高炉鼓风系统能效分析方法

摘要

本发明涉及能效分析技术，旨在提供一种高炉鼓风系统能效分析方法。该方法包括：(1)采集高炉鼓风系统运行数据，经模数转换后传送至上位机；(2)根据运行数据分别得到电动机、鼓风机、透平机和热风炉的能效数据；(3)利用一阶滞后滤波算法模块对得到的能效数据进行滤波处理，以去除噪声；(4)得到高炉鼓风系统的能效数值；(5)将获得的能效数值以电信号形式传送并显示于显示装置中。本发明能够对高炉鼓风系统的能效进行综合评估与分析，并在能耗偏高时发出预警或提示。同时，能耗分析的结果还能为提高能耗的提供准确的方向。有助于技术人员根据系统提供的各设备能效数据，提出对应的处理方案。

主权项

一种高炉鼓风系统能效分析方法，包括以下步骤：(I)采集高炉鼓风系统中用于能效分析的各种运行数据，经模数转换后传送至上位机；(II)利用内置于上位机中的电动机能效计算模块、鼓风机能效计算模块、透平机能效计算模块、热风炉能效计算模块根据运行数据分别得到电动机、鼓风机、透平机和热风炉的能效数据；(III)利用一阶滞后滤波算法模块对得到的能效数据进行滤波处理，以去除噪声；(IV)根据下述公式得到高炉鼓风系统的能效数值：η_a＝η₁+η₂c₁+η₃c₂+η₄c₃上式中，η₁、η₂、η₃、η₄为经滤波处理后的热风炉、电动机、鼓风机、透平机的能效数据；其中，能耗最高的设备赋予加权系数为1，根据耗能比设定其他设备的耗能系数为c₁、c₂、c₃；(V)将获得的能效数值以电信号形式传送并显示于显示装置中；在步骤(II)中，透平机的能效是通过下述方式获得的：步骤一，通过下述方式获得鼓风机空气的焓值增量P₃，单位为kW：(1)将标态下测量的出口流量Q_Nbo转换为Q_bo：$Q_{\mathrm{bo}}=Q_{\mathrm{Nbo}}\frac{101.32(273.15+T_{\mathrm{bo}})}{(P_{\mathrm{bo}}+101.32)\left(273.15\right)3600}$式中，T_bo为为鼓风机出口温度；P_bo为鼓风机出口压力；(2)出口处空气的密度ρ_bo：${\rho }_{\mathrm{bo}}=\frac{(P_{\mathrm{bo}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{bo}}+273.15)}$$R=\frac{R_M}{M}$式中，对于空气其M值为28.98kg/kmol；R_M为8314J/(kmol·K)；出口流量Q_Nbo的单位为Nm³/h；Q_bo的单位为m³/s；ρ_bo的单位为kg/m³；(3)单位质量的焓降为：温度T下的理想气体定压摩尔热容C_p，m由下式获得：C_p，m＝a₀+a₁T+a₂T²+a₃T³式中，C_p，m的单位为kJ/(kmol·K)；T的单位为K；a₀、a₁、a₂、a₃表示理想气体定压摩尔热容的参数；则，单位质量的焓值增量Δh_bo为$\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta h}}_{\mathrm{bo}}={\int }_1^2{c}_p\mathrm{dT}=\frac{1}{M}{\int }_1^2{C}_{p,m}\mathrm{dT}\\ =\frac{1}{M}[a_0(T_{\mathrm{bo}}-T_{\mathrm{bi}})+\frac{a_1}{2}(T_{\mathrm{bo}}^2-T_{\mathrm{bi}}^2)+\frac{a_2}{3}(T_{\mathrm{bo}}^3-T_{\mathrm{bi}}^3)+\frac{a_3}{4}(T_{\mathrm{bo}}^4-T_{\mathrm{bi}}^4)]\end{array}$式中，Δh_bo的单位为kJ/kg；T_bo为鼓风机出口温度；T_bi为鼓风机进口温度；则，P₃＝Q_boρ_boΔh_bo步骤二，根据采集到的静叶开度ε_b、鼓风机出口压缩比及出口流量的测量数据，利用鼓风机的效率曲线获得鼓风机的效率η_b；步骤三，通过下述方式获得鼓风机的轴功率P₄，单位为kW：P₄＝P₃/η_b，P₄单位为kW步骤四，通过下述方式获得电动机的输出轴功率P₂，单位为kW：(1)根据采集的运行参数获得电动机的输入功率P₁，单位为kW：式中，电压输入U，单位为V；电流输入I，单位为A；为功率因数；(2)电动机的输出轴功率P₂，单位为kW：P₂＝P₁η_e式中，电动机的能效为η_e，通过电动机的效率曲线或者额定效率获得；步骤五，通过下述方式获得透平机的输出轴功率P₅，单位为kW：P₅＝P₄‑P₂步骤六，通过下述方式获得高炉炉顶煤气中各成分的焓值增量P₆，单位为kW：(1)采集数据中，透平机入口流量为Q_ti，单位为m³/s；入口压力为p_ti，单位为kPa；出口压力为p_to，单位为kPa；入口温度为T_ti，单位为K；出口温度为T_to，单位为K：标态下的流量Q_Nti，单位为Nm³/h，转换为透平机入口流量：$Q_{\mathrm{ti}}=Q_{\mathrm{Nti}}\frac{101.32(273.15+T_{\mathrm{ti}})}{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)\left(273.15\right)3600}$(2)高炉炉顶煤气中的主要成分是：CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其体积含量分别表示为x_CO(％)，入口各成分的体积，单位为m³/s：$Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{co}}_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{co}}_2};Q_{\mathrm{ti}}^{\mathrm{co}}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{\mathrm{co}};Q_{\mathrm{ti}}^{N_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{N_2};Q_{\mathrm{ti}}^{H_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{H_2};Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{CH}}_4}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{CH}}_4};Q_{\mathrm{ti}}^{o_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{o_2};$入口处各成分的密度，单位为kg/m³：${\rho }_{\mathrm{ti}}=\frac{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{ti}}+273.15)}$$R=\frac{R_M}{M}$对于CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其M值分别为：44kg/kmol，28kg/kmol，28kg/kmol，2kg/kmol，16kg/kmol，32kg/kmol；R_M为气体常数8314J/(kmol·K)；(3)各成分单位质量的焓降，单位为kJ/kg：$\begin{array}{c}\mathrm{\Delta h}={\int }_1^2{c}_p\mathrm{dT}=\frac{1}{M}{\int }_1^2{C}_{p,m}\mathrm{dT}\\ =\frac{1}{M}[a_0(T_{\mathrm{to}}-T_{\mathrm{ti}})+\frac{a_1}{2}(T_{\mathrm{to}}^2-T_{\mathrm{ti}}^2)+\frac{a_2}{3}(T_{\mathrm{to}}^3-T_{\mathrm{ti}}^3)+\frac{a_3}{4}(T_{\mathrm{to}}^4-T_{\mathrm{ti}}^4)]\end{array}$(4)各成分的焓值增量：P₆＝∑Q_tiρ_tiΔh步骤七，得到透平机的能效η_t为：${\eta }_t=\frac{P_5}{P_6};$在步骤(II)中，热风炉的能效是通过下述方式获得的：(1)热风单位质量的焓值增加为，单位为kJ/kg：$h_h=\frac{1}{M}(a_0{\mathrm{\Delta T}}_h+\frac{a_1}{2}{\mathrm{\Delta T}}_h^2+\frac{a_2}{3}{\mathrm{\Delta T}}_h^3+\frac{a_3}{4}{\mathrm{\Delta T}}_h^4)$式中，ΔT_h为热风炉进出口温差；则，增加焓值：P_h＝m_boh_h式中，m_bo为热风炉的进口质量流量；(2)高炉炉顶煤气各成分的体积，单位为m³/s：$Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{co}}_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{co}}_2};Q_{\mathrm{ti}}^{\mathrm{co}}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{\mathrm{co}};$$Q_{\mathrm{ti}}^{N_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{N_2};Q_{\mathrm{ti}}^{H_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{H_2};Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{CH}}_4}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{CH}}_4};Q_{\mathrm{ti}}^{o_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{o_2};$(3)高炉炉顶煤气各成分的密度，单位为kg/m³：${\rho }_{\mathrm{ti}}=\frac{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{ti}}+273.15)}$$R=\frac{R_M}{M}$对于CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其M值分别为：44kg/kmol，28kg/kmol，28kg/kmol，2kg/kmol，16kg/kmol，32kg/kmol；3)使用煤气单位质量的焓值计算为：$h_g=\frac{1}{M}(a_0{T}_{\mathrm{ti}}+\frac{a_1}{2}{T}_{\mathrm{ti}}^2+\frac{a_2}{3}{T}_{\mathrm{ti}}^3+\frac{a_3}{4}{T}_{\mathrm{ti}}^4)$煤气流量为Q_ti，单位为m³/s；入口压力为p_ti，单位为kPa；出口压力为p_to，单位为kPa；入口温度为T_ti，单位为K；出口温度为T_to，单位为K；煤气的焓值为P_ti＝∑Q_tiρ_tih_g热风炉的能效为：${\eta }_h=\frac{P_h}{P_{\mathrm{ti}}}.$