一种玻璃窑烟气余热发电的余热及发电量利用的优化方法与流程

本发明涉及玻璃窑烟气余热利用技术领域，具体是一种玻璃窑烟气余热发电的余热及发电量利用的优化方法。

背景技术：

玻璃窑生产使用重油、天然气、煤气等燃料，燃料在炉内燃烧释放热量，其中玻璃液吸热占总热量35～40％；通过熔窑表面散热损失为20～25％；排烟损失为30～40％。玻璃熔窑烟气带走了大量的热量，烟气余热发电是对玻璃窑排放烟气余热回收利用的一种有效方式，不但可以提高对一次能源的回收利用率，而且还可以降低余热对环境造成的热污染。

余热发电系统的参数决定了余热利用以及发电量利用能否被最大化，因此如何获得最优的余热发电系统参数是有待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种玻璃窑烟气余热发电的余热及发电量利用的优化方法，通过该方法能够获得发电量最大化、余热利用最大化的余热发电系统参数，从而提高玻璃窑烟气的利用率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种玻璃窑烟气余热发电的余热及发电量利用的优化方法，包括以下步骤：

a、计算余热锅炉的产汽量，

a1、先进行酸露点计算，从而得到余热锅炉的排烟温度；再计算烟气各成份的热焓值数据，得到余热锅炉过热段、脱硝系统空管箱、蒸发段、省煤段、除氧蒸发段的焓温表，余热锅炉各段烟气的热焓值按公式(1)计算：

qi＝gi[∑miii+(ai-1)ica](1)

公式(1)中qi为某温度下的烟气总热焓值，gi为该温度下的烟气流量，mi为某一组份的摩尔百分比，ii为对应组分在该温度下的热焓值，ica为该温度下的空气热焓值，ai为该温度下相对余热锅炉进口的漏风率；

a2、余热锅炉各段烟气温度按如下方式确定：

过热器进口温度t1、过热器出口/蒸发器进口温度t2，蒸发器出口/省煤器进口温度t3，省煤器出口/除氧蒸发器进口温度t4、除氧蒸发器进口/排烟温度t5；

t1＝余热锅炉进口烟气温度；

通过公式q1-q2＝m·(h1-h2)(2)，计算得出烟气在t2时的热焓值，通过烟气焓温表反向求解出t2；其中q1、h1分别是过热器进口的烟气总热焓值、工质热焓值，q2、h2分别是过热器出口的烟气总热焓值、工质热焓值，m为工质流量，即余热锅炉产汽量；

t3＝汽包饱和温度+窄点温差

通过公式q3-q4＝m·(1+排污率)·(h3-h4)(3)，计算得出烟气在t4时的热焓值，通过烟气焓温表反向求解出t4；其中q3、h4分别是省煤器进口的烟气总热焓值、工质热焓值，q2、h2分别是省煤器出口的烟气总热焓值、工质热焓值；

m按公式(4)计算：

m＝(q1-q3)/(h1-h3)+排污率·(h3’-h3)，其中h3’为汽包饱和水热焓值；所述m的计算和t2的计算为循环迭代计算；

判断窄点温差是否满足要求，若满足则保留计算待用；若不满足则，则调整调整设定的汽轮机进汽压力重复步骤a2计算；

b、计算给水和蒸汽的压力损失、温度损失，

b1、管网压力损失δp按公式(5)计算，

公式(5)中为管道摩擦系数，l为管道长度，ζ为局部阻力系数，ν为介质流速，g为重力加速度；

管网温度损失和保温厚度按公式(6)、(7)计算，

公式(6)、(7)中d0为管道外径，d1为保温层外径，δ为保温厚度，γ为保温材料热导率，kr为附加热损失系数，c为介质比热容，ta和tb分别为管道起点和终点介质温度，ta为环境温度，α为保温层外表面向大气的表面传热系数；

判断压力损失、温度损失是否超出设定值，若超过则调整管网参数重复b1的计算，若没超过则进行步骤b2；

b2、计算各台余热锅炉蒸汽在汽轮机前混合蒸汽温度，

先通过计算得出混合蒸汽的热焓值，再通过水蒸气性质，求出t混；

c、计算汽轮机发电量，

汽轮机的发电功率n按公式(9)计算：

n＝ηη1η2[m进h进-(m进-m抽)-m抽h抽]/3600(9)，

公式(9)中η、η1分别为汽轮机的相对内效率、机械效率，η2为发电机效率，m进为汽轮机进汽量，h进为汽轮机进汽的热焓值，h排为汽轮机排汽热焓值，n损为功率损耗，m抽为抽汽量，，h抽为抽汽的焓值；

抽气量按公式(10)计算，

公式(10)中m抽为抽汽量，m供为要求的供热量，h抽为抽汽的焓值，h供为供热蒸汽或热水的焓值，h减为减温水的焓值；

d、判断汽轮机的发电功率是否为最大值，若是最大值，则输出余热锅炉结果参数、汽轮机结果参数、管网结果参数；若不是最大值，则调整调整设定的汽轮机进汽压力重复步骤a、b、c计算。

作为优选的，步骤c还包含计算余热发电辅机的电机运行功率，

风机的运行功率按公式计算，

水泵的运行功率按公式计算，

公式(11)、(12)中qv为体积流量，p为风机全压，ρ为流体密度，h为泵的扬程，η总、ηtm、ηg分别为泵和风机的总效率、原动机效率、传动效率；步骤d判断汽轮机的发电功率为最大值后还输出余热发电站辅助设备结果参数。

本发明的有益效果是，为了最大化利用玻璃窑烟气余热，向外提供电力，同时提供生产生活所需蒸汽或热水，本发明提出了一种系统的优化方法，不仅可以根据烟气参数、供热需求计算发电量，还可以调整蒸汽压力，得出最大化的发电量，并可以根据实际运行时烟气参数的变化，调整运行参数，为烟气参数量体裁衣，对玻璃熔窑排出的烟气参数要无条件适应，做到“有多少、吃多少”。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的优化流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种玻璃窑烟气余热发电的余热及发电量利用的优化方法，包括以下步骤：

a、通过玻璃窑烟气参数：烟气流量、温度、成份，构建余热锅炉焓温表模型，用于计算烟气余热量，结合构建的余热锅炉汽水热平衡模型，进而用于计算蒸汽产量；

在进行烟气可利用余热量和蒸汽产量计算时：

首先读取烟气流量、温度、成份作为基础数据，并根据成份计算得到的酸露点温度，从而得到排烟温度，其他的设定的条件还有设定的余热锅炉接近点温差、漏风率、脱硝系统温降(若配套有烟气脱硝系统)；

根据烟气各成份的焓值数据，计算得到余热锅炉过热段、脱硝系统空管箱(若有)、蒸发段、省煤段、除氧蒸发段的焓温表；

通过汽水热平衡模型，根据设定的蒸汽压力、温度参数，计算余热锅炉各换热段烟气与蒸汽的换热量，计算得到蒸汽产量；

b、根据实际的给水和蒸汽管网数据(管径、长度、保温厚度及性能)，构建管网温压损失模型，计算给水和蒸汽的压力损失、温度损失、流量损失；

在进行给水和蒸汽的压力损失、温度损失计算时：

首先读取给水和蒸汽参数，根据管网实际长度，保温材料性能，计算经济合理的管道规格、给水和蒸汽管网压力损失、温度损失、流量损失，从而得到汽轮机进口的蒸汽参数；

c、根据蒸汽参数、玻璃窑余热电站运行的实际数据，计算汽轮机发电功率；

在计算汽轮机发电功率时：

读取汽轮机实际进汽的压力、温度、流量，根据厂区供热需求，设定抽汽参数，计算最终汽轮机发电功率；

d、判断汽轮机的发电功率是否为最大值，若是最大值，则输出余热锅炉结果参数、汽轮机结果参数、管网结果参数；若不是最大值，则调整调整设定的汽轮机进汽压力重复步骤a、b、c计算。

在步骤a、b、c计算式、时，需按照烟气酸露点温度、余热锅炉窄点温差、余热锅炉出口蒸汽在减温前后的温度差值来构建约束条件。

计算汽轮机发电功率最大化的方式为：

给定一个汽轮机进口蒸汽压力初始值，重复所有模型计算过程，直到得到汽轮机发电功率及对应的汽轮机进口蒸汽压力值，在计算过程中必须满足各约束条件。

根据上述计算结果，计算得到余热发电主要辅机(引风机、各类泵、冷却塔等)的电机运行功率，从而确定各辅机装机功率。

为了更加清楚的说明本发明，现提供更加详细的方案：

一种玻璃窑烟气余热发电的余热及发电量利用的优化方法，包括以下步骤：

a、计算余热锅炉的产汽量，

a1、先进行酸露点计算，从而得到余热锅炉的排烟温度；再计算烟气各成份的热焓值数据，得到余热锅炉过热段、脱硝系统空管箱、蒸发段、省煤段、除氧蒸发段的焓温表，余热锅炉各段烟气的热焓值按公式(1)计算：

qi＝gi[∑miii+(ai-1)ica](1)

公式(1)中qi为某温度下的烟气总热焓值，gi为该温度下的烟气流量，mi为某一组份的摩尔百分比，ii为对应组分在该温度下的热焓值，ica为该温度下的空气热焓值，ai为该温度下相对余热锅炉进口的漏风率；

a2、余热锅炉各段烟气温度按如下方式确定：

过热器进口温度t1、过热器出口/蒸发器进口温度t2，蒸发器出口/省煤器进口温度t3，省煤器出口/除氧蒸发器进口温度t4、除氧蒸发器进口/排烟温度t5；

t1＝余热锅炉进口烟气温度；

通过公式q1-q2＝m·(h1-h2)(2)，计算得出烟气在t2时的热焓值，通过烟气焓温表反向求解出t2；其中q1、h1分别是过热器进口的烟气总热焓值、工质热焓值，q2、h2分别是过热器出口的烟气总热焓值、工质热焓值，m为工质流量，即余热锅炉产汽量；

t3＝汽包饱和温度+窄点温差

通过公式q3-q4＝m·(1+排污率)·(h3-h4)(3)，计算得出烟气在t4时的热焓值，通过烟气焓温表反向求解出t4；其中q3、h4分别是省煤器进口的烟气总热焓值、工质热焓值，q2、h2分别是省煤器出口的烟气总热焓值、工质热焓值；

m按公式(4)计算：

m＝(q1-q3)/(h1-h3)+排污率·(h3’-h3)，其中h3’为汽包饱和水热焓值；所述m的计算和t2的计算为循环迭代计算；

判断窄点温差是否满足要求，若满足则保留计算待用；若不满足则，则调整调整设定的汽轮机进汽压力重复步骤a2计算；

b、计算给水和蒸汽的压力损失、温度损失，

b1、管网压力损失δp按公式(5)计算，

公式(5)中为管道摩擦系数，l为管道长度，ζ为局部阻力系数，ν为介质流速，g为重力加速度；

管网温度损失和保温厚度按公式(6)、(7)计算，

公式(6)、(7)中d0为管道外径，d1为保温层外径，δ为保温厚度，γ为保温材料热导率，kr为附加热损失系数，c为介质比热容，ta和tb分别为管道起点和终点介质温度，ta为环境温度，α为保温层外表面向大气的表面传热系数；

判断压力损失、温度损失是否超出设定值，若超过则调整管网参数重复b1的计算，若没超过则进行步骤b2；具体为若计算结果显示压力损失过大，则可增大管径；若计算结果显示温度损失过大，则增加保温厚度或更改保温材料类型；

当有2台或以上数量余热锅炉时，还需计算各台余热锅炉压力损失和温度损失，各台余热锅炉出口蒸汽压力值的计算式为：

p1-δp1＝p2-δp2＝pi-δpi＝p进+δp’，其中p进+δp’为各台余热锅炉蒸汽混合后到汽轮机进口前的压力损失；

b2、计算各台余热锅炉蒸汽在汽轮机前混合蒸汽温度，

先通过计算得出混合蒸汽的热焓值，再通过水蒸气性质，求出t混；

c、计算汽轮机发电量，

汽轮机的发电功率n按公式(9)计算：

n＝ηη1η2[m进h进-(m进-m抽)-m抽h抽]/3600(9)，

公式(9)中η、η1分别为汽轮机的相对内效率、机械效率，η2为发电机效率，m进为汽轮机进汽量，h进为汽轮机进汽的热焓值，h排为汽轮机排汽热焓值，n损为功率损耗，m抽为抽汽量，，h抽为抽汽的焓值；

抽气量按公式(10)计算，

公式(10)中m抽为抽汽量，m供为要求的供热量，h抽为抽汽的焓值，h供为供热蒸汽或热水的焓值，h减为减温水的焓值；

电站的供热需求通常由汽轮机抽汽提供，供热通常需要的是低压饱和蒸汽或热水，抽汽通常为过热蒸汽，因此需要减温；如由过热蒸汽供热，则参考上述计算方法计算需要的过热蒸汽量，相应的减少汽轮机进汽量；蒸汽在汽轮机内做功的过程是绝热膨胀过程，h排可通过蒸汽等熵焓和排汽压力或者温度决定，汽轮机排汽温度与冷却塔的循环水温有关，最终与湿球温度有关，因此可计算得到循环水进出水温及循环水量；

本步骤步骤还包含计算余热发电辅机的电机运行功率，

风机的运行功率按公式计算，

水泵的运行功率按公式计算，

公式(11)、(12)中qv为体积流量，p为风机全压，ρ为流体密度，h为泵的扬程，η总、ηtm、ηg分别为泵和风机的总效率、原动机效率、传动效率；冷却塔的风机的风量可通过循环水量乘以汽水比确定；

d、判断汽轮机的发电功率是否为最大值，若是最大值，则输出余热锅炉结果参数：包括产汽量、蒸汽压力、窄点温差(终值)、烟气余热回收率；

汽轮机结果参数：包括发电功率、进汽温度和流量、抽汽参(流量、温度、压力)；

管网结果参数：包括管径(终值)、保温厚度(终值)、压力损失和温度损失；

余热发电站辅助设备结果参数：包括各泵与风机的电机运行功率、装机功率、余热发电站自用电量及自用电率、循环水量及水温；

若不是最大值，则调整调整设定的汽轮机进汽压力重复步骤a、b、c计算。

在上述计算过程中校核以下三个约束条件值：

余热锅炉窄点温差值不应过小，通常20～30℃为宜，若取值过小，则余热锅炉所需受热面将显著增加，不经济；若窄点温差过小，应提高蒸汽压力。

余热锅炉出口蒸汽在减温前后的温度差应趋于0值；该数据可自动计算至约束值。

除氧器除氧热量的富裕量应为正值，且稍大于0值。该数据可自动计算至约束值。

改变汽轮机进汽的蒸汽压力p进，得到一个不同的汽轮机发电功率值。可以发现，在满足上述约束条件下，存在一个压力值，其对应的发电功率值最大，此压力下，烟气余热利用率最大。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。