一種焦爐熱效率在線監測方法與流程
本發明涉及焦爐熱效率的在線監測方法，屬于軟測量領域。
背景技術：
現代焦爐是指以生產冶金焦、汽化焦等為主要目的，可以回收煉焦化學產品的水平式焦爐，其中的能源類型主要為煤氣燃燒釋放和碳化室煤隔絕空氣干餾所消耗的化學能，以及系統各部分耗散的熱能。作為一個耗能巨大的系統，其熱效率的高低直接影響能源利用率和經濟效益。
目前，焦爐煉焦系統操作人員主要依靠經驗調整焦爐系統的運行工況，在實際生產運行中，當焦爐出現運行參數、設備負荷等情況波動時，難以及時、準確地調整系統運行工況，導致焦爐熱耗增加。同時，當焦爐運行參數、設備負荷等產生影響時，實時熱效率雖然會產生瞬時波動，但并不表明焦爐系統能效發生了銳變。因此，如何真實有效反應出焦爐系統能效的變化情況，實現在線監測，指導操作人員及時、準確地調整焦爐系統的運行工況，保證焦爐系統穩定、經濟運行，是相關技術人員普遍關心的問題。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供了一種焦爐熱效率在線監測方法，該方法首先采用煤氣燃燒計算及熱平衡分析模型計算出焦爐實時熱效率，然后通過滑動平均處理，計算出系統的滑動平均熱效率，從而實現焦爐系統的熱效率在線監測。該方法可有效處理焦爐運行參數、設備負荷等因素波動對實時熱效率計算的影響，以保證輸出結果穩定可靠，具有良好的可實施性和操作性。
為達成上述目的，本發明的技術方案是：一種焦爐熱效率在線監測方法，其特征在于包括以下步驟：
步驟1：采集焦爐控制系統中的運行參數數據及檢化驗設備中的煤氣成分數據，采樣周期為T；
步驟2：判斷焦爐系統是否處于穩定運行狀態，當焦爐系統處于穩定運行狀態時，執行步驟3；否則，返回步驟1；
步驟3：設定熱效率計算的滑動平均周期為kT，存儲空間y[k-1]存儲往前(k-1)個計算周期的的滑動平均熱效率；
步驟4：根據焦爐系統的煤氣燃燒計算及熱平衡分析模型，計算第k個計算周期焦爐系統的實時熱效率ηk；
步驟5：讀取往前(k-1)個計算周期的滑動平均熱效率，計算k時刻的滑動平均熱效率ηavk；
步驟6：將ηavk及往前(k-2)個周期的滑動平均熱效率存儲到存儲空間y[k-1]中；
重復步驟1～6，進行(k+1)時刻滑動平均熱效率的計算，進行熱效率的連續在線分析。
作為本發明的技術方案，上述判斷焦爐系統是否處于穩定運行狀態判據為：
1)煙道氧含量在其歷史平均范圍內±30％波動；
2)煙道廢氣溫度在295～325℃之間波動。
作為本發明的技術方案，上述的煤氣燃燒計算及熱平衡分析基準分別為：溫度基準：0℃；質量基準：1噸濕煤。
作為本發明的技術方案，根據焦爐系統的煤氣燃燒計算及熱平衡分析模型，焦爐系統的實時熱效率ηk計算步驟如下：
1)計算每立方米煤氣燃燒所需的理論氧量
——每立方米煤氣燃燒所需的理論氧氣量，m3/m3；
——每立方米進氣煤氣中氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烯、苯、氧氣所占的體積百分數，％；
2)計算每立方米煤氣燃燒理論所需空氣量
LT——每立方米煤氣燃燒理論所需空氣量，m3/m3；
3)計算空氣過剩系數
式中：α——空氣過剩系數，一般值為1.15～1.25；
——每立方米煤氣燃燒后廢氣中氧氣、一氧化碳、二氧化碳的體積，m3/m3；
K——系數；
——為每立方米煤氣燃燒生成的二氧化碳的體積，m3/m3；
4)計算每立方米煤氣燃燒實際所需的空氣量
LP＝αLT；
LP——每立方米煤氣燃燒實際所需的空氣量，m3/m3；
5)計算廢氣中各組分體積
——每立方米煤氣燃燒后廢氣中二氧化碳、水、氮氣、氧氣的體積，m3/m3；
——每立方米煤氣燃燒后廢氣的體積，m3/m3；
6)計算每噸濕煤煉焦供給的總熱量
Qk＝QA+QB+QC；
QA＝VQg；
QB＝cgtV；
QC＝cAtLpV；
Qk——每噸濕煤煉焦供給的總熱量，物理單位為kJ/t；
QA——每噸濕煤煉焦所需煤氣的燃燒熱量，物理單位為kJ/t；
V——每噸濕煤煉焦需要燃燒的煤氣體積，物理單位為m3/t；
Qg——每立方米煤氣燃燒產生的熱量，物理單位為kJ/m3；
QB——每噸濕煤煉焦所需煤氣的焓，物理單位為kJ/t；
cg——煤氣比熱容，物理單位為kJ/(m3·℃)；
t——煤氣入爐溫度，物理單位為℃；
QC——每噸濕煤煉焦需要空氣的焓，物理單位為kJ/t；
cA——空氣比熱容，物理單位為kJ/(m3·℃)；
Lp——每立方米煤氣燃燒需要的空氣，m3/m3；
7)計算每噸濕煤煉焦產生廢氣帶走熱量
Q0k＝VWcWtW；
Q0k——每噸濕煤煉焦所產生廢氣的焓，物理單位為kJ/t；
VW——每噸濕煤煉焦所產生廢氣量，物理單位為m3/t；
cW——廢氣比熱容，物理單位為kJ/(m3·℃)；
tW——廢氣溫度，物理單位為℃；
8)焦爐實時熱效率
ηk——焦爐實時熱效率，％。
作為本發明的技術方案，讀取往前(k-1)個計算周期的滑動平均熱效率，計算k時刻的滑動平均熱效率ηavk：
作為本發明的技術方案，將ηavk及往前(k-2)個周期的滑動平均熱效率存儲到存儲空間y[k-1]中。
重復上述步驟，進行(k+1)時刻滑動平均熱效率的計算，進行熱效率的連續在線分析。
本發明的優點在于：
作為一種軟測量方法，焦爐熱效率的測算過程中所需的參數均可從DCS(或SIS)系統的實時數據庫中直接讀取，現場不需要額外增加分析或測量儀表等昂貴的輔助設備。并可集成在已有的DCS(或SIS)系統中，成本低，具有良好的可實施性和操作性。
本方法可有效處理焦爐運行參數、設備負荷等因素波動對實時熱效率計算的影響，輸出結果穩定可靠，具有良好的可實施性和操作性。。
附圖說明
圖1是一種焦爐熱效率在線監測方法流程圖；
圖2是實施本發明提供方法的系統結構圖。
具體實施方式
以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。應強調的是，下述說明僅僅是示例性質的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
本發明首先采用煤氣燃燒計算及熱平衡分析模型計算出焦爐實時熱效率，然后通過滑動平均處理，計算出系統的滑動平均熱效率，從而實現焦爐系統的熱效率在線監測。
圖2是實施本發明提供方法的系統結構圖。如圖2所示，在實施本發明之前，先要搭建硬件系統。配置一臺安全隔離網關，用于采集焦爐系統DCS系統數據，并與DCS系統進行安全隔離；一臺IO服務器用于采集實時數據；一臺應用服務器用于運行計算程序；一臺WEB服務器用于向企業內網發布計算展示畫面及報表；一臺工作站用于實時監視。
參見圖1和圖2，本發明一種焦爐熱效率在線監測方法，包括以下步驟：
步驟1：采集焦爐控制系統中的運行參數數據及檢化驗設備中的煤氣成分數據，采樣周期為T。
步驟2：判斷焦爐系統是否處于穩定運行狀態，當煙道氧含量在其歷史平均范圍內±30％波動，且煙道廢氣溫度在295～325℃之間波動時，執行步驟3；否則，返回步驟1。
步驟3：設定熱效率計算的滑動平均周期為kT，存儲空間y[k-1]存儲往前(k-1)個計算周期的的滑動平均熱效率。
步驟4：根據焦爐系統的煤氣燃燒計算及熱平衡分析模型，第k個計算周期焦爐系統的實時熱效率ηk計算步驟如下：
1)計算每立方米煤氣燃燒所需的理論氧量
——每立方米煤氣燃燒所需的理論氧氣量，m3/m3；
——每立方米進氣煤氣中氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烯、苯、氧氣所占的體積百分數，％；
2)計算每立方米煤氣燃燒理論所需空氣量
LT——每立方米煤氣燃燒理論所需空氣量，m3/m3；
3)計算空氣過剩系數
式中：α——空氣過剩系數，一般值為1.15～1.25；
——每立方米煤氣燃燒后廢氣中氧氣、一氧化碳、二氧化碳的體積，m3/m3；
K——系數；
——為每立方米煤氣燃燒生成的二氧化碳的體積，m3/m3；
4)計算每立方米煤氣燃燒實際所需的空氣量
LP＝αLT；
LP——每立方米煤氣燃燒實際所需的空氣量，m3/m3；
5)計算廢氣中各組分體積
——每立方米煤氣燃燒后廢氣中二氧化碳、水、氮氣、氧氣的體積，m3/m3；
——每立方米煤氣燃燒后廢氣的體積，m3/m3；
6)計算每噸濕煤煉焦供給的總熱量
Qk＝QA+QB+QC；
QA＝VQg；
QB＝cgtV；
QC＝cAtLpV；
Qk——每噸濕煤煉焦供給的總熱量，物理單位為kJ/t；
QA——每噸濕煤煉焦所需煤氣的燃燒熱量，物理單位為kJ/t；
V——每噸濕煤煉焦需要燃燒的煤氣體積，物理單位為m3/t；
Qg——每立方米煤氣燃燒產生的熱量，物理單位為kJ/m3；
QB——每噸濕煤煉焦所需煤氣的焓，物理單位為kJ/t；
cg——煤氣比熱容，物理單位為kJ/(m3·℃)；
t——煤氣入爐溫度，物理單位為℃；
QC——每噸濕煤煉焦需要空氣的焓，物理單位為kJ/t；
cA——空氣比熱容，物理單位為kJ/(m3·℃)；
Lp——每立方米煤氣燃燒需要的空氣，m3/m3；
7)計算每噸濕煤煉焦產生廢氣帶走熱量
Q0k＝VWcWtW；
Q0k——每噸濕煤煉焦所產生廢氣的焓，物理單位為kJ/t；
VW——每噸濕煤煉焦所產生廢氣量，物理單位為m3/t；
cW——廢氣比熱容，物理單位為kJ/(m3·℃)；
tW——廢氣溫度，物理單位為℃；
8)計算焦爐實時熱效率
ηk——焦爐實時熱效率，％。
步驟5：讀取往前(k-1)個計算周期的滑動平均熱效率，計算k時刻的滑動平均熱效率：
步驟6：將ηavk及往前(k-2)個周期的滑動平均熱效率存儲到存儲空間y[k-1]中。
重復步驟1～6，進行(k+1)時刻滑動平均熱效率的計算，進行熱效率的連續在線分析。
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