CN202465736U - Trt装置在线能效分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及在线分析设备，旨在提供一种TRT装置在线能效分析仪。包括用于采集透平机运行数据的传感器和可编程控制器；可编程控制器中内置信号接收处理模块、能效数据计算模块和能效滤波模块，信号接收处理模块、能效数据计算模块和能效滤波模块依次连接，所述传感器经变送器连接至信号接收处理模块；所述可编程控制器通过工业以太网连至显示屏。该分析仪可获得透平机能效的实时数据，方便对透平机的运行管理与优化操作；对采集的运行参数进行处理，可有效的减少由于采样带来的噪声而引起的能效计算数据错误；采用可编程控制器与触摸屏作为硬件平台，具有高可靠性、并且性能低廉的特点，使历史数据可以得到长期的保存与记录。

Description

TRT装置在线能效分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种高炉煤气余热回收装置的透平机在线能效分析仪。更具体的说，是针对炼铁高炉中的透平机运行能效进行在线的计算与分析设备。

背景技术

高炉煤气余压透平发电装置(英文Blast Furnace Top Gas Pressure Recovery TurbineUnit简称TRT装置)是通过将高炉炉顶煤气导入一台透平膨胀机(煤气透平)作功，使高炉煤气的压力能及热能转化为机械能，再驱动发电机的一种二次能量回收装置。传统的高炉工艺流程中，高炉炉顶煤气(压力150-300kPa)在通过除尘后再经过减压阀组(或比肖夫除尘器)减压到10kPa左右，排入储气罐供工厂热风炉作为燃料用。原高炉煤气所具有的压力能和热能被白白地浪费在减压阀组(或比肖夫除尘器)上，造成大量的能源浪费和噪声污染，噪声达105dB(A)以上。采用TRT装置替代减压阀组(减压阀组备用)，不改变原高炉煤气的品质，也不影响煤气用户的正常使用，却回收了被减压阀组白白释放的能量，又净化了煤气，降低了噪音，有效地控制炉顶的压力波动，从而改善了高炉的操作条件，该装置在运行过程中不产生污染，几乎没有能源消耗，发电成本低。

目前，TRT装置很少对运行中的能效设备进行能效参数监测、能效分析。透平机的能源效率问题还没有得到分析，往往处于效率的低点，影响了TRT装置的能源利用效率。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种TRT装置在线能效分析仪。为解决其技术问题，本实用新型采取的技术方案是：

提供一种TRT装置在线能效分析仪，包括用于采集透平机运行数据的传感器和可编程控制器；可编程控制器中内置信号接收处理模块、能效数据计算模块和能效滤波模块，信号接收处理模块、能效数据计算模块和能效滤波模块依次连接，所述传感器经变送器连接至信号接收处理模块；所述可编程控制器通过工业以太网连至显示屏。

作为一种改进，所述显示屏是触摸屏。

作为一种改进，还包括通过USB2.0传输方式连接至所述触摸屏的数据存储装置。

作为一种改进，所述数据存储装置是移动硬盘。

本实用新型中所述分析仪的分析实现方法，包括以下步骤：

(1)利用传感器采集透平机运行时的进口流量、进口温度、出口温度、出口流量以及发电功率的数据，并经变送器传递至信号接收处理模块；

(2)信号接收处理模块将运行数据传递至能效数据计算模块，由能效数据计算模块根据下述公式得到透平机的能效η_t；

$q_{t1}=x_{{\mathrm{CO}}_2}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{ti}}+x_{\mathrm{CO}}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{\mathrm{CO}}^{\mathrm{ti}}+x_{H_2}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{H_2}^{\mathrm{ti}}+x_{N_2}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{N_2}^{\mathrm{ti}}+x_{{\mathrm{CH}}_4}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{{\mathrm{CH}}_4}^{\mathrm{ti}}$ (公式1)

$q_{t2}=x_{{\mathrm{CO}}_2}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{to}}+x_{\mathrm{CO}}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{\mathrm{CO}}^{\mathrm{to}}+x_{H_2}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{H_2}^{\mathrm{to}}+x_{N_2}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{N_2}^{\mathrm{to}}+x_{{\mathrm{CH}}_4}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{{\mathrm{CH}}_4}^{\mathrm{to}}$ (公式2)

q_tr＝q_t1-q_t2                                        (公式3)

${\mathrm{\η}}_t=\frac{N}{q_{\mathrm{tr}}}$ (公式4)

上述公式中：

N为发电功率，单位为kW；q_tr为透平机可回收的热量，单位为kW；q_t1为透平机入口煤气的焓值，单位为kW；q_t2为透平机出口煤气的焓值，单位为kW；高炉炉顶煤气中的主要成分是：CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄，其体积含量分别表示为

x_CO(％)，

是温度为T_ti的比焓，单位为kJ/m³；

是温度为T_to的热容，单位为kJ/m³；Q_ti为透平机入口流量，单位为m³/s；Q_to为透平机出口流量，单位为m³/s；

(3)能效数据计算模块将能效数据传送至能效滤波模块，由能效滤波模块根据下述公式得到去除噪声后的能效数据；

${\mathrm{\η}}_b^{\mathrm{nf}}=(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\η}}_b^n+\mathrm{\α}{\mathrm{\η}}_b^{\mathrm{nf}-1}$ (公式6)

上述公式中，这里

表示第n次的能效滤波后的值，

为第n次计算的能效值，

表示第n-1次的能效滤波后的值；α的取值在0至1，根据透平机运行现场工况预置；

(4)可编程控制器将去除噪声后的能效数据数据传递至显示屏。

本实用新型中，如最终获得的能效数据超过设定的范围值，则发出警报信号。

本实用新型中，还包括将去除噪声后的能效数据传送至数据存储装置。

本实用新型实现原理是：首先，采集透平机运行时的进口参数(压力、温度、流量)，出口参数(压力、温度、流量)，发电功率进行并处理。其次，利用能效计算公式，将所采集的实时数据代入进行运算，得到透平机的实时能效，并进行相关偏差的补偿。最后，将所采集的数据和运算得到的能效，在触摸屏上进行显示。

本实用新型中，其中利用可编程控制器与触摸屏作为分析仪的主要硬件，构建透平机的在线能效分析仪。触摸屏可搭配使用移动硬盘，将记录的透平机运行历史数据进行长期保存。

本实用新型中，其中透平机能效计算采用能量平衡的方法，其中发电功率作为输出能量，输入能量则为将煤气由进口的压力和温度降到出口的压力和温度所释放的能量，透平机内部的热损耗及机械损耗则合起来作为透平机的损耗。由于损耗部分无法进行测量及计算，透平机的进出口参数也会受到噪声的影响，因此对于最后的能效公式采用一阶滤波的方式进行校正。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、通过采样透平机进出口的参数，进行物料平衡、能量平衡的分析，由此可对透平机的运行状况进行全面的了解，从而获得透平机能效的实时数据，方便对透平机的运行管理与优化操作。

2.利用低通滤波算法，对采集的运行参数进行处理，可有效的减少由于采样带来的噪声而引起的能效计算数据错误。

3、采用可编程控制器与触摸屏作为硬件平台，具有高可靠性、并且性能低廉的特点。而采用触摸屏与移动硬盘相搭配，使历史数据可以得到长期的保存与记录。

附图说明

图1为透平机运行参数测量示意图；

图2为透平机能效计算示意图；

图3为一阶滞后滤波算法示意图；

图4为透平机能效分析仪系统图。

具体实施方式

参考附图1至4，下面将对本实用新型进行详细描述。

首先需要说明的是，本实用新型涉及可编程控制器在工业控制中的应用。在本实用新型的实现过程中，会涉及到内置于可编程控制器中的多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本实用新型的实现原理和实用新型目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本实用新型。前述软件功能模块包括但不限于：信号接收处理模块、能效数据计算模块、能效滤波模块等，凡本实用新型申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。而可编程控制器则是一种很常见的在工业环境下应用的数字运算操作的电子装置，其选型可由使用者根据实际情况完成，本实用新型中可选用西门子公司生产的S7系列和TP系列的产品。

图4表示透平机能效分析仪系统图。该分析仪包括用于采集透平机运行数据的传感器和可编程控制器；可编程控制器中内置信号接收处理模块、能效数据计算模块和能效滤波模块，信号接收处理模块、能效数据计算模块和能效滤波模块依次连接，所述传感器经变送器连接至信号接收处理模块；所述可编程控制器通过工业以太网连至触摸屏。还包括通过USB2.0传输方式连接至所述触摸屏的数据存储装置，数据存储装置是移动硬盘。

图1表示本实用新型中计算透平机能效计算所需要的参数测量量，其中包括透平机的进口压力、温度，出口压力、温度、流量以及发电功率。这里需要注意的是所有的测量均需要满足诸如传感器安装位置等要求。

图2表示本实用新型中透平机能效计算步骤。其中主要步骤如下：

1)高炉煤气所输出的能量包括：压力能和热能。

透平机入口流量为Q_ti(m³/s)，出口流量为Q_to(m³/s)，入口温度为T_ti(℃)，出口温度为T_to(℃)，发电功率N(kW)。

高炉炉顶煤气中的主要成分是：CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄，其体积含量分别表示为x_CO(％)，

透平机入口煤气的焓值(q_t1，kW)：

$q_{t1}=x_{{\mathrm{CO}}_2}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{ti}}+x_{\mathrm{CO}}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{\mathrm{CO}}^{\mathrm{ti}}+x_{H_2}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{H_2}^{\mathrm{ti}}+x_{N_2}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{N_2}^{\mathrm{ti}}+x_{{\mathrm{CH}}_4}{Q}_{\mathrm{ti}}{c}_{{\mathrm{CH}}_4}^{\mathrm{ti}}$ (公式2)

这里为温度为T_ti的比焓。

透平机出口煤气的焓值(q_t2，kW)：

$q_{t2}=x_{{\mathrm{CO}}_2}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{to}}+x_{\mathrm{CO}}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{\mathrm{CO}}^{\mathrm{to}}+x_{H_2}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{H_2}^{\mathrm{to}}+x_{N_2}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{N_2}^{\mathrm{to}}+x_{{\mathrm{CH}}_4}{Q}_{\mathrm{to}}{c}_{{\mathrm{CH}}_4}^{\mathrm{to}}$ (公式3)

这里

为温度为T_to的热容。

透平可回收的热量为(q_tr，kW)：

q_tr＝q_t1-q_t2                                        (公式4)

透平机的效率为：

${\mathrm{\η}}_t=\frac{N}{q_{\mathrm{tr}}}$ (公式5)

为了消除噪声引起的误差，本实用新型采用一阶滞后滤波算法对计算的能效进行滤波，去除噪声。滤波算法为：

${\mathrm{\η}}_b^{\mathrm{nf}}=(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\η}}_b^n+\mathrm{\α}{\mathrm{\η}}_b^{\mathrm{nf}-1}$ (公式6)

这里

表示第n次的能效滤波后的值，

为第n次计算的能效值，

表示第n-1次的能效滤波后的值。α的取值在0至1，可以根据透平机运行现场工况预置。图3为滤波算法的流程图。

Claims (4)

1.一种TRT装置在线能效分析仪，包括用于采集透平机运行数据的传感器，其特征在于，该分析仪还包括可编程控制器；可编程控制器中内置信号接收处理模块、能效数据计算模块和能效滤波模块，信号接收处理模块、能效数据计算模块和能效滤波模块依次连接，所述传感器经变送器连接至信号接收处理模块；所述可编程控制器通过工业以太网连至显示屏。

2.根据权利要求1所述的TRT装置在线能效分析仪，其特征在于，所述显示屏是触摸屏。

3.根据权利要求2所述的TRT装置在线能效分析仪，其特征在于，还包括通过USB2.0传输方式连接至所述触摸屏的数据存储装置。

4.根据权利要求3所述的TRT装置在线能效分析仪，其特征在于，所述数据存储装置是移动硬盘。

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