基于燃烧系统运行参数的煤气热值软测量方法与流程

本发明是涉及燃烧设备节能技术领域，具体的说是基于燃烧系统运行参数的煤气热值软测量方法。

背景技术：

钢铁企业在冶炼过程中产生了大量的副产煤气，包括高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气等，上述副产煤气是钢厂最重要的气体燃料，其高效利用是钢厂降本增效、提高市场竞争力的重要途径。

目前，钢厂主要通过煤气锅炉、轧钢加热炉、高炉热风炉、钢包烘烤器等设备来消化副产煤气。对于这些燃烧设备，燃料热值是其燃烧调整的重要依据，也是设备热效率的重要输入参数，燃料热值的变化与波动会对设备的安全和经济运行产生很大影响。然而，由于条件所限，目前大多数钢铁企业都未给燃烧设备配置煤气热值在线测量装置，钢厂基本上仍然是以人工输入定期化验分析值作为当前的煤气热值。而实际上，受上游冶炼工序等因素的影响，煤气的成分和热值很难保持稳定，经常处于波动状态，人工输入的定期化验值很可能会大大偏离当前真实值，这就会在很大程度上干扰运行人员的操作判断，影响燃烧设备的优化运行。

需要一种基于燃烧系统运行参数的煤气热值软测量方法，通过燃烧设备的运行参数辨识出煤气热值，结果可用于指导燃烧设备的燃烧优化调整，为燃烧设备的安全和经济运行提供依据，以解决目前大多数钢铁厂燃烧设备均未配置煤气热值在线分析仪给运行带来的不便和困难。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的不足，提供基于燃烧系统运行参数的煤气热值软测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于燃烧系统运行参数的煤气热值软测量方法，其特征在于：通过获取燃烧系统运行参数，并对运行参数进行处理，求解得到煤气热值，其具体步骤如下：

步骤1，获取燃烧系统运行参数的实时数据；

步骤2，对步骤1获得的数据进行预处理，得到用于求解煤气热值的有效数据；

步骤3，根据步骤2获得的有效数据，求解煤气热值，具体包括以下步骤：

步骤3.1，计算干空气流量和干煤气流量；

步骤3.2，假定一个初始的煤气干基热值

步骤3.3，通过假定的煤气干基热值计算每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量和每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量

步骤3.4，通过理论干空气量和理论干烟气量计算燃料特性因子χ；

步骤3.5，通过燃料特性因子计算过量空气系数a；

步骤3.6，计算煤气干基热值qd；

步骤3.7，将qd与的差值的绝对值与设定的误差限值ε进行比较：

当大于设定值ε时，返回步骤3.2，执行步骤3.2至步骤3.7，当小于或等于设定值ε时，输出煤气干基热值qd。

所述的步骤3.3的具体计算步骤如下：

步骤3.3.1，通过第一计算公式计算每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量所述第一计算公式为：

其中，为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量，nm³/nm³；为假定的煤气干基热值，kj/nm³；a1、b1为理论干空气量计算系数；

步骤3.3.2，通过第二计算公式计算每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，所述第二计算公式为：

其中，为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，nm³/nm³；为假定的煤气干基热值，kj/nm³；a2、b2为理论干烟气量计算系数。

所述的步骤3.4中燃料特性因子χ通过第三计算公式计算，所述的第三计算公式为：

其中，χ为燃料特性因子；为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，nm³/nm³；为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量，nm³/nm³。

当所述的步骤1中采集的运行参数包括烟气含氧量时，所述的步骤3.5中通过第四计算公式计算过量空气系数，所述第四计算公式为：

其中，α为过量空气系数；χ为燃料特性因子；φ′(o2)为烟气含氧量，％。

当所述的步骤1中采集的运行参数包括烟气含氧量和烟气中co含量时，所述的烟气含氧量和烟气中co含量为同一测点位置的干烟气成分，则步骤3.5中过量空气系数计算公式为：

其中，α为过量空气系数；x为燃料特性因子；φ′(o2)、φ′(co)分别为烟气含氧量和烟气中co含量，％。

所述的步骤1中采集的运行参数还包括助燃空气流量、助燃空气温度、当地大气压力、助燃空气压力、煤气温度、煤气压力和煤气流量，所述的步骤3.1中干空气流量和干煤气流量可通过如下计算得到：

通过第五计算公式计算标准状态下的干空气流量vgk，所述第五计算公式为：

其中，vgk为标准状态下的干空气流量，nm³/h；vk为助燃空气流量，m3/h；dk为空气绝对湿度，kg/kg(干空气)；tk为助燃空气温度，℃；pa为当地大气压力，pa；pk为助燃空气压力，pa；

通过第六计算公式计算得到干煤气流量bg，所述第六计算公式为：

其中，bg为标准状态下的干煤气流量，nm³/h；tg为煤气温度，℃；pa为当地大气压力，pa；pg为煤气压力(表压)，pa；为实测的煤气流量，m³/h；dg为煤气含湿量，kg/nm³(干煤气)。

所述的步骤1中采集的运行参数还包括环境温度、大气相对湿度，所述的空气绝对湿度和煤气含湿量可分别通过煤气压力和煤气温度、当地大气压力和环境温度及大气相对湿度计算得到：

通过第七计算公式计算空气绝对湿度dk，所述第七计算公式为：

其中，dk为空气绝对湿度，kg/kg(干空气)；pa为当地大气压力，pa；φ为大气相对湿度，％；ps为环境温度t0下的水蒸气饱和压力，pa，可通过环境温度t0求解得到；

通过第八计算公式计算煤气含湿量dg，所述第八计算公式为：

其中，dg为煤气含湿量，kg/nm³(干煤气)；pa为当地大气压力，pa；pg为煤气压力(表压)，pa；p′s为煤气温度tg下的饱和水蒸气分压力，pa，可通过煤气温度tg求解得到。

所述的步骤3.7中煤气热值qd通过第九计算公式计算得出，所述第九计算公式为：

其中，qd为煤气干基热值计算值，kj/nm³；vgk为标准状态下的干空气流量，nm³/h；α为过量空气系数；δα为漏风系数，为综合炉膛漏风和烟气含氧量测点上游烟道漏风后的漏风系数，对于炉膛和烟道处于正压运行的燃烧设备取值为0，对于炉膛和烟道处于负压运行的燃烧设备则可采用设定值；bg为标准状态下的干煤气流量，nm³/h；k为折算系数。

所述的煤气干基热值为煤气干基低位热值，所述的理论干空气量计算系数、理论干烟气量计算系数和折算系数，取值如下：

当煤气为高炉煤气时，a1＝1.955×10^-4，b1＝0，a2＝1.470×10^-4，b2＝1，k＝5122；

当煤气为转炉煤气时，a1＝1.858×10^-4，b1＝0，a2＝1.449×10^-4，b2＝1，k＝5381；

当煤气为焦炉煤气时，a1＝1.107×10^-4，b1＝2.381，a2＝1.607×10^-4，b2＝1，k＝4130。

当设置有煤气加热器设备时，步骤3.1中采集到的煤气流量、煤气压力、煤气温度均为进入煤气加热器前的煤气参数。

本发明基于燃烧系统运行参数的煤气热值软测量方法的有益效果是：

第一，本发明用于煤气热值的软测量，结果可用于指导燃烧设备的燃烧优化调整，为燃烧设备的安全和经济运行提供依据，解决了目前大多数钢厂煤气燃烧系统均未配置煤气热值在线分析仪给燃烧设备运行带来的不便和困难，具有很好的工程实用价值。

第二，本发明热值测算结果具有较高的准确度和可靠性。

第三，本发明所述方法投资小，成本低，无需增加昂贵热工仪表即可实现，具有良好的可实施性。

附图说明

图1为本发明基于燃烧系统运行参数的煤气热值软测量方法的流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例中，通过假设初始的煤气干基低位热值计算得到煤气干基低位热值计算值qd，net，具体软测量方法如下：

步骤1，获取燃烧系统运行参数的实时数据；包括但不限于烟气含氧量、助燃空气流量、助燃空气温度、当地大气压力、助燃空气压力、煤气温度、煤气压力和煤气流量；

其中助燃空气流量、助燃空气温度和助燃空气压力在助燃空气管道上同一位置处测得，本实施例中采用助燃风机进口测量数据。

当设置有煤气加热器时，采集到的煤气流量、煤气压力、煤气温度均采用进入煤气加热器前的煤气参数。

步骤2，对步骤1获得的数据进行预处理，数据的预处理方式包括但不限于坏点处理和数据平滑处理，得到用于求解煤气热值的有效数据；

步骤3，根据步骤2获得的有效数据，求解煤气热值，具体包括以下步骤：

步骤3.1，计算干空气流量和干煤气流量；

1)通过第五计算公式计算标准状态下的助燃风机进口干空气流量vgk，所述第五计算公式为：

其中，vgk为标准状态下的助燃风机进口干空气流量，nm³/h；vk为实测的助燃风机进口空气流量，m³/h；dk为空气绝对湿度，kg/kg(干空气)；tk为助燃风机进口空气温度，℃；pa为当地大气压力，pa；pk为助燃风机进口空气压力，pa。

2)根据输入参数中的煤气流量和煤气含湿量dg，通过第六计算公式计算得到干煤气流量bg，所述第六计算公式为：

其中，bg为标准状态下的干煤气流量，nm³/h；tg为煤气温度，℃；pa为当地大气压力，pa；pg为煤气压力(表压)，pa；为实测的煤气流量，m³/h；dg为煤气含湿量，kg/nm³(干煤气)。

本实施例中，计算干空气流量和干煤气流量时所用的空气绝对湿度以及煤气含湿量均可采用简化的设定值，也可采用计算得到的精确值，当空气绝对湿度以及煤气含湿量通过计算得到时，具体计算步骤如下：

步骤1中采集的运行参数还包括环境温度、大气相对湿度，所述的空气绝对湿度和煤气含湿量可分别通过煤气压力和煤气温度、当地大气压力和环境温度及大气相对湿度计算得到：

通过第七计算公式计算空气绝对湿度dk，所述第七计算公式为：

其中，dk为空气绝对湿度，kg/kg(干空气)；pa为当地大气压力，pa；φ为大气相对湿度，％；ps为环境温度t0下的水蒸气饱和压力，pa，可通过环境温度t0求解得到；

通过第八计算公式计算煤气含湿量dg，所述第八计算公式为：

其中，dg为煤气含湿量，kg/nm³(干煤气)；pa为当地大气压力，pa；pg为煤气压力(表压)，pa；p′s为煤气温度tg下的饱和水蒸气分压力，pa，可通过煤气温度tg求解得到。

上述计算中，由于助燃空气流量测点设置在风机入口，因此所述环境温度和所述助燃空气温度可共用数据。

步骤3.2，假定一个初始的煤气干基低位热值

步骤3.3，通过假定一个初始的煤气干基低位热值计算每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量和每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量

1)通过第一计算公式计算每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量所述第一计算公式为：

其中，为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量，nm³/nm³(干煤气)；为假定的煤气干基低位热值，kj/nm³；

对于高炉煤气，a1＝1.955×10^-4，b1＝0；对于转炉煤气，a1＝1.858×10^-4，b1＝0；对于焦炉煤气，a1＝1.107×10^-4，b1＝2.381。

2)通过第二计算公式计算每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，所述第二计算公式为：

其中，为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，nm³/nm³(干煤气)；qd，net为干煤气低位热值，kj/nm³；

对于高炉煤气，a2＝1.470×10^-4，b2＝1；对于转炉煤气，a2＝1.449×10^-4，b2＝1；对于焦炉煤气，a2＝1.607×10^-4，b2＝1。

步骤3.4，通过理论干空气量和理论干烟气量计算燃料特性因子χ；

通过第三计算公式计算燃料特性因子χ，所述第三计算公式为：

其中，χ为燃料特性因子；为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，nm³/nm³(干煤气)；为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量，nm³/nm³(干煤气)；

步骤3.5，通过燃料特性因子计算过量空气系数α；

通过第四计算公式计算过量空气系数，所述第四计算公式为：

其中，α为过量空气系数；φ′(o2)为烟气含氧量，％。

进一步优选的，当所述运行参数还包括烟气中co含量时，所述烟气含氧量和烟气中co含量为同一测点位置的干烟气成分，此时，上述第四计算公式变更为：

其中，α为过量空气系数；φ′(o2)、φ′(co)分别为烟气含氧量和烟气中co含量；

步骤3.6，通过第九计算公式计算煤气干基低位热值qd，net，所述第九计算公式为：

其中，qd，net为煤气干基低位热值计算值，kj/nm³；vgk为标准状态下的助燃风机进口干空气流量，nm³/h；α为过量空气系数；aα为漏风系数，为综合炉膛漏风和烟气含氧量测点上游烟道漏风后的漏风系数，对于炉膛和烟道处于正压运行的燃烧设备取值为0，对于炉膛和烟道处于负压运行的燃烧设备则可采用设定值；bg为标准状态下的干煤气流量，nm³/h；k为折算系数，对于高炉煤气，k＝5122；对于转炉煤气，k＝5381；对于焦炉煤气，k＝4130。；

步骤3.7，将qd，net与的差值的绝对值与设定的误差限值ε进行比较：

当大于设定的误差限值ε时，返回步骤3.2，执行步骤3.2至步骤3.7，当小于或等于设定值ε时，输出煤气干基低位热值qd，net。

进一步的，当大于设定的误差限值ε时，将赋值给所述假定的初始煤气干基低位热值再次执行步骤3.2至步骤3.7，直至小于或等于设定的误差限值ε。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。