的计算结果，并将计算结果存入镜像数据库服务器，WEB发布服务器将所述计算结果发布到用户显示终端；

单向物理隔离装置，所述第一交换机、单向物理隔离装置和第二交换机顺次连接。

所述机组分散控制系统与设置在高温段省煤器烟气侧进口端的高温段省煤器进烟温度传感器、设置在高温段省煤器烟气侧出口端的高温段省煤器出烟温度传感器、设置在高温段省煤器水侧进口端的高温段省煤器进水温度传感器、设置在高温段省煤器水侧出口端的高温段省煤器出水温度传感器、设置在高温段省煤器水侧进口端的高温段省煤器进水压力传感器、设置在低温段省煤器烟气侧进口端的低温段省煤器进烟温度传感器、设置在低温段省煤器烟气侧出口端的低温段省煤器出烟温度传感器、设置在低温段省煤器水侧进口端的低温段省煤器进水温度传感器、设置在低温段省煤器水侧出口端的低温段省煤器出水温度传感器、设置在低温段省煤器水侧进口端的低温段省煤器进水压力传感器、设置在低温段省煤器水侧出口端的低温段省煤器出水压力传感器、设置在锅炉给水母管上的给水流量传感器相连接。

进一步地，所述运行数据包括高温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，g、高温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，g、高温段省煤器水侧进口温度t′_s，g、高温段省煤器水侧出口温度t″_s，g、高温段省煤器水侧进口压力p′_s，g、低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d、低温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，d、低温段省煤器水侧进口温度t′_s，d、低温段省煤器水侧出口温度t″_s，d、低温段省煤器水侧进口压力p′_s，d、低温段省煤器水侧出口压力p″_s，d、锅炉给水流量G_gs。

本发明的工作方式是：本发明的在线监测装置中的机组分散控制系统将采集到的运行数据经由第一交换机发送并存储至实时数据库服务器中；实时数据库服务器将所接收并存储的运行数据通过相互连接的第一交换机、第二交换机发送到镜像数据库服务器进行保存；计算服务器读取镜像数据库服务器中的运行数据，对运行数据进行计算处理得到高温段省煤器沸腾度的计算结果，并将计算结果存入镜像数据库服务器；WEB发布服务器将计算结果发布到用户显示终端。

木发明的技术方案是提供一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测方法，其设计要点，包括：

步骤1：数据采集单元的机组分散控制系统采集高炉煤气锅炉的运行数据，将所述运行数据存储在实时数据库服务器中，实时数据库服务器把所接收并存储的运行数据发送到镜像数据库服务器进行保存；

步骤2：数据处理单元的计算服务器从镜像数据库服务器中读取运行数据；

步骤3：对步骤2中的运行数据进行包括坏点处理和数据平滑处理在内的数据预处理；

步骤4：根据步骤3预处理过的运行数据进行计算处理，获得高温段省煤器的沸腾度，包括以下计算步骤：

步骤4a：根据低温段省煤器的运行数据计算出省煤器烟气侧的总烟气量，包括以下步骤：

步骤4a-1：根据低温段省煤器水侧进口温度t′_s，d和低温段省煤器水侧进口压力p′_s，d计算得到低温段省煤器水侧进口水焓值h′_s，d，根据低温段省煤器水侧出口温度t″_s，d和低温段省煤器水侧出口压力p″_s，d计算得到低温段省煤器水侧出口水焓值h″_s，d；

步骤4a-2：根据低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d计算得到低温段省煤器烟气侧进口烟气焓值h′_y，d，根据低温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，d计算得到低温段省煤器烟气侧出口烟气焓值h″_y，d：

步骤4a-3：根据锅炉给水流量G_gs和低温段省煤器的换热效率η_d，以及步骤4a-1和步骤4a-2的结果计算得到省煤器烟气侧的总烟气量：

$V_y=\frac{G_{\mathrm{gs}}(h_{s,d}^{\′\′}-h_{s,d}^{\′})}{{\mathrm{\η}}_d(h_{y,d}^{\′}-h_{y,d}^{\′\′})}$

式中，V_y为省煤器烟气侧的总烟气量，m³/h；G_gs为锅炉给水流量，kg/h；h″_s，d为低温段省煤器水侧出口水焓值，kJ/kg；h′_s，d为低温段省煤器水侧进口水焓值，kJ/kg；h″_y，d为低温段省煤器烟气侧出口烟气焓值，kJ/m³；h′_y，d为低温段省煤器烟气侧进口烟气焓值，kJ/m³；η_d为低温段省煤器的换热效率，-；

步骤4b：根据高温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，g计算得到高温段省煤器烟气侧进口烟气焓值h′_y，g，根据高温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，g计算得到高温段省煤器烟气侧出口烟气焓值h″_y，g；

步骤4c：根据高温段省煤器水侧进口温度t′_s，g、高温段省煤器水侧进口压力p′_s，g计算得到高温段省煤器水侧进口水焓值h′_s，g；

步骤4d：根据步骤4a～步骤4c的结果以及锅炉给水流量G_gs和高温段省煤器的换热效率η_g计算得到高温段省煤器水侧出口汽水混合物焓值h″_s，g：

$h_{s,g}^{\′\′}=\frac{{\mathrm{\η}}_g{V}_y(h_{y,g}^{\′}-h_{y,g}^{\′\′})}{G_{\mathrm{gs}}}+h_{s,g}^{\′}$

式中，h″_s，g为高温段省煤器水侧出口汽水混合物焓值，kJ/kg；h′_s，g为高温段省煤器水侧进口水焓值，kJ/kg；η_g为高温段省煤器的换热效率，-；V_y为省煤器烟气侧的总烟气量，m³/h；h″_y，g为高温段省煤器烟气侧出口烟气焓值，kJ/m³；h′_y，g为高温段省煤器烟气侧进口烟气焓值，kJ/m³；G_gs为锅炉给水流量，kg/h；

步骤4e：根据高温段省煤器水侧出口温度t″_s，g计算得到高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水焓值h_b以及高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水蒸汽焓值h_b′；

步骤4f：计算省煤器水侧出口温度对应的汽化潜热r：

r＝h_b′-h_b

式中，r为高温段省煤器水侧出口温度对应的汽化潜热，kJ/kg；h_b为高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水焓值，kJ/kg；h_b′为高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水蒸汽焓值，kJ/kg；

步骤4g：根据步骤4d～步骤4f的结果计算得到高温段省煤器沸腾度：

$x=\frac{h_{s,g}^{\′\′}-h_b}{r}$

式中，x为高温段省煤器沸腾度，-；

步骤5：将步骤4g得到的高温段省煤器沸腾度的计算结果存储至镜像数据库服务器，WEB发布服务器将计算结果发布到用户显示终端。

进一步地，所述运行数据包括高温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，g、高温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，g、高温段省煤器水侧进口温度t′_s，g、高温段省煤器水侧出口温度t″_s，g、高温段省煤器水侧进口压力p′_s，g、低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d、低温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，d、低温段省煤器水侧进口温度t′_s，d、低温段省煤器水侧出口温度t″_s，d、低温段省煤器水侧进口压力p′_s，d、低温段省煤器水侧出口压力p″_s，d、锅炉给水流量G_gs。

本发明的计算服务器从镜像数据库服务器中读取高炉煤气锅炉的实时运行数据，对所读取的运行数据进行计算处理获得高温段省煤器沸腾度的计算结果，再把计算结果存入镜像数据库服务器，WEB发布服务器将计算结果发布到用户显示终端。用户通过用户显示终端可以实时查阅浏览高温段省煤器沸腾度数值，及时掌握高温段省煤器的运行状况，如果发现高温段省煤器沸腾度超过设定的上限值，运行人员可及时通过锅炉运行调整来降低高温段省煤器沸腾度，使高温段省煤器处于安全状态，以确保高炉煤气锅炉的安全运行，并延长高炉煤气锅炉省煤器的使用寿命。

有益效果

1)实现了高炉煤气锅炉省煤器沸腾度的在线监测，机组分散控制系统采集高炉煤气锅炉的运行数据，并把运行数据存储在实时数据库服务器中；实时数据库服务器把所接收并存储的运行数据发送到镜像数据库服务器进行保存；计算服务器从镜像数据库服务器中读取运行数据，对所读取的运行数据进行计算处理获得高温段省煤器沸腾度的计算结果，并把计算结果存入镜像数据库服务器中；WEB发布服务器将所述计算结果发布到用户显示终端，用户通过用户显示终端可以实时查阅浏览高温段省煤器沸腾度数值，及时掌握高温段省煤器的运行状况。如果发现高温段省煤器沸腾度超过设定的上限值，运行人员可及时通过锅炉运行调整来降低高温段省煤器沸腾度，使高温段省煤器处于安全状态，以确保高炉煤气锅炉的安全稳定运行，并延长高炉煤气锅炉省煤器的使用寿命。

2)木发明简单易行，需要测量的运行参数少，不需要增加昂贵的在线测量仪表，所需的运行参数几乎是目前所有高炉煤气锅炉都配置的基本测量项目，故成本低，容易实现。

3)本发明适用于省煤器分级布置的高炉煤气锅炉，由于目前大中型高炉煤气锅炉普遍采用省煤器分级布置的模式，因此本发明可应用于当前大多数高炉煤气锅炉。

附图说明

图1本发明装置的示意框图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

实施方式1在线监测装置：

在本节，高炉煤气锅炉采用分级布置省煤器，以实现能量的梯级利用，提高能量的利用效率。在高炉煤气锅炉烟道中位于烟气流程上游的省煤器，在此称为高温段省煤器；在高炉煤气锅炉烟道中位于烟气流程下游的省煤器，在此称为低温段省煤器；在实施方式2中亦同，将不再表述。

本发明的一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置包括数据采集单元、单向物理隔离装置和数据处理单元，所述数据采集单元和数据处理单元之间通过单向物理隔离装置进行连接。

其中，数据采集单元，包括机组分散控制系统、实时数据库服务器和第一交换机，第一交换机分别和机组分散控制系统、实时数据库服务器连接，机组分散控制系统采集高炉煤气锅炉的运行数据，并通过第一交换机将所采集的运行数据存储在实时数据库服务器中。所述机组分散控制系统与设置在高温段省煤器烟气侧进口端的高温段省煤器进烟温度传感器、设置在高温段省煤器烟气侧出口端的高温段省煤器出烟温度传感器、设置在高温段省煤器水侧进口端的高温段省煤器进水温度传感器、设置在高温段省煤器水侧出口端的高温段省煤器出水温度传感器、设置在高温段省煤器水侧进口端的高温段省煤器进水压力传感器、设置在低温段省煤器烟气侧进口端的低温段省煤器进烟温度传感器、设置在低温段省煤器烟气侧出口端的低温段省煤器出烟温度传感器、设置在低温段省煤器水侧进口端的低温段省煤器进水温度传感器、设置在低温段省煤器水侧出口端的低温段省煤器出水温度传感器、设置在低温段省煤器水侧进口端的低温段省煤器进水压力传感器、设置在低温段省煤器水侧出口端的低温段省煤器出水压力传感器、设置在锅炉给水母管上的给水流量传感器相连接。所述运行数据包括高温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，g、高温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，g、高温段省煤器水侧进口温度t′_s，g、高温段省煤器水侧出口温度t″_s，g、高温段省煤器水侧进口压力p′_s，g、低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d、低温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，d、低温段省煤器水侧进口温度t′_s，d、低温段省煤器水侧出口温度t″_s，d、低温段省煤器水侧进口压力p′_s，d、低温段省煤器水侧出口压力p″_s，d、锅炉给水流量G_gs；

其中，所述数据处理单元，包括镜像数据库服务器、计算服务器、WEB发布服务器、用户显示终端和第二交换机，第二交换机分别和镜像数据库服务器、计算服务器、WEB发布服务器、用户显示终端连接；实时数据库服务器把所接收并存储的运行数据发送到镜像数据库服务器进行保存，计算服务器从镜像数据库服务器中读取运行数据，对所读取的运行数据进行计算处理获得高温段省煤器沸腾度的计算结果，并将计算结果存入镜像数据库服务器，WEB发布服务器将计算结果发布到用户显示终端。

实施方式2在线监测方法：

基于实施方式1中的省煤器布置方式及省煤器沸腾度在线监测装置，本发明提供了一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测方法，其设计要点在于，包括以下步骤：

步骤1：数据采集单元的机组分散控制系统采集高炉煤气锅炉的运行数据，将所述运行数据存储在实时数据库服务器中，实时数据库服务器把所接收并存储的运行数据发送到镜像数据库服务器进行保存；

所述机组分散控制系统与设置在高温段省煤器烟气侧进口端的高温段省煤器进烟温度传感器、设置在高温段省煤器烟气侧出口端的高温段省煤器出烟温度传感器、设置在高温段省煤器水侧进口端的高温段省煤器进水温度传感器、设置在高温段省煤器水侧出口端的高温段省煤器出水温度传感器、设置在高温段省煤器水侧进口端的高温段省煤器进水压力传感器、设置在低温段省煤器烟气侧进口端的低温段省煤器进烟温度传感器、设置在低温段省煤器烟气侧出口端的低温段省煤器出烟温度传感器、设置在低温段省煤器水侧进口端的低温段省煤器进水温度传感器、设置在低温段省煤器水侧出口端的低温段省煤器出水温度传感器、设置在低温段省煤器水侧进口端的低温段省煤器进水压力传感器、设置在低温段省煤器水侧出口端的低温段省煤器出水压力传感器、设置在锅炉给水母管上的给水流量传感器相连接；

其中，所述运行数据包括高温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，g、高温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，g、高温段省煤器水侧进口温度t′_s，g、高温段省煤器水侧出口温度t″_s，g、高温段省煤器水侧进口压力p′_s，g、低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d、低温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，d、低温段省煤器水侧进口温度t′_s，d、低温段省煤器水侧出口温度t″_s，d、低温段省煤器水侧进口压力p′_s，d、低温段省煤器水侧出口压力p″_s，d、锅炉给水流量G_gs。

步骤2：数据处理单元的计算服务器通过测点KKS码点号从镜像数据库服务器中读取运行数据；

步骤3：对步骤2中的运行数据进行包括坏点处理和数据平滑处理在内的数据预处理。其中对坏点处理采用多项式滑动拟合方法判断坏点，并对坏点进行剔除；对数据平滑处理采用平滑滤波法，以消除或减弱数据采样干扰的影响；

步骤4：采用步骤3预处理过的运行数据进行计算处理，获得高温段省煤器的沸腾度，包括以下计算步骤：

步骤4a：根据低温段省煤器的运行数据计算出省煤器烟气侧的总烟气量，包括以下步骤：

步骤4a-1：采用经典的1997年国际水和水蒸汽性质协会提出的工业用水和水蒸汽热力性质模型，简称IAPWS-IF97(Association for the Properties of Water and Steam)，根据低温段省煤器水侧进口温度t′_s，d和低温段省煤器水侧进口压力p′_s，d计算得到低温段省煤器水侧进口水焓值h′_s，d，根据低温段省煤器水侧出口温度t″_s，d和低温段省煤器水侧出口压力p″_s，d计算得到低温段省煤器水侧出口水焓h″_s，d；

步骤4a-2：根据低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d计算得到低温段省煤器烟气侧进口烟气焓值h′_y，d，根据低温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，d计算得到低温段省煤器烟气侧出口烟气焓值h″_y，d；

下面，以进口烟气焓值计算为例，演示一下根据低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d计算得到低温段省煤器烟气侧进口烟气焓值h′_y，d的过程：

1)根据低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d，通过编制好的各种气体的焓值与温度对应关系表，采用插值计算法，分别计算出O₂、CO₂、N₂、H₂O在θ′_y，d温度下对应的焓值

2)然后采用下式计算得到低温段省煤器烟气侧进口烟气焓值h′_y，d：

$h_{y,d}^{\′}=a\×h_{{\text{\θ}}_{y,d}^{\′},O_2}+b\×h_{{\mathrm{\θ}}_{y,d}^{\′},{\mathrm{CO}}_2}+c\×h_{{\mathrm{\θ}}_{y,d}^{\′},N_2}+d\×h_{{\mathrm{\θ}}_{y,d}^{\′},H_{2}O}---\left(1\right)$

式中，h′_y，d为低温段省煤器烟气侧进口烟气焓值，kJ/m³；分别为O₂、CO₂、N₂、H₂O在θ′_y，d温度下对应的焓值，kJ/m³；系数a、b、c、d分别为低温段省煤器烟气侧烟气中O₂、CO₂、N₂、H₂O的体积占比。

为方便计算，a、b、c、d、e可以采用设定值，如a＝0.04、b＝0.21、c＝0.70、d＝0.05，由于锅炉运行过程中，烟气成分的波动变化幅度不会太大，因此烟气焓值主要受烟气温度影响；此外，由于采用的是加权平均法，各成分波动变化的影响经过加权平均处理后会得到弱化，因此采用该处理方式得到的烟气焓值较为可靠，相对误差应该在2％以内，能满足工程应用。

步骤4a-3：根据锅炉给水流量G_gs和低温段省煤器的换热效率η_d，以及步骤4a-1和步骤4a-2的结果计算得到省煤器烟气侧的总烟气量：

$V_y=\frac{G_{\mathrm{gs}}(h_{s,d}^{\′\′}-h_{s,d}^{\′})}{{\mathrm{\η}}_d(h_{y,d}^{\′}-h_{y,d}^{\′\′})}---\left(2\right)$

式中，V_y为省煤器烟气侧的总烟气量，m³/h；G_gs为锅炉给水流量，kg/h；h″_s，d为低温段省煤器水侧出口水焓值，kJ/kg；h′_s，d为低温段省煤器水侧进口水焓值，kJ/kg；h″_y，d为低温段省煤器烟气侧出口烟气焓值，kJ/m³；h′_y，d为低温段省煤器烟气侧进口烟气焓值，kJ/m³；η_d为低温段省煤器的换热效率，-，可取为设计值；

需要说明的是，由于高炉煤气锅炉尾部烟道漏风量很小，而高温段省煤器与低温段省煤器在烟道中又是串联连接，因此流经高温段省煤器与低温段省煤器烟气侧的总烟气量可视为相等，统称为省煤器烟气侧的总烟气量。

步骤4b：根据高温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，g计算得到高温段省煤器烟气侧进口烟气焓值h′_y，g，根据高温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，g计算得到高温段省煤器烟气侧出口烟气焓值h″_y，g；烟气焓值的计算方法同步骤4a-2；

步骤4c：采用经典的IAPWS-IF97模型，根据高温段省煤器水侧进口温度t′_s，g、高温段省煤器水侧进口压力p′_s，g计算得到高温段省煤器水侧进口水焓值h′_s，g；

步骤4d：根据步骤4a～步骤4c的结果以及锅炉给水流量G_gs和高温段省煤器的换热效率η_g计算得到高温段省煤器水侧出口汽水混个物焓值h″_s，g：

$h_{s,g}^{\′\′}=\frac{{\mathrm{\η}}_g{V}_y(h_{y,g}^{\′}-h_{y,g}^{\′\′})}{G_{\mathrm{gs}}}+h_{s,g}^{\′}---\left(3\right)$

式中，h″_s，g为高温段省煤器水侧出口汽水混合物焓值，kJ/kg；h′_s，g为高温段省煤器水侧进口水焓值，kJ/kg；η_g为高温段省煤器的换热效率，-，可取为设计值；V_y为省煤器烟气侧的总烟气量，m³/h；h″_y，g为高温段省煤器烟气侧出口烟气焓值，kJ/m³；h′_y，g为高温段省煤器烟气侧进口烟气焓值，kJ/m³；G_gs为锅炉给水流量，kg/h；

步骤4e：根据高温段省煤器水侧出口温度t″_s，g，采用经典的IAPWS-IF97模型，计算得到高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水焓值h_b以及高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水蒸汽焓值h_b′：

步骤4f：计算省煤器水侧出口温度对应的汽化潜热：

r＝h_b′-h_b             (4)

式中，r为高温段省煤器水侧出口温度对应的汽化潜热，kJ/kg；h_b为高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水焓值，kJ/kg；h_b′为高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水蒸汽焓值，kJ/kg；

步骤4g：根据步骤4d～步骡4f的结果计算得到高温段省煤器沸腾度：

$x=\frac{h_{s,g}^{\′\′}-h_b}{r}---\left(5\right)$

式中，x为高温段省煤器沸腾度，-；

步骤5：将步骤4g得到的高温段省煤器沸腾度的计算结果存储至镜像数据库服务器，WEB发布服务器将计算结果发布到用户显示终端。

高炉煤气锅炉烟道中分级布置省煤器时，省煤器中水的沸腾一般发生在高温段省煤器，因此高温段省煤器的沸腾度可视为整个省煤器的沸腾度，高温段省煤器沸腾度也可称为省煤器沸腾度。

本发明的计算服务器从镜像数据库服务器中读取运行数据，对所读取的运行数据进行计算处理获得高温段省煤器沸腾度的计算结果，将计算结果存入镜像数据库服务器，WEB发布服务器将计算结果发布到用户显示终端。用户通过用户显示终端可以实时查阅浏览、及时掌握高温段省煤器的运行状况。如果高温段省煤器沸腾度超过设定的上限值，运行人员可及时通过锅炉运行调整来降低高温段省煤器沸腾度，使高温段省煤器处于安全状态，以确保高炉煤气锅炉的稳定运行，并延长高炉煤气锅炉省煤器的使用寿命。

相对于现有技术而言，本发明具有如下进步性：

1)实现了高炉煤气锅炉省煤器沸腾度的在线监测，机组分散控制系统采集高炉煤气锅炉的运行数据，并把运行数据存储在实时数据库服务器中；实时数据库服务器把所接收并存储的运行数据发送到镜像数据库服务器进行保存；计算服务器从镜像数据库服务器中读取运行数据，对所读取的运行数据进行计算处理获得高温段省煤器沸腾度的计算结果，并把计算结果存入镜像数据库服务器中；WEB发布服务器将所述计算结果发布到用户显示终端，用户通过用户显示终端可以实时查阅浏览高温段省煤器沸腾度数值，及时掌握高温段省煤器的运行状况。如果发现高温段省煤器沸腾度超过设定的上限值，运行人员可及时通过锅炉运行调整来降低高温段省煤器沸腾度，使高温段省煤器处于安全状态，以确保高炉煤气锅炉的安全稳定运行，并延长高炉煤气锅炉省煤器的使用寿命。

2)木发明简单易行，需要测量的运行参数少，不需要增加昂贵的在线测量仪表，所需的运行数据几乎是目前所有高炉煤气锅炉都会配置的基本测量项目，故成本低，容易实现。

3)本发明适用于省煤器分级布置的高炉煤气锅炉，由于目前大中型高炉煤气锅炉普遍采用省煤器分级布置的模式，因此本发明可应用于当前大多数高炉煤气锅炉。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置，其特征在于，包括：

数据采集单元，其包括机组分散控制系统、实时数据库服务器和第一交换机，第一交换机分别和机组分散控制系统、实时数据库服务器连接；机组分散控制系统采集高炉煤气锅炉的运行数据，并通过第一交换机将所采集的运行数据存储在实时数据库服务器中；

数据处理单元，其包括镜像数据库服务器、计算服务器、WEB发布服务器、用户显示终端和第二交换机，第二交换机分别和镜像数据库服务器、计算服务器、WEB发布服务器、用户显示终端连接；实时数据库服务器把所接收并存储的运行数据发送到镜像数据库服务器进行保存，计算服务器从镜像数据库服务器中读取运行数据，对所读取的运行数据进行计算处理获得高温段省煤器沸腾度的计算结果，并将计算结果存入镜像数据库服务器，WEB发布服务器将所述计算结果发布到用户显示终端；

单向物理隔离装置，所述第一交换机、单向物理隔离装置和第二交换机顺次连接。

所述机组分散控制系统与设置在高温段省煤器烟气侧进口端的高温段省煤器进烟温度传感器、设置在高温段省煤器烟气侧出口端的高温段省煤器出烟温度传感器、设置在高温段省煤器水侧进口端的高温段省煤器进水温度传感器、设置在高温段省煤器水侧出口端的高温段省煤器出水温度传感器、设置在高温段省煤器水侧进口端的高温段省煤器进水压力传感器、设置在低温段省煤器烟气侧进口端的低温段省煤器进烟温度传感器、设置在低温段省煤器烟气侧出口端的低温段省煤器出烟温度传感器、设置在低温段省煤器水侧进口端的低温段省煤器进水温度传感器、设置在低温段省煤器水侧出口端的低温段省煤器出水温度传感器、设置在低温段省煤器水侧进口端的低温段省煤器进水压力传感器、设置在低温段省煤器水侧出口端的低温段省煤器出水压力传感器、设置在锅炉给水母管上的给水流量传感器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测装置，其特征在于，所述运行数据包括高温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，g、高温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，g、高温段省煤器水侧进口温度t′_s，g、高温段省煤器水侧出口温度t″_s，g、高温段省煤器水侧进口压力p″_s，g、低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d、低温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，d、低温段省煤器水侧进口温度t′_s，d、低温段省煤器水侧出口温度t″_s，d、低温段省煤器水侧进口压力p′_s，d、低温段省煤器水侧出口压力p″_s，d、锅炉给水流量G_gs。

3.一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测方法，其特征在于，包括：

步骤1：数据采集单元的机组分散控制系统采集高炉煤气锅炉的运行数据，将所述运行数据存储至实时数据库服务器中，实时数据库服务器把所接收并存储的运行数据发送到镜像数据库服务器进行保存；

步骤2：数据处理单元的计算服务器从镜像数据库服务器中读取运行数据；

步骤3：对步骤2中的运行数据进行包括坏点处理和数据平滑处理在内的数据预处理；

步骤4：采用步骤3预处理过的运行数据进行计算处理，获得高温段省煤器的沸腾度，包括以下计算步骤：

步骤4a：根据低温段省煤器的运行数据计算出省煤器烟气侧的总烟气量，包括以下步骤：

步骤4a-1：根据低温段省煤器水侧进口温度t′_s，d和低温段省煤器水侧进口压力p′_s，d计算得到低温段省煤器水侧进口水焓值h′_s，d，根据低温段省煤器水侧出口温度t″_s，d和低温段省煤器水侧出口压力p″_s，d计算得到低温段省煤器水侧出口水焓值h″_s，d；

步骤4a-2：根据低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d计算得到低温段省煤器烟气侧进口烟气焓值h′_y，d，根据低温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，d计算得到低温段省煤器烟气侧出口烟气焓值h″_y，d；

步骤4a-3：根据锅炉给水流量G_gs和低温段省煤器的换热效率η_d，以及步骤4a-1和步骤4a-2获得的结果计算得到省煤器烟气侧的总烟气量：

$V_y=\frac{G_{\mathrm{gs}}(h_{s,d}^{\′\′}-h_{s,d}^{\′})}{{\mathrm{\η}}_d(h_{y,d}^{\′}-h_{y,d}^{\′\′})}$

式中，V_y为省煤器烟气侧的总烟气量，m³/h；G_gs为锅炉给水流量，kg/h；h″_s，d为低温段省煤器水侧出口水焓值，kJ/kg；h′_s，d为低温段省煤器水侧进口水焓值，kJ/kg；h″_y，d为低温段省煤器烟气侧出口烟气焓值，kJ/m³；h′_y，d为低温段省煤器烟气侧进口烟气焓值，kJ/m³；η_d为低温段省煤器的换热效率，-；

步骤4b：根据高温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，g计算得到高温段省煤器烟气侧进口烟气焓值h′_y，g，根据高温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，g计算得到高温段省煤器烟气侧出口烟气焓值h″_y，g；

步骤4c：根据高温段省煤器水侧进口温度t′_s，g和高温段省煤器水侧进口压力p′_s，g计算得到高温段省煤器水侧进口水焓值h′_s，g；

步骤4d：根据步骤4a～步骤4c的结果以及锅炉给水流量G_gs和高温段省煤器的换热效率η_g计算得到高温段省煤器水侧出口汽水混合物焓值h″_s，g：

$h_{s,g}^{\′\′}=\frac{{\mathrm{\η}}_g{V}_y(h_{y,g}^{\′}-h_{y,g}^{\′\′})}{G_{\mathrm{gs}}}+h_{s,y}^{\′}$

式中，h″_s，g为高温段省煤器水侧出口汽水混合物焓值，kJ/kg；h′_s，g为高温段省煤器水侧进口水焓值，kJ/kg；η_g为高温段省煤器的换热效率，-；V_y为省煤器烟气侧的总烟气量，m³/h；h″_y，g为高温段省煤器烟气侧出口烟气焓值，kJ/m³；h′_y，g为高温段省煤器烟气侧进口烟气焓值，kJ/m³；G_gs为锅炉给水流量，kg/h；

步骤4e：根据高温段省煤器水侧出口温度t″_s，g计算得到高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水焓值h_b以及高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水蒸汽焓值h_b′；

步骤4f：计算省煤器水侧出口温度对应的汽化潜热r：

r＝h_b′-h_b

式中，r为高温段省煤器水侧出口温度对应的汽化潜热，kJ/kg；h_b为高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水焓值，kJ/kg；h_b′为高温段省煤器水侧出口温度对应的饱和水蒸汽焓值，kJ/kg；

步骤4g：根据步骤4d～步骤4f的结果计算得到高温段省煤器沸腾度：

$x=\frac{h_{s,g}^{\′\′}-h_b}{r}$

式中，x为高温段省煤器沸腾度，-；

步骤5：将步骤4g得到的高温段省煤器沸腾度的计算结果存储至镜像数据库服务器，WEB发布服务器将计算结果发布到用户显示终端。

4.根据权利要求3所述的一种高炉煤气锅炉省煤器沸腾度在线监测方法，其特征在于，所述运行数据包括高温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，g、高温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，g、高温段省煤器水侧进口温度t′_s，g、高温段省煤器水侧出口温度t″_s，g、高温段省煤器水侧进口压力p′_s，g、低温段省煤器烟气侧进口温度θ′_y，d、低温段省煤器烟气侧出口温度θ″_y，d、低温段省煤器水侧进口温度t′_s，d、低温段省煤器水侧出口温度t″_s，d、低温段省煤器水侧进口压力p′_s，d、低温段省煤器水侧出口压力p″_s，d、锅炉给水流量G_gs。