煤氣鍋爐效率在線計算模型研究

葉亞蘭

（江蘇海事職業技術學院 輪機工程系，南京210070）

鋼鐵企業在冶煉過程中產生了大量的副產煤氣，作為煤氣資源回收與利用的煤氣鍋爐發電機組在鋼鐵企業得到了大量應用。

近年來，隨著鋼鐵企業節能降耗工作的積極開展，以及電廠在計算機熱工控制、實時數據處理和管理系統等方面的不斷改進和完善，煤氣鍋爐發電機組運行性能的實時監測得到了推廣和應用。作為衡量機組運行經濟性的重要指標，煤氣鍋爐熱效率的在線計算也成為相關技術人員比較關注的課題。

筆者從氣體燃燒的基本原理出發，對煤氣鍋爐效率計算方法進行分析，然后根據煤氣鍋爐發電機組的熱工儀表現有配置狀況，提出了煤氣鍋爐效率在線計算的實現方案。通過實例證明該方案可以滿足在線計算精度的要求，并滿足機組性能分析的需要，對實現煤氣鍋爐熱效率的實時監測有比較重要的實用意義。

1 煤氣的特性

鋼鐵企業副產煤氣包括高爐煤氣、焦爐煤氣以及轉爐煤氣等，表1列出了某企業各種煤氣的具體成分及熱值。

表1 煤氣各成分的體積分數及熱值

由表1可知：煤氣成分包括CO、H2、CH4等可燃氣體和CO2、N2、O2等不可燃氣體，其中焦爐煤氣以H2和CH4為主要組成成分，熱值最高；轉爐煤氣以CO、CO2、N2為主要組成成分，熱值次之；高爐煤氣以N2、CO、CO2為主要組成成分，熱值最低。

鋼鐵企業一般根據全廠煤氣平衡狀況選擇鍋爐型式和容量，有的采用全燃高爐煤氣鍋爐，有的采用混燃煤氣鍋爐。

2 煤氣鍋爐效率在線計算模型

鍋爐熱效率采用熱損失法按下式計算：

式中：η為鍋爐熱效率，%；q2為排煙熱損失，%；q3為可燃氣體未完全燃燒熱損失，%；q4為固體未完全燃燒熱損失，%；q5為鍋爐散熱損失，%；q6為灰渣物理熱損失，%。

2．1 煤氣燃燒計算

煤氣燃燒計算主要內容包括燃燒所需空氣量、燃燒產生煙氣量和煙氣焓值等。工程上進行煤氣燃燒計算時，一般以1m3干煤氣為基準，對含有1m3干煤氣及d（kg）水蒸氣的濕煤氣進行計算，這樣做的好處在于計算中所用的干煤氣成分不會隨含濕量的變化而變化。

2．1．1 理論干空氣量

根據表1的煤氣特性可知，煤氣成分可用下式表示：

式中：φ（CO）、φ（H2）、φ（O2）、φ（N2）、φ（CO2）分別為煤氣中各組分的體積分數，%；CmHn是幾種碳氫化合物的總稱，故用∑φ（CmHn）表示其總體積分數。

其中可燃成分的燃燒反應方程式如下：

根據以上反應方程式，對干空氣的體積分數按O2和N2各占21%和79%計算，則可得到煤氣燃燒所需理論干空氣量的計算公式，即

2．1．2 實際干空氣量

實際供給的干空氣量可按下式計算：

式中：Vgk為實際干空氣量，m3／m3（煤氣）；α為過量空氣系數。

煙氣中過量空氣系數由干煙氣中的氧氣分數決定，工程上一般根據GB／T 10184—1988《電站鍋爐性能試驗規程》進行計算［1］：

式中：上標′表示干煙氣中的各組分的體積分數，%。

然而，式（8）是假定燃料含N2量很少，并且理論干空氣量與理論干煙氣量很接近時（煙氣中φ（N2）接近79%）的簡化公式，對于鋼鐵企業煤氣鍋爐并不適用。副產煤氣中φ（N2）往往較高，尤其是高爐煤氣，甚至高達50%～60%，用式（8）計算α必然帶來較大誤差，此時過量空氣系數應該按照下式進行計算：

推導過程如下：

由過量空氣系數的定義可知，其值為實際空氣量與理論空氣量之比

式中：ΔVgk為過量空氣量，m3／m3（煤氣）。

因煙氣中的N2一部分由燃料帶入，另一部分由空氣帶入，可推導出實際空氣量Vgk的計算公式

式中：Vgk為實際干煙氣量，m3／m3（煤氣）。

因煙氣中的O2一部分源于過量空氣，另一部分源于不完全燃燒而少消耗的O2，可推導出過量空氣量ΔVgk的計算公式：

將式（11）和式（12）代入式（10），整理后即可得到過量空氣系數計算公式（9）。

煤氣不完全燃燒產物中，CH4和H2的含量比CO要少得多，基本上處于測量不到的水平，因此在線計算時僅將CO視為該煙氣中的不完全燃燒產物，從而使得式（9）簡化為：

2．1．3 干煙氣量及組分

煤氣完全燃燒時，干煙氣由CO2、O2和N2組成。事實上，由于煤氣鍋爐自身特性及運行操作等原因，煤氣不能完全燃燒，煙氣中常含有少量不完全燃燒產物（主要是CO），此時干煙氣成分包括CO2、CO、O2和N2。

在常規計算方法中，干煙氣體積一般由理論干煙氣量和過量空氣量計算得：

由式（14）可知，干煙氣體積計算需要先求解過量空氣系數α，而α的計算公式中又含有干煙氣體積Vgy，因此必須經過迭代計算才能求出Vgy。

事實上，煤氣燃燒產生的實際干煙氣體積可根據煤氣成分和煙氣成分按下式計算：

推導過程如下：

煤氣不完全燃燒時，實際干煙氣體積分數為：

由C元素的質量平衡可得：

式中：VCO2、VCO為1m3煤氣燃燒產生的CO2、CO的體積，m3／m3（煤氣）。

故有

式（18）經整理后即可得到干煙氣量計算式（15）。

由式（15）可見：采用此方法計算煤氣鍋爐的干煙氣量非常方便，無須迭代計算，根據煤氣和煙氣成分數據就可準確計算出干煙氣量。

2．1．4 煙氣中水蒸氣量

煙氣中水蒸氣包括煤氣中氫的燃燒產生的水蒸氣、隨煤氣帶入的水分以及隨空氣帶入的水蒸氣三部分，可按下式計算：

式中：VH2O為煙氣中所含水蒸氣容積，m3／m3（煤氣）；dp為煤氣含濕量，kg／m3（煤氣）；dk為空氣的絕對濕度，kg／kg（干空氣）。

2．2 輸入熱量Qr

輸入熱量Qr為：

式中：tr為煤氣溫度，℃；t0為基準溫度（一般采用送風機入口空氣溫度），℃；cr為煤氣在t0至tr溫度間的平均比定壓熱容，kJ／（m3·K），可根據煤氣成分進行加權平均計算求得。

2．3 各項熱損失

2．3．1 排煙熱損失q2

排煙熱損失q2是煤氣鍋爐最主要的熱損失，可按下式計算：

式中：q2為排煙熱損失，%；Qgy2為干煙氣帶走的熱量，kJ／m3（煤氣）；QH2O2為煙氣所含水蒸氣的顯熱，kJ／m3（煤氣）。

煙氣中干煙氣和水蒸氣帶走的熱量分別為：

式中：θpy為排煙溫度，℃；cp，gy為干煙氣在t0至θpy溫度間的平均比定壓熱容，kJ／（m3·K），可根據煙氣成分進行加權平均計算求得；cp，H2O為水蒸氣在t0至θpy溫度間的平均比定壓熱容，kJ／（m3·K）。

2．3．2 化學不完全燃燒熱損失q3

鍋爐尾部煙氣中殘留少量CO等可燃氣體，由此造成的化學不完全燃燒熱損失損q3為：

忽略H2和CH4組分，則式（25）簡化為：

2．3．3 散熱損失q5

散熱損失一般都不大，可按下式進行計算：

式中：De為鍋爐額定負荷下的蒸發量，t／h；D 為鍋爐實際蒸發量，t／h；q5e為鍋爐額定負荷下的散熱損失，%。

2．3．4 其他熱損失

對于煤氣鍋爐，不存在機械不完全燃燒熱損失q4和灰渣物理熱損失q6，因此這兩項損失均為0。

2．4 煤氣鍋爐效率在線計算實現方案

綜合前兩節的分析，結合目前煤氣鍋爐熱工儀表配置情況，煤氣鍋爐熱效率計算模型需要的輸入變量以及在線計算對應的實現方法如下：

（2）空氣參數，包括送風機入口空氣溫度ta和空氣絕對濕度dk。

ta取DCS實時采集數據；dk可按季節選取：冬季取0．002g／kg，夏季取0．02g／kg，春季與秋季取0．01g／kg［2］。

（3）煙氣參數，包括排煙溫度θpy和煙氣成分數據。

作為鍋爐運行經濟性的重要監視參數，θpy是鍋爐熱工檢測中必不可少的項目，可將空氣預熱器出口處的排煙溫度實時監測數據用于排煙熱損失的在線計算。

煙氣成分包含O2、CO、CO2和N2，其中φ（O2）可取空氣預熱器出口處的煙氣含氧體積分數實時監測數據，而其余三個參數：φ′（O2）、φ′（CO2）和φ′（N2）則一直是煤氣鍋爐煙氣量實時計算的一道難題。近年來，隨著尾部煙道φ′（CO）在線監測在鋼鐵企業煤氣鍋爐中的廣泛應用，煙氣成分的實時計算具備了現實條件。

先根據煤氣成分按下式計算出燃料特性系數β：

然后根據燃料特性系數β和煙氣中φ（CO）按下式計算出煙氣中φ′（CO2）：

而在得到煙氣中φ′（O2）、φ′（CO2）和φ′（CO）后，便可按下式計算出φ′（N2）：

（4）蒸汽參數，包括鍋爐蒸發量。

鍋爐蒸發量可取用DCS中的實時監測數據。

3 計算實例及分析

某鋼鐵企業自備電廠建有一臺220t／h自然循環煤氣鍋爐，采用高壓參數，過熱蒸汽溫度540℃，過熱蒸汽壓力9．81MPa。該鍋爐純燃高爐煤氣，采用旋流式燃燒器，前后墻對沖燃燒方式。

將在線計算模型應用于該鍋爐的實時效率計算中，并通過現場實測數據進行對比驗證，計算過程和結果匯總于表2。

表2 鍋爐效率計算結果

表2 （續）

由結果一可見：在測試工況下，煤氣鍋爐效率在線計算模型所得結果的誤差僅為0．18%，說明該模型是合理有效的，能夠滿足在線計算精度的要求。

為便于分析在線模型的誤差來源，將實際燃料特性數據代入在線模型進行計算（見表中結果二）。由結果可見：

（1）去除煤氣特性取值帶來的誤差后，該模型的誤差減小為0．08%，說明煤氣成分的波動是影響該模型計算精確性的重要因素，在線計算用樣本與實際工況的偏差是效率計算的主要誤差來源。

4 結語

鍋爐效率的在線計算是機組性能實時監測的一項重要內容。本文提出的鍋爐效率在線計算方法，適用于煤氣鍋爐，能夠較為準確地對煤氣鍋爐的熱效率進行在線監測，為鍋爐的優化運行提供依據。

需要說明的是，本文所述方法的計算準確程度與熱工測量精度密切相關，同時要求煤氣成分及特性相對穩定，這樣的計算結果才能較為真實地反映鍋爐的運行狀況。

［1］國家標準化管理委員會．GB／T 10184—1988電站鍋爐性能試驗規程［S］．北京：中國標準出版社，1988．

［2］張小桃，王培紅 ．一種新的鍋爐效率的計算模型［J］．電站系統工程，1999，15（4）：16－17，24．