CN106197566A - 一种燃煤电厂复杂烟道烟气流量监测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂烟道烟气流量监测系统及方法，包括：模拟子系统，用于模拟复杂烟道以及与该烟道相连的设施，通过对复杂烟道流场的模拟分析，确定适用于流量监测子系统的监测面与监测点；流量校验子系统，用于检测除尘器出口烟气参数，结合理论计算确定系统基准烟气量，用于对流量监测子系统测试流量进行修正；流量监测子系统，通过对复杂烟道中烟气流量进行单点在线监测，同时根据流量校验子系统得到的基准流量与单点监测流量之间对应关系获得不同负荷下的修正系数函数对单点监测流量进行修正，且对相应的数据进行显示。

Description

一种燃煤电厂复杂烟道烟气流量监测方法与系统

技术领域

本发明涉及环境监测领域，具体涉及一种基于理论计算、数值模拟和现场测试方法相结合的用于复杂烟道烟气流量监测方法与系统。

背景技术

国家环保部从2013年开始对火力发电厂烟气排放提出了更严格的要求，对脱硫后烟气排放中流量测量不准的现况提出了更高的要求。根据国办发(2013)4号文《“十二五”主要污染物总量减排考核办法》及环保部《污染源自动监控数据传输有效率指标解释及考核要求》，烟气流量是电厂污染物排放及环保监测的重要考核指标。

目前，烟气量均采用末端测量，然而，受电厂尾部自身场地限制以及超净排放改造对尾部空间的占用，电厂尾部烟道布置复杂，净烟气烟道通常多次转向，测点位置难以满足环保监测规范要求，且烟气流动紊乱，不同测点数据差距很大；此外，锅炉负荷变化以及超净排放系统中设备运行工况变化，也导致尾部净烟气排放流量不稳定、跳变幅度较大，现有的常规在线测量难以及时反映运行工况和污染物排放情况，严重影响电厂污染物排放量的监测、评价。

虽然专利201520149309.4、201520673651.7等提出采用阵列、矩阵等测量方式解决测点不规范、烟气流动紊乱等问题，但是这种测量装置体积大安装困难、投资与运行维护费用高，且难以从根本上解决烟气紊乱区流速快速波动对流量测量准确性的影响；专利201210583956.X提出的大型燃煤锅炉烟气流量软测量方法，通过引风机入口烟气参数与引风机风量-压力关系计算烟气流量，但是这种方法未考虑引风机后脱硫系统蒸发对净烟气量影响，无法解决净烟气量的准确测量问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种复杂烟道烟气流量监测方法，在进行复杂烟道烟气流场数值模拟的基础上，通过现场测试和理论计算相互结合，解决现有因场地空间受限、测点位置不规范造成的烟气流量测量不准确的问题，实现单测点下的复杂烟道烟气流量低成本、高准确性监测。

本发明提出的技术方案是：

一种复杂烟道烟气流量监测系统，包括模拟子系统、流量校验子系统及流量监测子系统；

所述模拟子系统，用于对复杂烟道进行流场模拟分析，确定适合用于流量监测子系统的监测面及监测点；

所述流量校验子系统，用于检测除尘器出口烟气参数，结合理论计算确定系统基准烟气量，用于对流量监测子系统测试流量进行修正；

所述流量监测子系统，通过对复杂烟道中烟气流量进行单点在线监测，同时根据流量校验子系统得到的基准流量与单点监测流量之间对应关系获得不同负荷下的修正系数函数对单点监测流量进行修正，且对相应的数据进行显示。

一种复杂烟道烟气流量监测方法，包括以下步骤：

步骤1，构建复杂烟道模型，利用模拟软件对复杂烟道进行流场数值模拟，获得复杂烟道内流场分布，确定适合用于流量监测子系统的监测面及监测点；

步骤2，通过流量校验子系统测量除尘器出口的烟气参数，结合理论计算获得进入复杂烟道的净烟气流量基准值；

步骤3，通过流量监测子系统对烟气流量进行单点在线监测，同时根据流量校验子系统得到的基准流量对单点监测流量进行修正，实现复杂烟道流量的单点准确测量。

进一步的，步骤2中，所述的烟气参数包括烟气温度、流速、水蒸气含量、烟道尺寸和工况体积流量；通过所述的参数计算出除尘器出口烟气的标况体积流量，质量流量和干烟气质量流量。

进一步的，基于所述的工况参数，通过烟气绝热增湿过程计算，推算位于增压风机和脱硫塔后的烟道中的烟气参数，进而得到进入复杂烟道的烟气流量与流速。

进一步的，根据模拟结果，选择测量截面及其截面上测点，根据不同负荷下确定的基准烟气流量与复杂烟道中所选测点流量之间的对应关系，拟合出不同负荷下复杂烟道测点烟气流量的修正系数函数。

进一步的，所述的测点的选择应尽量避开低流速、回流和急变区域。

本发明烟气量计算所用的热力计算理论、绝热蒸发理论成熟，结果准确，计算结果能够反应不同锅炉负荷下真实烟气流量。Fluent等商用软件应用面广，流场模拟精度高，流场模拟结果能够反应真实的流场分布。理论计算、数值模拟与现场测试三者相互结合、相互验证，保证了烟气流量监测结果的准确性。采用单点测量设备简单、投资运行费用低。

附图说明

图1为本发明的模块化流程图；

图2为本发明的校验子系统示意图；

图3为本发明的模拟子系统示意图；

图4为本发明的监测子系统示意图；

图5为本发明具体实施方式典型烟气流程图；

图6为本发明具体实施方式模拟结果分析图；

图7为本发明具体实施方式速度修正系数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种复杂烟道烟气流量监测系统，涉及电厂自除尘器至烟囱间的全部设施S101，从功能上具体分为流量校验子系统S102、模拟子系统S103及流量监测子系统S104；

模拟子系统模拟对象为安装测点的尾部复杂烟道及前部连接设施，采用商用模拟软件进行烟气流场的模拟分析；

流量校验子系统包括除尘器出口烟气流量的精确测量以及在此基础上的烟气流量理论计算。以除尘器出口烟气量作为净烟气的计算基准点，是因为除尘器内部流动相对均匀，出口烟道流场相对稳定；

流量监测子系统包括尾部复杂烟道单点流速测量、数据修正及数据的显示与输出。

全部设施S101沿烟气流动方向上依次包括除尘器S1011、湿法脱硫/湿除等设备S1012、烟囱S1014及各设备间的全部连接烟道(包括尾部测试位置处的复杂烟道S1013)；所述流量校验子系统S102包括等面积流量测量模块和基于除尘器出口烟气流量的理论计算模块，如图2；所述模拟子系统S103包括安装测点的尾部复杂烟道S1013及前部连接设施，采用商用软件进行烟气流场的模拟计算，如图3；所述流量监测子系统S104包括尾部复杂烟道单点流速测量、数据修正及数据的显示与输出模块，如图4。

本发明中的复杂烟道烟气流量监测方法，包括以下步骤：

首先，基于静电除尘器出口规则烟道流量精确测量，获得锅炉不同负荷下除尘器出口处的温度、相对湿度、氧量等烟气参数，然后通过计算获得尾部净烟气流量基准值；

其次，构建尾部复杂烟道及前部连接设施等烟道模型，利用Fluent等商用模拟软件进行流场数值模拟，获得烟道内流场分布，优选测量截面及其截面测点；

最后，通过流量监测子系统对复杂烟道烟气流量进行单点在线监测，根据不同负荷下所选测点流量与烟气流量基准值之间的对应关系，拟合出不同负荷下测点的流量修正系数函数，根据流量修正系数函数对烟气流量进行修正，实现复杂烟道烟气流量单测点低成本、高准确性测量。

具体执行过程如下：

●模拟子系统S103

如图5所示某一典型电厂为例，针对电厂尾部复杂烟道结构特点，构建全尺寸几何模型，利用Fluent软件结合UDF进行模拟计算，得到脱硫后复杂烟道内流场分布图6。

根据模拟结果，选择测量截面及截面上的测点，测点的选择应尽量避开低流速、回流和急变区域，所选测点要求在负荷稳定下速度相对标准偏差不超过3％。

●流量校验子系统S102

如图5所示，某一典型电厂为例，通过仪器测量确定电除尘后烟道处1点截面的平均温度t₁、流速v₁、水蒸气含量、烟道尺寸，烟气的工况体积流量Q_1,g，以此为基础通过气体状态方程可计算标况体积流量Q_1,b，质量流量Q_1,z，干烟气质量流量Q_1,z(d)等参数，基于以上参数，通过烟气绝热增湿过程计算，可推算点2及点3处烟气参数，主要计算公式如下：

脱硫后烟气温度是推算脱硫后烟气体积流量的关键物性参数之一，脱硫喷淋过程可认为是绝热增湿过程，烟气脱硫后的温度t₃即烟气的绝热饱和温度，塔内过程为烟气降温同时提供水分蒸发的气化潜热的热平衡过程，平衡公式如下：

Q_1,b·C_y,pV·(t₂-t₃)＝Q_3,z(d)·(d₃-d₁)·r (1)

式中：Q_1.b为烟气标况体积流量，单位为Nm³/h；C_y,pV为烟气平均定压体积热容，单位为kJ/m³·K；t₂、t₃为2点和3点的烟气温度，单位为℃；Q_3.z(d)为脱硫后干烟气质量流量，单位为kg/h；d₁为未喷淋烟气含湿量，单位为kg/kg(干烟气)，d₃为喷淋后烟气含湿量，单位为kg/kg(干烟气)；r为水汽化潜热，单位为kJ/kg。

脱硫过程中烟气体积会由于氧化空气量和水分蒸发而增加，同时也会由于SO₂的吸收而减小。因此脱硫后烟气标况体积流量为：

$Q_{3,b}=Q_{1,b}+1.244*(d_3-d_1)\·Q_{3,z\left(d\right)}+0.93*Q_{y,b}-Q_{1,b}*{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{SO}}_2,1}---\left(2\right)$

式中：Q_3.b脱硫后烟气标况体积流量，单位为Nm³/h；Q_y.b氧化空气量，单位为Nm³/h；η_SO2，1为SO₂体积份额，单位为％。

脱硫后烟气工况体积流量为：

Q_3,g＝Q_3,b·(273.15+t₃)/273.15*101.325/p₃ (3)

式中：Q_3.g为脱硫后烟气工况体积流量，单位为m³/h；p₃为3点处全压，单位为kPa此数值即为系统的基准烟气量。

●流量监测子系统S104

根据模拟子系统S103确定的测点，对复杂烟道进行单点流量测量，所测流量与基准烟气量之间通过下式进行修正计算，获得修正系数如图7所示(在同样截面积下，速度修正系数与流量修正系数相同)。

Q3,g＝K_v×Q_v (4)

式中：Q_3.g为脱硫后烟气工况体积流量(烟气基准流量)，单位为m³/h；Q_v为复杂烟道单点测量工况烟气量，单位为m³/h；K_v为修正系数。

最后，把修正后的数据进行输出与显示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种复杂烟道烟气流量监测系统，其特征在于，包括模拟子系统、流量校验子系统及流量监测子系统；

所述模拟子系统，用于对复杂烟道进行流场模拟分析，确定适合用于流量监测子系统测量的监测面及监测点；

所述流量校验子系统，用于检测除尘器出口烟气参数，结合理论计算确定系统基准烟气量，用于对流量监测子系统测试流量进行修正；

所述流量监测子系统，通过对复杂烟道中烟气流量进行单点在线监测，同时根据流量校验子系统得到的基准流量与单点监测流量之间对应关系获得不同负荷下的修正系数函数对单点监测流量进行修正，且对相应的数据进行显示。

2.如权利要求1所述的复杂烟道烟气流量监测系统，其特征在于，所述的流量校验子系统中测试的是除尘器出口的烟气参数。

3.如权利要求1所述的复杂烟道烟气流量监测系统，其特征在于，所述的模拟子系统模拟对象包括复杂烟道及前部连接设施。

4.一种复杂烟道烟气流量监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建复杂烟道模型，利用模拟软件对复杂烟道进行流场数值模拟，获得复杂烟道内流场分布，确定适合用于流量监测子系统的监测面及监测点；

步骤2，通过流量校验子系统测量除尘器出口的烟气参数，结合理论计算获得进入复杂烟道的净烟气流量基准值；

步骤3，通过流量监测子系统对烟气流量进行单点在线监测，同时根据流量校验子系统得到的基准流量对单点监测流量进行修正，实现复杂烟道流量的单点准确测量。

5.如权利要求4所述的复杂烟道烟气流量监测方法，其特征在于，步骤2中，所述的烟气参数包括烟气温度、流速、水蒸气含量、烟道尺寸和工况体积流量；通过所述的参数计算出电除尘器出口烟气的标况体积流量，质量流量和干烟气质量流量。

6.如权利要求5所述的复杂烟道烟气流量监测方法，其特征在于，基于所述的工况参数，通过烟气绝热增湿过程计算，推算位于增压风机和脱硫塔后的烟道中的烟气参数，进而得到进入复杂烟道的基准烟气流量。

7.如权利要求4所述的复杂烟道烟气流量监测方法，其特征在于，根据模拟结果选择测量截面及其截面上的测点，测点的选择应尽量避开低流速、回流和急变区域，所选测点要求在负荷稳定下速度相对标准偏差不超过3％。

8.如权利要求4所述的复杂烟道烟气流量监测方法，其特征在于，根据所选测点的流量与基准烟气流量之间的关系，给出不同负荷下复杂烟道单测点烟气流量的修正系数函数图。