CN113436033B - 一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法 - Google Patents

一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法 Download PDF

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Abstract

一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法，包括以下步骤；步骤一：燃机进出口气体实时参数采集；步骤二：碳元素平衡计算；计算燃机进口碳元素摩尔量，计算燃机出口烟气中CO2和CO摩尔量之和，从而计算碳元素平衡；步骤三：氢元素平衡计算；计算燃机进口氢元素摩尔量，计算燃机出口烟气中水分子所含氢元素摩尔量，从而计算氢元素平衡；步骤四：能量守恒计算；依据已有天然气高位发热量与低位发热量数据，对可燃物主成分进行能量守恒计算；步骤五：天然气可燃物主成分体积分数计算。本发明能够为电厂运行人员优化操作、提升燃烧稳定性提供数据支持，对提高机组安全运行水平具有重要的指导意义。

Description

一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法
技术领域
本发明属于动力工程技术领域，具体涉及一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法。
背景技术
目前我国燃机机组燃气来源复杂，造成实际运行过程中所使用的天然气主成分比例与设计参数差异较大，天然气主成分比例不同对燃烧稳定性有很大影响，而大多数电厂仅测量有天然气热值数据，没有天然气主成分数据，因此如何利用电厂现有数据实时计算天然气主成分占比有重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法，该方法能够计算出天然气可燃物主成分比例，为电厂运行人员优化操作、提升燃烧稳定性提供数据支持，对提高机组安全运行水平具有重要的指导意义。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法，包括以下步骤；
步骤一：燃机进出口气体实时参数采集；
步骤二：碳元素平衡计算；
燃机进口碳元素摩尔量等于空压机进口空气中CO2所含碳元素摩尔量与天然气可燃物中所含碳元素摩尔量之和，燃机出口碳元素摩尔量等于燃机出口烟气中含碳元素的气体成分CO2摩尔量和CO摩尔量之和，分别计算上述参数并根据计算结果进行碳元素平衡计算；
步骤三：氢元素平衡计算；
燃机进口氢元素摩尔量等于天然气中烷烃部分所含氢元素摩尔量与进口空气中水分子所含氢元素之和，燃机出口氢元素摩尔量等于燃机出口烟气中水分子中氢元素含量，分别计算上述参数并根据计算结果进行氢守恒计算；
步骤四：能量守恒计算；
天然气热值由其可燃物部分贡献，依据已有天然气高位发热量与低位发热量数据，，对天然气可燃物主成分甲烷、乙烷、丙烷、丁烷进行能量守恒计算；
步骤五：天然气可燃物主成分体积分数计算。
所述步骤一具体为：
依托火电厂厂级监控信息系统平台，实时采集燃机进口空气和出口烟气实时数据，包括空压机进口空气温度Tair、压力pair、体积流量Vair、CO2体积分数
Figure BDA0003152362910000021
相对湿度
Figure BDA0003152362910000022
出口烟气温度Tfg、压力pfg、体积流量Vfg、CO2体积分数
Figure BDA0003152362910000023
CO体积分数Volfg,CO、H2O体积分数
Figure BDA0003152362910000024
以及天然气高位发热量QHV,fuel和低位发热量QLV,fuel。
所述步骤二具体为：
1)计算空压机进口空气中CO2摩尔量；
根据气体状态方程pV＝nRT以及混合气体分体积定律，得出进口空气中CO2摩尔量如下式所示：
Figure BDA0003152362910000031
式中，
Figure BDA0003152362910000032
——空压机进口空气中CO2摩尔量，kmol/h；
pair——空压机进口空气压力绝对值，kPa；
Vair——空压机进口空气体积流量，km3/h；
Figure BDA0003152362910000033
——空气中CO2体积分数，％；
R——摩尔气体常数，kJ/(mol·K)；
Tair——空压机进口空气温度，K。
2)计算烟气中CO2摩尔量；
Figure BDA0003152362910000034
式中，
Figure BDA0003152362910000035
——燃气轮机出口烟气中CO2摩尔量，kmol/h；
pfg——燃气轮机出口烟气压力绝对值，kPa；
Vfg——燃气轮机出口烟气体积流量，km3/h；
Figure BDA0003152362910000036
——燃气轮机出口烟气中CO2体积分数，％；
Tfg——燃气轮机出口烟气温度，K。
3)计算烟气中CO摩尔量；
nfg,CO＝f(pfg,Vfg,Volfg,CO,Tfg) (3)
式中，
nfg,CO——燃气轮机出口烟气中CO摩尔量，kmol/h；
Volfg,CO——燃气轮机出口烟气中CO体积分数，％。
4)碳元素守恒计算；
根据天然气主成分各自燃烧过程的化学反应方程式，得出燃气轮机进出口碳元素守恒公式如下：
Figure BDA0003152362910000041
式中，
Figure BDA0003152362910000042
——天然气中甲烷摩尔量，kmol/h；
Figure BDA0003152362910000043
——天然气中乙烷摩尔量，kmol/h；
Figure BDA0003152362910000044
——天然气中丙烷摩尔量，kmol/h；
Figure BDA0003152362910000045
——天然气中丁烷摩尔量，kmol/h。
所述步骤三具体为：
1)计算进口空气中H2O摩尔量；
根据空气状态参数经验公式可计算得到空气当前状态下的饱和水蒸气压力pq,b，kPa；
pq,b＝f(Tair) (5)
利用计算出的空气饱和水蒸气压力与相对湿度数据可计算出当前状态下的水蒸气压力pq如下：
Figure BDA0003152362910000046
式中：
pq——进口空气水蒸气压力，kPa；
Figure BDA0003152362910000047
——进口空气相对湿度，％；
pq,b——进口空气饱和水蒸气压力，kPa；
由道尔顿分压定律及气体状态方程可推导出进口空气中水分子摩尔量计算如下：
Figure BDA0003152362910000051
式中：
Figure BDA0003152362910000052
——进口空气中H2O摩尔量，kmol/h。
2)计算烟气中H2O摩尔量；
Figure BDA0003152362910000053
式中，
Figure BDA0003152362910000054
——燃气轮机出口烟气中H2O摩尔量，kmol/h；
Figure BDA0003152362910000055
——燃气轮机出口烟气中H2O体积分数，％。
3)氢元素守恒计算；
Figure BDA0003152362910000056
所述步骤四具体为：
根据气体状态方程pV＝nRT，当压力和温度相同时，体积分数等于摩尔量分数，则天然气总摩尔量可表示为：
Figure BDA0003152362910000057
式中，
λnc——不可燃物体积分数，％。
天然气热值是由可燃气体热值计算得到，其中丁烷按照正丁烷分析，不考虑其同分异构体，据此进行能量守恒计算；
1)低位发热量守恒计算；
Figure BDA0003152362910000058
式中，
Figure BDA0003152362910000061
——甲烷低位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000062
——乙烷低位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000063
——丙烷低位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000064
——丁烷低位发热量，kJ/mol；
QLV,fuel——天然气低位发热量，kJ/mol。
2)高位发热量守恒计算；
Figure BDA0003152362910000065
式中，
Figure BDA0003152362910000066
——甲烷高位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000067
——乙烷高位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000068
——丙烷高位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000069
——丁烷高位发热量，kJ/mol；
QHV,fuel——天然气高位发热量，kJ/mol。
所述步骤五具体为：
通过前四个步骤得到天然气中可燃物主成分各自的摩尔量
Figure BDA00031523629100000610
Figure BDA00031523629100000611
以及天然气总摩尔量nfule；同上，根据气体状态方程pV＝nRT，当压力和温度相同时，体积分数等于摩尔量分数，则可燃物主成分体积分数可表示为：
Figure BDA00031523629100000612
Figure BDA00031523629100000613
Figure BDA0003152362910000071
Figure BDA0003152362910000072
本发明的有益效果：
本发明利用电厂厂级监控信息系统(SIS)所采集的数据，对燃机进口天然气、空气以及燃机出口烟气中成分分别进行元素守恒计算与能量守恒计算，可实时计算出天然气可燃物主成分中甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)的体积分数，方便机组运行人员实时了解天然气主成分参数信息，为提升燃机机组燃烧稳定性提供数据支撑。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
燃机进出口气体实时参数采集；
依托火电厂厂级监控信息系统平台，实时采集燃机进口空气和出口烟气实时数据，包括空压机进口空气温度Tair、压力pair、体积流量Vair、CO2体积分数
Figure BDA0003152362910000073
相对湿度
Figure BDA0003152362910000074
出口烟气温度Tfg、压力pfg、体积流量Vfg、CO2体积分数
Figure BDA0003152362910000075
CO体积分数Volfg,CO、H2O体积分数
Figure BDA0003152362910000076
以及天然气高位发热量QHV,fuel和低位发热量QLV,fuel。
碳元素平衡计算；
燃机进口碳元素来源分别为空压机进口空气中CO2所含碳元素及天然气中所含碳元素两部分，燃机出口烟气中含碳元素的气体成分为CO2和CO，据此进行碳元素守恒计算。
1)计算空压机进口空气中CO2摩尔量。
根据气体状态方程pV＝nRT以及混合气体分体积定律，可以推导出进口空气中CO2摩尔量如下式所示：
Figure BDA0003152362910000081
式中，
Figure BDA0003152362910000082
——空压机进口空气中CO2摩尔量，kmol/h；
pair——空压机进口空气压力绝对值，kPa；
Vair——空压机进口空气体积流量，km3/h；
Figure BDA0003152362910000083
——空气中CO2体积分数，％；
R——摩尔气体常数，kJ/(mol·K)；
Tair——空压机进口空气温度，K。
2)计算烟气中CO2摩尔量。
Figure BDA0003152362910000084
式中，
Figure BDA0003152362910000085
——燃气轮机出口烟气中CO2摩尔量，kmol/h；
pfg——燃气轮机出口烟气压力绝对值，kPa；
Vfg——燃气轮机出口烟气体积流量，km3/h；
Figure BDA0003152362910000086
——燃气轮机出口烟气中CO2体积分数，％；
Tfg——燃气轮机出口烟气温度，K。
3)计算烟气中CO摩尔量
nfg,CO＝f(pfg,Vfg,Volfg,CO,Tfg) (3)
式中，
nfg,CO——燃气轮机出口烟气中CO摩尔量，kmol/h；
Volfg,CO——燃气轮机出口烟气中CO体积分数，％。
5)碳元素守恒计算
根据天然气主成分各自燃烧过程的化学反应方程式，可以得出燃气轮机进出口碳元素守恒公式如下：
Figure BDA0003152362910000091
式中，
Figure BDA0003152362910000092
——天然气中甲烷摩尔量，kmol/h；
Figure BDA0003152362910000093
——天然气中乙烷摩尔量，kmol/h；
Figure BDA0003152362910000094
——天然气中丙烷摩尔量，kmol/h；
Figure BDA0003152362910000095
——天然气中丁烷摩尔量，kmol/h。
氢元素摩尔量计算；
燃机进口氢元素摩尔量等于天然气中烷烃部分所含氢元素摩尔量与进口空气中水分子所含氢元素之和，燃机出口烟气中含氢元素的气体成分为H2O，据此进行氢元素守恒计算。
1)计算进口空气中H2O摩尔量；
根据空气状态参数经验公式可计算得到空气当前状态下的饱和水蒸气压力pq,b，kPa；
pq,b＝f(Tair) (5)
利用计算出的空气饱和水蒸气压力与相对湿度数据可计算出当前状态下的水蒸气压力pq如下：
Figure BDA0003152362910000096
式中：
pq——进口空气水蒸气压力，kPa；
Figure BDA0003152362910000101
——进口空气相对湿度，％；
pq,b——进口空气饱和水蒸气压力，kPa。
由道尔顿分压定律及气体状态方程可推导出进口空气中水分子摩尔量计算如下：
Figure BDA0003152362910000102
式中：
Figure BDA0003152362910000103
——进口空气中H2O摩尔量，kmol/h。
2)计算烟气中H2O摩尔量
Figure BDA0003152362910000104
式中，
Figure BDA0003152362910000105
——燃气轮机出口烟气中H2O摩尔量，kmol/h；
Figure BDA0003152362910000106
——燃气轮机出口烟气中H2O体积分数，％。
3)氢元素守恒计算
Figure BDA0003152362910000107
能量守恒计算；
天然气成分可分为可燃物部分和不可燃物部分，其中不可燃物体积分数λnc可由运行人员根据现场实际进行设置。
根据气体状态方程pV＝nRT，当压力和温度相同时，体积分数等于摩尔量分数，则天然气总摩尔量可表示为：
Figure BDA0003152362910000108
天然气热值是由可燃气体热值计算得到，其中丁烷按照正丁烷分析，不考虑其同分异构体，据此进行能量守恒计算。
1)低位发热量守恒计算；
Figure BDA0003152362910000111
式中，
Figure BDA0003152362910000112
——甲烷低位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000113
——乙烷低位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000114
——丙烷低位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000115
——丁烷低位发热量，kJ/mol；
QLV,fuel——天然气低位发热量，kJ/mol。
2)高位发热量守恒计算；
Figure BDA0003152362910000116
式中，
Figure BDA0003152362910000117
——甲烷高位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000118
——乙烷高位发热量，kJ/mol；
Figure BDA0003152362910000119
——丙烷高位发热量，kJ/mol；
Figure BDA00031523629100001110
——丁烷高位发热量，kJ/mol；
QHV,fuel——天然气高位发热量，kJ/mol。
天然气可燃物主成分体积分数计算；
联立式(4)、(9)、(10)、(11)、(12)可计算得到天然气中可燃物主成分各自的摩尔量
Figure BDA00031523629100001111
以及天然气总摩尔量nfule。同上，根据气体状态方程pV＝nRT，当压力和温度相同时，体积分数等于摩尔量分数，则可燃物主成分体积分数可表示为：
Figure BDA0003152362910000121
Figure BDA0003152362910000122
Figure BDA0003152362910000123
Figure BDA0003152362910000124

Claims (5)

1.一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一：燃机进出口气体实时参数采集；
步骤二：碳元素平衡计算；
燃机进口碳元素摩尔量等于空压机进口空气中CO2所含碳元素摩尔量与天然气可燃物中所含碳元素摩尔量之和，燃机出口碳元素摩尔量等于燃机出口烟气中含碳元素的气体成分CO2摩尔量和CO摩尔量之和，分别计算上述参数并根据计算结果进行碳元素守恒计算；
步骤三：氢元素摩尔量计算；
燃机进口氢元素摩尔量等于天然气中烷烃部分所含氢元素摩尔量与进口空气中水分子所含氢元素之和，燃机出口氢元素摩尔量等于燃机出口烟气中水分子中氢元素含量，分别计算上述参数并根据计算结果进行氢守恒计算；
步骤四：能量守恒计算；
天然气热值由其可燃物部分贡献，利用已有天然气高位发热量与低位发热量数据，对天然气可燃物的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷进行能量守恒计算；
步骤五：天然气可燃物主成分体积分数计算；
所述步骤四具体为：
根据气体状态方程pV＝nRT，当压力和温度相同时，体积分数等于摩尔量分数，则天然气总摩尔量可表示为：
Figure FDA0004004183820000021
天然气热值是由可燃气体热值计算得到，其中丁烷按照正丁烷分析，不考虑其同分异构体，据此进行能量守恒计算；
1)低位发热量守恒计算；
Figure FDA0004004183820000022
式中，
Figure FDA0004004183820000023
——甲烷低位发热量，kJ/mol；
Figure FDA0004004183820000024
——乙烷低位发热量，kJ/mol；
Figure FDA0004004183820000025
——丙烷低位发热量，kJ/mol；
Figure FDA0004004183820000026
——丁烷低位发热量，kJ/mol；
QLV,fuel——天然气低位发热量，kJ/mol；
2)高位发热量守恒计算；
Figure FDA0004004183820000027
式中，
Figure FDA0004004183820000028
——甲烷高位发热量，kJ/mol；
Figure FDA0004004183820000029
——乙烷高位发热量，kJ/mol；
Figure FDA00040041838200000210
——丙烷高位发热量，kJ/mol；
Figure FDA00040041838200000211
——丁烷高位发热量，kJ/mol；
QHV,fuel——天然气高位发热量，kJ/mol。
2.根据权利要求1所述的一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法，其特征在于，所述步骤一具体为：
依托火电厂厂级监控信息系统平台，实时采集燃机进口空气和出口烟气实时数据，包括空压机进口空气温度Tair、压力pair、体积流量Vair、CO2体积分数
Figure FDA0004004183820000031
相对湿度
Figure FDA0004004183820000032
出口烟气温度Tfg、压力pfg、体积流量Vfg、CO2体积分数
Figure FDA0004004183820000033
CO体积分数Volfg,CO、H2O体积分数
Figure FDA0004004183820000034
以及天然气高位发热量QHV,fuel和低位发热量QLV,fuel。
3.根据权利要求1所述的一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法，其特征在于，所述步骤二具体为：
1)计算空压机进口空气中CO2摩尔量；
根据气体状态方程pV＝nRT以及混合气体分体积定律，得出进口空气中CO2摩尔量如下式所示：
Figure FDA0004004183820000035
式中，
Figure FDA0004004183820000036
——空压机进口空气中CO2摩尔量，kmol/h；
pair——空压机进口空气压力绝对值，kPa；
Vair——空压机进口空气体积流量，km3/h；
Figure FDA0004004183820000037
——空气中CO2体积分数，％；
R——摩尔气体常数，kJ/(mol·K)；
Tair——空压机进口空气温度，K；
2)计算烟气中CO2摩尔量；
Figure FDA0004004183820000038
式中，
Figure FDA0004004183820000039
——燃气轮机出口烟气中CO2摩尔量，kmol/h；
pfg——燃气轮机出口烟气压力绝对值，kPa；
Vfg——燃气轮机出口烟气体积流量，km3/h；
Figure FDA0004004183820000041
——燃气轮机出口烟气中CO2体积分数，％；
Tfg——燃气轮机出口烟气温度，K；
3)计算烟气中CO摩尔量；
nfg,CO＝f(pfg,Vfg,Volfg,CO,Tfg) (3)
式中，
nfg,CO——燃气轮机出口烟气中CO摩尔量，kmol/h；
Volfg,CO——燃气轮机出口烟气中CO体积分数，％；
4)碳元素守恒计算；
根据天然气主成分各自燃烧过程的化学反应方程式，得出燃气轮机进出口碳元素守恒公式如下：
Figure FDA0004004183820000042
式中，
Figure FDA0004004183820000043
——天然气中甲烷摩尔量，kmol/h；
Figure FDA0004004183820000044
——天然气中乙烷摩尔量，kmol/h；
Figure FDA0004004183820000045
——天然气中丙烷摩尔量，kmol/h；
Figure FDA0004004183820000046
——天然气中丁烷摩尔量，kmol/h。
4.根据权利要求1所述的一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法，其特征在于，所述步骤三具体为：
1)计算进口空气中H2O摩尔量；
根据空气状态参数经验公式可计算得到空气当前状态下的饱和水蒸气压力pq,b，kPa；
pq,b＝f(Tair) (5)
利用计算出的空气饱和水蒸气压力与相对湿度数据可计算出当前状态下的水蒸气压力pq如下：
Figure FDA0004004183820000051
式中：
pq——进口空气水蒸气压力，kPa；
Figure FDA0004004183820000052
——进口空气相对湿度，％；
pq,b——进口空气饱和水蒸气压力，kPa；
由道尔顿分压定律及气体状态方程可推导出进口空气中水分子摩尔量计算如下：
Figure FDA0004004183820000053
式中：
Figure FDA0004004183820000054
——进口空气中H2O摩尔量，kmol/h；
2)计算烟气中H2O摩尔量；
Figure FDA0004004183820000055
式中，
Figure FDA0004004183820000056
——燃气轮机出口烟气中H2O摩尔量，kmol/h；
Figure FDA0004004183820000057
——燃气轮机出口烟气中H2O体积分数，％；
3)氢元素守恒计算；
Figure FDA0004004183820000058
5.根据权利要求1所述的一种实时计算天然气可燃物主成分比例的方法，其特征在于，所述步骤五具体为：
通过前四个步骤得到天然气中可燃物主成分各自的摩尔量
Figure FDA0004004183820000061
Figure FDA0004004183820000062
以及天然气总摩尔量nfule；同上，根据气体状态方程pV＝nRT，当压力和温度相同时，体积分数等于摩尔量分数，则可燃物主成分体积分数可表示为：
Figure FDA0004004183820000063
Figure FDA0004004183820000064
Figure FDA0004004183820000065
Figure FDA0004004183820000066
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