[發明專利]煤粉鍋爐熱效率和煤質數據實時監測方法

無效

• 申請號: 201010564627.1
• 申請日: 2010-11-24
• 公開（公告）號: CN102012968A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 李勇;張炳文;周振起;曹麗華;趙星海;姜鐵騮
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所 22102
• 代理人: 陳傳林

1.一種煤粉鍋爐熱效率和煤質數據實時監測方法，其特征是，它包括以下內容：

〔1〕建立煤粉鍋爐系統熱效率實時監測數學模型：

煤粉鍋爐熱效率與熱損失的關系

鍋爐熱效率η_b(％)

η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)???????????(1)

其中，q₂、q₃、q₄、q₅、q₆分別為煤粉鍋爐的排煙熱損失(％)、化學未燃盡熱損失(％)、機械未燃盡熱損失(％)、鍋爐散熱損失(％)、灰渣物理熱損失(％)；

排煙熱損失q₂(％)

q2=100(Vgycgy+VH2OcH2O)(θpy-t0)Qnet(%)---(2)]]>

其中，V_gy為1kg煤炭燃燒生成的干煙氣體積(Nm³/kg)，為1kg煤炭的煙氣中所含水蒸氣容積(Nm³/kg)，θ_py、t₀為鍋爐排煙溫度和空氣預熱器進口空氣溫度(℃)，c_gy、為煙氣和水蒸氣比熱(kJ/(℃Nm³))，根據溫度θ_py、t₀從物理性質參數表達式得到，Q_net為煤炭低位發熱值(kJ/kg)；

化學未燃盡熱損失q₃(％)

q3=Vgy12636COQnet---(8)]]>

其中，CO為煙氣分析一氧化碳容積百分數(％)；

機械未燃盡熱損失q₄(％)

q4=33727CaruQnet(%)=33727ChzAarQnet(%)---(9)]]>

其中，33727為碳燃燒生成二氧化碳的發熱值(kJ/kg)，即1克摩爾碳完全燃燒生成二氧化碳放出393.5kJ的熱量，為收到基機械未燃盡碳百分數(％)，Q_net為燃料低位發熱值(kJ/kg)，A_ar為收到基灰質量百分數(％)；C_hz為灰渣含碳率；

鍋爐散熱損失q₅(％)

q5=q5eDeD---(10)]]>

其中，為額定蒸發量下的散熱損失(％)，D^e為鍋爐的額定蒸發量(t/h)，D為鍋爐效率測定時的實際蒸發量(t/h)；

灰渣物理熱損失q₆(％)

q6=100AarQnet(αlz(tlz-t0)clz100-clzc+αfh(θpy-t0)cfh100-cfhc+αcjh(tcjh-t0)ccjh100-ccjhc)---(11)]]>

其中，t_lz為由爐膛排出的爐渣溫度(℃)，t_cjh為由煙道排出之沉降灰溫度，取為沉降灰斗上部空間的煙氣溫度(℃)，c_lz、c_fh、c_cjh分別為爐渣、飛灰及沉降灰的比熱kJ/(kg℃)，由對應的溫度計算得到；α_lz、α_fh、α_cjh分別為爐渣、飛灰及沉降灰占總灰量的份額；分別為爐渣中碳質量百分數(％)、飛灰中碳質量百分數(％)、沉降灰中碳質量百分數(％)；

理論空氣量

每公斤煤炭的理論空氣容積V⁰(Nm³/kg)

V⁰＝0.0889927(C_ar+0.375344S_ar)+0.265128H_ar-0.0334029O_ar????(12)

其中，C_ar、H_ar、O_ar、S_ar分別為煤炭收到基碳、氫、氧、硫的質量百分數(％)，0.0334029為每kg氧的空氣標準狀態容積的百分之一；

煙氣量

燃燒產物理論氮氣容積(Nm³/kg)

VN20=0.7809V0+0.008NarNm3/kg---(13)]]>

其中，N_ar為煤炭收到基氮的質量百分數(％)；

每公斤煤炭中燃燒碳生成二氧化碳的標準狀態0℃760mmHg下的容積(Nm³/kg)

VCO20=3.66422446CarCO2100ρCO20=1.8534266CarCO2100Nm3/kg---(15)]]>

其中，為煤炭收到基生成二氧化碳的碳質量百分數(％)，二氧化碳標準狀態密度為

每公斤煤炭中的碳燃燒生成一氧化碳的標準狀態(0℃760mmHg)容積(Nm³/kg)

VCO0=2.33211223CarCO100ρCO0=1.8656898CarCO100Nm3/kg---(19)]]>

其中，為煤炭收到基生成一氧化碳的碳質量百分數(％)，一氧化碳標準狀態密度為

每公斤煤炭中的硫燃燒生成二氧化硫的標準狀態容積(Nm³/kg)

VSO20=1.9981Sar100ρSO20=0.7832726417Sar100Nm3/kg---(22)]]>

其中，S_ar為煤炭收到基硫的質量百分數(％)，二氧化硫標準狀態密度為ρSO20=2.551kg/m3;]]>

每公斤煤炭燃燒生成的干煙氣量(Nm³/kg)

Vgy0=VCO20+VCO0+VSO20+VN20+(α-1)V0Nm3/kg---(24)]]>

燃燒生成二氧化碳的收到基碳質量百分數每公斤煤炭燃燒前后的二氧化碳物質守恒關系

CO2kαV0100+VCO20=CO2Vgy0100]]>

或者帶入式(15)??????????????????????????(25)

CO2kαV0100+1.8534266CarCO2100=CO2Vgy0100]]>

其中，CO_2k、CO₂分別為空氣中二氧化碳氣容積百分數(％)、煙氣中二氧化碳氣容積百分數(％)；

燃燒生成一氧化碳的收到基碳質量百分數這里忽略了空氣中極少量的一氧化碳，每公斤煤炭燃燒前后的一氧化碳物質守恒關系

VCO0=COVgy0100]]>

或者帶入式(19)????????????????????(26)

1.8656898CarCO100=COVgy0100]]>

其中，CO為煙氣中一氧化碳氣容積百分數(％)；

每公斤煤炭完全燃燒理論需氧量與實際燃燒耗氧量的容積差(Nm³/kg)

ΔVO20=Oar100ρO20+0.2095V0-(CO2+SO2+0.5CO)Vgy0+5.55444Har100---(31)]]>

其中，O_ar為煤炭收到基氧質量百分數(％)，CO為煙氣中一氧化碳氣容積百分數(％)，CO₂為煙氣中二氧化碳氣容積百分數(％)，SO₂為煙氣中二氧化硫氣容積百分數(％)；

每公斤煤炭完全燃燒理論需氧量與實際燃燒耗氧量的容積差(Nm³/kg)還等于一氧化碳和機械未燃盡碳的燃燒需氧量，從而得到機械未燃盡碳的顯函數

Caru=100ΔVO20-0.5COVgy01.8643978---(33)]]>

煤炭收到基碳質量百分數C_ar，碳燃燒生成二氧化碳、一氧化碳和沒有燃燒部分的數量關系

CarCO2+CarCO+Caru=Car---(34)]]>

其中，分別為煤炭收到基生成二氧化碳的碳質量百分數(％)、生成一氧化碳的碳質量百分數(％)、機械未燃盡碳質量百分數(％)、煤炭收到基碳質量百分數(％)；

收到基氫和水質量百分數H_ar、W_ar，煙氣中的水份，即氫的燃燒產物、煤炭中含有的水份和空氣中含有的水份

H2O100Vgy0=0.11116039Har+War100ρH2O0+H2Ok100αV0]]>(35)]]>

=0.11116039Har+0.0124445War+H2Ok100αV0]]>

其中，H₂O為煙氣中水蒸氣容積百分數(％)，H₂O_k為空氣中水蒸氣容積百分數(％)，W_ar為煤炭收到基水質量百分數(％)，H_ar為煤炭收到基氫質量百分數(％)；

煤炭收到基氧質量百分數O_ar根據氧的平衡方程式得到

Oar100ρO20+0.2095αV0=2.66422446CarCO2100ρO20+1.33211223CarCO100ρO20+0.9981285Sar100ρO20]]>

+7.9372953666Har100ρO20+O2Vgy0100]]>

或者

Oar100ρO20=2.66422446CarCO2100ρO20+1.33211223CarCO100ρO20+0.9981285Sar100ρO20---(36)]]>

+7.9372953666Har100ρO20+O2Vgy0100-0.2095αV0]]>

或者

Oar=2.66422446CarCO2+1.33211223CarCO+0.9981285Sar+7.9372953666Har]]>

+ρO20(O2Vgy0-20.95αV0)]]>

煤炭收到基氮質量百分數N_ar根據氮的平衡方程式得到

N2100Vgy0=0.008Nar+0.7809αV0-VNOx]]>(37)

=0.008Nar+0.7809αV0-μNOxVgy01.59×106]]>

其中，為煙氣中氮氧化物容積(Nm³/kg)，為煙氣中氮氧化物含量(mg/Nm³)，1.59kg/Nm³為二氧化氮(NO₂)標準狀態密度，僅考慮了氮氧化物中的二氧化氮；

煤炭收到基硫質量百分數S_ar根據硫的平衡方程式得到

SO2kαV0100+0.7832726417Sar100=SO2Vgy0100---(38)]]>

其中，SO_2k為空氣二氧化硫體積百分數(％)；

煤炭收到基灰質量百分數A_ar由收到基定義計算

A_ar＝100-(C_ar+H_ar+O_ar+N_ar+S_ar+W_ar)??????????(39)

空氣預熱器阻力，通過實測煙氣在空氣預熱器中的阻力建立鍋爐燃煤量、機械未燃盡熱損失與煤質數據之間的關系；

煙氣密度ρ_y(kg/Nm³)

ρy=0.01428O2+0.01964CO2+0.0082H2O+0.02858SO2+0.0127N21+VH2OVgy0+μy---(40)]]>

其中：μ_y為煙氣含灰濃度(kg/Nm³)，為煙氣的水蒸氣容積(Nm³/kg)，O₂為煙氣中氧氣容積百分數(％)，CO₂為煙氣中二氧化碳氣容積百分數(％)，H₂O為煙氣中水蒸氣容積百分數(％)，SO₂為煙氣中二氧化硫氣容積百分數(％)，N₂為煙氣中氮氣容積百分數(％)，這些參數均由實測得到；

煙氣在空氣預熱器中的流速W(m/s)

W=Bb(1-q4100)(Vgy0+VH2O)(1+tkr273)3.6Ak---(41)]]>

其中，B_b為鍋爐燃煤量(t/h)，q₄為機械未完全燃燒熱損失(％)，t_kr為空氣預熱器煙氣平均溫度(℃)，A_k為空氣預熱器煙氣流通斷面積(m²)；

煙氣在空氣預熱器中的阻力Δh(Pa)

Δh=0.303(lgWddv-0.9)2(1+11.1(a+b)s)lddρyW22---(42)]]>

其中，Δh為煙氣在空氣預熱器中的阻力，現場實測，l為空氣預熱器煙氣流道長度(m)，由制造廠提供，d_d為煙氣在空氣預熱器中的流道當量直徑(m)，由制造廠提供；v為煙氣粘度(m²/s)，根據煙氣溫度由煙氣特性程序計算，(a+b)為計入波紋高度的平均公差(mm)，由制造廠提供，s為空氣預熱器板型結構特性參數(mm)，由制造廠提供；

煤炭低位發熱值Q_net

Q_net＝339C_ar+1105.1H_ar+108.8S_ar-108.8O_ar-25.1W_ar???????????(43)

其中，C_ar、H_ar、S_ar、O_ar、W_ar分別為煤炭收到基成分碳、氫、硫、氧、水(％)；

鍋爐燃煤量B_b

B_bQ_netη_b＝Q_re???????????????(44)

其中，B_b為鍋爐燃煤量(kg/h)；Q_re(kJ/h)為鍋爐有效熱量，通過實測蒸汽流量和焓、給水流量和焓、排污流量和焓計算得到；

過量空氣系數α

α=20.9520.95-O2+0.5CO---(45)]]>

其中，O₂、CO為煙氣的氧氣容積百分數、煙氣的一氧化碳容積百分數；

飛灰中碳質量百分數(％)

Aarαlzclzc+αfhcfhc+αcjhccjhc100=Caru]]>或者cfhc=100Caru-Aar(αlzclzc+αcjhccjhc)αfhAar---(46)]]>

其中，對于煤粉鍋爐α_lz、α_fh、α_cjh分別為0.1、0.85、0.05，基本穩定，爐渣中碳質量百分數沉降灰中碳質量百分數取為定期取樣化驗值，由于灰渣份額較少，所以誤差很少；

〔2〕使用C語言程序進行原始數據的讀取和數學模型的求解，其解算順序是：根據煙氣分析容積百分數CO、O₂用式(45)計算過量空氣系數α，根據實際蒸發量(t/h)用式(10)計算散熱熱損失q₅(％)；根據能夠實時檢測的鍋爐運行數據求解式(1)、(2)、(8)、(9)、(11)、(12)、(13)、(15)、(19)、(22)、(24)、(25)、(26)、(31)、(33)、(34)、(35)、(36)、(37)、(38)、(39)、(40)、(41)、(42)、(43)、(44)和(46)數學模型組成的方程組，得到每公斤燃料的理論空氣容積V⁰(Nm³/kg)、燃燒產物理論氮氣容積(Nm³/kg)、煙氣的二氧化碳容積(Nm³/kg)、一氧化碳容積(Nm³/kg)、二氧化硫容積(Nm³/kg)、每公斤燃料燃燒生成的干煙氣容積(Nm³/kg)、每公斤煤炭完全燃燒理論需氧量與實際燃燒耗氧量的容積差(Nm³/kg)、煤炭收到基機械未燃盡碳質量百分數(％)、煤炭生成二氧化碳的收到基碳質量百分數(％)、煤炭生成一氧化碳的收到基碳質量百分數(％)、煤炭收到基質量百分數碳C_ar(％)、氫H_ar(％)、氧O_ar(％)、氮N_ar(％)、硫S_ar(％)、灰A_ar(％)、水W_ar(％)、煙氣密度ρ_y(kg/Nm³)、煙氣在空氣預熱器中的流速W(m/s)、煤炭低位發熱值Q_net(kJ/kg)、排煙熱損失q₂(％)、化學未完全燃燒熱損失q₃(％)、機械未完全燃燒熱損失q₄(％)、灰渣物理熱損失q₆(％)、鍋爐熱效率η_b(％)、飛灰中碳質量百分數(％)和燃煤量B_b(t/h)不能夠實時檢測的鍋爐運行參數，其中，鍋爐熱效率η_b是鍋爐最佳運行調整實時監控需要的關鍵參數，燃煤量B_b是鍋爐運行重要的經濟指標；能夠實時檢測的鍋爐運行數據包括：煙氣分析一氧化碳容積百分數CO(％)、煙氣分析二氧化碳容積百分數CO₂(％)、煙氣分析二氧化硫容積百分數SO₂(％)、煙氣分析氮氣容積百分數N₂(％)、煙氣分析水蒸氣容積百分數H₂O(％)、煙氣分析氧氣容積百分數O₂(％)、鍋爐排煙溫度θ_py(℃)、空氣預熱器進口空氣溫度t₀(℃)、由爐膛排出的爐渣溫度t_lz(℃)、由煙道排出之沉降灰溫度t_cjh(℃)、空氣中水蒸氣容積百分數H₂O_k(％)、煙氣中氮氧化物含量(mg/Nm³)、空氣二氧化硫體積百分數SO_2k(％)、煙氣含灰濃度μ_y(kg/Nm³)、空氣預熱器煙氣平均溫度t_kr(℃)、實際蒸發量(t/h)、煙氣在空氣預熱器中的阻力Δh(Pa)和鍋爐有效熱量Q_re(kJ/h)，煙氣分析容積百分數以干煙氣為基數，即CO+CO₂+SO₂+O₂+N₂＝100。