CN1271073A - 锅炉效率在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种锅炉效率在线监测系统,它包括端子排信号源与IMP数据采集器通过S－网络与LEO工业微相连构成,该系统在线监测所需的输入信号均为可测量参数,并且适用于煤质多变及多种煤混烧的运行条件,适用范围广,测量速度快且准确,可广泛做为各类大型电站锅炉效率的在线监测系统。

Description

锅炉效率在线监测系统

本发明涉及一种大型电站锅炉效率的在线监测系统。

随着国民经济的迅速发展，电力的投入逐年加大，火电机组的能源消耗也逐年增加，节能降耗已作为能源利用的一项基本国策。对于火力发电机组，锅炉是一次能源消耗的主要设备，也是电厂进行节能降耗的重点设备，燃烧调整是提高锅炉经济运行节约燃煤的重要手段，它体现在降低锅炉各项损失，提高锅炉效率上。锅炉效率是评价锅炉运行经济性的综合性指标，目前锅炉的测量有正反平衡两种方法，反平衡计算方法需知道煤成份、煤发热量、灰渣含碳量等化验数据，正平衡计算方法还需知道燃煤量。计算方法的局限性导致锅炉效率无法实现在线准确测量，另外常规方法(反平衡)测量锅炉效率计算周期较长，试验结果滞后，对于煤质多变或多种煤混烧的电厂，对锅炉经济运行失去了定量指导作用。所以开发与常规方法截然不同的新计算方法，实现锅炉效率的在线监测，是多年来一直迫切希望解决的重要课题。

本发明的任务是：克服现有技术的不足，设计一种无需煤的成份、煤发热量、灰渣合碳量及燃煤量等无法在线测量的数据，系统输入信号均为可测量参数，可适用于煤质多变及多种煤混烧的运行条件的锅炉效率在线监测系统。

本发明的任务是以如下方式实现的：锅炉效率在线监测系统由端子排信号源与IMP数据采集器通过S—网络与LEO工业微机相连接构成，其热效率的计算公式是： $\mathrm{\η}=\mathrm{\φ}\frac{F_1}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%=100-q_2-q_3-q_4-q_5-q_6\%$

其中：q₂：排烟热损失

     q₃：气体不完全燃烧损失

     q₄：机械不完全燃烧损失

     q₅：炉膛散热损失

     q₆：灰渣物理热热损失

采用本发明的系统实现锅炉在线监测所需的输入的信号均为可测量参数，并且适用于煤质多变及多种煤混烧的运行条件，因此适用范围广；由于采用IMP数测量方便，据采集器进行数据采集，LEO工业微机、S—网络进行运算，因此测量快，计算准确度高。

图1为本发明的硬件构成图；

图2为内存跳转设置装置视图；

图3为S—网络电缆与IC的连接图；

图4为mA信号连接方式图；

图5为电压信号连接方式图；

图6为热电偶连接方式图。

本发明的一个最佳实施例，锅炉效率在线监测系统由IMP数据采集器、LEO工业微机、S—网络组成。

IMP数据采集器：采用英国输力强公司生产，35951C二块、3594A一块。

35951C：20个信号输入通道，可对mA、V、各型热偶进行测量；测量精度高，等级为0.01级；扫描切换开关为密封干簧管，抗干扰能力强。

35954A：负责S—网络的供电、通讯、出错校验和数据缓冲等功能，每秒可完成600个点数据采集与传输。

LEO工业微机：台湾大众公司生产，8M内存、IG硬盘、3.5′软驱、10个标准ISA扩展槽，防尘、防震。外设包括WIN95键盘、SVGA显示器、NEC 4针打印机。

S—网络：高传输速率，通讯、馈电共用一根双芯屏蔽电缆。

硬件安装

35954A安装

根据工控机的类型，将4A上的跳转开关SW1、SW2设置成图2所示的位置，选取工控机上任一ISA标准扩展槽，将适配卡插入并拧紧固定螺丝便完成4A卡的安装。

35951C的安装

连接器的初始设置及与S—网络的连接

连接器上的地址设置开关S1、S2调整到1、0位置，S—网络电缆及终结端子与连接器的连接方式见图3a(图3b为参考)。

与测量信号的连接

锅炉效率在线监测系统需要采集的运行参数见表2.1。

锅炉效率监测采集信号及连接通道

序号	参数名称	信号类型	连接器通道号
				1	主汽压力	4-20mA	CH1
2	主汽流量	4-20mA	CH2、CH3
				3	给水流量	4-20mA	CH4
4	烟气氧量	4-20mA	CH5、CH6
				5	发电功率	0-10V	CH7
6	给水温度	K型热偶	CH8
				7	低温省煤器出口水温	K型热偶	CH9、CH10
8	排烟温度	K型热偶	CH11、CH12
				9	主汽温度	K型热偶	CH13、CH14
10	低温省煤器入口烟温	K型热偶	CH15、CH16
				11	低温省煤器出口烟温	K型热偶	CH17、CH18

mA信号的连接方式见图4，H端接电流正极，L端接负极，G与L间短接，H与L间并联一个100Ω的标准电阻。

V信号的连接方式见图5，其H端接电压正极，L端接负极，G与L间短接。

K型热电偶的连接方式见图6，热偶的正电势端与H相连，另一端与L连接。IC采集板可对热偶冷端进行自动补偿。

以上H、G、L为IC连接器上的接线柱。

软件构成

软件由任务管理程序、数据采集程序、效率计算程序、输出及存储程序组成，任务管理程序负责各任务的调度，完成数据采集、效率计算、存储及输出等工作，运行环境为WINDOWS32，采用高级语言Visual Basic开发。程序流程见图7。

数据采集模块

数据采集模块是系统软件的核心，它在任务管理程序的调度下实现IMP初始化、命令传送、数据校验、数据接收等功能，并将测量的mA、V等信号值换算对应参数值提供给效率计算模块。程序框图见图8。

效率计算模块

模块首先定义各输入参数变量，任务管理程序对其赋值，然后根据3.1提供的效率及各项损失计算公式进行计算。程序框图见图9。

输出及存储模块

该模块在任务管理程序的调用下完成效率及各项损失值输出，包括计算值显示、效率趋势(第一画面)及效率曲线绘制(第二画面)、硬盘存储、定时打印。另外，该模块具有历史数据查询及查询结果打印等功能。程序框图见图10。

其测量原理是：

常规的热效率计算公式有正平衡法和反平衡法两种：正平衡： $\mathrm{\η}=\frac{Q_1}{Q_r}\×100\%=\frac{\mathrm{\ΣD}\·\mathrm{\Δi}}{{\mathrm{BQ}}_r}$ 反平衡：η＝(100-q₂-q₃-q₄-q₅-q₆)×100％式中：Q₁—锅炉有效吸热量KJ/Kg

  Q_r—输入炉内热量(Q₁-Q₆之和)KJ/Kg

  B—锅炉燃料消耗量Kg/h

  ∑Δi—工质吸收的有效热量KJ/h(可由流量、温度、

  压力等热工参数求得)

  ∑Q—锅炉各项热损失之和KJ/Kg锅炉效率在线监测系统的计算公式构成如下： $\mathrm{\η}=\frac{Q_1}{Q_1+\mathrm{\ΣQ}}\×100\%$ $=\frac{Q_1}{Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5+Q_6}\×100\%$ 锅炉的保热系数： $\mathrm{\Ψ}=\frac{100-q_5}{100}=\frac{Q_r-Q_5}{Q_r}$ ψQ_r＝ψ(Q₁+∑Q)＝Q_r-Q₅上式的分子分母都乘以ψ得： $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ΨQ}}_1}{\mathrm{\Ψ}(Q_1+\mathrm{\ΣQ})}\×100\%=\frac{{\mathrm{\ΨQ}}_1}{Q_r-Q_5}\×100\%$ $=\frac{\mathrm{\Ψ}{Q}_1}{Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_6}\×100\%$ 上式的分子分母都除以排烟体积V_py并令 $\frac{Q_1}{V_{\mathrm{py}}}=F_i;$ $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ΨF}}_1}{F_1+F_2+F_3+F_4+F_6}\×100\%=\frac{{\mathrm{\ΨF}}_1}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%$ 式中： $F_1=\frac{Q_1}{V_{\mathrm{py}}},F_2=\frac{Q_2}{V_{\mathrm{py}}},F_3=\frac{Q_3}{V_{\mathrm{py}}},F_4=\frac{Q_4}{V_{\mathrm{py}}},$ $F_6=\frac{Q_6}{V_{\mathrm{py}}}$ ∑F＝F₁+F₂+F₃+F₄+F₆ $q_2=\frac{{\mathrm{\ΨF}}_2}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%;$ $q_3=\frac{{\mathrm{\ΨF}}_3}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%;$ $q_4=\frac{{\mathrm{\ΨF}}_4}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%$ $q_6=\frac{{\mathrm{\ΨF}}_6}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%;$ $q_5=(1-\mathrm{\Ψ})\×100\%={q_5}^H\frac{D_H}{D_X}\%$ 因此，只要求出F₁-F₆即可算出效率和各项损失。F的计算： $F_1:F_1=\frac{Q_1}{V_{\mathrm{py}}}=\frac{\mathrm{\ΣD}\·\mathrm{\Δi}}{{\mathrm{BV}}_{\mathrm{py}}}\mathrm{KJ}/{\mathrm{Nm}}^3.....\left(1\right)$

其中的BV_py可通过某一烟道(例如低温段省煤器烟道)的热平衡来求得，为简化公式的推导，设烟道没有漏风(如有漏风时，只需加上ΔαI_1k ⁰就可以，但公式推导繁琐故从略)。则：

    Bψ(I′-I″)＝G(i″-i′)            KJ/h

式中I′，I″-该烟道进出口的烟气焓(可分别用V′，C′，θ′和V″，C″，θ″来求得，而没有漏风的情况下，各处烟气在标准状态下的体积是相等的，可用V_py表示)。

G—工质流量(如流经省煤器的给水流量)Kg/h

i′，i″-工质进出口焓KJ/Kg

Bψ(I′-I″)＝BV_pyψ(C′θ′-C″θ″)＝G(i″-i′) ${\mathrm{BV}}_{\mathrm{py}}=\frac{G(i^{\′}-i^{\′\′})}{\mathrm{\Ψ}(C^{\′}{\mathrm{\θ}}^{\′}-C^{\′\′}{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}$ 以此式代入公式1得： $F_1=\frac{\mathrm{\ΣD}\·\mathrm{\Δi}}{{\mathrm{BV}}_{\mathrm{py}}}=\frac{\mathrm{\ΣD}\·\mathrm{\Δi}\·\mathrm{\Ψ}(c^{\′}{\mathrm{\θ}}^{\′}-C^{\′\′}{\mathrm{\θ}}^{\′\′})}{G(i^{\′}-i^{\′\′})}\mathrm{KJ}/N{m}^3$ $F_2:F_2=\frac{Q_2}{V_{\mathrm{py}}}=\frac{V_{\mathrm{py}}{\left(\mathrm{C\θ}\right)}_{\mathrm{py}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}{V_{1k}}^0{\left(\mathrm{ct}\right)}_{1k}}{V_{\mathrm{py}}}$ $={\left(\mathrm{C\θ}\right)}_{\mathrm{py}}-\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}{V_{1k}}^0{\left(\mathrm{ct}\right)}_{1k}}{V_{\mathrm{py}}}......\left(2\right)$ 式中：(ct)_1k—冷空气热容量；(Cθ)_py—排烟热容量；

 α_py—排烟处过剩空气系数；

理论空气量和排烟体积的比值

因为理论空气量：

V_1k ⁰＝0.0889C^y+0.265H^y+0.0333S^y-0.0333O^y  Nm³/kg

而理论干烟气量：

V_gy ⁰＝0.01866C^y+0.007S^y+0.008N^y+0.79V_1k ⁰

    ＝0.08889C^y+0.20935H^y+0.033307S^y+0.008N^y-0.026307O^y

可以看出两者都是燃料元素成份的函数，而且C^y，S^yO^y三者前面的系数几乎相等，经过对中国煤和前苏联煤的大量统计验算，

的比值均在1.015-1.025之间，一般为1.02，而理论烟气量与实际烟气量之间只差过剩空气量，干烟气量与湿烟气量之间只差水蒸汽，故理论干烟气量V_gy ⁰与排烟体积V_py之间的差异可通过水蒸汽份额r_H2O和过剩空气系数α_py计算出来，所以

的比值是可以推导出来的，但过程十分复杂，这里不多赘述，只提出结论，对燃煤锅炉而言 $\frac{{V_{1k}}^0}{V_{\mathrm{py}}}=\frac{1-r_{H2O}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-0.02}$ 以此代入公式2： $F_2={\left(\mathrm{C\θ}\right)}_{\mathrm{py}}-{\left(\mathrm{ct}\right)}_{1k}(1-r_{H2O})\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-0.02}\mathrm{KJ}/N{m}^3$ ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}=\frac{21}{21-0_{2\mathrm{py}}}$

r_H2O对F₂的影响不大，可取定值，无烟煤0.05，贫煤0.07，烟煤0.1，褐煤0.14。 $F_3:F_3=\frac{Q_3}{V_{\mathrm{py}}}=\frac{12640V_{\mathrm{co}}+10790V_{H2}+35820V_{\mathrm{CH}4}}{V_{\mathrm{py}}}$

电厂通常只考虑一氧化碳CO而忽略氢H₂和甲烷CH₅，则上式为： $F_3=\frac{126.4V_{\mathrm{co}}}{V_{\mathrm{py}}}=126.4\mathrm{CO}$ (只决定于烟气中一氧化碳含量)

式中CO-排烟中一氧化碳的容积份额，故应用此方法测量效率时，锅炉应安装CO表，但由于一般电厂锅炉的CO含量很少，即使使用经验公式CO，对效率的误差也不大于0.1个百分点。 $F_4=\frac{Q_4}{V_{\mathrm{py}}}=\frac{\mathrm{326,82}{C_m}^y}{V_{\mathrm{py}}}\mathrm{KJ}/{\mathrm{Nm}}^3.....\left(3\right)$

式中：C_m ^y-没有燃烧的碳(存在于飞灰和灰渣中)占燃料重量的百分数。

的比值，可由氧平衡求得，即过剩空气中的氧0.21(α_py-1)V_1k ⁰，应等于剩在烟气中的氧减去理论空气中因不完全燃烧而多出来的氧，即： $0.21({\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-1){V_{1k}}^0=V_{02}-0.5V_{\mathrm{co}}-1.866\frac{{C_m}^y}{100}$ $=V_{\mathrm{py}}(\frac{O_2}{100}-0.5\frac{\mathrm{CO}}{100}-1.866\frac{{C_m}^y}{100V_{\mathrm{py}}})$ 两端备乘以

得： $0.21({\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-1)\frac{{V_{1k}}^0}{V_{\mathrm{py}}}=O_2-0.5\mathrm{CO}-1.866\frac{{C_m}^y}{V_{\mathrm{py}}},$ 以 $\frac{{V_{1k}}^0}{V_{\mathrm{py}}}=\frac{1-r_{H2O}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-0.02}$ 代入得： $\frac{{C_m}^y}{V_{\mathrm{py}}}=[O_2-0.5\mathrm{CO}-21(1-r_{H2O})({\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-1)/({\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-0.02)]/1.866$

以此式代入3中得：

F₄＝326.82[O₂-0.5CO-21(1-r_H2O)(α_py-1)/

     (α_py-0.02)]/1.866

F₄＝175.14[O₂-0.5CO-21(1-r_H2O)(α_py-1)/

     (α_py-0.02)]           KJ/Nm³(故不用测飞灰含碳量) $F_6:F_6=\frac{{Q_6}^{\mathrm{hz}}+{Q_6}^{\mathrm{fh}}}{V_{\mathrm{py}}}$ $=\frac{\frac{A_y}{100}[(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}){\left(\mathrm{c\θ}\right)}_{\mathrm{fh}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}{\left(\mathrm{c\θ}\right)}_{\mathrm{fh}}]}{V_{\mathrm{py}}}$ $=\frac{A_y{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}}{100V_{\mathrm{py}}}[\frac{1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}}{\left(\mathrm{c\θ}\right)}_{\mathrm{hz}}+{\left(\mathrm{c\θ}\right)}_{\mathrm{fh}}]$ 式中： 排烟中的飞灰浓度(一般固态排渣粉炉可取40g/Nm³

α_fh—飞灰份额(固态排渣煤粉炉取0.9-0.95)

(cθ)_hz—灰渣热容(固态排渣煤粉炉取554KJ/Kg即600℃下的灰渣热容)

(cθ)_th—飞灰热容(取排烟温度下飞灰热容) $F_6=0.04[554\frac{1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}}+{\left(\mathrm{c\θ}\right)}_{\mathrm{fh}}]$ 热损失计算排烟热损失： $q_2=\mathrm{\Ψ}\frac{F_2}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%$ $=\mathrm{\Ψ}\frac{{\left(\mathrm{c\θ}\right)}_{\mathrm{py}}-{\left(\mathrm{ct}\right)}_{1k}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-1)\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-0.02}}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%$ 气体不完全燃烧损失： $q_3=\mathrm{\Ψ}\frac{F_3}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%=\mathrm{\Ψ}12640\mathrm{CO}/\mathrm{\ΣF}\%$ 机械不完全燃烧损失： $q_4=\mathrm{\Ψ}\frac{F_4}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%$ $=\mathrm{\Ψ}17514[O_2-0.5\mathrm{CO}-21(1-r_{H2O})\frac{({\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-1)}{({\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-0.02)}]$ /∑F×100％

炉膛散热损失： $q_5={q_5}^H\frac{D_H}{D_x}$ 式中：q₅ ^H—锅炉额定负荷时散热损失％可按下式计算

  q₅ ^H＝5.82D_H ^-0.378％

  D_H—锅炉额定蒸发量

  D_X—锅炉实际蒸发量 $\mathrm{\Ψ}=1-\frac{q_5}{100}=1-\frac{{q_5}^H{D}_H/D_X}{100}$ 灰渣物理热热损失 $q_6=\mathrm{\Ψ}\frac{F_6}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%$ $=4\mathrm{\Ψ}[\frac{1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}}554+{\left(\mathrm{c\θ}\right)}_{\mathrm{fh}}]/\mathrm{\ΣF}\%$ 锅炉效率： $\mathrm{\η}=\mathrm{\Ψ}\frac{F_1}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%=100-q_2-q_3-q_4-q_5-q_6\%$

Claims (4)

1、一种锅炉效率在线监测系统，其特征在于：它由端子排信号源与IMP数据采集器通过S-网络与LEO工业微机相连接构成，其热效率的计算公式是： $\mathrm{\η}=\mathrm{\φ}\frac{F_1}{\mathrm{\ΣF}}\×100\%=100-q_2-q_3-q_4-q_5-q_6\%$

其中：q₂：排烟热损失

      q₃：气体不完全燃烧损失

      q₄：机械不完全燃烧损失

      q₅：炉膛散热损失

      q₆：灰渣物理热热损失

2、如权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于：IMP数据采集器包括35951C二块，35954A一块。

3、如权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于：LEO工业微机由8M内存，IG硬盘，3.5软驱，10个标准ISA扩展槽及外设构成。

4、如权利要求1所述的监测系统，其特征在于：mA信号的连接方式为H端接电流正极，L端接负极，G与L间短接，H与L间并联一个100Ω的标准电阻。

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