煤粉锅炉热效率和煤质数据实时监测方法

摘要

一种煤粉锅炉热效率和煤质数据实时监测方法，通过建立煤粉锅炉系统热效率实时监测数学模型，得到过量空气系数、燃料理论空气容积、燃烧产物理论氮气容积，烟气二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫和干烟气容积，煤炭完全燃烧理论需氧量与实际燃烧耗氧量的容积差、煤炭收到基机械未燃尽碳质量百分数、煤炭生成二氧化碳收到基碳质量百分数、煤炭生成一氧化碳收到基碳质量百分数、煤炭收到基质量百分数，碳、氢、氧、氮、硫、灰、水、烟气密度、烟气在空气预热器中流速、煤炭低位发热值、排烟热损失、化学未完全燃烧热损失、机械未完全燃烧热损失、散热热损失、灰渣物理热损失、锅炉热效率、飞灰中碳质量百分数和燃煤量。具有科学合理，监测准确等优点。

主权项

1.一种煤粉锅炉热效率和煤质数据实时监测方法，其特征是，它包括以下内容：〔1〕建立煤粉锅炉系统热效率实时监测数学模型：煤粉锅炉热效率与热损失的关系锅炉热效率η_b(％)η_b＝100-(q₂+q₃+q₄+q₅+q₆)               (1)其中，q₂、q₃、q₄、q₅、q₆分别为煤粉锅炉的排烟热损失(％)、化学未燃尽热损失(％)、机械未燃尽热损失(％)、锅炉散热损失(％)、灰渣物理热损失(％)；排烟热损失q₂(％)$q_2=100\frac{(V_{\mathrm{gy}}{c}_{\mathrm{gy}}+V_{H_{2}O}{c}_{H_{2}O})({\theta }_{\mathrm{py}}-t_0)}{Q_{\mathrm{net}}}(\%)---\left(2\right)$其中，V_gy为1kg煤炭燃烧生成的干烟气体积(Nm³/kg)，为1kg煤炭的烟气中所含水蒸气容积(Nm³/kg)，θ_py、t₀为锅炉排烟温度和空气预热器进口空气温度(℃)，c_gy、为烟气和水蒸气比热(kJ/(℃Nm³))，根据温度θ_py、t₀从物理性质参数表达式得到，Q_net为煤炭低位发热值(kJ/kg)；化学未燃尽热损失q₃(％)$q_3=V_{\mathrm{gy}}\frac{12636\mathrm{CO}}{Q_{\mathrm{net}}}---\left(8\right)$其中，CO为烟气分析一氧化碳容积百分数(％)，12636为一氧化碳的发热值(kJ/Nm³)；机械未燃尽热损失q₄(％)$q_4=\frac{33727C_{\mathrm{ar}}^u}{Q_{\mathrm{net}}}(\%)=\frac{33727C_{\mathrm{hz}}{A}_{\mathrm{ar}}}{Q_{\mathrm{net}}}(\%)---\left(9\right)$其中，33727为碳燃烧生成二氧化碳的发热值(kJ/kg)，为收到基机械未燃尽碳百分数(％)，Q_net为燃料低位发热值(kJ/kg)，A_ar为收到基灰质量百分数(％)；C_hz为灰渣含碳率；锅炉散热损失q₅(％)$q_5=q_5^e\frac{D^e}{D}---\left(10\right)$其中，为额定蒸发量下的散热损失(％)，D^e为锅炉的额定蒸发量(t/h)，D为锅炉效率测定时的实际蒸发量(t/h)；灰渣物理热损失q₆(％)$q_6=\frac{100A_{\mathrm{ar}}}{Q_{\mathrm{net}}}(\frac{{\alpha }_{\mathrm{lz}}(t_{\mathrm{lz}}-t_0)c_{\mathrm{lz}}}{100-c_{\mathrm{lz}}^c}+\frac{{\alpha }_{\mathrm{fh}}({\theta }_{\mathrm{py}}-t_0)c_{\mathrm{fh}}}{100-c_{\mathrm{fh}}^c}+\frac{{\alpha }_{\mathrm{cjh}}(t_{\mathrm{cjh}}-t_0)c_{\mathrm{cjh}}}{100-c_{\mathrm{cjh}}^c})---\left(11\right)$其中，t_lz为由炉膛排出的炉渣温度(℃)，t_cjh为由烟道排出之沉降灰温度，取为沉降灰斗上部空间的烟气温度(℃)，c_lz、c_fh、c_cjh分别为炉渣、飞灰及沉降灰的比热kJ/(kg℃)，由对应的温度计算得到；α_lz、α_fh、α_cjh分别为炉渣、飞灰及沉降灰占总灰量的份额；分别为炉渣中碳质量百分数(％)、飞灰中碳质量百分数(％)、沉降灰中碳质量百分数(％)；理论空气量每kg煤炭的理论空气容积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分别为煤炭收到基碳、氢、氧、硫的质量百分数(％)，0.0334029为每kg氧的空气标准状态容积的百分之一；烟气量燃烧产物理论氮气容积(Nm³/kg)$V_{N_2}^0=0.780{9V}^0+0.008N_{\mathrm{ar}}N{m}^3/\mathrm{kg}---\left(13\right)$其中，N_ar为煤炭收到基氮的质量百分数(％)；每kg煤炭中燃烧碳生成二氧化碳的标准状态0℃760mmHg下的容积(Nm³/kg)$V_{{\mathrm{CO}}_2}^0=\frac{3.66422446C_{\mathrm{ar}}^{{\mathrm{CO}}_2}}{100{\rho }_{{\mathrm{CO}}_2}^0}=1.8534266\frac{C_{\mathrm{ar}}^{{\mathrm{CO}}_2}}{100}N{m}^3/\mathrm{kg}---\left(15\right)$其中，为煤炭收到基生成二氧化碳的碳质量百分数(％)，二氧化碳标准状态密度为${\rho }_{{\mathrm{CO}}_2}^0=1.977\mathrm{kg}/m^3;$每kg煤炭中的碳燃烧生成一氧化碳的标准状态(0℃760mmHg)容积(Nm³/kg)$V_{\mathrm{CO}}^0=\frac{2.33211223C_{\mathrm{ar}}^{\mathrm{CO}}}{100{\rho }_{\mathrm{CO}}^0}=1.8656898\frac{C_{\mathrm{ar}}^{\mathrm{CO}}}{100}N{m}^3/\mathrm{kg}---\left(19\right)$其中，为煤炭收到基生成一氧化碳的碳质量百分数(％)，一氧化碳标准状态密度为${\rho }_{\mathrm{CO}}^0=1.25\mathrm{kg}/m^3;$每kg煤炭中的硫燃烧生成二氧化硫的标准状态容积(Nm³/kg)$V_{{\mathrm{SO}}_2}^0=\frac{1.9981S_{\mathrm{ar}}}{100{\rho }_{{\mathrm{SO}}_2}^0}=0.7832726417\frac{S_{\mathrm{ar}}}{100}N{m}^3/\mathrm{kg}---\left(22\right)$其中，S_ar为煤炭收到基硫的质量百分数(％)，二氧化硫标准状态密度为${\rho }_{{\mathrm{SO}}_2}^0=2.551\mathrm{kg}/m^3;$每kg煤炭燃烧生成的干烟气量(Nm³/kg)$V_{\mathrm{gy}}^0=V_{{\mathrm{CO}}_2}^0+V_{\mathrm{CO}}^0+V_{{\mathrm{SO}}_2}^0+V_{N_2}^0+(\alpha -1)V^{0}N{m}^3/\mathrm{kg}---\left(24\right)$燃烧生成二氧化碳的收到基碳质量百分数每Kg煤炭燃烧前后的二氧化碳物质守恒关系$\frac{{\mathrm{CO}}_{2k}\alpha V^0}{100}+V_{{\mathrm{CO}}_2}^0=\frac{{\mathrm{CO}}_2{V}_{\mathrm{gy}}^0}{100}$或者代入式(15)                        (25)$\frac{{\mathrm{CO}}_{2k}\alpha V^0}{100}+1.8534266\frac{C_{\mathrm{ar}}^{{\mathrm{CO}}_2}}{100}=\frac{{\mathrm{CO}}_2{V}_{\mathrm{gy}}^0}{100}$其中，CO_2k、CO₂分别为空气中二氧化碳气容积百分数(％)、烟气中二氧化碳气容积百分数(％)；燃烧生成一氧化碳的收到基碳质量百分数这里忽略了空气中极少量的一氧化碳，每kg煤炭燃烧前后的一氧化碳物质守恒关系$V_{\mathrm{CO}}^0=\frac{\mathrm{CO}{V}_{\mathrm{gy}}^0}{100}$或者代入式(19)                    (26)$1.8656898\frac{C_{\mathrm{ar}}^{\mathrm{CO}}}{100}=\frac{\mathrm{CO}{V}_{\mathrm{gy}}^0}{100}$其中，CO为烟气中一氧化碳气容积百分数(％)；每kg煤炭完全燃烧理论需氧量与实际燃烧耗氧量的容积差(Nm³/kg)${\mathrm{\Delta V}}_{O_2}^0=\frac{O_{\mathrm{ar}}}{100{\rho }_{O_2}^0}+0.2095V^0-\frac{({\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{SO}}_2+0.5\mathrm{CO})V_{\mathrm{gy}}^0+5.55444H_{\mathrm{ar}}}{100}---\left(31\right)$其中，O_ar为煤炭收到基氧质量百分数(％)，CO为烟气中一氧化碳气容积百分数(％)，CO₂为烟气中二氧化碳气容积百分数(％)，SO₂为烟气中二氧化硫气容积百分数(％)；每kg煤炭完全燃烧理论需氧量与实际燃烧耗氧量的容积差(Nm³/kg)还等于一氧化碳和机械未燃尽碳的燃烧需氧量，从而得到机械未燃尽碳的显函数$C_{\mathrm{ar}}^u=\frac{100{\mathrm{\Delta V}}_{O_2}^0-0.5\mathrm{CO}{V}_{\mathrm{gy}}^0}{1.8643978}---\left(33\right)$煤炭收到基碳质量百分数C_ar，碳燃烧生成二氧化碳、一氧化碳和没有燃烧部分的数量关系$C_{\mathrm{ar}}^{{\mathrm{CO}}_2}+C_{\mathrm{ar}}^{\mathrm{CO}}+C_{\mathrm{ar}}^u=C_{\mathrm{ar}}---\left(34\right)$其中，C_ar分别为煤炭收到基生成二氧化碳的碳质量百分数(％)、生成一氧化碳的碳质量百分数(％)、机械未燃尽碳质量百分数(％)、煤炭收到基碳质量百分数(％)；收到基氢和水质量百分数H_ar、W_ar，烟气中的水份，即氢的燃烧产物、煤炭中含有的水份和空气中含有的水份$\frac{H_{2}O}{100}{V}_{\mathrm{gy}}^0=0.11116039H_{\mathrm{ar}}+\frac{W_{\mathrm{ar}}}{100{\rho }_{H_{2}O}^0}+\frac{H_2{O}_k}{100}\alpha V^0$(35)$=0.11116039H_{\mathrm{ar}}+0.0124445W_{\mathrm{ar}}+\frac{H_2{O}_k}{100}\alpha V^0$其中，H₂O为烟气中水蒸气容积百分数(％)，H₂O_k为空气中水蒸气容积百分数(％)，W_ar为煤炭收到基水质量百分数(％)，H_ar为煤炭收到基氢质量百分数(％)；煤炭收到基氧质量百分数O_ar根据氧的平衡方程式得到$\frac{O_{\mathrm{ar}}}{100{\rho }_{O_2}^0}+0.2095\alpha V^0=\frac{2.66422446C_{\mathrm{ar}}^{{\mathrm{CO}}_2}}{100{\rho }_{O_2}^0}+\frac{1.33211223C_{\mathrm{ar}}^{\mathrm{CO}}}{100{\rho }_{O_2}^0}+\frac{0.9981285S_{\mathrm{ar}}}{100{\rho }_{O_2}^0}$$+\frac{7.9372953666H_{\mathrm{ar}}}{100{\rho }_{O_2}^0}+\frac{O_2{V}_{\mathrm{gy}}^0}{100}$或者$\frac{O_{\mathrm{ar}}}{100{\rho }_{O_2}^0}=\frac{2.66422446C_{\mathrm{ar}}^{{\mathrm{CO}}_2}}{100{\rho }_{O_2}^0}+\frac{1.33211223C_{\mathrm{ar}}^{\mathrm{CO}}}{100{\rho }_{O_2}^0}+\frac{0.9981285S_{\mathrm{ar}}}{100{\rho }_{O_2}^0}---\left(36\right)$$+\frac{7.9372953666H_{\mathrm{ar}}}{100{\rho }_{O_2}^0}+\frac{O_2{V}_{\mathrm{gy}}^0}{100}-0.2095\alpha V^0$或者$O_{\mathrm{ar}}=2.66422446C_{\mathrm{ar}}^{{\mathrm{CO}}_2}+1.33211223C_{\mathrm{ar}}^{\mathrm{CO}}+0.9981285S_{\mathrm{ar}}+7.9372953666H_{\mathrm{ar}}$$+{\rho }_{O_2}^0(O_2{V}_{\mathrm{gy}}^0-20.95\alpha V^0)$煤炭收到基氮质量百分数N_ar根据氮的平衡方程式得到$\frac{N_2}{100}{V}_{\mathrm{gy}}^0=0.008N_{\mathrm{ar}}+0.7809\alpha V^0-V_{{\mathrm{NO}}_x}$(37)$=0.008N_{\mathrm{ar}}+0.7809\alpha V^0-\frac{{\mu }_{{\mathrm{NO}}_x}{V}_{\mathrm{gy}}^0}{1.59\times {10}^6}$其中，为烟气中氮氧化物容积(Nm³/kg)，为烟气中氮氧化物含量(mg/Nm³)，1.59kg/Nm³为二氧化氮(NO₂)标准状态密度，仅考虑了氮氧化物中的二氧化氮；煤炭收到基硫质量百分数S_ar根据硫的平衡方程式得到$\frac{{\mathrm{SO}}_{2k}\alpha V^0}{100}+0.7832726417\frac{S_{\mathrm{ar}}}{100}=\frac{{\mathrm{SO}}_2{V}_{\mathrm{gy}}^0}{100}---\left(38\right)$其中，SO_2k为空气二氧化硫体积百分数(％)；煤炭收到基灰质量百分数A_ar由收到基定义计算A_ar＝100-(C_ar+H_ar+O_ar+N_ar+S_ar+W_ar)        (39)空气预热器阻力，通过实测烟气在空气预热器中的阻力建立锅炉燃煤量、机械未燃尽热损失与煤质数据之间的关系；烟气密度ρ_y(kg/Nm³)${\rho }_y=\frac{0.01428O_2+0.01964{\mathrm{CO}}_2+0.0082H_{2}O+0.02858O_2+0.0127N_2}{1+\frac{V_{H_{2}O}}{V_{\mathrm{gy}}^0}}+{\mu }_y---\left(40\right)$其中：μ_y为烟气含灰浓度(kg/Nm³)，为烟气的水蒸气容积(Nm³/kg)，O₂为烟气中氧气容积百分数(％)，CO₂为烟气中二氧化碳气容积百分数(％)，H₂O为烟气中水蒸气容积百分数(％)，SO₂为烟气中二氧化硫气容积百分数(％)，N₂为烟气中氮气容积百分数(％)，这些参数均由实测得到；烟气在空气预热器中的流速W(m/s)$W=\frac{B_b(1-\frac{q_4}{100})(V_{\mathrm{gy}}^0+V_{H_{2}O})(1+\frac{t_{\mathrm{kr}}}{273})}{3.6A_k}---\left(41\right)$其中，B_b为锅炉燃煤量(t/h)，q₄为机械未完全燃烧热损失(％)，t_kr为空气预热器烟气平均温度(℃)，A_k为空气预热器烟气流通断面积(m²)；烟气在空气预热器中的阻力Δh(Pa)$\mathrm{\Delta h}=\frac{0.303}{{(\lg \frac{{\mathrm{Wd}}_d}{v}-0.9)}^2}(1+\frac{11.1(a+b)}{s})\frac{l}{d_d}\frac{{\rho }_y{W}^2}{2}---\left(42\right)$其中，Δh为烟气在空气预热器中的阻力，现场实测，l为空气预热器烟气流道长度(m)，由制造厂提供，d_d为烟气在空气预热器中的流道当量直径(m)，由制造厂提供；v为烟气粘度(m²/s)，根据烟气温度由烟气特性程序计算，(a+b)为计入波纹高度的平均公差(mm)，由制造厂提供，s为空气预热器板型结构特性参数(mm)，由制造厂提供；煤炭低位发热值Q_netQ_net＝339C_ar+1105.1H_ar+108.8S_ar-108.8O_ar-25.1W_ar        (43)其中，C_ar、H_ar、S_ar、O_ar、W_ar分别为煤炭收到基成分碳、氢、硫、氧、水(％)；锅炉燃煤量B_bBbQ_netη_b＝Q_re             (44)其中，B_b为锅炉燃煤量(kg/h)；Q_re(kJ/h)为锅炉有效热量，通过实测蒸汽流量和焓、给水流量和焓、排污流量和焓计算得到；过量空气系数α$\alpha =\frac{20.95}{20.95-O_2+0.5\mathrm{CO}}---\left(45\right)$其中，O₂、CO为烟气的氧气容积百分数、烟气的一氧化碳容积百分数；飞灰中碳质量百分数$A_{\mathrm{ar}}\frac{{\alpha }_{\mathrm{lz}}{c}_{\mathrm{lz}}^c+{\alpha }_{\mathrm{fh}}{c}_{\mathrm{fh}}^c+{\alpha }_{\mathrm{cjh}}{c}_{\mathrm{cjh}}^c}{100}=C_{\mathrm{ar}}^u$或者$c_{\mathrm{fh}}^c=\frac{100C_{\mathrm{ar}}^u-A_{\mathrm{ar}}({\alpha }_{\mathrm{lz}}{c}_{\mathrm{lz}}^c+{\alpha }_{\mathrm{cjh}}{c}_{\mathrm{cjh}}^c)}{{\alpha }_{\mathrm{fh}}{A}_{\mathrm{ar}}}---\left(46\right)$其中，对于煤粉锅炉α_lz、α_fh、α_cjh分别为0.1、0.85、0.05，基本稳定，炉渣中碳质量百分数沉降灰中碳质量百分数取为定期取样化验值，由于灰渣份额较少，所以误差很少；〔2〕使用C语言程序进行原始数据的读取和数学模型的求解，其解算顺序是：根据烟气分析容积百分数CO、O₂用式(45)计算过量空气系数α，根据实际蒸发量(t/h)用式(10)计算散热热损失q₅(％)；根据能够实时检测的锅炉运行数据求解式(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)数学模型组成的方程组，得到每Kg燃料的理论空气容积V⁰(Nm³/kg)、燃烧产物理论氮气容积(Nm³/kg)、烟气的二氧化碳容积(Nm³/kg)、一氧化碳容积(Nm³/kg)、二氧化硫容积(Nm³/kg)、每kg燃料燃烧生成的干烟气容积(Nm³/kg)、每kg煤炭完全燃烧理论需氧量与实际燃烧耗氧量的容积差(Nm³/kg)、煤炭收到基机械未燃尽碳质量百分数(％)、煤炭生成二氧化碳的收到基碳质量百分数(％)、煤炭生成一氧化碳的收到基碳质量百分数(％)、煤炭收到基质量百分数碳C_ar(％)、氢H_ar(％)、氧O_ar(％)、氮N_ar(％)、硫S_ar(％)、灰A_ar(％)、水W_ar(％)、烟气密度ρ_y(kg/Nm³)、烟气在空气预热器中的流速W(m/s)、煤炭低位发热值Q_net(kJ/kg)、排烟热损失q₂(％)、化学未完全燃烧热损失q₃(％)、机械未完全燃烧热损失q₄(％)、灰渣物理热损失q₆(％)、锅炉热效率η_b(％)、飞灰中碳质量百分数(％)和燃煤量B_b(t/h)不能够实时检测的锅炉运行参数，其中，锅炉热效率η_b是锅炉最佳运行调整实时监控需要的关键参数，燃煤量B_b是锅炉运行重要的经济指标；能够实时检测的锅炉运行数据包括：烟气分析一氧化碳容积百分数CO(％)、烟气分析二氧化碳容积百分数CO₂(％)、烟气分析二氧化硫容积百分数SO₂(％)、烟气分析氮气容积百分数N₂(％)、烟气分析水蒸气容积百分数H₂O(％)、烟气分析氧气容积百分数O₂(％)、锅炉排烟温度θ_py(℃)、空气预热器进口空气温度t₀(℃)、由炉膛排出的炉渣温度t_lz(℃)、由烟道排出之沉降灰温度t_cjh(℃)、空气中水蒸气容积百分数H₂O_k(％)、烟气中氮氧化物含量(mg/Nm³)、空气二氧化硫体积百分数SO_2k(％)、烟气含灰浓度μ_y(kg/Nm³)、空气预热器烟气平均温度t_kr(℃)、实际蒸发量(t/h)、烟气在空气预热器中的阻力Δh(Pa)和锅炉有效热量Q_re(kJ/h)，烟气分析容积百分数以干烟气为基数，即CO+CO₂+SO₂+O₂+N₂=100。