[发明专利]基于循环流化床锅炉工作特性在线节能监测方法

权利要求书

1.一种基于循环流化床锅炉工作特性在线节能监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、采集实时监测数据进行粗大误差剔除处理

从循环流化床锅炉sis系统中实时获取各监测测量数据包括入炉煤速率，排烟处氧量，一二次风比例和烟气侧、蒸汽侧参数，确定每个数据的偏差量ΔZ和偏差量的方差δ，用3δ准则确定比例带范围，从而判别粗大误差进行剔除；

(2)、建立循环流化床锅炉整体数学模型，用建立的循环流化床整体数学模型计算运行参数应达值，运行参数包括炉膛内温度参数，炉膛尾部烟道各受热面进出口温度参数，炉膛内压力参数；

模型计算时输入初始数据包括实时监测数据以及煤质信息，灰库信息，炉膛结构参数；先计算流体动力学模型，即求解物料平衡、焦炭颗粒质量守恒、气体质量守恒三组方程式，求解每组方程都需要用到一组假设值作为迭代计算的设定值，物料平衡计算时假设每个小室不同粒径档不同年龄档物料颗粒的质量分数，向上、向下的物料流率以及返料流率；气固两相满足平衡后计算小室的能量平衡，尾部对流受热面能量平衡，判别尾部烟道中温度分布是否收敛，当温度相对误差满足设定值时得出炉膛小室温度和尾部烟道各受热面进出口温度值，求解平衡的过程中需要求解小室能量守恒和尾部烟道各受热面能量守恒方程式，求解每组方程用到一组假设值作为迭代计算的设定值，尾部烟道各受热面能量守恒计算时假设每个受热面进出口温度值采用实时监测数据烟气侧参数作为假设值；最后计算系统能量平衡，判别炉膛小室的温度是否满足相对误差设定值，满足时输出所有计算的结果；

具体如下：

2.1、本次建立的机理模型为一维小室模型，沿气固的主要流动方向将循环流化床燃烧系统划分为一系列的小室；

2.2、先求解小室的物料平衡，再计算小室的能量平衡；

2.2.1、建立每个小室的物料平衡方程，求解每个小室不同档粒度颗粒，不同年龄档颗粒的流率以及每个小室向下的流率和循环流率：

第i小室，第j粒径档，第k年龄档的物料平衡满足如下方程式：

W_fa,i,j,k+W_cir,i,j,k-W_b,i,j,k+W_b,i-1,j,k-W_e,i,j,k+W_e,i+1,j,k+R_shift,i,j,k+m_tk-1→tk-m_tk→tk+1＝0…………(1)，

式(1)中，W_fa,i,j,k为输入第i小室第j粒径档的物料流率，包括灰颗粒流率和石灰石颗粒流率，W_fa,i,j,k＝AMIN_jWFA_i；

W_cir,i,j,k为循环回第i小室第j粒径档第k年龄档的物料流率，

W_cir,i,j,k＝BED_navrBED_nzze,j,kWRA_i；

W_b,i,j,k为从第i小室到第i+1小室第j粒径档第k年龄档返混的物料流率，

W_b,i,j,k＝BED_b,iBED_i,j,k；

W_b,i-1,j,k为从第i-1小室到第i小室第j粒径档第k年龄档返混的物料流率，

W_b,i-1,j,k＝BED_b,i-1BED_i-1,j,k；

W_e,i,j,k为从第i小室到第i-1小室第j粒径档第k年龄档扬析的物料流率，

W_e,i,j,k＝W_e,iBED_i,j,kSEG_i,j；

W_e,i+1,j,k为从第i+1小室到第i小室第j粒径档第k年龄档扬析的物料流率，

W_e,i+1,j,k＝W_e,i+1BED_i+1,j,kSEG_i+1,j；

R_shift,i,j,k为由于磨耗引起的大颗粒变成第j粒径档颗粒增加的物料流率，

R_shift,i,j,k＝AAA_j+1BBB_j+1,kHUPALL_iBED_i,j+1,k；

m_tk-1→tk为由第k-1年龄档变成第k年龄档增加的物料流率，

m_tk-1→tk＝HUPALL_i*BED_i,j,k/DDT；

m_tk→tk+1为由第k年龄档变成第k+1年龄档减少的物料流率，

m_tk→tk+1＝HUPALL_i*BED_i,j,k/DDT；

上式中，AMIN_j为第j粒径档输入的物料流率，由入炉煤速率和煤质信息、石灰石粒度分布信息求得；WFA_i为物料分配到第i小室的比例系数；WRA_i为循环物料分配到第i小室的比例系数，分配原则为物料入口、回料口分别至炉膛底部的空间中均匀分配；BED_navr为物料循环流率，为待求值；BED_nzze,j,k为分离器小室第j粒径档第k年龄档物料颗粒的质量分数，为待求值；BED_i,j,k为第i小室第j粒径档第k年龄档物料颗粒的质量分数，为待求值；BED_b,i为第i小室向下的物料流率，为待求值；W_e,i为第i小室向上的物料流率，由i小室的空隙率和i小室的气体流速求得，i小室的气体流速可由气体状态方程求得，i小室的空隙率由每个小室不同粒径档不同年龄档物料颗粒的质量分数，向下流率及返料流率的设定值与每个小室物料量初值迭代求得；SEG_i,j为第i小室第j粒径档的物料颗粒分层系数，由每个小室不同粒径档不同年龄档物料颗粒的质量分数和小室的气体流速求得；AAA_j+1为第j+1粒径档物料颗粒的粒度衰减速率，由粒径中径计算可得；BBB_j+1,k为第j+1粒径档第k年龄档物料颗粒的磨耗速率系数，由i小室气体流速，第j+1粒径档颗粒最小流化风速，第j+1粒径档物料颗粒磨耗速率常数及颗粒间年龄间隔时长计算可得；HUPALL_i为第i小室的物料量，由计算得到的i小室的空隙率计算可得；DDT为物料年龄档的时间间隔,为已知量；

联立n个小室的物料平衡方程式，将每个小室每个粒径档每个年龄档颗粒的质量分数，向上、向下流率及返料流率的假设值作为设定值带入迭代求解这组非线性方程得出方程组的根，在每个小室中，每个粒径档和年龄档的物料颗粒的质量分数之和为1；

2.2.2、第i小室，第j粒径档，第k年龄档焦炭颗粒质量守衡满足如下方程式：

W_fc,i,j,k+W_cir,i,j,k+W_e,i+1,j,k-W_e,i,j,k+W_b,i-1,j,k-W_b,i,j,k-R_C,i,j,k+m_shift,i,j,k+m_tk-1→tk-m_tk→tk+1＝0………(3)，

式(2)中，W_fc,i,j,k为输入第i小室第j粒径档的焦炭颗粒流率，

W_fc,i,j,k＝WFA_iCMIN_j；

W_cir,i,j,k为循环回第i小室第j粒径档第k年龄档的焦炭颗粒流率，

W_cir,i,j,k＝WDN_nzze,j,kXCH_nzze,j,kWRA_i；

W_e,i+1,j,k为从第i+1小室到第i小室第j粒径档第k年龄档的焦炭颗粒流率，

W_e,i+1,j,k＝WUP_i+1,j,kXCH_i+1,j,k；

W_e,i,j,k为从第i小室到第i-1小室第j粒径档第k年龄档的焦炭颗粒流率，

W_e,i,j,k＝WUP_i,j,kXCH_i,j,k；

W_b,i-1,j,k为从第i-1小室到第i小室第j粒径档第k年龄档的焦炭颗粒流率，

W_b,i-1,j,k＝WDN_i-1,j,kXCH_i-1,j,k；

W_b,i,j,k为从第i小室到第i-1小室第j粒径档第k年龄档的焦炭颗粒流率，

W_b,i,j,k＝WDN_i,j,kXCH_i,j,k；

R_C,i,j,k为由于燃烧引起的第j粒径档焦炭颗粒减少的流率，

R_C,i,j,k＝72*XKO_i,j,kHUPALL_i*WDN_i,j,k/WDOWN*XCH_i,j,k/DENCHAR/DSP_j*XCH_jpos；

m_shift,i,j,k为由于磨耗引起的大颗粒变成第j粒径档焦炭颗粒的流率，

m_shift,i,j,k＝AAA_j+1BBB_j+1HUPALL_i*WDN_i,j+1,k/WDOWN*XCH_i,j+1,k；

m_tk-1→tk为由第k-1年龄档变成第k年龄档增加的焦炭颗粒流率，

m_tk-1→tk＝HUPALL_i*WDN_i,j,k-1/WDOWN*XCH_i,j,k-1/DDT；

m_tk→tk+1为由第k年龄档变成第k+1年龄档减少的焦炭颗粒流率，

m_tk→tk+1＝HUPALL_i*WDN_i,j,k/WDOWN*XCH_i,j,k/DDT；

其中，CMIN_j为输入的第j粒径档焦炭颗粒流率，由入炉煤速率和煤质信息求得；WFA_i、WRA_i为分配比例系数，在求小室物料平衡时已经求得；WDN_nzze,j,k为分离器小室第j粒径档第k年龄档物料的返料流率，

WDN_nzze,j,k＝BED_navrBED_nzze,j,k，BED_navr循环流率，BED_nzze,j,k分离器小室第j粒径档第k年龄档物料颗粒的质量分数已经由物料平衡求得；WUP_i,j,k为第i小室第j粒径档第k年龄档物料颗粒向上的流率已经由物料平衡求得；WDN_i,j,k为第i小室第j粒径档第k年龄档物料颗粒向下的流率已经由物料平衡求得；XCH_nzze,j,k为分离器小室第j粒径档第k年龄档焦炭的质量分数，为待求值；XCH_i,j,k为第i小室第j粒径档第k年龄档焦炭的质量分数，为待求值；XKO_i,j,k为第i小室第j粒径档第k年龄档焦炭反应速率常数，WDOWN为第i小室向下的物料流率已经由物料平衡求得；DSP_j为第j粒径档颗粒的中径，为已知量；DENCHAR为一常量；XCH_jpos为分离器小室最大粒径档、最大年龄档焦炭的质量分数，为待求值；BBB_j+1为第j+1粒径档物料颗粒的磨耗速率系数，由小室的气体流速，第j+1粒径档颗粒最小流化风速及第j+1粒径档物料颗粒磨耗速率常数可得；

假设每个小室、每个粒径档、每个年龄档焦炭的质量分数，将它们作为求解n个小室联立的焦炭颗粒质量守恒非线性方程组的设定值，通过迭代求解得出方程组的根；

2.2.3、经过焦炭燃烧和挥发分气体析出反应后生成的烟气成分有O₂，SO₂，CO₂，H₂0，N₂，CO；挥发分产物有CO，CO₂，CH₄，SO₂，H₂，N₂；

第i小室内烟气各成分的质量守恒满足如下方程式：

O₂：

SO₂：

CO₂：

H₂O：

N₂：

CO：R_hf,i,co-C_i,coA_iU_g,i+C_i+1,coA_i+1U_g,i+1+R_oi,co-R_i,co＝0………………(9)

其中，G_se,i为输入第i小室的空气摩尔流率；

G_se,i*0.21表示输入第i小室的氧气摩尔流率，由入炉煤速率和煤质信息求得；

为第i小室O₂的气体浓度，为待求值；为第i小室SO₂的气体浓度，为待求值；为第i小室CO₂的气体浓度，为待求值；为第i小室H₂O的气体的浓度，为待求值；为第i小室N₂的气体浓度，为待求值；C_i,co为第i小室CO的气体的浓度，为待求值；

A_i为第i小室的截面积，为已知量；A_i+1为第i+1小室的截面积，为已知量；

U_g,i为第i小室的气体流速已经在计算小室的物料平衡时求得；U_g,i+1为第i+1小室的气体流速已经在计算小室的物料平衡时求得；

为输入第i小室的挥发分中SO₂的摩尔流率，为输入第i小室的挥发分中CO₂的摩尔流率，为输入第i小室水分的摩尔流率，为输入第i小室的挥发分中N₂的摩尔流率，R_hf,i,co为输入第i小室的挥发分中CO的摩尔流率，R_hf,i,co＝R0_i,coFF_i；R0_i,co为输入炉膛第i小室的挥发分各产物摩尔流率；为输入炉膛第i小室水分的摩尔流率，可由入炉煤速率和煤值信息求得；FF_i为挥发分各产物分配到第i小室的比例系数；为第i小室消耗的O₂摩尔流率，

其中，0.5RCO_i为第i小室焦炭燃烧生成一氧化碳消耗的氧气摩尔流率，RCO_2i为第i小室焦炭燃烧生成二氧化碳消耗的氧气摩尔流率，RSINOR_i为第i小室硫元素燃烧生成二氧化硫消耗的氧气摩尔流率，RCOO_i为第i小室焦炭燃烧生成的一氧化碳二次燃烧生成二氧化碳消耗的氧气摩尔流率，0.5R_i,co为第i小室挥发分中一氧化碳燃烧生成二氧化碳消耗的氧气摩尔流率，0.5RS_i为第i小室脱硫反应消耗的氧气摩尔流率，为第i小室挥发分中氢气燃烧生成水消耗的氧气摩尔流率，为第i小室甲烷燃烧生成二氧化碳和水消耗的氧气摩尔流率；

为第i小室消耗的SO₂摩尔流率，表示第i小室脱硫反应消耗的二氧化硫摩尔流率；R_i,co为第i小室消耗的CO摩尔流率，R_i,co＝RCOO_i表示第i小室焦炭燃烧生成一氧化碳二次燃烧生成二氧化碳消耗的一氧化碳摩尔流率；为第i小室生成的SO₂摩尔流率，表示第i小室硫元素燃烧生成二氧化硫的摩尔流率；为第i小室生成的CO₂摩尔流率，表示第i小室焦炭燃烧生成二氧化碳的摩尔流率；为第i小室生成水的摩尔流率，表示第i小室甲烷和氢气燃烧生成水的摩尔流率；R_oi,co为第i小室生成的CO摩尔流率，R_oi,co＝RCO_i为第i小室焦炭燃烧生成一氧化碳的摩尔流率；

假设每个小室不同烟气成分的气体摩尔浓度值作为n个小室联立的气体质量守恒方程组的设定值，通过迭代求解得出方程组的根；

2.2.4、由建立的小室物料平衡，小室焦炭质量守恒，小室气体质量守恒方程式，求解出每个小室不同粒径档年龄档灰、石灰石颗粒的质量分数，每个小室向上、向下的流率，返料流率，每个小室不同粒径档年龄档焦炭的质量分数，每个小室中烟气成分的气体摩尔浓度，利用它们求解每个小室的能量平衡；

第i小室内气、固两相流体能量守恒满足如下方程式：

H_in,gas,i+H_in,solid,i-H_out,gas,i-H_out,solid,i+Q_rea-Q_abs＝0…………………(10)

式(9)中，H_in,gas,i为输入第i小室气体带入的能量，H_in,gas,i＝H_kq,i+H_hf,i，其中H_kq,i为输入第i小室空气带入的能量，为氧气的比焓，为氮气的比焓，G_se,i空气摩尔流率已经在小室气体质量守恒时求得；

，挥发分中各气体产物和水分的摩尔流率已经在小室气体质量守恒时求得；H_co为一氧化碳的比焓，为甲烷的比焓，为氢气的比焓，为二氧化碳的比焓，为氮气的比焓，为二氧化硫的比焓，为水分的比焓；

H_in,solid,i为输入第i小室固体带入的能量，

H_in,solid,i＝H_ashW_ash,i+H_limW_lim,i+H_carbonW_carbon,i+H_e,i+1W_e,i+1+H_b,i-1W_b,i-1+H_cir,nzzeW_cir,i，

其中，H_ash为输入炉膛灰的焓值，W_ash,i为输入第i小室灰的流率，

W_ash,i＝ASH_TOTAL*WFA_i，式中ASH_TOTAL为入炉灰总流率，由入炉煤速率和灰分含量求得，WFA_i为物料的分配系数已经在小室的物料平衡时求得；H_lim为输入炉膛石灰石的焓值，W_lim,i为输入第i小室石灰石的流率，W_lim,i＝Flim*WFA_i，式中Flim为入炉石灰石总流率，由入炉煤速率、硫元素含量和钙硫摩尔比求得；H_carbon为输入炉膛焦炭的焓值，W_carbon,i为输入第i小室焦炭的流率，

W_carbon,i＝CHAR_TOTAL*WFA_i，式中CHAR_TOTAL为入炉焦炭总流率，由入炉煤速率和焦炭含量求得；H_e,i+1W_e,i+1为第i+1小室颗粒向上流入第i小室带入的能量，它由三部分组成：灰颗粒流率带入的能量：H_e,ash,i+1W_e,ash,i+1，石灰石颗粒带入的能量：H_e,lim,i+1W_e,lim,i+1，焦炭颗粒带入的能量：H_e,carbon,i+1W_e,carbon,i+1；H_b,i-1W_b,i-1为第i-1小室颗粒向下流入第i小室带入的能量，它由三部分组成：灰颗粒流率带入的能量：H_b,ash,i-1W_b,ash,i-1，石灰石颗粒带入的能量：H_b,lim,i-1W_b,lim,i-1，焦炭颗粒带入的能量：H_b,carbon,i-1W_b,carbon,i-1；H_cir,nzzeW_cir,i为分离器小室循环回到第i小室带入的能量，它由三部分组成：灰颗粒循环带入的能量：H_cir,ash,nzzeW_cir,ash,nzzeWRA_i，WRA_i为循环物料的分配系数已经在求解物料平衡时求得，石灰石颗粒循环带入的能量：H_cir,lim,nzzeW_cir,lim,nzzeWRA_i，焦炭颗粒循环带入的能量：

H_{cir,carbon,nzze}W_{cir,carbon,nzze}WRA_i，上述式子中所有的比焓是关于颗粒所在小室温度的变量；

H_out,gas,i为输出第i小室气体带出的能量，包括氧气带出的能量：二氧化硫带出的能量：二氧化碳带出的能量：水分带出的能量：氮气带出的能量：一氧化碳带出的能量：H_co,iC_i,coA_iU_i，上述式子中所有的比焓是关于气体所在小室温度的变量；

H_out,solid,i为输出第i小室固体带出的能量：H_out,solid,i＝H_e,iW_e,i+H_b,iW_b,i，H_e,iW_e,i为第i小室颗粒向上流到第i-1小室带出的能量，它由三部分组成：灰颗粒流率带出的能量：H_e,ash,iW_e,ash,i，石灰石颗粒带出的能量：H_e,lim,iW_e,lim,i，焦炭颗粒带出的能量：H_e,carbon,iW_e,carbon,i；H_b,iW_b,i为第i小室颗粒向下流到第i+1小室带出的能量，它由三部分组成：灰颗粒流率带出的能量：H_b,ash,iW_b,ash,i，石灰石颗粒带出的能量：H_b,lim,iW_b,lim,i，焦炭颗粒带出的能量：H_b,carbon,iW_b,carbon,i；

Q_rea为第i小室内化学反应放出的能量，包括焦炭燃烧释放的热量、煤中硫元素燃烧释放的热量和挥发分气体燃烧释放的热量；

Q_abs为第i小室内的换热量，Q_abs＝EHEVAP0+ESH2+ERH2+ESH3,其中，ESH2+ESH3表示为过热器的吸热量，ERH2表示为再热器的吸热量，EHEVAP0表示为水冷壁的吸热量；

在上述式子中用到的物料颗粒向上，向下，返料流率、焦炭颗粒向上，向下，返料流率及小室内生成的各气体产物的浓度可由小室物料平衡，焦炭质量守恒，气体质量守恒方程计算结果求得，假设每个小室温度值作为迭代计算的设定值，带入n个小室联立的能量平衡方程组求出方程组的根得到炉膛内各小室的温度值；

2.2.5、尾部烟道中各对流受热面能量守恒满足如下方程式

Q_rp＝Q_xr＝Q_ch………………………………………………(11)

上式表示在受热面换热过程中满足换热器内工质吸收的热量等于烟气流经该受热面被冷却放出的热量等于按传热公式计算的对流受热面的传热量；其中，Q_rp＝I′-I″，表示烟气放热量，I′为受热面入口烟气的焓值，I′＝U_nzzeA_nzzeC_nzze,jH_i-1,j，U_nzze为分离器小室出口烟气流速，已经在计算小室气体质量守恒时求得，A_nzze为分离器小室出口的横截面积，C_nzze,j为分离器小室内烟气中某种气体成分的浓度，已经在计算小室气体质量守恒时求得，H_i-1,j为前一个受热面出口烟气中某种气体成分的比焓，焓关于小室温度的变量；I″为受热面出口烟气的焓值，I″＝U_nzzeA_nzzeC_nzze,jH_i,j，H_i,j为该受热面出口烟气中某种气体成分的比焓；

Q_xr＝D(i″-i′)，表示受热面中工质吸收的热量，D表示受热工质的流量，i″表示受热面出口工质的焓值，i′表示受热面入口工质的焓值，工质侧的焓值可由模型计算输入参数蒸汽侧温度，压力值带入焓值计算公式求得；

Q_ch＝KFΔT，表示由传热计算公式计算的传热量，K为传热系数，F为换热器的受热面积，ΔT为传热温差，换热器的受热面积为已知量，传热系数和传热温差计算中用到小室温度值为待求值；

假设一组锅炉尾部烟道内各对流受热面进出口烟气温度参数作为k个受热面联立的能量守恒方程式迭代设定值，本模型用采集的实时监测烟气侧参数值作为设定值，满足三式相等即可求出锅炉尾部烟道内各受热面进出口烟气温度值；

(3)循环流化床锅炉在线节能监测

依据整体数学模型计算得到的不同部位监测变量应达值，即炉膛温度值、炉膛压力值、尾部烟道中各受热面进出口温度值调用到界面显示，也把sis系统中采集的相同部位实际测量值从数据库调用到界面显示，比较实际测量值和监测变量应达值的偏差，通过比较偏差的大小，判别机组运行是否处于经济状态，实现在线节能监测，了解同等运行条件下机组理想参数应达值，对比实际参数值了解运行状态，同时可以监测锅炉机组不同部位性能。