CN105181926A - 基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法，该方法利用相关数据接口，从DCS系统读取相关运行参数数据，通过设置某一时刻的燃煤热值初始值，计算煤粉与煤气混合燃料的低位热值及元素分析成分，利用反平衡效率模型计算锅炉热效率，并将其代入正平衡效率模型，获得当前燃煤热值，判断前后燃煤热值的偏差并进行迭代校正，最终确定该时刻下的燃煤热值。本发明计算简便，成本低，具有良好的可实施性和可操作性，能够很好的实现煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值的在线软测量。

Description

基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法

技术领域

本发明涉及到一种基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法，特别是配有直吹式制粉系统的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法。

背景技术

钢铁企业在生产过程中产生了大量的副产煤气，利用副产煤气进行发电是钢铁行业实现节能减排的重要措施，煤粉掺烧煤气锅炉在钢铁企业得到了大量应用，与此同时，煤粉掺烧煤气锅炉的运行优化也越来越受到企业的关注。

锅炉的运行经济性需要通过热效率来表征，而燃料的热值是计算锅炉热效率的重要输入数据之一。目前，钢铁企业基本都配备了煤气成分及热值在线分析仪，然而对燃煤热值的监测主要还是通过离线取样化验获得，煤质的工业分析存在着较大的制样误差及严重的分析时间滞后，如何实现燃煤热值在线软测量，并依此计算锅炉效率，进而优化调整锅炉运行工况，是相关技术人员一直关心的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供了一种基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法，该方法利用锅炉热平衡原理，实现了入炉煤热值的在线监测。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明方法包括：

步骤(1)：设置燃煤热值初始值

步骤(2)：计算煤粉与煤气混合燃料的低位热值及元素分析成分；

步骤(3)：计算烟气量；

步骤(4)：利用反平衡效率模型，计算锅炉各项热损失，得到锅炉反平衡热效率η_b(％)；

步骤(5)：利用正平衡效率模型，得到当前的燃煤热值

步骤(6)：若的绝对值大于给定的微小量ε，则将当前燃煤热值赋给然后重新执行步骤(2)～步骤(5)，直到的绝对值小于或等于给定的微小量ε，输出当前燃煤热值所述的微小量ε根据预定的进度确定。

上述方案中，所述的步骤(2)计算煤粉与煤气的混合燃料热值的方法为：

1)计算煤粉与煤气分别占混合燃料量的质量百分数b_coal(％)、b_gas(％)：

$b_{coal}=\frac{B_{coal}}{B_{coal}+B_{gas}{\mathrm{\ρ}}_{gas}}---\left(1\right)$

$b_{gas}=\frac{B_{gas}{\mathrm{\ρ}}_{gas}}{B_{coal}+B_{gas}{\mathrm{\ρ}}_{gas}}---\left(2\right)$

式中：B_coal——入炉瞬时燃煤量，kg/h；

B_gas——入炉煤气瞬时流量，m³/h；

ρ_gas——标准状态下气体燃料的密度，kg/m³；

2)根据燃煤与煤气的热值及质量百分数计算混合燃料低位热值

$Q_{ar,net}^{mix}=Q_{ar,net1}^c{b}_{coal}+Q_{ar,net}^g{\mathrm{\ρ}}_{gas}{b}_{gas}---\left(3\right)$

式中：——设置的燃煤低位热值初始值，kJ/kg；

——煤气低位热值，kJ/m³，可取用煤气热值在线分析仪测量值，若无，可根据煤气成分按下式计算， $Q_{ar}^g=126.36CO+107.85H_2+358.81{\mathrm{CH}}_4,$ 其中，CO、H₂、CH₄分别为煤气中相应各可燃气体成分的体积含量百分率，％。

上述方案中，所述的步骤(2)计算煤粉与煤气的混合燃料元素成分分析的方法为：

1)实际煤种元素分析成分

一般电站只能做工业分析，包括原煤水分、挥发分、灰分、固定碳及热值等，可利用修正锅炉设计煤种的元素分析成分计算出实际煤种的元素分析成分

具体计算方法为：

$X_{i,ar}^c=k_1{X}_{i,ar}^0---\left(4\right)$

$k_1=\frac{Q_{ar,net1}^c}{Q_{ar,net}^0}---\left(5\right)$

式中：——实际煤种元素分析值，即碳氢氧氮硫的百分含量，％；

——设计煤种的元素分析值，％；

k₁——实际煤种元素成分修正系数；

——设计煤种的低位热值，kJ/kg；

实际煤种水分、灰分计算方法为：

$Y_{i,ar}^c=k_2{Y}_{i,ar}^0---\left(6\right)$

$k_2=\frac{100-C_{ar}^c-H_{ar}^c-O_{ar}^c-N_{ar}^c-S_{ar}^c}{W_{ar}^0+A_{ar}^0}---\left(7\right)$

式中：——实际煤种的水分灰分％；

——设计煤种的水分灰分％；

k₂——实际煤种水分、灰分修正系数；

2)煤气元素分析成分

将煤气成分分别按下列各式换算为以收到基质量百分率表示的元素成分，计算公式为：

$C_{ar}^g=\frac{0.54}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}\[CO+{\mathrm{CO}}_2+\mathrm{\Σ}m\left(C_m{H}_n\right)\]---\left(8\right)$

$H_{ar}^g=\frac{0.045}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}\[2(H_2+H_{2}S)+\mathrm{\Σ}n\left(C_m{H}_n\right)\]---\left(9\right)$

$O_{ar}^g=\frac{0.715}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}\[CO+2({\mathrm{CO}}_2+O_2)\]---\left(10\right)$

$N_{ar}^g=\frac{1.25}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}{N}_2---\left(11\right)$

$A_{ar}^g=\frac{0.1}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}{\mathrm{\μ}}_h---\left(12\right)$

$M_{ar}^g=\frac{0.8}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}{H}_{2}O---\left(13\right)$

式中：CO、CO₂、H₂、H₂S、N₂、O₂、H₂O、C_mH_n——煤气中相应各成分的体积含量百分率，％；

——换算后煤气相应元素成分的收到基质量百分率，％；

μ_h——标准状态下煤气中的含灰浓度，g/m³；

ρ_qm——标准状态下煤气中的密度，kg/m³；

3)混合燃料元素分析成分

煤粉与煤气混合燃料的元素分析成分按下式进行计算：

$X_{ar}^{mix}=X_{ar}^c{b}_{coal}+X_{ar}^g{b}_{gas}---\left(14\right)$

式中：——实际煤种的元素成分收到基质量百分率，％；

——煤气的元素成分收到基质量百分率，％；

——混合燃料的元素成分收到基质量百分率，％。

上述方案中，所述的步骤(3)烟气量计算方法为：

$V_{gy}=V_{gy}^0+({\mathrm{\α}}_{py}-1)V_{gk}^0---\left(15\right)$

$V_{gy}^0=0.01866(C_{ar}^{mix}+0.375S_{ar}^{mix})+0.79V_{gk}^0+0.008N_{ar}^{mix}---\left(16\right)$

$V_{gk}^0=0.0889(C_{ar}^{mix}+0.375S_{ar}^{mix})+0.265H_{ar}^{mix}-0.0333O_{ar}^{mix}---\left(17\right)$

${\mathrm{\α}}_{py}=\frac{21+\frac{({O_2}^{\′}-{\mathrm{CO}}^{\′})(0.007O_{ar}^{mix}+0.008N_{ar}^{mix}-0.0557H_{ar}^{mix})}{V_{gk}^0}}{21-({O_2}^{\′}-{\mathrm{CO}}^{\′})}---\left(18\right)$

$V_{H_{2}O}=1.24(\frac{9H_{ar}^{mix}+M_{ar}^{mix}}{100}+1.293{\mathrm{\α}}_{py}{V}_{gk}^0{d}_k)---\left(19\right)$

式中：V_gy——实际干烟气量，m³/kg；

——理论干烟气量，m3/kg；

——理论干空气量，m3/kg；

——烟气中水蒸气含量，m3/kg；

α_py——排烟处的过量空气系数；

——混合燃料的H元素收到基质量百分率，％；

——混合燃料的水分收到基质量百分率，％；

O₂′——排烟中的O₂含量，％；

CO′——排烟中的CO含量，％；

d_k——环境空气绝对湿度，kg/kg，若无计量，可取值0.01。

上述方案中，所述的步骤(4)锅炉反平衡效率模型为：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)(20)

$q_2=\frac{V_{gy}{c}_{p,gy}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)+V_{H_{2}O}{c}_{p,H_{2}O}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)}{Q_r}\×100\%---\left(21\right)$

$q_3=\frac{126.36V_{gy}{\mathrm{CO}}^{\′}}{Q_r}\×100\%---\left(22\right)$

$q_4=\frac{337.27}{Q_r}{A}_{ar}^{mix}(\frac{{\mathrm{\α}}_{lz}{C}_{lz}}{100-C_{lz}}+\frac{{\mathrm{\α}}_{fh}{C}_{fh}}{100-C_{fh}})\×100\%---\left(23\right)$

$q_5=5.82{D_{ed}}^{-0.38}\frac{D_{ed}}{D}\×100\%---\left(24\right)$

式中：q₂——排烟热损失，％；

q₃——化学不完全燃烧热损失，％；

q₄——机械不完全燃烧热损失，％；

q₅——散热损失，％；

q₆——灰渣物理热损失，％，对于燃用混合燃料的发电锅炉，该值可取为0；

t₀——环境温度，℃；

θ_py——排烟温度，℃；

c_p,gy——干烟气从t₀到θ_py的平均定压比热容，kJ/(kgK)；

——水蒸气从t₀到θ_py的平均定压比热容，kJ/(kgK)；

α_lz、α_fh——分别为炉渣、飞灰中灰量占混合燃料总灰量的质量含量百分比，％；

C_lz、C_fh——分别为炉渣含碳量、飞灰含碳量，％；有条件时，可用在线测量值，无条件时，可基于历史运行工况及化验数据，分别建立飞灰含碳量、炉渣含碳量随发电负荷和掺烧煤气量变化的回归模型，即C_lz＝f₁(Pel,B_gas)、C_fh＝f₂(Pel,B_gas)；

D_ed、D——分别为锅炉额定蒸发量和实时蒸发量，t/h。

上述方案中，所述的步骤(5)利用锅炉正平衡效率模型计算当前燃煤热值方法为：

$Q_r=\frac{Q_1}{{\mathrm{\η}}_b}\×100---\left(25\right)$

Q₁＝D_gr(i″_gr-i_gs)+D_zr(i″_zr-i′_zr)+D_pw(i′-i_gs)(26)

$Q_{ar,net2}^c=\frac{Q_r}{B_{coal}}\×(1-\frac{B_{gas}{Q}_{ar,net}^g}{Q_r})---\left(27\right)$

式中：Q_r——锅炉总输入热量，kJ/h；

Q₁——锅炉有效利用热量，kJ/h；

D_gr——锅炉过热器出口蒸汽流量，kg/h，可采用锅炉实时蒸发量D的测量值；

D_zr——锅炉再热器出口蒸汽流量，kg/h，D_zr＝A_zr×D_gr+D_zrjw，其中，A_zr为再热蒸汽份额，根据从DCS或SIS系统实时数据库中读取的汽轮机再热冷段各级抽汽、凝结水和疏水对应的压力和温度，通过高温加热器热平衡计算其抽汽份额A₁和A₁；进而，由A_zr＝1-A₁-A₂计算再热蒸汽份额，D_zrjw为再热器减温喷水量，kg/h，采用测量值；

D_pw——排污流量，kg/h，可取用设计值；

i″_gr、i′_zr、i″_zr、i_gs、i′——分别为过热蒸汽焓、再热蒸汽进口焓、再热蒸汽出口焓、给水焓和汽包压力下的饱和水焓，kJ/kg；其值可根据对应的温度、压力测量值，利用经典IAPWS-IF97模型计算得到。

本发明利用相关数据接口，从DCS系统读取相关运行参数数据，通过设置某一时刻的燃煤热值初始值，计算煤粉与煤气混合燃料的低位热值及元素分析成分，利用反平衡效率模型计算锅炉热效率，并将其代入正平衡效率模型，获得当前燃煤热值，判断前后燃煤热值的偏差并进行迭代校正，最终确定该时刻下的燃煤热值。本发明计算简便，成本低，具有良好的可实施性和可操作性，能够很好的实现煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值的在线软测量。

本发明的优点在于：

1、作为一种软测量方法，燃煤热值的软测量过程所需的参数均可从DCS(或SIS)系统的实时数据库中直接读取，现场不需要额外增加分析或测量仪表灯昂贵的辅助设备，可集成在已有的DCS(或SIS)系统中，成本低。

2、本方法无需参考煤质成分之间的关联关系，只需满足锅炉的热平衡关系，可对不同煤种的燃煤热值进行测算，适用性广。

3、本方法针对煤粉掺烧煤气锅炉，完善了GB10184-88中的过量空气系数计算方法(标准中的式24)，提高了计算准确度。

附图说明

图1是本发明所建立的基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法的计算框图。

图2是实施本发明提供方法的系统结构图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

图1是基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法流程图。如图1所示，包括以下步骤：

步骤(1)：设置燃煤热值初始值

步骤(2)：计算煤粉与煤气混合燃料的低位热值及元素分析成分；

步骤(3)：计算烟气量；

步骤(4)：利用反平衡效率模型，计算锅炉各项热损失，得到锅炉反平衡热效率η_b(％)；

步骤(5)：利用正平衡效率模型，得到当前的燃煤热值

步骤(6)：若的绝对值大于给定的微小量ε，则将当前燃煤热值赋给然后重新执行步骤(2)～步骤(5)，直到的绝对值小于或等于给定的微小量ε，输出当前燃煤热值所述的微小量ε根据预定的进度确定。

上述步骤(2)中计算煤粉与煤气的混合燃料低位热值的方法为：

1)计算煤粉与煤气分别占混合燃料量的质量百分数b_coal(％)、b_gas(％)：

$b_{coal}=\frac{B_{coal}}{B_{coal}+B_{gas}{\mathrm{\ρ}}_{gas}}---\left(1\right)$

$b_{gas}=\frac{B_{gas}{\mathrm{\ρ}}_{gas}}{B_{coal}+B_{gas}{\mathrm{\ρ}}_{gas}}---\left(2\right)$

式中：B_coal——入炉瞬时燃煤量，kg/h；

B_gas——入炉煤气瞬时流量，m³/h；

ρ_gas——标准状态下气体燃料的密度，kg/m³。

2)根据燃煤与煤气的热值及质量百分数计算混合燃料低位热值

$Q_{ar,net}^{mix}=Q_{ar,net1}^c{b}_{coal}+Q_{ar,net}^g{\mathrm{\ρ}}_{gas}{b}_{gas}---\left(3\right)$

式中：——设置的燃煤低位热值初始值，kJ/kg；

——煤气低位热值，kJ/m³，可取用煤气热值在线分析仪测量值，若无，可根据煤气成分按下式计算， $Q_{ar}^g=126.36CO+107.85H_2+358.81{\mathrm{CH}}_4,$ 其中，CO、H₂、CH₄分别为煤气中相应各可燃气体成分的体积含量百分率，％；

上述步骤(2)中计算煤粉与煤气的混合燃料元素成分分析的方法为：

1)实际煤种元素分析成分

一般电站只能做工业分析，包括原煤水分、挥发分、灰分、固定碳及热值等，可利用修正锅炉设计煤种的元素分析成分计算出实际煤种的元素分析成分

具体计算方法为：

$X_{i,ar}^c=k_1{X}_{i,ar}^0---\left(4\right)$

$k_1=\frac{Q_{ar,net1}^c}{Q_{ar,net}^0}---\left(5\right)$

式中：——实际煤种元素分析值，即碳氢氧氮硫的百分含量，％；

——设计煤种的元素分析值，％；

k₁——实际煤种元素成分修正系数；

——设计煤种的低位热值，kJ/kg。

实际煤种水分、灰分计算方法为：

$Y_{i,ar}^c=k_2{Y}_{i,ar}^0---\left(6\right)$

$k_2=\frac{100-C_{ar}^c-H_{ar}^c-O_{ar}^c-N_{ar}^c-S_{ar}^c}{W_{ar}^0+A_{ar}^0}---\left(7\right)$

式中：——实际煤种的水分灰分％；

——设计煤种的水分灰分％；

k₂——实际煤种水分、灰分修正系数。

2)煤气元素分析成分

将煤气成分分别按下列各式换算为以收到基质量百分率表示的元素成分，计算公式为：

$C_{ar}^g=\frac{0.54}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}\[CO+{\mathrm{CO}}_2+\mathrm{\Σ}m\left(C_m{H}_n\right)\]---\left(8\right)$

$H_{ar}^g=\frac{0.045}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}\[2(H_2+H_{2}S)+\mathrm{\Σ}n\left(C_m{H}_n\right)\]---\left(9\right)$

$O_{ar}^g=\frac{0.715}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}\[CO+2({\mathrm{CO}}_2+O_2)\]---\left(10\right)$

$N_{ar}^g=\frac{1.25}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}{N}_2---\left(11\right)$

$A_{ar}^g=\frac{0.1}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}{\mathrm{\μ}}_h---\left(12\right)$

$M_{ar}^g=\frac{0.8}{{\mathrm{\ρ}}_{qm}}{H}_{2}O---\left(13\right)$

式中：CO、CO₂、H₂、H₂S、N₂、O₂、H₂O、C_mH_n——煤气中相应各成分的体积含量百分率，％；

——换算后煤气相应元素成分的收到基质量百分率，％；

μ_h——标准状态下煤气中的含灰浓度，g/m³；

ρ_qm——标准状态下煤气中的密度，kg/m³。

3)混合燃料元素分析成分

煤粉与煤气混合燃料的元素分析成分按下式进行计算：

$X_{ar}^{mix}=X_{ar}^c{b}_{coal}+X_{ar}^g{b}_{gas}---\left(14\right)$

式中：——实际煤种的元素成分收到基质量百分率，％；

——煤气的元素成分收到基质量百分率，％；

——混合燃料的元素成分收到基质量百分率，％。

上述步骤(3)中烟气量计算方法为：

$V_{gy}=V_{gy}^0+({\mathrm{\α}}_{py}-1)V_{gk}^0---\left(15\right)$

$V_{gy}^0=0.01866(C_{ar}^{mix}+0.375S_{ar}^{mix})+0.79V_{gk}^0+0.008N_{ar}^{mix}---\left(16\right)$

$V_{gk}^0=0.0889(C_{ar}^{mix}+0.375S_{ar}^{mix})+0.265H_{ar}^{mix}-0.0333O_{ar}^{mix}---\left(17\right)$

${\mathrm{\α}}_{py}=\frac{21+\frac{({O_2}^{\′}-{\mathrm{CO}}^{\′})(0.007O_{ar}^{mix}+0.008N_{ar}^{mix}-0.0557H_{ar}^{mix})}{V_{gk}^0}}{21-({O_2}^{\′}-{\mathrm{CO}}^{\′})}---\left(18\right)$

$V_{H_{2}O}=1.24(\frac{9H_{ar}^{mix}+M_{ar}^{mix}}{100}+1.293{\mathrm{\α}}_{py}{V}_{gk}^0{d}_k)---\left(19\right)$

式中：V_gy——实际干烟气量，m³/kg；

——理论干烟气量，m3/kg；

——理论干空气量，m3/kg；

——烟气中水蒸气含量，m3/kg；

α_py——排烟处的过量空气系数；

——混合燃料的H元素收到基质量百分率，％；

——混合燃料的水分收到基质量百分率，％；

O₂′——排烟中的O₂含量，％；

CO′——排烟中的CO含量，％；

d_k——环境空气绝对湿度，kg/kg，若无计量，可取值0.01。

上述步骤(4)中锅炉反平衡效率模型为：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)(20)

$q_2=\frac{V_{gy}{c}_{p,gy}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)+V_{H_{2}O}{c}_{p,H_{2}O}({\mathrm{\θ}}_{py}-t_0)}{Q_r}\×100\%---\left(21\right)$

$q_3=\frac{126.36V_{gy}{\mathrm{CO}}^{\′}}{Q_r}\×100\%---\left(22\right)$

$q_4=\frac{337.27}{Q_r}{A}_{ar}^{mix}(\frac{{\mathrm{\α}}_{lz}{C}_{lz}}{100-C_{lz}}+\frac{{\mathrm{\α}}_{fh}{C}_{fh}}{100-C_{fh}})\×100\%---\left(23\right)$

$q_5=5.82{D_{ed}}^{-0.38}\frac{D_{ed}}{D}\×100\%---\left(24\right)$

式中：q₂——排烟热损失，％；

q₃——化学不完全燃烧热损失，％；

q₄——机械不完全燃烧热损失，％；

q₅——散热损失，％；

q₆——灰渣物理热损失，％，对于燃用混合燃料的发电锅炉，该值可取为0；

t₀——环境温度，℃；

θ_py——排烟温度，℃；

c_p,gy——干烟气从t₀到θ_py的平均定压比热容，kJ/(kgK)；

——水蒸气从t₀到θ_py的平均定压比热容，kJ/(kgK)；

α_lz、α_fh——分别为炉渣、飞灰中灰量占混合燃料总灰量的质量含量百分比，％；

C_lz、C_fh——分别为炉渣含碳量、飞灰含碳量，％；有条件时，可用在线测量值，无条件时，可基于历史运行工况及化验数据，分别建立飞灰含碳量、炉渣含碳量随发电负荷和掺烧煤气量变化的回归模型，即C_lz＝f₁(Pel,B_gas)、C_fh＝f₂(Pel,B_gas)；

D_ed、D——分别为锅炉额定蒸发量和实时蒸发量，t/h。

上述步骤(5)中利用锅炉正平衡效率模型计算当前燃煤热值额方法为：

$Q_r=\frac{Q_1}{{\mathrm{\η}}_b}\×100---\left(25\right)$

Q₁＝D_gr(i″_gr-i_gs)+D_zr(i″_zr-i′_zr)+D_pw(i′-i_gs)(26)

$Q_{ar,net2}^c=\frac{Q_r}{B_{coal}}\×(1-\frac{B_{gas}{Q}_{ar,net}^g}{Q_r})---\left(27\right)$

式中：Q_r——锅炉总输入热量，kJ/h；

Q₁——锅炉有效利用热量，kJ/h；

D_gr——锅炉过热器出口蒸汽流量，kg/h，可采用锅炉实时蒸发量D的测量值；

D_zr——锅炉再热器出口蒸汽流量，kg/h，D_zr＝A_zr×D_gr+D_zrjw，其中，A_zr为再热蒸汽份额，根据从DCS或SIS系统实时数据库中读取的汽轮机再热冷段各级抽汽、凝结水和疏水对应的压力和温度，通过高温加热器热平衡计算其抽汽份额A₁和A₁；进而，由A_zr＝1-A₁-A₂计算再热蒸汽份额，D_zrjw为再热器减温喷水量，kg/h，采用测量值；

D_pw——排污流量，kg/h，可取用设计值；

i″_gr、i′_zr、i″_zr、i_gs、i′——分别为过热蒸汽焓、再热蒸汽进口焓、再热蒸汽出口焓、给水焓和汽包压力下的饱和水焓，kJ/kg；其值可根据对应的温度、压力测量值，利用经典IAPWS-IF97模型计算得到。

以一台1025t/h煤粉掺烧煤气锅炉为例，进行燃煤热值的软测量。该锅炉为亚临界参数、自然循环、一次中间再热、单炉膛、平衡通风，中速磨正压直吹，四角切圆燃烧方式，固态排渣锅炉，设计燃料为神华煤，该锅炉为100％燃烧煤粉锅炉，具有同时掺烧0～30％(热量比)高炉煤气的能力，过热蒸汽温度为540℃，过热蒸汽压力为17.5MPa。将本发明提出的方法应用于该锅入炉燃煤热值的软测量，并通过现场性能试验数据进行对比验证。煤气成分数据见表1，锅炉的主要实时运行数据见表2，假设置一个初始燃煤热值23000kJ/kg，给定的微小量设置为10，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燃煤热值与试验化验值误差为1.7％。

表1煤气成分特性

表2锅炉主要运行参数

项目名称	符号	单位	数值
				过热蒸汽流量	Dgr	t/h	750
过热蒸汽压力	pgr	MPa	17.3
				过热蒸汽温度	tgr	℃	541
再热蒸汽流量	Dzr	t/h	630
				再热蒸汽进口压力	pzr′	MPa	3.402
再热蒸汽出口压力	pzr″	MPa	3.238
				给水压力	pgs	MPa	19.1
给水温度	tgs	℃	270
				排烟温度	θpy	℃	121
排烟氧量	O2′	％	5.3
				环境温度	t0	℃	25.5
燃煤量	Bcoal	t/h	94.5
				高炉煤气流量	Bgas	m3/h	150000

[0211]表3燃煤热值软测量结果与试验化验结果对比表

图2是实施本发明提供方法的系统结构图。如图2所示，在实时本发明之前，先要搭建硬件系统。配置一台安全隔离网关，用于采集机组DCS系统数据，并与DCS系统进行安全隔离；一台IO服务器用于数据采集及实时/历史数据库；一台应用服务器用于运行计算程序及关系数据库；一台WEB服务器用于向企业内网发布计算展示画面及报表；一台工作站用于实时监视。

实施本方法时，从DCS系统中(若现场已具备SIS系统，亦可从SIS系统选取)选取计算所需的测点，通过安全隔离网关等采集设备写入实时/历史数据库，将燃煤热值软测量软件部署在应用服务器上，监测结果写入实时/历史数据库。

以上仅为本发明的较佳实施案例，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结束范围内，可轻易的进行变化或替换，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 (6)

1.基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)：设置燃煤热值初始值

步骤(2)：计算煤粉与煤气混合燃料的低位热值及元素分析成分；

步骤(3)：计算烟气量；

步骤(4)：利用反平衡效率模型，计算锅炉各项热损失，得到锅炉反平衡热效率η_b(％)；

步骤(5)：利用正平衡效率模型，得到当前的燃煤热值

步骤(6)：若的绝对值大于给定的微小量ε，则将当前燃煤热值赋给然后重新执行步骤(2)～步骤(5)，直到的绝对值小于或等于给定的微小量ε，输出当前燃煤热值所述的微小量ε根据预定的进度确定。

2.根据权利要求1所述的基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法，其特征在于，所述的步骤(2)计算煤粉与煤气的混合燃料低位热值的方法为：

1)计算煤粉与煤气分别占混合燃料量的质量百分数b_coal(％)、b_gas(％)：

式中：B_coal——入炉瞬时燃煤量，kg/h；

B_gas——入炉煤气瞬时流量，m³/h；

ρ_gas——标准状态下气体燃料的密度，kg/m³；

2)根据燃煤与煤气的热值及质量百分数计算混合燃料低位热值

式中：——设置的燃煤低位热值初始值，kJ/kg；

——煤气低位热值，kJ/m³，可取用煤气热值在线分析仪测量值，若无，可根据煤气成分按下式计算，其中，CO、H₂、CH₄分别为煤气中相应各可燃气体成分的体积含量百分率，％。

3.根据权利要求1所述的基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法，其特征在于，所述的步骤(2)计算煤粉与煤气的混合燃料元素成分分析的方法为：

1)实际煤种元素分析成分

利用修正锅炉设计煤种的元素分析成分计算出实际煤种的元素分析成分

具体计算方法为：

式中：——实际煤种元素分析值，即碳氢氧氮硫的百分含量，％；

——设计煤种的元素分析值，％；

k₁——实际煤种元素成分修正系数；

——设计煤种的低位热值，kJ/kg；

实际煤种水分、灰分计算方法为：

式中：——实际煤种的水分灰分％；

——设计煤种的水分灰分％；

k₂——实际煤种水分、灰分修正系数；

2)煤气元素分析成分

将煤气成分分别按下列各式换算为以收到基质量百分率表示的元素成分，计算公式为：

式中：CO、CO₂、H₂、H₂S、N₂、O₂、H₂O、C_mH_n——煤气中相应各成分的体积含量百分率，％；

——换算后煤气相应元素成分的收到基质量百分率，％；

μ_h——标准状态下煤气中的含灰浓度，g/m³；

ρ_qm——标准状态下煤气中的密度，kg/m³；

3)混合燃料元素分析成分

煤粉与煤气混合燃料的元素分析成分按下式进行计算：

式中：——实际煤种的元素成分收到基质量百分率，％；

——煤气的元素成分收到基质量百分率，％；

——混合燃料的元素成分收到基质量百分率，％。

4.根据权利要求1所述的基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法，其特征在于，所述的步骤(3)烟气量计算方法为：

式中：V_gy——实际干烟气量，m³/kg；

——理论干烟气量，m3/kg；

——理论干空气量，m3/kg；

——烟气中水蒸气含量，m3/kg；

α_py——排烟处的过量空气系数；

——混合燃料的H元素收到基质量百分率，％；

——混合燃料的水分收到基质量百分率，％；

O₂′——排烟中的O₂含量，％；

CO′——排烟中的CO含量，％；

d_k——环境空气绝对湿度，kg/kg，若无计量，可取值0.01。

5.根据权利要求1所述的基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法，其特征在于，所述的步骤(4)锅炉反平衡效率模型为：

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)(20)

式中：q₂——排烟热损失，％；

q₃——化学不完全燃烧热损失，％；

q₄——机械不完全燃烧热损失，％；

q₅——散热损失，％；

q₆——灰渣物理热损失，％，对于燃用混合燃料的发电锅炉，该值可取为0；

t₀——环境温度，℃；

θ_py——排烟温度，℃；

c_p,gy——干烟气从t₀到θ_py的平均定压比热容，kJ/(kgK)；

——水蒸气从t₀到θ_py的平均定压比热容，kJ/(kgK)；

α_lz、α_fh——分别为炉渣、飞灰中灰量占混合燃料总灰量的质量含量百分比，％；

C_lz、C_fh——分别为炉渣含碳量、飞灰含碳量，％；有条件时，可用在线测量值，无条件时，可基于历史运行工况及化验数据，分别建立飞灰含碳量、炉渣含碳量随发电负荷和掺烧煤气量变化的回归模型，即C_lz＝f₁(Pel,B_gas)、C_fh＝f₂(Pel,B_gas)；

D_ed、D——分别为锅炉额定蒸发量和实时蒸发量，t/h。

6.根据权利要求1所述的基于热平衡的煤粉掺烧煤气锅炉燃煤热值软测量方法，其特征在于，所述的步骤(5)利用锅炉正平衡效率模型计算当前燃煤热值方法为：

Q₁＝D_gr(i″_gr-i_gs)+D_zr(i″_zr-i′_zr)+D_pw(i′-i_gs)(26)

式中：Q_r——锅炉总输入热量，kJ/h；

Q₁——锅炉有效利用热量，kJ/h；

D_gr——锅炉过热器出口蒸汽流量，kg/h，可采用锅炉实时蒸发量D的测量值；

D_zr——锅炉再热器出口蒸汽流量，kg/h，D_zr＝A_zr×D_gr+D_zrjw，其中，A_zr为再热蒸汽份额，根据从DCS或SIS系统实时数据库中读取的汽轮机再热冷段各级抽汽、凝结水和疏水对应的压力和温度，通过高温加热器热平衡计算其抽汽份额A₁和A₁；进而，由A_zr＝1-A₁-A₂计算再热蒸汽份额，D_zrjw为再热器减温喷水量，kg/h，采用测量值；

D_pw——排污流量，kg/h，可取用设计值；

i″_gr、i′_zr、i″_zr、i_gs、i′——分别为过热蒸汽焓、再热蒸汽进口焓、再热蒸汽出口焓、给水焓和汽包压力下的饱和水焓，kJ/kg；其值可根据对应的温度、压力测量值，利用经典IAPWS-IF97模型计算得到。