CN112696658B - 一种氧化铝蒸汽产消联锁方法 - Google Patents

Abstract

一种氧化铝蒸汽产消联锁方法，解决现有氧化铝生产过程中各工序的蒸汽产生和消耗数据缺乏关联性，造成大量的蒸汽浪费，煤粉燃烧效率低，吨氧化铝生产成本高的问题。该氧化铝蒸汽产消联锁方法，通过氧化铝生产过程中高压溶出、预脱硅、母液蒸发、脱硫、锅炉自用、煤气化等工艺段蒸汽用量与锅炉蒸汽产量的联锁，锅炉产汽与原燃料的联锁，以及原燃料与动力装置的联锁，建立氧化铝生产的在线产消联锁关系，进而使锅炉燃烧过程的煤耗以及运行过程中的蒸汽需求量下降，降低拜耳法氧化铝生产的能耗，提升氧化铝生产领域的自动化水平。

Description

一种氧化铝蒸汽产消联锁方法

技术领域

本发明属于冶金自动化的工业人工智能技术领域，具体涉及一种可实现工艺段蒸汽用量与锅炉蒸汽产量的在线关联、锅炉产汽与原燃料的在线关联，以及原燃料与动力装置的在线关联，降低拜耳法氧化铝生产的能耗，提升工业自动化水平的氧化铝蒸汽产消联锁方法。

背景技术

目前，我国工业人工智能进程十分缓慢，重点在于两方面的原因，一是由于大量的工业基础数据缺乏精准性，导致了整个产业链无法有效地利用这些数据做联锁、预测及优化调度等；二是由于大量的工业基础数据背后缺少在能源端的关联性，导致大量数据在集控中心或者能源管理中心只是数据简单的罗列和显示，并没有对能源系统起到有效的节能降耗作用。现阶段工业数据只是用于基础的生产和环保监测，保证生产不出事故、保证环保排放达标。然而，数据之间的精准性联锁对能源系统的意义，在接下来数十年的中国工业中，将会起到巨大的作用。

拜耳法生产氧化铝有原矿浆制备、高压溶出、压煮矿浆稀释及赤泥分离和洗涤、晶种分解、氢氧化铝分级和洗涤、氢氧化铝焙烧、母液蒸发及苏打苛化等主要生产工序。在现有氧化铝生产过程中，控制中心、集控部门或自动化部门会有整个蒸汽产生的数据(可以到单台锅炉)，也有每个工序消耗的蒸汽数据，但蒸汽产生和消耗的数据没有丝毫关联性，也不存在相互联锁。锅炉端蒸汽产生量和工序的蒸汽消耗量没有联锁，一旦生产过程所需蒸汽量减少，例如：产量调整下降，检修过程或者故障状态时，锅炉产汽端不能及时掌握情况，会持续按照正常状态为消耗端提供蒸汽，这样就造成了大量的蒸汽浪费。

蒸汽浪费的背后，是主给水量的增加、一次风和二次风量的增加、燃煤量的增加，主给水量增加会加剧主给水的水泵电耗，一次风和二次风量的增加则会加剧对应风机的电耗，燃煤量的增加则直接增加了吨氧化铝的生产成本。另外，锅炉内部的风量和燃煤消耗也没有形成在线的关联，导致经常出现锅炉的一次风、二次风不匹配，锅炉的风量与煤耗不匹配，从而引起了煤粉燃烧不充分，煤粉燃烧效率降低等问题。故有必要对现有的氧化铝生产工艺中蒸汽产生端和消耗端的关联方式进行改进。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种可实现工艺段蒸汽用量与锅炉蒸汽产量的在线关联、锅炉产汽与原燃料的在线关联，以及原燃料与动力装置的在线关联，降低拜耳法氧化铝生产的能耗，提升工业自动化水平的氧化铝蒸汽产消联锁方法。

本发明所采用的技术方案是：该氧化铝蒸汽产消联锁方法包括如下步骤：

步骤一、氧化铝工序蒸汽消耗与锅炉蒸汽产生的联锁；各工序的蒸汽需求量取决于各条管线的蒸汽需求量，而各管线的蒸汽需求量来源于各管线的表计端的蒸汽在线计量数据；并在所有蒸汽表环节都采取在线的校准措施，进而使数据达到精准要求；

步骤二、通过氧化铝的预脱硅、高压溶出、母液蒸发、脱硫及煤气化环节的工序蒸汽消耗量，可知氧化铝生产工艺所消耗的蒸汽量为：

Q_消耗总量＝Q′_预脱硅+Q′_溶出+Q′_蒸发+Q_脱硫+Q′_气化

式中：Q_消耗总量—氧化铝工艺蒸汽消耗总量；

Q′_预脱硅—预脱硅工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_溶出—高压溶出工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_蒸发—母液蒸发工序所消耗的蒸汽总量；

Q_脱硫—脱硫管道所消耗的蒸汽总量；

Q′_气化—煤气化工序所消耗的蒸汽总量；

步骤三、锅炉产生的蒸汽只用于氧化铝生产，不考虑多余蒸汽用来连接汽轮机进行发电的操作；从节能降耗的角度，锅炉产生的蒸汽量将由氧化铝生产过程所消耗的蒸汽量决定；但由于锅炉产汽量不能完全等于氧化铝工序的蒸汽消耗量，为了保证生产稳定安全，对锅炉产汽量增加裕量；因此，锅炉蒸汽产生量与氧化铝生产工序蒸汽消耗量的联锁关系式为：

Q_产汽总量-Q_锅自用＝α×Q_消耗总量

式中：Q_产汽总量—锅炉产生的蒸汽总量；

Q_锅自用—锅炉自身消耗的蒸汽量；

α—保证蒸汽消耗总量的安全裕量系数，取1.1～1.15；

步骤四、锅炉产汽与原燃料的联锁；原燃料指的是锅炉蒸汽产生所需要的主给水、一次风、二次风、燃煤，燃煤包含了燃煤的煤种、燃煤的成分、燃煤的低位发热值、燃煤的消耗量；锅炉产汽与原燃料的联锁包括燃煤与风量的联锁、以及主给水与主蒸汽的联锁；

步骤五、原燃料与对应动力装置的联锁；原燃料与动力装置建立的联锁是通过自适应过程实现的，通过步骤四中锅炉产汽与原燃料的联锁，已经可以明确获得在氧化铝生产过程中锅炉所需要的一次风量、二次风量、主给水量、燃煤消耗量、过量空气系数，而各种原燃料的量与其对应的动力装置是通过动力装置的电机驱动来实现的；当工艺端所需要的蒸汽量下降时，则对应锅炉的主蒸汽量会根据反馈相应下降，对应产生主蒸汽的锅炉中的风量、主给水、燃煤量也会下降；同时，风量下降会反馈给风机，风机电耗下降；主给水量下降会反馈给水泵，水泵电耗下降；煤耗下降会反馈给供煤系统，供煤系统的传输电耗下降；由于风量减少，则锅炉对应的烟气量下降，则烟气对应的引风机的电耗也随之下降。

所述步骤二、预脱硅的蒸汽消耗量的校准确定；预脱硅环节用到的蒸汽包含了各条管道的蒸汽消耗量；各管道的数据经过原始压力、差压、温度等信号进入到预脱硅蒸汽校准系统，由该系统进行数据精准性处理，以得到预脱硅环节的蒸汽消耗量；

预脱硅蒸汽校准系统是对预脱硅工序所对应的预脱硅管道1的蒸汽表1～预脱硅管道M的蒸汽表M，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表M对应的在线校准算法如下：

Q′_预脱硅M＝K_M×Q_预脱硅M

K_M＝f_M(ΔP_M,T_M,P_M)

式中：M—预脱硅工序所消耗蒸汽的管道数量及第M条管道的编号；

Q′_预脱硅M—在线校准后预脱硅管道M对应的蒸汽流量；

Q_预脱硅M—在线校准前预脱硅管道M对应的蒸汽表显示的流量；

K_M—在线校准过程对应的蒸汽流量修正数；

f_M(ΔP_M,T_M,P_M)—蒸汽流量修正数的具体算法；

ΔP_M—预脱硅管道M对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_M—预脱硅管道M对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_M—预脱硅管道M对应的蒸汽压力，由压力变送器读取；

由于在预脱硅工序中，所有管道是平行结构，互不影响，因此，预脱硅工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_预脱硅—预脱硅工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_预脱硅i—在线校准后预脱硅第i条管道对应的蒸汽流量。

所述步骤二、高压溶出的蒸汽消耗量的校准确定；高压溶出用于将矿浆的温度从低温提升到高温，去除矿浆内杂质成分；高压溶出工序蒸汽的需求量计算方法与预脱硅工序类似，也要经过高压溶出对应的蒸汽在线校准系统处理；

高压溶出蒸汽在线校准系统是对高压溶出工序所对应的溶出管道1的蒸汽表1～溶出管道N的蒸汽表N，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表N对应的在线校准算法如下：

Q′_溶出N＝K_溶出N×Q_溶出N

K_溶出N＝f_溶出N(ΔP_溶出N,T_溶出N,P_溶出N)

式中：N—高压溶出工序所消耗蒸汽的管道数量及第N条管道编号；

Q′_溶出N—在线校准后高压溶出管道N对应的蒸汽流量；

Q_溶出N—在线校准前高压溶出管道N对应的蒸汽表显示的流量；

K_溶出N—在线校准溶出过程对应的蒸汽流量修正数；

f_溶出N(ΔP_溶出N,T_溶出N,P_溶出N)—溶出工序蒸汽流量修正数的具体算法；

ΔP_溶出N—高压溶出管道N对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_溶出N—高压溶出管道N对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_溶出N—高压溶出管道N对应的蒸汽压力，由压力变送器读取；

高压溶出工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_溶出—高压溶出工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_溶出i—在线校准后高压溶出第i条管道对应的蒸汽流量。

所述步骤二、母液蒸发的蒸汽消耗量的校准确定；母液蒸发的目的是为了保证氧化铝生产过程中的浓度，使得循环母液达到溶出铝土矿的要求；母液蒸发工序所需的蒸汽量经过母液在线校准系统进行蒸汽数据的校准；

母液蒸发蒸汽在线校准系统是对母液蒸发工序所对应的蒸发管道1的蒸汽表1～蒸发管道K的蒸汽表K，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表K对应的在线校准算法如下：

Q′_蒸发K＝K_蒸发K×Q_蒸发K

K_蒸发K＝f_蒸发K(ΔP_蒸发K,T_蒸发K,P_蒸发K)

式中：K—母液蒸发工序所消耗蒸汽的管道数量及第K条管道编号；

Q′_蒸发K—在线校准后母液蒸发管道K对应的蒸汽流量；

Q_蒸发K—在线校准前母液蒸发管道K对应的蒸汽表显示的流量；

K_蒸发K—在线校准蒸发过程对应的蒸汽流量修正数；

f_蒸发K(ΔP_蒸发K,T_蒸发K,P_蒸发K)—蒸发工序蒸汽流量修正数的具体算法；

ΔP_蒸发K—母液蒸发管道K对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_蒸发K—母液蒸发管道K对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_蒸发K—母液蒸发管道K对应的蒸汽压力，由压力变送器读取；

母液蒸发工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_蒸发—母液蒸发工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_蒸发i—在线校准后母液蒸发第i条管道对应的蒸汽流量。

所述步骤二、脱硫的蒸汽消耗量的确定；由于脱硫过程中的蒸汽消耗量很小，且脱硫大多数是间歇式进行，所以直接采用脱硫过程中的蒸汽表信号来确定脱硫的蒸汽消耗量；脱硫的蒸汽消耗量如下：

式中：R—脱硫工序所消耗蒸汽的管道数量及第R条管道编号；

Q_脱硫—脱硫管道所消耗的蒸汽总量；

Q_脱硫i—第i条脱硫管道对应的蒸汽表流量。

所述步骤二、煤气化炉蒸汽消耗量的校准确定；煤气化炉负责给氧化铝生产工艺环节的焙烧工序提供煤气；其作用是将煤通过煤气化炉气化，供给焙烧车间，焙烧工序将氢氧化铝焙烧成氧化铝；

煤气化炉蒸汽在线校准系统是对煤气化工序所对应的气化炉管道1的蒸汽表1～气化管道S的蒸汽表S，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表S对应的在线校准算法如下：

Q′_气化S＝K_气化S×Q_气化S

K_气化S＝f_气化S(ΔP_气化S,T_气化S,P_气化S)

式中：S—煤气化工序所消耗蒸汽的管道数量及第S条管道编号；

Q′_气化S—在线校准后气化炉管道S对应的蒸汽流量；

Q_气化S—在线校准前气化炉管道S对应的蒸汽表显示的流量；

K_气化S—在线校准气化过程对应的蒸汽流量修正数；

f_气化S(ΔP_气化S,T_气化S,P_气化S)—煤气化工序蒸汽流量修正数的具体算法；

ΔP_气化S—煤气化管道S对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_气化S—煤气化管道S对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_气化S—煤气化管道S对应的蒸汽压力，由压力变送器读取；

煤气化工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_气化—煤气化工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_气化i—在线校准后煤气化第i条管道对应的蒸汽流量。

所述步骤三、在实际生产过程中，一般会有多台锅炉参与蒸汽的生产；在多台锅炉同时运行的条件下，蒸汽自适应分配器进行蒸汽分配的原则为：既要保证锅炉运行过程中的效率在合理范围，又能保证在运行过程中各台锅炉之间的协同；将多台锅炉以数量E进行替代，以E锅炉为例对蒸汽自适应分配器的分配算法进行说明：

χ₁·Q_1满负荷+χ₂·Q_2满负荷+…+χ_E·Q_E满负荷＝Q_产汽总量

0.75≤χ₁，χ₂，…，χ_E≤0.9

式中：Q_1满负荷—锅炉1在满负荷条件下的蒸汽产量；

Q_2满负荷—锅炉2在满负荷条件下的蒸汽产量；

Q_E满负荷—锅炉E在满负荷条件下的蒸汽产量；

χ₁—锅炉自适应分配器分配给锅炉1的负荷系数；

χ₂—锅炉自适应分配器分配给锅炉2的负荷系数；

χ_E—锅炉自适应分配器分配给锅炉E的负荷系数；

蒸汽自适应分配器分配要同时满足上式的要求；每台锅炉的实际产汽量最终可由下式进行计算：

Q_{E实际产汽量}＝χ_E·Q_E满负荷

式中：Q_{E实际产汽量}—分配后锅炉E的实际蒸汽产生量；

每台锅炉负荷系数的分配采用初始化方法，给定每台锅炉一个初始值0.75，则系统开始计算，如结果满足上述公式要求，则计算结束；如不满足要求，则依次给定0.76，0.77，0.78，……，0.90进行上述环节计算，直到满足上述公式要求为止。

所述步骤四、燃煤与风量的联锁，是为了燃煤与风量匹配合理，使得燃煤燃烧充分；同时，需要根据循环流化床锅炉的要求，满足一次风、二次风本身的联锁，以达到整个燃烧过程的最优化；

1kg燃料完全燃烧所需理论空气量计算如下式所示：

V⁰＝0.0889(C_ar+0.375S_ar)+0.265H_ar-0.0333O_ar(Nm³/kg)

式中：V⁰—单位燃料完全燃烧所需的理论空气量；

C_ar—收到基中碳元素成分百分比，％；

S_ar—收到基中硫元素成分百分比，％；

H_ar—收到基中氢元素成分百分比，％；

O_ar—收到基中氧元素成分百分比，％；

N_ar—收到基中氮元素成分百分比，％；

M_ar—收到基中水分百分比，％；

考虑到燃烧过程中必须有过量空气以保证燃烧的顺利进行，则实际燃烧过程中所需要的风量应为：

V＝αV⁰

式中：V—单位燃料完全燃烧所需的实际空气量；

α—过量空气系数，通过氧量分析仪可实时检测并计算出；

现场使用的燃煤量可以通过供煤系统进行实际的检测，为了侧重联锁，不过分纠结于燃煤量检测装置本身的精度，只对供煤系统检测到的燃煤量进行使用即可；则整个锅炉实际燃烧所需要的总空气量为：

V_总空气＝m×V

式中：V_总空气—锅炉实际燃烧过程所需的总空气流量；

m—对应的锅炉煤耗，通过供煤系统可实时检测；

循环流化床锅炉的供风系统可以将风量分为一次风和二次风；一次风主要用于煤粉的流化，二次风主要用于提供氧；一次风和二次风的匹配关系主要取决于循环流化床锅炉的燃烧器型式；

V_一次＝κ₁·V_总空气

V_二次＝κ₂·V_总空气

κ₁+κ₂＝1

式中：V_一次—循环流化床锅炉一次风的风量；

V_二次—循环流化床锅炉二次风的风量；

κ₁—循环流化床锅炉一次风的分配系数；

κ₂—循环流化床锅炉二次风的分配系数。

所述步骤四、主给水与主蒸汽的联锁；由于主蒸汽的产量取决于氧化铝工艺消耗端蒸汽的用量，所以主给水需要被动与主蒸汽联锁，即：主给水需要与蒸汽反馈的量建立联锁关系；

另外，从能量守恒的角度，还要考虑到主给水变成主蒸汽所需的热量与燃煤燃烧所产生的热量之间的关系；所以，主给水与主蒸汽的联锁模型由两部分构成，分别是质量守恒和能量守恒两部分；

Q_E主给水·η_E＝Q_{E实际产汽量}

式中：Q_E主给水—锅炉E对应的主给水流量；

η_E—锅炉E对应的产汽率；

上式主要用来描述锅炉主给水与主蒸汽产生量之间的联锁关系，但由于以主蒸汽为准，所以在实现环节一定是以主蒸汽的量为准来反馈给主给水，然后主给水依据当前的产汽率来决定具体的供应量；但锅炉的产汽率并不是固定不变的，是随着锅炉的运行和负荷在变化的，因此还需要能量守恒来进一步确定主给水与主蒸汽之间的联锁；

Q_E主给水·γ＝m·q_低位-θ

式中：γ—单位质量主给水变成主蒸汽所需要的热量；

q_低位—锅炉所用燃煤的低位发热值；

θ—锅炉除加热水变成蒸汽以外的其它热损失。

所述步骤五、对于一次风、二次风的风量与风机之间的联锁，可用下式表示：

式中：P_e风—一次风风机、二次风风机的有效功率；

p—一次风机、二次风机对应的全压；

在上式中，以一次风的风量为已知量；且风机全压为固有特性，当风机确定时，全压是确定的；

对于主给水的流量与水泵之间的联锁，可用下式表示：

式中：P_e水—主给水对应水泵的有效功率；

ρ—锅炉主给水的密度；

H—主给水对应水泵的扬程；

上式中已知量为主给水的流量，可采用蒸汽量及能量守恒得到；对于具体的应用现场，水泵是确定的，则水泵的扬程也是确定的；

对于烟气系统的烟气量和引风机，首先需要根据一次风、二次风量、煤耗、过量空气系数等进行烟气的计算；单位燃料在理论所需空气量下、完全燃烧所产生的烟气量计算公式如下：

式中：

—单位燃料完全燃烧理论烟气容积；

—单位燃料完全燃烧理论干烟气容积；

—理论水蒸气容积；

—单位燃料完全燃烧产生的CO₂与SO₂容积；

—单位燃料完全燃烧时所需理论空气量中的N₂与燃烧释放的N₂之和；

单位燃料完全燃烧生成的SO₂容积为：

单位燃料完全燃烧生成的CO₂容积为：

故可知：

理论N₂容积为：

理论水蒸气容积为：

由于循环流化床锅炉实际燃烧过程是在过量空气系数条件下进行的，此时的烟气容积除了理论烟气容积外，还增加了过量空气及过量空气中携带的水蒸气容积，实际烟气流量为：

则实际产生的烟气流量可用下式表示为：

Q_g＝m·V_g

式中：V_g—单位燃料完全燃烧产生的实际烟气体积；

Q_g—实际燃烧过程中烟气的体积流量；

因此，可建立烟气流量及其对应引风机的联锁关系为：

式中：P_eg—烟气对应引风机的有效功率；

p_g—烟气对应引风机的全压；

在上述关系式中，烟气的流量为已知量，烟气引风机在现场是确定的，故引风机对应的全压也是已知，可根据烟气流量变化调整引风机的功率。

本发明的有益效果：1、可以实现各工序蒸汽用量和锅炉端蒸汽产生量的实时在线关联，达到减少蒸汽消耗量的目的。2、实现锅炉蒸汽产量与主给水量、一次风量、二次风量、燃煤消耗量的在线关联，进而使锅炉运行效率得到提升和优化，达到节能的目的。3、将锅炉内部的一次风与二次风的匹配关系、风量与燃煤的匹配关系、燃煤成分与完全燃烧的关系等实现在线实时关联，降低风机、水泵的电耗，从而降低吨氧化铝综合能耗。并且，通过上述技术手段，在节能降耗的基础上，能够大幅度提升拜耳法氧化铝行业的自动化水平和数据精准性水平，为氧化铝行业的智能化奠定坚实的基础。

附图说明

图1是氧化铝生产工艺现状图。

图2是现有氧化铝厂蒸汽产生和消耗端的关系框图。

图3是本发明的简化后的氧化铝蒸汽产耗端流程图。

图4是本发明的简化后的预脱硅工序蒸汽消耗量示意图。

图5是本发明的氧化铝蒸汽消耗与锅炉蒸汽产量的联锁运行图。

图6是本发明的多台锅炉与蒸汽消耗端的联锁运行图。

图7是本发明的主蒸汽与主给水的联锁示意图。

图8是本发明的原燃料及对应的动力装置示意图。

图9是本发明的氧化铝工艺端到原燃料对应动力装置的节能降耗逻辑图。

具体实施方式

该方法通过氧化铝生产过程中高压溶出、预脱硅、母液蒸发、脱硫、锅炉自用、煤气化等工艺段蒸汽用量与锅炉蒸汽产量的联锁，锅炉产汽与原燃料的联锁，原燃料与动力装置的联锁，建立氧化铝生产的在线产消联锁关系，实现拜耳法氧化铝生产的节能降耗，提升该领域自动化水平。

详细说明本发明的具体步骤。该氧化铝蒸汽产消联锁方法包括：

步骤一、氧化铝工序蒸汽消耗与锅炉蒸汽产生的联锁。

本发明涉及到的氧化铝蒸汽消耗端为拜耳法氧化铝蒸汽消耗端的通用模型，因此在方法描述过程中，将所有的管线以虚拟数据代替，而不必纠结于管线的条数本身，后续描述中均采用此法，不再对此虚拟数据法做过多说明。

本发明只涉及到蒸汽产耗端，故在方法描述中仅保留与蒸汽有关的工序环节，其它环节做简化处理(如图3所示)。在蒸汽消耗的各工序段中，由于每个工序的管道数量不同，所以采用虚拟数据时用不同的字母替代，以表示管道数量的不同，但由于高压溶出属于核心工序段，且高压溶出管线条数较多，所以在图中会以较多的管线条数与其它管道进行示意区分。

各工序的蒸汽需求量取决于各条管线的蒸汽需求量，而各管线的蒸汽需求量来源于各管线的表计端的蒸汽在线计量数据。对于各管线段仪表满足安装条件且流量算法准确的蒸汽表，此处可直接采集其流量信号提供给本发明对应的系统。如果蒸汽表的安装条件不满足仪表要求或算法不符合工况要求，则需进行数据精准性处理。并且，为了方法的通用性，在所有蒸汽表环节都采取在线的校准措施，进而使数据达到精准要求。

步骤二、通过氧化铝的预脱硅、高压溶出、母液蒸发、脱硫及煤气化环节的工序蒸汽消耗量，可知氧化铝生产工艺所消耗的蒸汽量为：

Q_消耗总量＝Q′_预脱硅+Q′_溶出+Q′_蒸发+Q_脱硫+Q′_气化

式中：Q_消耗总量—氧化铝工艺蒸汽消耗总量；

Q′_预脱硅—预脱硅工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_溶出—高压溶出工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_蒸发—母液蒸发工序所消耗的蒸汽总量；

Q_脱硫—脱硫管道所消耗的蒸汽总量；

Q′_气化—煤气化工序所消耗的蒸汽总量。

(1)预脱硅的蒸汽消耗量。预脱硅环节用到的蒸汽包含了管道1、管道2、……、管道M的蒸汽消耗量。各管道的数据经过原始压力、差压、温度等信号进入到预脱硅蒸汽校准系统，由该系统进行数据精准性处理，以得到预脱硅环节的蒸汽消耗量。各信号的连接示意图如图4所示。因本发明并不是做数据精准性分析，所以在信号接入环节将压力、温度、差压采用一个仪表在图中进行简化显示。

预脱硅蒸汽校准系统是对预脱硅工序所对应的预脱硅管道1的蒸汽表1～预脱硅管道M的蒸汽表M，进行蒸汽流量的在线校准分析。蒸汽表M对应的在线校准算法如下：

Q′_预脱硅M＝K_M×Q_预脱硅M

K_M＝f_M(ΔP_M,T_M,P_M)

式中：M—预脱硅工序所消耗蒸汽的管道数量及第M条管道的编号；

Q′_预脱硅M—在线校准后预脱硅管道M对应的蒸汽流量；

Q_预脱硅M—在线校准前预脱硅管道M对应的蒸汽表显示的流量；

K_M—在线校准过程对应的蒸汽流量修正数；

f_M(ΔP_M,T_M,P_M)—蒸汽流量修正数的具体算法；

ΔP_M—预脱硅管道M对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_M—预脱硅管道M对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_M—预脱硅管道M对应的蒸汽压力，由压力变送器读取。

由于在预脱硅工序中，所有管道是平行结构，互不影响，因此，预脱硅工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_预脱硅—预脱硅工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_预脱硅i—在线校准后预脱硅第i条管道对应的蒸汽流量。

(2)高压溶出的蒸汽消耗量。高压溶出属于整个拜耳法氧化铝生产工艺的重要环节，主要用于将矿浆的温度从低温提升到280℃或290℃，去除矿浆内杂质成分，以达到管道化溶出的目的，最终得到铝酸钠溶液用于下一工序使用。

高压溶出工序蒸汽的需求量计算方法与预脱硅工序类似，也要经过高压溶出对应的蒸汽在线校准系统处理，然后才能对数据进行进一步的应用。

高压溶出蒸汽在线校准系统是对高压溶出工序所对应的溶出管道1的蒸汽表1～溶出管道N的蒸汽表N，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表N对应的在线校准算法如下：

Q′_溶出N＝K_溶出N×Q_溶出N

K_溶出N＝f_溶出N(ΔP_溶出N,T_溶出N,P_溶出N)

式中：N—高压溶出工序所消耗蒸汽的管道数量及第N条管道编号；

Q′_溶出N—在线校准后高压溶出管道N对应的蒸汽流量；

Q_溶出N—在线校准前高压溶出管道N对应的蒸汽表显示的流量；

K_溶出N—在线校准溶出过程对应的蒸汽流量修正数；

f_溶出N(ΔP_溶出N,T_溶出N,P_溶出N)—溶出工序蒸汽流量修正数的具体算法；

ΔP_溶出N—高压溶出管道N对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_溶出N—高压溶出管道N对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_溶出N—高压溶出管道N对应的蒸汽压力，由压力变送器读取。

高压溶出工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_溶出—高压溶出工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_溶出i—在线校准后高压溶出第i条管道对应的蒸汽流量。

(3)母液蒸发的蒸汽消耗量。母液蒸发的目的是为了保证氧化铝生产过程中的浓度，使得循环母液达到溶出铝土矿的要求；母液蒸发工序所需的蒸汽量经过母液在线校准系统进行蒸汽数据的校准，然后才能参与下一步的应用。

母液蒸发蒸汽在线校准系统是对母液蒸发工序所对应的蒸发管道1的蒸汽表1～蒸发管道K的蒸汽表K，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表K对应的在线校准算法如下：

Q′_蒸发K＝K_蒸发K×Q_蒸发K

K_蒸发K＝f_蒸发K(ΔP_蒸发K,T_蒸发K,P_蒸发K)

式中：K—母液蒸发工序所消耗蒸汽的管道数量及第K条管道编号；

Q′_蒸发K—在线校准后母液蒸发管道K对应的蒸汽流量；

Q_蒸发K—在线校准前母液蒸发管道K对应的蒸汽表显示的流量；

K_蒸发K—在线校准蒸发过程对应的蒸汽流量修正数；

f_蒸发K(ΔP_蒸发K,T_蒸发K,P_蒸发K)—蒸发工序蒸汽流量修正数的具体算法；

ΔP_蒸发K—母液蒸发管道K对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_蒸发K—母液蒸发管道K对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_蒸发K—母液蒸发管道K对应的蒸汽压力，由压力变送器读取。

母液蒸发工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_蒸发—母液蒸发工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_蒸发i—在线校准后母液蒸发第i条管道对应的蒸汽流量。

(4)脱硫的蒸汽消耗量的确定。由于脱硫过程中的蒸汽消耗量很小，且脱硫大多数是间歇式进行，一般间隔1～2天脱硫一次，每次蒸汽用量约为2t/h。因此，本发明中不再对脱硫过程进行数据在线校准处理，直接采用脱硫过程中的蒸汽表信号来确定脱硫的蒸汽消耗量；脱硫的蒸汽消耗量如下：

式中：R—脱硫工序所消耗蒸汽的管道数量及第R条管道编号；

Q_脱硫—脱硫管道所消耗的蒸汽总量；

Q_脱硫i—第i条脱硫管道对应的蒸汽表流量。

(5)煤气化炉蒸汽消耗量。煤气化炉负责给氧化铝生产工艺环节的焙烧工序提供煤气；其作用是将煤通过煤气化炉气化，供给焙烧车间，焙烧工序将氢氧化铝焙烧成氧化铝。

煤气化炉蒸汽在线校准系统是对煤气化工序所对应的气化炉管道1的蒸汽表1～气化管道S的蒸汽表S，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表S对应的在线校准算法如下：

Q′_气化S＝K_气化S×Q_气化S

K_气化S＝f_气化S(ΔP_气化S,T_气化S,P_气化S)

式中：S—煤气化工序所消耗蒸汽的管道数量及第S条管道编号；

Q′_气化S—在线校准后气化炉管道S对应的蒸汽流量；

Q_气化S—在线校准前气化炉管道S对应的蒸汽表显示的流量；

K_气化S—在线校准气化过程对应的蒸汽流量修正数；

f_气化S(ΔP_气化S,T_气化S,P_气化S)—煤气化工序蒸汽流量修正数的具体算法；

ΔP_气化S—煤气化管道S对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_气化S—煤气化管道S对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_气化S—煤气化管道S对应的蒸汽压力，由压力变送器读取。

煤气化工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_气化—煤气化工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_气化i—在线校准后煤气化第i条管道对应的蒸汽流量。

步骤三、锅炉产生的蒸汽只用于氧化铝生产，不考虑多余蒸汽用来连接汽轮机进行发电的操作；从节能降耗的角度，锅炉产生的蒸汽量将由氧化铝生产过程所消耗的蒸汽量决定；但由于锅炉产汽量不能完全等于氧化铝工序的蒸汽消耗量，为了保证生产稳定安全，对锅炉产汽量增加裕量；因此，锅炉蒸汽产生量与氧化铝生产工序蒸汽消耗量的联锁关系式为：

Q_产汽总量-Q_锅自用＝α×Q_消耗总量

式中：Q_产汽总量—锅炉产生的蒸汽总量；

Q_锅自用—锅炉自身消耗的蒸汽量；

α—保证蒸汽消耗总量的安全裕量系数，取1.1～1.15。

此处需要说明的是，由于锅炉本身运行过程就可额外增加约10％的产汽量，所以本发明中的安全裕量系数取值不必过大。

在实际生产过程中，一般会有多台锅炉参与蒸汽的生产，因此，在多台锅炉同时运行的条件下(如图5所示)，会变成如图6所示的联锁运行。并且，为了便于描述，图6省略了蒸汽消耗端的结构，只给出了蒸汽发生端的结构。

蒸汽自适应分配器进行蒸汽分配的原则为：既要保证锅炉运行过程中的效率在合理范围，又能保证在运行过程中各台锅炉之间的协同；将多台锅炉以数量E进行替代，以E锅炉为例对蒸汽自适应分配器的分配算法进行说明：

χ₁·Q_1满负荷+χ₂·Q_2满负荷+…+χ_E·Q_E满负荷＝Q_产汽总量

0.75≤χ₁，χ₂，…，χ_E≤0.9

式中：Q_1满负荷—锅炉1在满负荷条件下的蒸汽产量；

Q_2满负荷—锅炉2在满负荷条件下的蒸汽产量；

Q_E满负荷—锅炉E在满负荷条件下的蒸汽产量；

χ₁—锅炉自适应分配器分配给锅炉1的负荷系数；

χ₂—锅炉自适应分配器分配给锅炉2的负荷系数；

χ_E—锅炉自适应分配器分配给锅炉E的负荷系数。

蒸汽自适应分配器分配要同时满足上式的要求；每台锅炉的实际产汽量最终可由下式进行计算：

Q_{E实际产汽量}＝χ_E·Q_E满负荷

式中：Q_{E实际产汽量}—分配后锅炉E的实际蒸汽产生量。

每台锅炉负荷系数的分配采用初始化方法，给定每台锅炉一个初始值0.75，则系统开始计算，如结果满足上述公式要求，则计算结束；如不满足要求，则依次给定0.76，0.77，0.78，……，0.90进行上述环节计算，直到满足上述公式要求为止。

如通过上述算法后，依然不能得到满足，则说明锅炉数量多余，需要对锅炉数量进行调整，采用E-1台锅炉进行上述循环计算过程，一直到分配满足上述公式条件为止。进而实现氧化铝蒸汽消耗与锅炉产生的蒸汽联锁过程，以满足蒸汽产耗的实时在线联锁匹配，降低蒸汽的大幅度浪费。

步骤四、锅炉产汽与原燃料的联锁。本发明中的原燃料指的是锅炉蒸汽产生所需要的主给水、一次风、二次风、燃煤等，其中燃煤包含了燃煤的煤种、燃煤的成分、燃煤的低位发热值、燃煤的消耗量等。

(1)燃煤与风量的联锁。本发明中燃煤和风量进行联锁，是为了燃煤与风量匹配合理，使得燃煤燃烧充分；同时，需要根据循环流化床锅炉的要求，满足一次风、二次风本身的联锁，以达到整个燃烧过程的最优化。

1kg燃料完全燃烧所需理论空气量计算如下式所示：

V⁰＝0.0889(C_ar+0.375S_ar)+0.265H_ar-0.0333O_ar(Nm³kg)

式中：V⁰—单位燃料完全燃烧所需的理论空气量；

C_ar—收到基中碳元素成分百分比，％；

S_ar—收到基中硫元素成分百分比，％；

H_ar—收到基中氢元素成分百分比，％；

O_ar—收到基中氧元素成分百分比，％；

N_ar—收到基中氮元素成分百分比，％；

M_ar—收到基中水分百分比，％。

考虑到燃烧过程中必须有过量空气以保证燃烧的顺利进行，则实际燃烧过程中所需要的风量应为：

V＝αV⁰

式中：V—单位燃料完全燃烧所需的实际空气量；

α—过量空气系数，通过氧量分析仪可实时检测并计算出。

现场使用的燃煤量可以通过供煤系统进行实际的检测，为了侧重联锁，不过分纠结于燃煤量检测装置本身的精度，只对供煤系统检测到的燃煤量进行使用即可；则整个锅炉实际燃烧所需要的总空气量为：

V_总空气＝m×V

式中：V_总空气—锅炉实际燃烧过程所需的总空气流量；

m—对应的锅炉煤耗，通过供煤系统可实时检测。

循环流化床锅炉的供风系统可以将风量分为一次风和二次风；一次风主要用于煤粉的流化，二次风主要用于提供氧；一次风和二次风的匹配关系主要取决于循环流化床锅炉的燃烧器型式；

V_一次＝κ₁·V_总空气

V_二次＝κ₂·V_总空气

κ₁+κ₂＝1

式中：V_一次—循环流化床锅炉一次风的风量；

V_二次—循环流化床锅炉二次风的风量；

κ₁—循环流化床锅炉一次风的分配系数，与燃烧器型式有关；

κ₂—循环流化床锅炉二次风的分配系数，与燃烧器型式有关。

煤粉燃烧器分为直流燃烧器和旋流燃烧器。其中，直流燃烧器配风有两种形式：一种是1:1配风(即一次风和二次风比例相等)，一种是分级配风，配风要保证一次风流速在20～25m/s，二次风流速在40～55m/s，具体以锅炉负荷为准。旋流燃烧器配风要保证一次风出口速度14～24m/s，二次风内环风速13～26m/s，外环风速26～40m/s。

(2)主给水与主蒸汽的联锁。由于主蒸汽的产量取决于氧化铝工艺消耗端蒸汽的用量，所以主给水需要被动与主蒸汽联锁，即：主给水需要与蒸汽反馈的量建立联锁关系。主给水与蒸汽反馈的示意如图7所示。

另外，从能量守恒的角度，还要考虑到主给水变成主蒸汽所需的热量与燃煤燃烧所产生的热量之间的关系；所以，主给水与主蒸汽的联锁模型由两部分构成，分别是质量守恒和能量守恒两部分。

Q_E主给水·η_E＝Q_{E实际产汽量}

式中：Q_E主给水—锅炉E对应的主给水流量；

η_E—锅炉E对应的产汽率。

上式主要用来描述锅炉主给水与主蒸汽产生量之间的联锁关系，但由于以主蒸汽为准，所以在实现环节一定是以主蒸汽的量为准来反馈给主给水，然后主给水依据当前的产汽率来决定具体的供应量。但锅炉的产汽率并不是固定不变的，是随着锅炉的运行和负荷在变化的，因此还需要能量守恒来进一步确定主给水与主蒸汽之间的联锁。

Q_E主给水·γ＝m·q_低位-θ

式中：γ—单位质量主给水变成主蒸汽所需要的热量；

q_低位—锅炉所用燃煤的低位发热值；

θ—锅炉除加热水变成蒸汽以外的其它热损失。

上述步骤主要解决了锅炉燃煤与风量、主给水与主蒸汽的联锁关系，该部分的实现可以达到锅炉内部燃烧过程的最优化，降低吨蒸汽的燃煤消耗。

步骤五、原燃料与对应动力装置的联锁。原燃料及其对应的动力装置为：主给水对应水泵、一次风对应一次风机、二次风对应二次风机、烟气对应烟气的引风机、燃煤煤种成分及低位发热值对应煤种理化试验、燃煤量对应供煤系统(如图8所示)。

原燃料与动力装置建立的联锁是通过自适应过程实现的，通过步骤四中锅炉产汽与原燃料的联锁，已经可以明确获得在氧化铝生产过程中锅炉所需要的一次风量、二次风量、主给水量、燃煤消耗量、过量空气系数，而各种原燃料的量与其对应的动力装置是通过动力装置的电机驱动来实现的。当工艺端所需要的蒸汽量下降时，则对应锅炉的主蒸汽量会根据反馈相应下降，对应产生主蒸汽的锅炉中的风量、主给水、燃煤量也会下降；同时，风量下降会反馈给风机，风机电耗下降；主给水量下降会反馈给水泵，水泵电耗下降；煤耗下降会反馈给供煤系统，供煤系统的传输电耗下降；由于风量减少，则锅炉对应的烟气量下降，则烟气对应的引风机的电耗也随之下降。上述联锁节能过程如图9所示。

对于一次风、二次风的风量与风机之间的联锁，可用下式表示：

式中：P_e风—一次风风机、二次风风机的有效功率；

p—一次风机、二次风机对应的全压。

在上式中，以一次风的风量为已知量；且风机全压为固有特性，当风机确定时，全压是确定的；

对于主给水的流量与水泵之间的联锁，可用下式表示：

式中：P_e水—主给水对应水泵的有效功率；

ρ—锅炉主给水的密度；

H—主给水对应水泵的扬程。

上式中已知量为主给水的流量，可采用蒸汽量及能量守恒得到；对于具体的应用现场，水泵是确定的，则水泵的扬程也是确定的。

对于烟气系统的烟气量和引风机，首先需要根据一次风、二次风量、煤耗、过量空气系数等进行烟气的计算。单位燃料在理论所需空气量下、完全燃烧所产生的烟气量计算公式如下：

式中：

—单位燃料完全燃烧理论烟气容积；

—单位燃料完全燃烧理论干烟气容积；

—理论水蒸气容积；

—单位燃料完全燃烧产生的CO₂与SO₂容积；

—单位燃料完全燃烧时所需理论空气量中的N₂与燃烧释放的N₂之和。

单位燃料完全燃烧生成的SO₂容积为：

单位燃料完全燃烧生成的CO₂容积为：

故可知：

理论N₂容积为：

理论水蒸气容积为：

由于循环流化床锅炉实际燃烧过程是在过量空气系数条件下进行的，此时的烟气容积除了理论烟气容积外，还增加了过量空气及过量空气中携带的水蒸气容积，实际烟气流量为：

则实际产生的烟气流量可用下式表示为：

Q_g＝m·V_g

式中：V_g—单位燃料完全燃烧产生的实际烟气体积；

Q_g—实际燃烧过程中烟气的体积流量。

因此，可建立烟气流量及其对应引风机的联锁关系为：

式中：P_eg—烟气对应引风机的有效功率；

p_g—烟气对应引风机的全压。

在上述关系式中，烟气的流量为已知量，烟气引风机在现场是确定的，故引风机对应的全压也是已知，可根据烟气流量变化调整引风机的功率。在实际的操作层面，由于泵和风机还会有总效率和原动机效率，所以还需考虑上述两项效率对于整个控制系统的影响。

经济效益预测：

1、锅炉产汽与原燃料、动力装置连锁经济效益

由于本发明中主给水、风量与煤耗实现自动连锁，可实现吨蒸汽煤耗降低y₁吨，产生的经济效益计算如下：

该部分经济效益＝节约原煤效益+动力系统节约电量效益

(1)节约燃煤效益

式中：J₁—吨蒸汽煤耗降低产生的经济效益，万元/吨蒸汽；

y₁—吨蒸汽煤耗降低量，吨/吨蒸汽；

ζ_i—第i种类煤在锅炉配煤中的占比，

29310—热量与标煤折算系数，MJ/tce；

D_tce—吨标煤的价格，万元/tce。

(2)动力系统节约电量效益

本发明实现氧化铝厂锅炉系统的主给水、风量与煤耗实现自动连锁，从而使锅炉给水泵系统、一次风机系统、二次风机系统运行效率得到提高。产生吨氧化铝节约蒸汽量y₃，锅炉系统实现自动连锁前后节约电耗实现经济性如下：

式中：J_给水泵—给水泵系统节约电量经济性，元/吨氧化铝；

y₃—生产吨氧化铝节约蒸汽量，吨/吨氧化铝；

M_w/s—吨蒸汽对应的主给水量，t/t；

E_泵,i—锅炉额定负荷对应给水泵i小时电耗平均值，元/小时；

M_泵,i—锅炉额定负荷对应给水泵i小时主给水量，吨/小时；

D_J—电价平均值。

式中：J_一次风机—一次风机系统节约电量经济性，元/吨氧化铝；

y₃—生产吨氧化铝节约蒸汽量，吨/吨氧化铝；

M_wind/s—吨蒸汽对应的一次风量，t/t；

E_{一次风机,i}—锅炉额定负荷对应一次风机i小时电耗平均值，元/小时；

M_{一次风机,i}—锅炉额定负荷对应一次风机i小时一次风量，吨/小时；

DJ—电价平均值。

式中：J_二次风机—二次风机系统节约电量经济性，元/吨氧化铝；

y₃—生产吨氧化铝节约蒸汽量，吨/吨氧化铝；

M_wind/s—吨蒸汽对应的二次风量，t/t；

E_{二次风机,i}—锅炉额定负荷对应二次风机i小时电耗平均值，元/小时；

M_{二次风机,i}—锅炉额定负荷对应二次风机i小时二次风量，吨/小时；

DJ—电价平均值。

2、锅炉与工艺消耗端联锁经济效益

通过本发明的实施，可实现吨氧化铝的蒸汽消耗量下降y₂吨，则可产生的经济效益计算为：

J₂＝y₂·D_吨蒸汽

式中：J₂—吨氧化铝蒸汽下降产生的经济效益；

D_吨蒸汽—氧化铝生产过程中吨蒸汽的价格。

某厂的氧化铝年产量按照A万吨计算，则通过本发明的联锁方法，全年可产生的经济效益如下式所示：

G＝Q_产汽总量·J₁+10000·A·(J₂+J_给水泵+J_一次风机+J_二次风机)

式中：G—某氧化铝厂全年产生的经济效益；

A—某铝厂年氧化铝产量。

Claims (8)

1.一种氧化铝蒸汽产消联锁方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、氧化铝工序蒸汽消耗与锅炉蒸汽产生的联锁；各工序的蒸汽需求量取决于各条管线的蒸汽需求量，而各管线的蒸汽需求量来源于各管线的表计端的蒸汽在线计量数据；并在所有蒸汽表环节都采取在线的校准措施，进而使数据达到精准要求；

步骤二、通过氧化铝的预脱硅、高压溶出、母液蒸发、脱硫及煤气化环节的工序蒸汽消耗量，可知氧化铝生产工艺所消耗的蒸汽量为：

Q_消耗总量＝Q′_预脱硅+Q′_溶出+Q′_蒸发+Q_脱硫+Q′_气化

式中：Q_消耗总量—氧化铝工艺蒸汽消耗总量；

Q′_预脱硅—预脱硅工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_溶出—高压溶出工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_蒸发—母液蒸发工序所消耗的蒸汽总量；

Q_脱硫—脱硫管道所消耗的蒸汽总量；

Q′_气化—煤气化工序所消耗的蒸汽总量；

所述步骤二、预脱硅的蒸汽消耗量的校准确定；预脱硅环节用到的蒸汽包含了各条管道的蒸汽消耗量；各管道的数据经过原始压力、差压、温度信号进入到预脱硅蒸汽校准系统，由该系统进行数据精准性处理，以得到预脱硅环节的蒸汽消耗量；

预脱硅蒸汽校准系统是对预脱硅工序所对应的预脱硅管道1的蒸汽表1～预脱硅管道M的蒸汽表M，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表M对应的在线校准算法如下：

Q′_预脱硅M＝K_M×Q_预脱硅M

K_M＝f_M(△P_M,T_M,P_M)

式中：M—预脱硅工序所消耗蒸汽的管道数量及第M条管道的编号；

Q′_预脱硅M—在线校准后预脱硅管道M对应的蒸汽流量；

Q_预脱硅M—在线校准前预脱硅管道M对应的蒸汽表显示的流量；

K_M—在线校准过程对应的蒸汽流量修正数；

f_M(△P_M,T_M,P_M)—蒸汽流量修正数的具体算法；

△P_M—预脱硅管道M对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_M—预脱硅管道M对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_M—预脱硅管道M对应的蒸汽压力，由压力变送器读取；

由于在预脱硅工序中，所有管道是平行结构，互不影响，因此，预脱硅工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_预脱硅—预脱硅工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_预脱硅i—在线校准后预脱硅第i条管道对应的蒸汽流量；

所述步骤二、高压溶出的蒸汽消耗量的校准确定；高压溶出用于将矿浆的温度从低温提升到高温，去除矿浆内杂质成分；高压溶出工序蒸汽的需求量计算方法与预脱硅工序类似，也要经过高压溶出对应的蒸汽在线校准系统处理；

高压溶出蒸汽在线校准系统是对高压溶出工序所对应的溶出管道1的蒸汽表1～溶出管道N的蒸汽表N，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表N对应的在线校准算法如下：

Q′_溶出N＝K_溶出N×Q_溶出N

K_溶出N＝f_溶出N(△P_溶出N,T_溶出N,P_溶出N)

式中：N—高压溶出工序所消耗蒸汽的管道数量及第N条管道编号；

Q′_溶出N—在线校准后高压溶出管道N对应的蒸汽流量；

Q_溶出N—在线校准前高压溶出管道N对应的蒸汽表显示的流量；

K_溶出N—在线校准溶出过程对应的蒸汽流量修正数；

f_溶出N(△P_溶出N,T_溶出N,P_溶出N)—溶出工序蒸汽流量修正数的具体算法；

△P_溶出N—高压溶出管道N对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_溶出N—高压溶出管道N对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_溶出N—高压溶出管道N对应的蒸汽压力，由压力变送器读取；

高压溶出工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_溶出—高压溶出工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_溶出i—在线校准后高压溶出第i条管道对应的蒸汽流量；

步骤三、锅炉产生的蒸汽只用于氧化铝生产，不考虑多余蒸汽用来连接汽轮机进行发电的操作；从节能降耗的角度，锅炉产生的蒸汽量将由氧化铝生产过程所消耗的蒸汽量决定；但由于锅炉产汽量不能完全等于氧化铝工序的蒸汽消耗量，为了保证生产稳定安全，对锅炉产汽量增加裕量；因此，锅炉蒸汽产生量与氧化铝生产工序蒸汽消耗量的联锁关系式为：

Q_产汽总量-Q_锅自用＝α×Q_消耗总量

式中：Q_产汽总量—锅炉产生的蒸汽总量；

Q_锅自用—锅炉自身消耗的蒸汽量；

α—保证蒸汽消耗总量的安全裕量系数，取1.1～1.15；

步骤四、锅炉产汽与原燃料的联锁；原燃料指的是锅炉蒸汽产生所需要的主给水、一次风、二次风、燃煤，燃煤包含了燃煤的煤种、燃煤的成分、燃煤的低位发热值、燃煤的消耗量；锅炉产汽与原燃料的联锁包括燃煤与风量的联锁、以及主给水与主蒸汽的联锁；

步骤五、原燃料与对应动力装置的联锁；原燃料与动力装置建立的联锁是通过自适应过程实现的，通过步骤四中锅炉产汽与原燃料的联锁，已经可以明确获得在氧化铝生产过程中锅炉所需要的一次风量、二次风量、主给水量、燃煤消耗量、过量空气系数，而各种原燃料的量与其对应的动力装置是通过动力装置的电机驱动来实现的；当工艺端所需要的蒸汽量下降时，则对应锅炉的主蒸汽量会根据反馈相应下降，对应产生主蒸汽的锅炉中的风量、主给水、燃煤量也会下降；同时，风量下降会反馈给风机，风机电耗下降；主给水量下降会反馈给水泵，水泵电耗下降；煤耗下降会反馈给供煤系统，供煤系统的传输电耗下降；由于风量减少，则锅炉对应的烟气量下降，则烟气对应的引风机的电耗也随之下降。

2.根据权利要求1所述的氧化铝蒸汽产消联锁方法，其特征在于：所述步骤二、母液蒸发的蒸汽消耗量的校准确定；母液蒸发的目的是为了保证氧化铝生产过程中的浓度，使得循环母液达到溶出铝土矿的要求；母液蒸发工序所需的蒸汽量经过母液在线校准系统进行蒸汽数据的校准；

母液蒸发蒸汽在线校准系统是对母液蒸发工序所对应的蒸发管道1的蒸汽表1～蒸发管道K的蒸汽表K，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表K对应的在线校准算法如下：

Q′_蒸发K＝K_蒸发K×Q_蒸发K

K_蒸发K＝f_蒸发K(△P_蒸发K,T_蒸发K,P_蒸发K)

式中：K—母液蒸发工序所消耗蒸汽的管道数量及第K条管道编号；

Q′_蒸发K—在线校准后母液蒸发管道K对应的蒸汽流量；

Q_蒸发K—在线校准前母液蒸发管道K对应的蒸汽表显示的流量；

K_蒸发K—在线校准蒸发过程对应的蒸汽流量修正数；

f_蒸发K(△P_蒸发K,T_蒸发K,P_蒸发K)—蒸发工序蒸汽流量修正数的具体算法；

△P_蒸发K—母液蒸发管道K对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_蒸发K—母液蒸发管道K对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_蒸发K—母液蒸发管道K对应的蒸汽压力，由压力变送器读取；

母液蒸发工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_蒸发—母液蒸发工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_蒸发i—在线校准后母液蒸发第i条管道对应的蒸汽流量。

3.根据权利要求1所述的氧化铝蒸汽产消联锁方法，其特征在于：所述步骤二、脱硫的蒸汽消耗量的确定；由于脱硫过程中的蒸汽消耗量很小，且脱硫大多数是间歇式进行，所以直接采用脱硫过程中的蒸汽表信号来确定脱硫的蒸汽消耗量；脱硫的蒸汽消耗量如下：

式中：R—脱硫工序所消耗蒸汽的管道数量及第R条管道编号；

Q_脱硫—脱硫管道所消耗的蒸汽总量；

Q_脱硫i—第i条脱硫管道对应的蒸汽表流量。

4.根据权利要求1所述的氧化铝蒸汽产消联锁方法，其特征在于：所述步骤二、煤气化炉蒸汽消耗量的校准确定；煤气化炉负责给氧化铝生产工艺环节的焙烧工序提供煤气；其作用是将煤通过煤气化炉气化，供给焙烧车间，焙烧工序将氢氧化铝焙烧成氧化铝；

煤气化炉蒸汽在线校准系统是对煤气化工序所对应的气化炉管道1的蒸汽表1～气化管道S的蒸汽表S，进行蒸汽流量的在线校准分析；蒸汽表S对应的在线校准算法如下：

Q′_气化S＝K_气化S×Q_气化S

K_气化S＝f_气化S(△P_气化S,T_气化S,P_气化S)

式中：S—煤气化工序所消耗蒸汽的管道数量及第S条管道编号；

Q′_气化S—在线校准后气化炉管道S对应的蒸汽流量；

Q_气化S—在线校准前气化炉管道S对应的蒸汽表显示的流量；

K_气化S—在线校准气化过程对应的蒸汽流量修正数；

f_气化S(△P_气化S,T_气化S,P_气化S)—煤气化工序蒸汽流量修正数的具体算法；

△P_气化S—煤气化管道S对应的蒸汽表差压值，由差压变送器读取；

T_气化S—煤气化管道S对应的蒸汽温度，由温度变送器读取；

P_气化S—煤气化管道S对应的蒸汽压力，由压力变送器读取；

煤气化工序的蒸汽消耗量为：

式中：Q′_气化—煤气化工序所消耗的蒸汽总量；

Q′_气化i—在线校准后煤气化第i条管道对应的蒸汽流量。

5.根据权利要求1所述的氧化铝蒸汽产消联锁方法，其特征在于：所述步骤三、在实际生产过程中，一般会有多台锅炉参与蒸汽的生产；在多台锅炉同时运行的条件下，蒸汽自适应分配器进行蒸汽分配的原则为：既要保证锅炉运行过程中的效率在合理范围，又能保证在运行过程中各台锅炉之间的协同；将多台锅炉以数量E进行替代，以E锅炉为例对蒸汽自适应分配器的分配算法进行说明：

χ₁·Q_1满负荷+χ₂·Q_2满负荷+…+χ_E·Q_E满负荷＝Q_产汽总量0.75≤χ₁，χ₂，…，χ_E≤0.9

式中：Q_1满负荷—锅炉1在满负荷条件下的蒸汽产量；

Q_2满负荷—锅炉2在满负荷条件下的蒸汽产量；

Q_E满负荷—锅炉E在满负荷条件下的蒸汽产量；

χ₁—锅炉自适应分配器分配给锅炉1的负荷系数；

χ₂—锅炉自适应分配器分配给锅炉2的负荷系数；

χ_E—锅炉自适应分配器分配给锅炉E的负荷系数；

蒸汽自适应分配器分配要同时满足上式的要求；每台锅炉的实际产汽量最终可由下式进行计算：

Q_{E实际产汽量}＝χ_E·Q_E满负荷

式中：Q_{E实际产汽量}—分配后锅炉E的实际蒸汽产生量；

每台锅炉负荷系数的分配采用初始化方法，给定每台锅炉一个初始值0.75，则系统开始计算，如结果满足上述公式要求，则计算结束；如不满足要求，则依次给定0.76，0.77，0.78，……，0.90进行上述环节计算，直到满足上述公式要求为止。

6.根据权利要求1所述的氧化铝蒸汽产消联锁方法，其特征在于：所述步骤四、燃煤与风量的联锁，是为了燃煤与风量匹配合理，使得燃煤燃烧充分；同时，需要根据循环流化床锅炉的要求，满足一次风、二次风本身的联锁，以达到整个燃烧过程的最优化；

1kg燃料完全燃烧所需理论空气量计算如下式所示：

V⁰＝0.0889(C_ar+0.375S_ar)+0.265H_ar-0.0333O_ar(Nm³/kg)

式中：V⁰—单位燃料完全燃烧所需的理论空气量；

C_ar—收到基中碳元素成分百分比，％；

S_ar—收到基中硫元素成分百分比，％；

H_ar—收到基中氢元素成分百分比，％；

O_ar—收到基中氧元素成分百分比，％；

N_ar—收到基中氮元素成分百分比，％；

M_ar—收到基中水分百分比，％；

考虑到燃烧过程中必须有过量空气以保证燃烧的顺利进行，则实际燃烧过程中所需要的风量应为：

V＝αV⁰

式中：V—单位燃料完全燃烧所需的实际空气量；

α—过量空气系数，通过氧量分析仪可实时检测并计算出；

现场使用的燃煤量可以通过供煤系统进行实际的检测，为了侧重联锁，不过分纠结于燃煤量检测装置本身的精度，只对供煤系统检测到的燃煤量进行使用即可；则整个锅炉实际燃烧所需要的总空气量为：

V_总空气＝m×V

式中：V_总空气—锅炉实际燃烧过程所需的总空气流量；

m—对应的锅炉煤耗，通过供煤系统可实时检测；

循环流化床锅炉的供风系统可以将风量分为一次风和二次风；一次风主要用于煤粉的流化，二次风主要用于提供氧；一次风和二次风的匹配关系主要取决于循环流化床锅炉的燃烧器型式；

V_一次＝κ₁·V_总空气

V_二次＝κ₂·V_总空气

κ₁+κ₂＝1

式中：V_一次—循环流化床锅炉一次风的风量；

V_二次—循环流化床锅炉二次风的风量；

κ₁—循环流化床锅炉一次风的分配系数；

κ₂—循环流化床锅炉二次风的分配系数。

7.根据权利要求1所述的氧化铝蒸汽产消联锁方法，其特征在于：所述步骤四、主给水与主蒸汽的联锁；由于主蒸汽的产量取决于氧化铝工艺消耗端蒸汽的用量，所以主给水需要被动与主蒸汽联锁，即：主给水需要与蒸汽反馈的量建立联锁关系；

另外，从能量守恒的角度，还要考虑到主给水变成主蒸汽所需的热量与燃煤燃烧所产生的热量之间的关系；所以，主给水与主蒸汽的联锁模型由两部分构成，分别是质量守恒和能量守恒两部分；

Q_E主给水·η_E＝Q_{E实际产汽量}

式中：Q_E主给水—锅炉E对应的主给水流量；

η_E—锅炉E对应的产汽率；

上式主要用来描述锅炉主给水与主蒸汽产生量之间的联锁关系，但由于以主蒸汽为准，所以在实现环节一定是以主蒸汽的量为准来反馈给主给水，然后主给水依据当前的产汽率来决定具体的供应量；但锅炉的产汽率并不是固定不变的，是随着锅炉的运行和负荷在变化的，因此还需要能量守恒来进一步确定主给水与主蒸汽之间的联锁；

Q_E主给水·γ＝m·q_低位-θ

式中：γ—单位质量主给水变成主蒸汽所需要的热量；

q_低位—锅炉所用燃煤的低位发热值；

θ—锅炉除加热水变成蒸汽以外的其它热损失。

8.根据权利要求1所述的氧化铝蒸汽产消联锁方法，其特征在于：所述步骤五、对于一次风、二次风的风量与风机之间的联锁，可用下式表示：

式中：P_e风—一次风风机、二次风风机的有效功率；

p—一次风机、二次风机对应的全压；

在上式中，以一次风的风量为已知量；且风机全压为固有特性，当风机确定时，全压是确定的；

对于主给水的流量与水泵之间的联锁，可用下式表示：

式中：P_e水—主给水对应水泵的有效功率；

ρ—锅炉主给水的密度；

H—主给水对应水泵的扬程；

上式中已知量为主给水的流量，可采用蒸汽量及能量守恒得到；对于具体的应用现场，水泵是确定的，则水泵的扬程也是确定的；

对于烟气系统的烟气量和引风机，首先需要根据一次风、二次风量、煤耗、过量空气系数进行烟气的计算；单位燃料在理论所需空气量下、完全燃烧所产生的烟气量计算公式如下：

式中：

—单位燃料完全燃烧理论烟气容积；

—单位燃料完全燃烧理论干烟气容积；

—理论水蒸气容积；

—单位燃料完全燃烧产生的CO₂与SO₂容积；

—单位燃料完全燃烧时所需理论空气量中的N₂与燃烧释放的N₂之和；

单位燃料完全燃烧生成的SO₂容积为：

单位燃料完全燃烧生成的CO₂容积为：

故可知：

理论N₂容积为：

理论水蒸气容积为：

由于循环流化床锅炉实际燃烧过程是在过量空气系数条件下进行的，此时的烟气容积除了理论烟气容积外，还增加了过量空气及过量空气中携带的水蒸气容积，实际烟气流量为：

则实际产生的烟气流量可用下式表示为：

Q_g＝m·V_g

式中：V_g—单位燃料完全燃烧产生的实际烟气体积；

Q_g—实际燃烧过程中烟气的体积流量；

因此，可建立烟气流量及其对应引风机的联锁关系为：

式中：P_eg—烟气对应引风机的有效功率；

p_g—烟气对应引风机的全压；

在上述关系式中，烟气的流量为已知量，烟气引风机在现场是确定的，故引风机对应的全压也是已知，可根据烟气流量变化调整引风机的功率。

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