CN107796851B - 高炉煤气锅炉入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测方法 - Google Patents
高炉煤气锅炉入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种高炉煤气锅炉入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测方法,包括以下步骤:实时采集机组的在线运行数据,包括烟气含氧量、烟气中CO含量、排烟温度、入炉高炉煤气流量、锅炉蒸发量、环境温度以及求解锅炉有效利用热的输入数据;对获得的原始数据进行预处理,得到有效数据;根据获得的有效数据,获取高炉煤气锅炉的入炉煤气热值和锅炉热效率。本发明能够在线辨识出高炉煤气的低位热值,并用于锅炉热效率的在线监测,可为锅炉的性能分析和燃烧调整提供可靠依据,具有重要的实用意义;高炉煤气热值和锅炉热效率完全通过锅炉运行参数在线计算得到,无需离线采集数据和任何人工输入参数,完全依靠机组在线采集数据即可实现,具有良好的可实施性。
Description
技术领域
本发明属于热能工程的锅炉领域,具体涉及高炉煤气锅炉入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测方法。
背景技术
钢铁企业在炼铁工序中产生了大量的高炉煤气,作为冶炼过程的副产资源,高炉煤气的有效回收利用是钢铁企业节能降耗工作的重点之一。近年来,随着低热值煤气燃烧技术的发展与进步,高炉煤气锅炉在钢铁厂自备电厂得到了广泛应用,并已逐渐成为钢铁企业利用高炉煤气的主要方式。
钢铁企业在炼铁工序中产生大量的高炉煤气,作为冶炼过程的副产资源,高炉煤气的有效回收利用是钢铁企业节能降耗工作的重点之一。
近年来,随着煤气燃烧技术的发展与进步,一些钢铁厂采用煤气锅炉来吸收钢厂富余的高炉煤气,并取得了较好的效果。
燃料热值是煤气锅炉燃烧调整的重要依据,同时也是锅炉热效率的基本输入参数,燃料热值的变化与波动会对锅炉的安全和经济运行产生很大影响。然而,由于条件所限,目前大多数钢铁企业自备电厂煤气锅炉都未配置高炉煤气热值在线测量装置,电厂基本上仍然是以人工输入定期化验分析值作为当前的锅炉入炉燃料热值,许多中小型钢铁厂的自备电厂甚至连煤气定期取样化验分析的条件都不具备,其惯用做法是直接取人工设定值或者上一次热态试验值。而实际上,受上游冶炼工序等因素的影响,高炉煤气的成分和热值很难保持稳定,经常处于波动状态,人工输入的定期化验值很可能会大大偏离当前真实值,取人工设定值或者取上一次热态试验值的方式更是如此。显然,高炉煤气热值的不确定性会直接影响到锅炉热效率的求解,进而影响锅炉的性能分析与优化运行。
基于此背景,如果能在钢厂自备电厂现有的局限条件下,构建一个高炉煤气锅炉入炉煤气热值和锅炉热效率的在线监测方法,在线获取煤气热值数据,并将其用于在线分析锅炉热效率,以期为锅炉的运行控制和燃烧调整提供依据,必将产生良好的经济效益,具有重要的实用价值和工程意义。
发明内容
本发明的针对现有技术中的不足,提供一种高炉煤气锅炉入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测方法。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种高炉煤气锅炉入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:实时采集机组的在线运行数据,包括:烟气含氧量、烟气中CO含量、排烟温度、入炉高炉煤气流量、锅炉蒸发量、环境温度以及锅炉有效利用热的输入数据;
步骤2:对获得的输入数据进行预处理,得到用于求解高炉煤气热值和锅炉热效率的有效数据;
步骤3:根据获得的有效数据,获取高炉煤气锅炉的入炉煤气热值和锅炉热效率,具体包括:
3.1假定一个初始的高炉煤气干基低位热值;
3.2根据假定的高炉煤气低位热值进行锅炉燃烧计算;
3.3求解锅炉输入热量;
3.4求解高炉煤气锅炉的各项热损失,包括排烟热损失、化学不完全燃烧热损失和散热损失;
3.5根据锅炉各项热损失求解锅炉热效率;
3.6根据机组运行参数求解锅炉有效利用热;
3.7计算高炉煤气干基低位热值;
3.8将高炉煤气干基低位热值计算值与假定的高炉煤气干基低位热值进行比较,将二者差值的绝对值与设定的微小量进行比较,若不满足要求则返回步骤3.1,若满足要求则进入步骤3.9;
3.9:输出高炉煤气干基低位热值计算值Qd,net作为当前高炉煤气干基低位热值,输出锅炉热效率η为当前锅炉热效率;
步骤4:发布步骤3.9输出的计算结果,使得终端用户可以实时浏览。
为优化上述技术方案,采取的具体措施还包括:
所述预处理包括坏点处理和数据平滑处理。
步骤3.2具体包括:
3.2.1计算单位体积干煤气燃烧所需的理论干空气量和单位体积干煤气燃烧产生的理论干烟气量:
1)计算单位体积煤气燃烧所需的理论干空气量:
2)计算单位体积煤气燃烧产生的理论干烟气量:
3.2.2计算燃料特性因子:
3.2.3计算过量空气系数:
其中,α为过量空气系数;χ为燃料特性因子;φ′(O2)、φ′(CO)分别为烟气含氧量和烟气中CO含量;
3.2.4计算单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量:
其中,Vgy为单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量,m3/m3(干煤气);为单位体积煤气燃烧产生的理论干烟气量,m3/m3(干煤气);为单位体积煤气燃烧所需的理论干空气量,m3/m3(干煤气);α为过量空气系数;
3.2.5计算单位体积煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量:
其中,为单位体积煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量,m3/m3(干煤气);α为排烟处过量空气系数;为单位体积煤气燃烧所需的理论干空气量,m3/m3(干煤气);dk为空气的绝对湿度,kg/kg;dg为煤气含湿量,kg/m3(干煤气)。
步骤3.3具体包括:
求解锅炉输入热量Qr:
步骤3.4具体包括:
3.4.1计算排烟热损失:
1)计算干烟气在t0至θpy温度间的平均比定压热容cp,gy:
cp,gy=2.458×10-4θpy+1.381
其中,cp,gy为干烟气在t0至θpy温度间的平均比定压热容,kJ/(m3·K);θpy为排烟温度,℃;
3)计算排烟热损失:
其中,g2为排烟热损失,%;θpy为排烟温度,℃;t0为基准温度;cp,gy为干烟气在t0至θpy温度间的平均比定压热容,kJ/(m3·K);为水蒸气在t0至θpy温度间的平均比定压热容,kJ/(m3·K);Vgy为单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量,m3/m3(干煤气);为单位体积煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量,m3/m3(干煤气);Qr为锅炉输入热量,kJ/m3;
3.4.2计算化学不完全燃烧热损失:
其中,q3为化学不完全燃烧热损失,%;Vgy为单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量,m3/m3(干煤气);φ′(CO)为烟气中CO含量,%;Qr为锅炉输入热量,kJ/m3;
3.4.3计算散热损失:
其中,q5为散热损失,%;De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。
步骤3.5具体包括:
根据锅炉各项热损失求解锅炉热效率η:
η=100-(q2+q3+q5)
其中,η为锅炉热效率,%;q2为排烟热损失,%;q3为化学不完全燃烧热损失,%;q5为散热损失,%。
步骤3.6具体包括:
根据机组运行参数求解锅炉有效利用热Q1:
1)对于含再热系统的机组:
Q1=Dgr(h″gr-hgs)+Dzr(h″zr-h′zr)+Dpw(hpw-hgs)
其中,Q1为锅炉有效利用热,kJ/h;Dgr为过热蒸汽流量,kg/h;Dzr为再热蒸汽流量,kg/h;Dpw为排污水流量,kg/h;h″gr为过热蒸汽焓,kJ/kg;h″zr为热再热蒸汽焓,kJ/kg;h″zr为冷再热蒸汽焓,kJ/kg;hgs为给水焓,kJ/kg;hpw为排污水焓,kJ/kg;
2)对于不含再热系统的机组:
Q1=Dgr(h″gr-hgs)+Dpw(hpw-hgs)
其中,Q1为锅炉有效利用热,kJ/h;Dgr为过热蒸汽流量,kg/h;Dpw为排污水流量,kg/h;h″gr为过热蒸汽焓,kJ/kg;hgs为给水焓,kJ/kg;hpw为排污水焓,kJ/kg。
步骤3.7具体包括:
计算高炉煤气干基低位热值:
其中,Qd,net为高炉煤气干基低位热值计算值,kJ/m3;Q1为锅炉有效利用热,kJ/h;Bg为在线测量的高炉煤气量,m3/h;η为锅炉热效率,%;dg为煤气含湿量,kg/m3。
步骤3.8具体包括:
本发明的有益效果是:
1)本发明用于高炉煤气锅炉的入炉煤气热值软测量,能够在线辨识出高炉煤气的低位热值,并用于锅炉热效率的在线监测,可为锅炉的性能分析和燃烧调整提供可靠依据,具有重要的实用意义;
2)高炉煤气热值和锅炉热效率完全通过锅炉运行参数在线计算得到,无需离线采集数据,无需任何人工输入参数,完全依靠机组在线采集数据即可实现,具有良好的可实施性;
3)无需增加任何热工测点,利用现有热工条件即可实现,投资较省。
附图说明
图1是本发明入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测流程示意图。
图2是本发明燃烧计算流程示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1、图2所示的高炉煤气锅炉入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测方法,实现方案如下:
1、通过厂级监控信息系统实时采集机组的在线运行数据,包括:烟气含氧量、烟气中CO含量、排烟温度、入炉高炉煤气流量、锅炉蒸发量、环境温度,以及锅炉有效利用热的输入参数。
2、对步骤1获得的输入数据进行预处理,包括坏点处理和数据平滑处理,得到用于求解高炉煤气热值和锅炉热效率的有效数据。
3、根据步骤2获得的有效数据,获取高炉煤气锅炉的入炉煤气热值和锅炉热效率,具体包括以下步骤:
3.2根据高炉煤气干基低位热值进行锅炉燃烧计算,具体包括:
1)计算单位体积煤气燃烧所需的理论干空气量:
2)计算单位体积煤气燃烧产生的理论干烟气量:
3.2.2计算燃料特性因子χ:
3.2.3计算过量空气系数:
其中,α为过量空气系数;χ为燃料特性因子;φ′(O2)、φ′(CO)分别为烟气含氧量和烟气中CO含量。
3.2.4计算单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量:
其中,Vgy为单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量,m3/m3(干煤气);为单位体积煤气燃烧产生的理论干烟气量,m3/m3(干煤气);为单位体积煤气燃烧所需的理论干空气量,m3/m3(干煤气);α为过量空气系数。
3.2.5计算单位体积煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量:
其中,为单位体积煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量,m3/m3(干煤气);α为排烟处过量空气系数;为单位体积煤气燃烧所需的理论干空气量,m3/m3(干煤气);dk为空气的绝对湿度,kg/kg;dg为煤气含湿量,kg/m3(干煤气)。
3.3求解锅炉输入热量Qr:
3.4求解高炉煤气锅炉的各项热损失,包括排烟热损失q2,化学不完全燃烧热损失q3,散热损失q5,具体如下:
3.4.1计算排烟热损失q2:
1)计算干烟气在t0至θpy温度间的平均比定压热容cp,gy:
cp,gy=2.458×10-4θPy+1.381
其中,cp,gy为干烟气在t0至θpy温度间的平均比定压热容,kJ/(m3·K);θpy为排烟温度,℃;
3)计算排烟热损失:
其中,q2为排烟热损失,%;θpy为排烟温度,℃;t0为基准温度;cp,gy为干烟气在t0至θpy温度间的平均比定压热容,kJ/(m3·K);为水蒸气在t0至θpy温度间的平均比定压热容,kJ/(m3·K);Vgy为单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量,m3/m3(干煤气);为单位体积煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量,m3/m3(干煤气);Qr为锅炉输入热量,kJ/m3;
3.4.2计算化学不完全燃烧热损失:
其中,q3为化学不完全燃烧热损失,%;Vgy为单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量,m3/m3(干煤气);φ′(CO)为烟气中CO含量,%;Qr为锅炉输入热量,kJ/m3;
3.4.3计算散热损失:
其中,q5为散热损失,%;De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。
3.5根据锅炉各项热损失求解锅炉热效率η:
η=100-(q2+q3+q5)
其中,η为锅炉热效率,%;q2为排烟热损失,%;q3为化学不完全燃烧热损失,%;q5为散热损失,%。
3.6根据机组运行参数求解锅炉有效利用热Q1:
1)对于含再热系统的机组:
Q1=Dgr(h″gr-hgs)+Dzr(h″zr-h′zr)+Dpw(hpw-hgs)
其中,Q1为锅炉有效利用热,kJ/h;Dgr为过热蒸汽流量,kg/h;Dzr为再热蒸汽流量,kg/h;Dpw为排污水流量,kg/h;h″gr为过热蒸汽焓,kJ/kg;h″zr为热再热蒸汽焓,kJ/kg;h′zr为冷再热蒸汽焓,kJ/kg;hgs为给水焓,kJ/kg;hpw为排污水焓,kJ/kg;
2)对于不含再热系统的机组:
Q1=Dgr(h″gr-hgs)+Dpw(hpw-hgs)
其中,Q1为锅炉有效利用热,kJ/h;Dgr为过热蒸汽流量,kg/h;Dpw为排污水流量,kg/h;h″gr为过热蒸汽焓,kJ/kg;hgs为给水焓,kJ/kg;hpw为排污水焓,kJ/kg。
3.7计算高炉煤气干基低位热值:
其中,Qd,net为高炉煤气干基低位热值计算值,kJ/m3;Q1为锅炉有效利用热,kJ/h;Bg为在线测量的高炉煤气量,m3/h;η为锅炉热效率,%;dg为煤气含湿量,kg/m3。
3.9输出高炉煤气干基低位热值Qd,net作为当前高炉煤气干基低位热值,输出锅炉热效率η为当前锅炉热效率。
4、发布步骤3.9输出的计算结果,使得终端用户可以实时浏览。
由此可知,本发明用于高炉煤气锅炉的入炉煤气热值软测量,能够在线辨识出高炉煤气的低位热值,并用于锅炉热效率的在线监测,可为锅炉的性能分析和燃烧调整提供可靠依据,具有重要的实用意义;高炉煤气热值和锅炉热效率完全通过锅炉运行参数在线计算得到,无需离线采集数据,无需任何人工输入参数,完全依靠机组在线采集数据即可实现,具有良好的可实施性;此外,无需增加任何热工测点,利用现有热工条件即可实现,投资较省。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种高炉煤气锅炉入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:实时采集机组的在线运行数据,包括:烟气含氧量、烟气中CO含量、排烟温度、入炉高炉煤气流量、锅炉蒸发量、环境温度以及锅炉有效利用热的输入数据;
步骤2:对获得的输入数据进行预处理,得到用于求解高炉煤气热值和锅炉热效率的有效数据;
步骤3:根据获得的有效数据,获取高炉煤气锅炉的入炉煤气热值和锅炉热效率,具体包括:
3.1假定一个初始的高炉煤气干基低位热值;
3.2根据假定的高炉煤气低位热值进行锅炉燃烧计算,具体包括:
3.2.1计算单位体积干煤气燃烧所需的理论干空气量和单位体积干煤气燃烧产生的理论干烟气量:
1)计算单位体积煤气燃烧所需的理论干空气量:
2)计算单位体积煤气燃烧产生的理论干烟气量:
3.2.2计算燃料特性因子:
3.2.3计算过量空气系数:
其中,α为过量空气系数;χ为燃料特性因子;φ′(O2)、φ′(CO)分别为烟气含氧量和烟气中CO含量;
3.2.4计算单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量:
3.2.5计算单位体积煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量:
其中,为单位体积煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量,m3/m3干煤气;α为排烟处过量空气系数;为单位体积煤气燃烧所需的理论干空气量,m3/m3干煤气;dk为空气的绝对湿度,kg/kg;dg为煤气含湿量,kg/m3干煤气;
3.3求解锅炉输入热量,具体包括:
求解锅炉输入热量Qr:
3.4求解高炉煤气锅炉的各项热损失,包括排烟热损失、化学不完全燃烧热损失和散热损失,具体包括:
3.4.1计算排烟热损失:
1)计算干烟气在t0至θpy温度间的平均比定压热容cp,gy:
cp,gy=2.458×10-4θpy+1.381
其中,cp,gy为干烟气在t0至θpy温度间的平均比定压热容,kJ/(m3·K);θpy为排烟温度,℃;
3)计算排烟热损失:
其中,q2为排烟热损失,%;θpy为排烟温度,℃;t0为基准温度;cp,gy为干烟气在t0至θpy温度间的平均比定压热容,kJ/(m3·K);为水蒸气在t0至θpy温度间的平均比定压热容,kJ/(m3·K);Vgy为单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量,m3/m3干煤气;为单位体积煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量,m3/m3干煤气;Qr为锅炉输入热量,kJ/m3;
3.4.2计算化学不完全燃烧热损失:
其中,q3为化学不完全燃烧热损失,%;Vgy为单位体积煤气燃烧产生的实际干烟气量,m3/m3干煤气;φ′(CO)为烟气中CO含量,%;Qr为锅炉输入热量,kJ/m3;
3.4.3计算散热损失:
其中,q5为散热损失,%;De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;
3.5根据锅炉各项热损失求解锅炉热效率;具体包括:
根据锅炉各项热损失求解锅炉热效率η:
η=100-(q2+q3+q5)
其中,η为锅炉热效率,%;q2为排烟热损失,%;q3为化学不完全燃烧热损失,%;q5为散热损失,%;
3.6根据机组运行参数求解锅炉有效利用热;具体包括:
根据机组运行参数求解锅炉有效利用热Ql:
1)对于含再热系统的机组:
Q1=Dgr(h″gr-hgs)+Dzr(h″zr-h′zr)+Dpw(hpw-hgs)
其中,Ql为锅炉有效利用热,kJ/h;Dgr为过热蒸汽流量,kg/h;Dzr为再热蒸汽流量,kg/h;Dpw为排污水流量,kg/h;h″gr为过热蒸汽焓,kJ/kg;h″zr为热再热蒸汽焓,kJ/kg;h′zr为冷再热蒸汽焓,kJ/kg;hgs为给水焓,kJ/kg;hpw为排污水焓,kJ/kg;
2)对于不含再热系统的机组:
Ql=Dgr(h″gr-hgs)+Dpw(hpw-hgs)
其中,Ql为锅炉有效利用热,kJ/h;Dgr为过热蒸汽流量,kg/h;Dpw为排污水流量,kg/h;h″gr为过热蒸汽焓,kJ/kg;hgs为给水焓,kJ/kg;hpw为排污水焓,kJ/kg;
3.7计算高炉煤气干基低位热值;具体包括:
计算高炉煤气干基低位热值:
其中,Qd,net为高炉煤气干基低位热值计算值,kJ/m3;Ql为锅炉有效利用热,kJ/h;Bg为在线测量的高炉煤气量,m3/h;η为锅炉热效率,%;dg为煤气含湿量,kg/m3;
3.8将高炉煤气干基低位热值计算值与假定的高炉煤气干基低位热值进行比较,将二者差值的绝对值与设定的微小量进行比较,若不满足要求则返回步骤3.1,若满足要求则进入步骤3.9;具体包括:
3.9:输出高炉煤气干基低位热值计算值Qd,net作为当前高炉煤气干基低位热值,输出锅炉热效率η为当前锅炉热效率;
步骤4:发布步骤3.9输出的计算结果,使得终端用户可以实时浏览。
2.如权利要求1所述的一种高炉煤气锅炉入炉煤气热值与锅炉热效率在线监测方法,其特征在于:所述预处理包括坏点处理和数据平滑处理。
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