CN112098458A - 一种混合煤气热值监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合煤气热值监测系统及方法，属于钢铁能源生产管理技术领域。该系统包括煤气混合站参数监测模块、混合煤气用户监测模块、监测信息传输模块、煤气管网流动分析模块以及混合煤气热值监视终端；煤气混合站参数监测模块和混合煤气用户监测模块通过监测信息传输模块与煤气管网流动分析模块及混合煤气热值监视终端连接；煤气管网流动分析模块对接收的监测数据进行分析计算，整合实时监测数据和模拟仿真计算结果在混合煤气热值监视终端进行可视化显示。本发明能实时计算得到各混合煤气用户的热值，实现对整个混合煤气系统的热值监测。

Description

一种混合煤气热值监测系统及方法

技术领域

本发明属于钢铁能源生产管理技术领域，涉及一种混合煤气热值监测系统及方法。

背景技术

煤气是钢铁企业生产过程中最重要的二次能源，占全厂能源消耗的40％以上。在高炉、转炉和焦炉的生产过程中均会副产煤气，分别称为高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气。由于各种煤气组分存在差异，各煤气的热值也会存在较大差异。在实际使用中，为满足不同生产用户对煤气热值的要求，钢铁厂通过建设煤气混合站以实现两种或两种以上煤气按一定比例实现混合，并通过混合煤气管网输配给相应混合煤气用户。

在实际生产过程中，由于高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气热值会因生产工艺波动而出现变化，煤气混合站的控制系统虽然以混合煤气热值和压力稳定为控制目标不断调整，但上游条件的变化也会造成煤气混合站出口煤气热值的出现波动。随后混合煤气进入管网输配，由于煤气用户分布于全厂，煤气管网结构复杂，不少企业还存在环网，同时各用户使用量也不断变化，导致煤气在管网中的流动存在二次或多次混合，因此各用户点实际煤气热值并不与煤气混合站出口的煤气热值同步。

由于混合煤气用户对热值变化较为敏感，如轧钢加热炉需要依据煤气热值实时调整燃烧控制策略以获得跟高效的燃烧效果，如果按照混合站出口煤气热值作为参考并不可靠，而所有混合煤气用户均安装煤气热值分析仪的投资较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合煤气热值监测系统及方法，通过仅对混合站出口煤气组分进行检测，利用煤气管网水力流动特性进行管网流动在线仿真计算，实时计算得到各混合煤气用户的热值，实现对整个混合煤气系统的热值监测。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种混合煤气热值监测系统，包括煤气混合站参数监测模块、混合煤气用户监测模块、监测信息传输模块、煤气管网流动分析模块以及混合煤气热值监视终端；

所述煤气混合站参数监测模块和混合煤气用户监测模块通过监测信息传输模块与煤气管网流动分析模块及混合煤气热值监视终端连接；

所述监测信息传输模块用于采集煤气混合站及各混合煤气用户设备处的监测值，并将其传输给煤气管网流动分析模块和混合煤气热值监视终端分别进行分析计算和可视化显示；

所述煤气管网流动分析模块对接收的监测数据进行分析计算，整合实时监测数据和模拟仿真计算结果在混合煤气热值监视终端进行可视化显示。

进一步，所述煤气混合站参数监测模块采用流量计、压力计、温度计以及煤气成分分析仪对混合站出口煤气流量、压力、温度以及煤气组分进行实时监测，其中煤气组分包括CO、CO₂、H₂、CH₄、C_mH_n、O₂、N₂；所采用的流量计、压力计、温度计以及煤气成分分析仪安装在煤气混合站出口处主管线上，所有检测仪表通过网络接口由监测信息传输模块通过网络进行各检测数据的采集。

进一步，所述混合煤气用户监测模块采用流量计、压力计、温度计对各混合煤气用户设备的流量、压力和温度进行实时监测；所采用的流量计、压力计、温度计安装在各混合煤气用户设备入口处的管线上，所有检测仪表通过网络接口由监测信息传输模块通过网络进行各检测数据的采集。

进一步，所述煤气管网流动分析模块根据混合煤气管网的配置条件建立混合煤气管网水力仿真计算模型；根据监测信息传输模块提供的混合站出口煤气流量、压力、温度、煤气组分以及各混合煤气用户设备的流量、压力、温度的实时监测数据计算得到各混合煤气用户实时热值，计算结果传输给混合煤气热值监视终端。

进一步，所述的仿真计算模型基于管道水力计算理论方程建立，包括管道流动的质量、动量及能量守恒方程、阀门及各煤气设备的连接关系方程；所述的混合煤气管网配置条件包括混合煤气管网中各段煤气管道的长度、外径、壁厚、绝对粗糙度，以及各阀门的口径、开度和流量特性参数，各煤气用户设备的尺寸及设定运行参数，以及管道、阀门、煤气混合站以及煤气用户设备之间的连接关系参数。

进一步，所述混合煤气热值监视终端通过计算机软件系统构建可视化界面展示混合煤气热值实时监测信息，包括混合站出口煤气流量、压力、温度、煤气组分的实时监测数据，以及各混合煤气用户设备的流量、压力、温度的实时监测数据以及仿真计算得到的各混合煤气用户的煤气热值瞬时模拟计算结果。

2、一种混合煤气热值监测方法，具体包括以下步骤：

S1：采集混合煤气系统监测数据，监测信息传输模块将监测数据传输至煤气管网流动分析模块以及混合煤气热值监视终端；

S2：煤气管网流动分析模块根据采集获得的混合煤气系统监测数据进行混合煤气管网模拟仿真计算，得到各混合煤气用户的热值的计算数据；

S3：通过混合煤气热值监视终端对混合煤气系统监测数据以及各混合煤气用户的热值的计算数据进行可视化展示。

进一步，步骤S2中，煤气管网流动分析模块进行混合煤气管网模拟仿真计算，具体包括：

S21：根据混合煤气管网的配置条件建立混合煤气管网水力仿真计算模型；

S22：按数值计算方法对模型方程进行离散求解，得到各混合煤气用户设备处的煤气组分含量，结合煤气中各组分的热值计算得到各混合煤气用户处的煤气实时热值。

进一步，步骤S22中，按数值计算方法对模型方程进行离散求解，具体包括：采用有限体积法将压力-速度耦合方程进行离散，形成离散方程组，并通过压力预测-修正方法，迭代求解方程。

进一步，步骤S22中，求解过程中，模拟计算模块需要读入管网水力仿真计算模型所需的计算边界条件数据，包括混合站出口的煤气流量、压力、温度以及煤气数据，包括CO、CO₂、H₂、CH₄、C_mH_n、O₂和N₂的含量，以及各混合煤气用户设备处的流量、压力、温度的实时检测数据；

计算各混合煤气用户处的煤气实时热值为：

其中，CO、H₂、CH₄和C_mH_n分别是各混合煤气用户处的对应的煤气组分数据(％)；H_CO、分别是CO、H₂、CH₄和C_mH_n的热值(kJ/Nm³)。

本发明的有益效果在于：本发明可以实现混合煤气系统中煤气热值的软计量，通过较低投资实现混合煤气管网中各混合煤气用户热值的实时监测，为各用户的煤气使用调节提供重要参考，有利于混合煤气用户的能效提升。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明提供的一种混合煤气热值监测系统结构图；

图2为本发明提供的混合煤气管网参数检测布置图；

附图标记：Q-流量计，P-压力计，T-温度计，C-煤气成分分析仪。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图2，如图1所示，本发明优选一种混合煤气热值监测系统，包括：煤气混合站参数监测模块、混合煤气用户监测模块、监测信息传输模块、煤气管网流动分析模块以及混合煤气热值监视终端。煤气混合站参数监测模块和混合煤气用户监测模块通过信息传输模块与煤气管网流动分析模块及混合煤气热值监视终端连接，煤气管网流动分析模块对接收的信息采集模块的数据进行分析计算，整合实时监测数据和模拟仿真计算结果在混合煤气热值监视终端进行可视化显示。

按本实施例对混合煤气管网参数安装相应仪表进行检测，具体布置如图2所示。

在本实施例中，煤气混合站参数监测模块采用流量计、压力计、温度计以及煤气成分分析仪对混合站出口煤气流量、压力、温度、煤气组分进行实时监测，其中煤气组分包括CO、CO₂、H₂、CH₄、C_mH_n、O₂、N₂；所采用的流量计、压力计、温度计以及煤气成分分析仪安装在煤气混合站出口处主管线上，所有检测仪表通过网络接口由所述的监测信息传输模块通过网络进行各检测数据的采集，并传输给煤气管网流动分析模块及混合煤气热值监视终端。

混合煤气用户监测模块采用流量计、压力计、温度计对管网中各混合煤气用户的流量、压力和温度进行实时监测，所采用的流量计、压力计、温度计安装在各混合煤气用户入口处的管线上，所有检测仪表通过网络接口由监测信息传输模块通过网络进行各检测数据的采集，并传输给煤气管网流动分析模块及混合煤气热值监视终端。

煤气管网流动分析模块根据混合煤气管网的配置条件建立混合煤气管网水力仿真计算模型。仿真计算模型基于管道水力计算理论方程建立，包括管道流动的质量、动量及能量守恒方程、阀门及各煤气设备的连接关系方程。混合煤气管网配置条件包括混合煤气管网中各段煤气管道的长度、外径、壁厚、绝对粗糙度，各阀门的口径、开度、流量特性参数，各煤气设备的尺寸及设定运行参数，以及管道、阀门、煤气混合站以及煤气用户之间的连接关系参数。

监测信息传输模块为煤气管网流动分析模块提供的混合站出口煤气流量、压力、温度、煤气组分以及各混合煤气用户的流量、压力、温度的实时检测数据，通过带入混合煤气管网水力仿真计算模型后，按数值计算方法对模型方程进行离散求解。优选地，可采用有限体积法将压力-速度耦合方程进行离散，形成离散方程组，并通过压力预测-修正方法，迭代求解方程。在求解过程中，模拟计算模块需要读入管网模拟计算模型所需的计算边界条件数据，包括混合站出口的煤气流量、压力、温度以及煤气数据，包括CO、CO₂、H₂、CH₄、C_mH_n、O₂、N₂的含量；以及各混合煤气用户的流量、压力、温度的实时检测数据。通过求解煤气管网的水力计算模型，可获得各混合煤气用户处的煤气组分数据，包括CO、CO₂、H₂、CH₄、C_mH_n、O₂、N₂的含量，按照下式计算得到各混合煤气用户处的煤气实时热值：

其中，CO、H₂、CH₄和C_mH_n分别是各混合煤气用户处的对应的煤气组分数据(％)；H_CO、

分别是CO、H₂、CH₄和C_mH_n的热值(kJ/Nm³)。

煤气管网流动分析模块计算得到的各混合煤气用户的实时热值数据，由监测信息传输模块通过网络传输给所述的混合煤气热值监视终端。

混合煤气热值监视终端通过计算机软件系统构建可视化界面展示混合煤气热值实时监测信息，包括混合站出口煤气流量、压力、温度、煤气组分的实时监测数据、各混合煤气用户的流量、压力、温度的实时监测数据以及仿真计算得到的各混合煤气用户的煤气热值瞬时模拟计算结果。优选的，可结合混合煤气管网系统的实际系统布置构建系统可视化画面，在画面对应位置显示相应的煤气压力、温度、流量及热值数据；

优选的，各混合煤气用户热值的实时仿真计算结果还可传输给各用户的燃烧控制程序或系统，作为优化燃烧控制的必要参数。

相应地，本实施还提供一种混合煤气热值监测方法，包括：

1)采集混合煤气系统监测数据，将所述监测数据传输至煤气管网流动分析模块以及混合煤气热值监视终端；

2)根据采集获得的混合煤气系统监测数据进行混合煤气管网模拟仿真计算，得到各混合煤气用户的热值的计算数据；

3)通过混合煤气热值监视终端对混合煤气系统监测数据以及各混合煤气用户的热值的计算数据进行可视化展示。

其中，混合煤气系统监测数据包括煤气混合站出口的煤气流量、压力、温度、煤气组分数据以及各混合煤气用户的流量、压力和温度数据，煤气组分数据包括CO、CO₂、H₂、CH₄、C_mH_n、O₂、N₂。

混合煤气管网模拟仿真计算是基于管道水力计算理论方程，根据混合煤气管网的配置条件建立混合煤气管网水力仿真计算模型，通过输入混合站出口煤气流量、压力、温度、煤气组分以及各混合煤气用户的流量、压力、温度的实时监测数据模拟计算得到各混合煤气用户的热值结果。

管道水力计算理论方程包括管道流动的质量、动量及能量守恒方程以及管道、阀门、煤气混合站以及煤气用户的连接关系方程；所述的混合煤气管网配置条件包括混合煤气管网中各段煤气管道的长度、外径、壁厚、绝对粗糙度，各阀门的口径、开度、流量特性参数，各煤气设备的尺寸及设定运行参数，以及管道、阀门、煤气混合站以及煤气用户之间的连接关系参数。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种混合煤气热值监测系统，其特征在于，该系统包括煤气混合站参数监测模块、混合煤气用户监测模块、监测信息传输模块、煤气管网流动分析模块以及混合煤气热值监视终端；

所述煤气混合站参数监测模块和混合煤气用户监测模块通过监测信息传输模块与煤气管网流动分析模块及混合煤气热值监视终端连接；

所述监测信息传输模块用于采集煤气混合站及各混合煤气用户设备处的监测值，并将其传输给煤气管网流动分析模块和混合煤气热值监视终端分别进行分析计算和可视化显示；

所述煤气管网流动分析模块对接收的监测数据进行分析计算，整合实时监测数据和模拟仿真计算结果在混合煤气热值监视终端进行可视化显示。

2.根据权利要求1所述的混合煤气热值监测系统，其特征在于，所述煤气混合站参数监测模块采用流量计、压力计、温度计以及煤气成分分析仪对混合站出口煤气流量、压力、温度以及煤气组分进行实时监测；所采用的流量计、压力计、温度计以及煤气成分分析仪安装在煤气混合站出口处主管线上，所有检测仪表通过网络接口由监测信息传输模块通过网络进行各检测数据的采集。

3.根据权利要求1所述的混合煤气热值监测系统，其特征在于，所述混合煤气用户监测模块采用流量计、压力计、温度计对各混合煤气用户设备的流量、压力和温度进行实时监测；所采用的流量计、压力计、温度计安装在各混合煤气用户设备入口处的管线上，所有检测仪表通过网络接口由监测信息传输模块通过网络进行各检测数据的采集。

4.根据权利要求1所述的混合煤气热值监测系统，其特征在于，所述煤气管网流动分析模块根据混合煤气管网的配置条件建立混合煤气管网水力仿真计算模型；根据监测信息传输模块提供的混合站出口煤气流量、压力、温度、煤气组分以及各混合煤气用户设备的流量、压力、温度的实时监测数据计算得到各混合煤气用户实时热值，计算结果传输给混合煤气热值监视终端。

5.根据权利要求4所述的混合煤气热值监测系统，其特征在于，所述的仿真计算模型基于管道水力计算理论方程建立，包括管道流动的质量、动量及能量守恒方程、阀门及各煤气设备的连接关系方程；所述的混合煤气管网配置条件包括混合煤气管网中各段煤气管道的长度、外径、壁厚、绝对粗糙度，以及各阀门的口径、开度和流量特性参数，各煤气用户设备的尺寸及设定运行参数，以及管道、阀门、煤气混合站以及煤气用户设备之间的连接关系参数。

6.根据权利要求1所述的混合煤气热值监测系统，其特征在于，所述混合煤气热值监视终端通过计算机软件系统构建可视化界面展示混合煤气热值实时监测信息，包括混合站出口煤气流量、压力、温度、煤气组分的实时监测数据，以及各混合煤气用户设备的流量、压力、温度的实时监测数据以及仿真计算得到的各混合煤气用户的煤气热值瞬时模拟计算结果。

7.一种混合煤气热值监测方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：采集混合煤气系统监测数据，监测信息传输模块将监测数据传输至煤气管网流动分析模块以及混合煤气热值监视终端；

S2：煤气管网流动分析模块根据采集获得的混合煤气系统监测数据进行混合煤气管网模拟仿真计算，得到各混合煤气用户的热值的计算数据；

S3：通过混合煤气热值监视终端对混合煤气系统监测数据以及各混合煤气用户的热值的计算数据进行可视化展示。

8.根据权利要求7所述的混合煤气热值监测方法，其特征在于，步骤S2中，煤气管网流动分析模块进行混合煤气管网模拟仿真计算，具体包括：

S21：根据混合煤气管网的配置条件建立混合煤气管网水力仿真计算模型；

S22：按数值计算方法对模型方程进行离散求解，得到各混合煤气用户设备处的煤气组分含量，结合煤气中各组分的热值计算得到各混合煤气用户处的煤气实时热值。

9.根据权利要求8所述的混合煤气热值监测方法，其特征在于，步骤S22中，按数值计算方法对模型方程进行离散求解，具体包括：采用有限体积法将压力-速度耦合方程进行离散，形成离散方程组，并通过压力预测-修正方法，迭代求解方程。

10.根据权利要求8所述的混合煤气热值监测方法，其特征在于，步骤S22中，求解过程中，模拟计算模块需要读入管网水力仿真计算模型所需的计算边界条件数据，包括混合站出口的煤气流量、压力、温度以及煤气数据，包括CO、CO₂、H₂、CH₄、C_mH_n、O₂和N₂的含量，以及各混合煤气用户设备处的流量、压力、温度的实时检测数据；

计算各混合煤气用户处的煤气实时热值为：

其中，CO、H₂、CH₄和C_mH_n分别是各混合煤气用户处的对应的煤气组分数据(％)；H_CO、

分别是CO、H₂、CH₄和C_mH_n的热值(kJ/Nm³)。

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