专利名称：确定煤泥流化床锅炉给料系统中煤泥管道输送浓度的方法
技术领域：
本发明属于控制技术领域，涉及一种确定煤泥流化床锅炉给料系统中煤泥管道输 送浓度的方法。该方法综合考虑煤泥管道输送过程中能耗以及煤泥锅炉燃烧过程因水分含 量造成的能耗，是在建模的基础上，确定基于能耗最小化的煤泥最佳含水量。
背景技术：
煤泥发电是解决煤泥、煤矸石资源化利用问题的最有效途径，要达到此目的，首先 要解决低热值锅炉燃烧技术。为此国家自“六五”至“九五”历时二十余载投入了大量资金 和人力，其中在低热值燃料燃烧技术及其相应的循环流化床锅炉等方面已取得了突破性的 进展。循环流化床锅炉燃料适应性广，表现在不仅能烧无烟煤、烟煤、贫煤，还可以烧煤矸石 和煤泥，甚至同一台锅炉可以掺烧不同的煤质的燃料。尽管煤泥燃烧技术已日趋成熟，部分 煤泥电站也已经使用燃烧煤泥用于发电，并产生了很好的经济效益，但煤泥的燃用问题并 没有真正得到解决，煤泥燃烧技术没能得到全面推广应用。其主要技术难题是即如何将含 水量为25 35%的煤泥直接输送到煤泥电厂的锅炉中进行多点给料燃烧(一般要求距离 为几百米、高度为几十米)，并能根据炉膛温度自动闭环控制洗煤泥的流量，在此过程中除 保证环保要求外，还要兼顾安全可靠、经济适用等要求。煤泥发电需要解决的一个重要问题就是燃料的输送问题，传统的做法是在距离洗 煤厂较近的地方建立煤泥电厂。煤泥堆放位置距离电厂较近，便于煤泥的输送。传统的煤 泥输送方式是采用皮带机进行露天输送，该方法由于其输送距离近、不环保、设备投资高、 运行与维护困难而影响了煤泥发电技术的应用。新一代的煤泥输送技术采用管道泵送技术 进行输送。该技术将煤泥做成浆态进行管道输送。由于煤泥的流变特性具有典型非牛顿流 体的特性，为了实现远距离，一般采用压力在4Mpa以上甚至20Mpa以上的高压泵进行输送。 采用这种办法，煤泥不仅可以通过管道进行输送，而且还可以输送200米以上甚至1000米 左右的距离。另外，管道输送煤泥解决了煤泥露天输送过程的污染问题，是一种新型有前途 的输送方式。管道煤泥输送方法虽解决了煤泥作为燃料进行较远距离的输送问题，但是其输送 过程能量耗费也相对较大。煤泥中水分含量对煤泥输送过程能耗有较大影响。煤泥含水量 太低，煤泥输送过程的能耗相当巨大，需要采用压力很大的泵进行输送。一来泵的价格非常 昂贵，二来运行费用很高。煤泥中含水量太高，煤泥输送过程能耗大大降低，但是过多的水 分影响煤泥的发热量，过多的水分带走大量的热量导致锅炉的燃烧效率大大降低，造成巨 大的能量损失。可以看出，煤泥输送过程中必然有一个最佳含水量。在该含水量情况下，煤 泥的泵送能耗与锅炉燃烧热损失之和最小。
发明内容
本发明的目的就是提供一种确定煤泥流化床锅炉给料系统中煤泥管道输送浓度 的方法。
本发明方法根据煤泥发热量、煤泥浓度对流化床锅炉效率的影响、以及煤泥湿法 管道输送的管径和长度等特征，建立煤泥输送能耗模型、煤泥燃烧热损失模型，以及一个综 合考虑煤泥泵送能耗与煤泥燃烧热损失的综合最小目标函数，通过非线性优化求解，得到 该条件下煤泥的最佳输送浓度。本发明方法的具体步骤如下步骤(1).建立煤泥管道输送压力损失与功耗模型；Wsj = QsA P/PeAP=VPh+pgH
r一 ι4Ζ 0 4 丄 1+3 λ/8ΚλWPh = — MSW =——μ{——-)(—)
η D w D 4η D其中Wsj为实际功耗、Qs为煤泥的体积流量、Pe为有效功率系数、Δ P为煤泥管道总 的压降损失、VPh为煤泥管道水平压降损失、P为煤泥密度、H为煤泥输送垂直高度、L为 水平输送距离、D为管道直径、μ为煤泥的表观粘度、Sw为剪切速率、V为煤泥流速、η'为 修正幂定律指数。步骤(2).建立煤泥含水量、剪切速率与煤泥表观粘度之间的关系模型，具体方法 是制备含水量为分别为26 %、28 %、30 %、32 %、34 %、36 %的煤泥样本，采用流变仪对各 种含水量的煤泥样本在不同剪切速率下的粘度进行测试，剪切速率选择在5 50s—1内平均 分布的5 8个点，然后通过拟合得到煤泥含水量在26 %、28 %、30 %、32 %、34%、36 %时， 粘度随着剪切速率变化的函数；在此基础上，通过曲线拟合与差值计算方法，得到在剪切速 率5 50s—1之间、煤泥含水量在24 50%之间任意输入的煤泥粘度。步骤(3).计算修正幂定律指数η‘，具体方法是制作含水量为28%、30%、32%、 34%、36 %的煤泥样本5份，进行煤泥湿法管道输送中试试验，根据煤泥管道输送压差、煤 泥流速和管道直径之间的关系，通过拟合得到修正幂定律指数η'，并得到煤泥剪切速率与 流速之间的关系。步骤(4).制备干煤泥样本，测试干煤泥的分析基成分以及煤泥分析基低位发热量。步骤(5).建立锅炉负荷平衡能量方程以及锅炉效率方程模型首先根据能量平 衡与煤泥含水量与热值的关系，建立蒸汽负荷与煤泥流量之间的关系QzqIzq = QhlQnet, arl η gll = Qh2Qnet, ar2 η gl2Qzq 表示蒸汽质量流量、Izq 表示蒸汽相对焓 值、ngll和ngl2分别表示不同工况的锅炉效率，通过锅炉效率计算值得到、Qhl和Qh2分别表 示不同工况的煤泥质量流量、Qnet,arl和Qnrt,分别表示不同工况的低位发热量。则QzqIzq = Qsl P !Qnet, arl η gll = Qs2 P 2Qnet, ar2 η gl2锅炉效率性能计算采用反平衡法，锅炉热效率表示为Tjgl =l00-q2-qi-q^-q5其中q2为排烟热损失、q3取0. 2 0. 4、q4为固体不完全燃烧热损失、q5为散热损 失；
Γ nh+i0^—Whoη Λα 、q2 =~-------(IOOi4)其中Iytl为烟气的焓值、α air为过量空气系数、Iktl为排烟中空气的焓值、Ifh为飞灰的焓值、Ikl为冷空气的焓值、Qr表示煤泥发热量； 32866·Μ. , aih'C,=Qr ioo-C/ WO-Ck
其中αfh为飞灰份额、α1ζ为灰渣份额、Cfh为飞灰含碳量、Clz为炉渣含碳量
cIs = KpDe Dk
其中、.为散热损失系数>De为锅炉的额定蒸发量、Dre为锅炉的实际蒸发量；煤泥的发热量采用弹筒量热计进行测量，根据弹筒量热计测试结果进行修正得 到；干煤泥的高位发热量Qgr, ad为QgUd = Qb,ad"(94. lSt,ad+aXQb,ad)其中 Qb, ad 表示分析煤样的弹筒发热量、St, ad 表 示由弹筒洗液测得的煤的硫含量、a表示硝酸校正系数；干煤泥的的低位发热量Qnrt, ad为Qnet, ad = Qgr, ad-0. 206Had-0. 023Mad其中Had表示分析煤样氢含量、Mad表示分析煤样水分含量。通过测试得到分析基的弹筒发热量，然后再次进行换算，得到收到基的发热量。 即Qgr, ar = Qgr, adX (IOO-Mar)/(IOO-Mad)Qnet, ar = Qgrj ar-0. 206Har-0. 023MarQgr, ar 表示收到基高位发热量、Qnet, ar 表示收到基 低位发热量、Mm表示收到基煤泥含水量；通过以上关系式，计算出煤泥含水量发生变化后 煤泥的热值。煤泥在水分含量增加后，密度也会变化，根据下式计算煤泥密度的变化。 「_71 p = pxm-Madx)+ IOmMacn-Mad2)
(IOO-Marf2)P工和P 2为不同工况下的煤泥密度，Madl和Mad2为不同工况下的煤泥含水量。步骤(6).建立优化目标函数，对步骤1到步骤5建立的模型进行优化计算。经济 目标表示为 min(Qh' · Pmn' +Wsj .Pd)其中Pmn'为折算后干煤泥的价格，Qh'为折算后干煤泥的质量流量，折算方程为Qh (100-MJQh为煤泥质量流量、Pd为用电价格；总的优化命题包括经济目标以及步骤1 5建立的模型，并满足25% 彡 Mad 彡 45%,0 ^V P 彡 25MPa、50 彡 L 彡 1500步骤(J).将煤泥热值参数、流变参数、管道输送参数带入步骤6中的总优化命题， 采用非线性序列二次规划算法对该命题进行优化求解，得到使得优化目标函数最小时的煤 泥最佳含水量，从而得到最佳煤泥输送浓度。本发明根据煤泥流化床锅炉给料特征，分别建立了煤泥管道湿法输送压损与功耗 模型，锅炉负荷与煤泥热量能量平衡方程模型、锅炉效率与煤泥含水量关系模型等，并提出 了一种综合考虑煤泥输送功耗、煤泥原材料损失成本最小的优化目标。在此基础上，建立了 总的优化命题。通过非线性序列二次规划算法进行优化求解得到最佳煤泥输送浓度。本发明既可以用于煤泥流化床给料系统的运行优化，又可以用于煤泥流化床给料系统设计过程 的设计优化与设备选型，具有重要的现实意义与应用价值。
图1为煤泥输送距离与最佳含水量变化曲线；图2为最佳含水量变化后对应的最低综合成本变化图。
具体实施例方式一种确定煤泥流化床锅炉给料系统中煤泥管道输送浓度的方法，具体步骤如下步骤1.建立煤泥管道输送压力损失与功耗模型；煤泥在管道湿法输送过程中呈 现典型的非牛顿流体特征，剪切应力Tw与剪切速率Sw满足
_ dV _ ^Tw= Z^mj
Φ(1)
dV其中V为煤泥流速、γ表示速度梯度，μ为表观粘度。
ay当煤泥浓度较高时，煤泥的流变特性符合屈服_假塑性流体特点，其幂定律本构 方程描述为Wks:(2)其中τ ^表示屈服剪切应力，k表示幂定律系数，η表示幂定律指数。对于非线性
流体管道输送系统，煤泥平均流速V通过体积流量Qs求出 _ AQF = (3)D表示管道直径。流体在管壁处剪切应力τ w为τ,爷(4)并且管道内壁处流体的剪切速率与流速存在的关系由Robinnomwitsh和Mmooney 的一般方程确定
Γ π ο ,1 + 3/7' 8F,斤、5m, = (―)(5)
4n D其中η'表示修正幂定律指数η =-^--(6)
d\nW!DDAPh/4L对应8V/D的对数曲线的斜率η‘是非固定的，需要通过实验拟合获得， 由于试验数据的偶然误差，用式(6)求取η'会存在较大误差，因此将式(7)积分有^tL = K\—)n'(7)
4LDV 7为了得到比较准确的修正幂定律指数η'，采用多组实验数据对式(7)进行线性 最小二乘法拟合回归，这样就得到了比较准确修正幂定律指数η'的值，并建立了压差、流速、剪切速率之间关系。可求得对应各种流速的Sw。由于
权利要求
确定煤泥流化床锅炉给料系统中煤泥管道输送浓度的方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤(1).建立煤泥管道输送压力损失与功耗模型Wsj＝QsΔP/PeΔP＝▽PH+ρgH <mrow><mo>▿</mo><msub> <mi>P</mi> <mi>H</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>4</mn><mi>L</mi> </mrow> <mi>D</mi></mfrac><mi>μ</mi><msub> <mi>S</mi> <mi>w</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>4</mn><mi>L</mi> </mrow> <mi>D</mi></mfrac><mi>μ</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mn>3</mn> <msup><mi>n</mi><mo>′</mo> </msup></mrow><mrow> <mn>4</mn> <msup><mi>n</mi><mo>′</mo> </msup></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mn>8</mn> <mi>V</mi></mrow><mi>D</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中Wsj为实际功耗、Qs为煤泥的体积流量、Pe为有效功率系数、ΔP为煤泥管道总的压降损失、▽PH为煤泥管道水平压降损失、ρ为煤泥密度、H为煤泥输送垂直高度、L为水平输送距离、D为管道直径、μ为煤泥的表观粘度、Sw为剪切速率、V为煤泥流速、n′为修正幂定律指数；步骤(2).建立煤泥含水量、剪切速率与煤泥表观粘度之间的关系模型，具体方法是制备含水量为分别为26％、28％、30％、32％、34％、36％的煤泥样本，采用流变仪对各种含水量的煤泥样本在不同剪切速率下的粘度进行测试，剪切速率选择在5～50s 1内平均分布的5～8个点，然后通过拟合得到煤泥含水量在26％、28％、30％、32％、34％、36％时，粘度随着剪切速率变化的函数；在此基础上，通过曲线拟合与差值计算方法，得到在剪切速率5～50s 1之间、煤泥含水量在24～50％之间任意输入的煤泥粘度；步骤(3).计算修正幂定律指数n′，具体方法是制作含水量为28％、30％、32％、34％、36％的煤泥样本5份，进行煤泥湿法管道输送中试试验，根据煤泥管道输送压差、煤泥流速和管道直径之间的关系，通过拟合得到修正幂定律指数n′，并得到煤泥剪切速率与流速之间的关系；步骤(4).制备干煤泥样本，测试干煤泥的分析基成分以及煤泥分析基低位发热量；步骤(5).建立锅炉负荷平衡能量方程以及锅炉效率方程模型首先根据能量平衡与煤泥含水量与热值的关系，建立蒸汽负荷与煤泥流量之间的关系QzqIzq＝Qh1Qnet，ar1ηgl1＝Qh2Qnet，ar2ηgl2Qzq表示蒸汽质量流量、Izq表示蒸汽相对焓值、ηgl1和ηgl2分别表示不同工况的锅炉效率，Qh1和Qh2分别表示不同工况的煤泥质量流量、Qnet，ar1和Qnet，ar2分别表示不同工况的低位发热量；则QzqIzq＝Qs1ρ1Qnet，ar1ηgl1＝Qs2ρ2Qnet，ar2ηgl2锅炉效率性能计算采用反平衡法，锅炉热效率ηgl表示为ηgl＝100 q2 q3 q4 q5其中q2为排烟热损失、q3取0.2～0.4、q4为固体不完全燃烧热损失、q5为散热损失； <mrow><msub> <mi>q</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>y</mi><mn>0</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>α</mi><mi>air</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><msub> <mi>I</mi> <mrow><mi>k</mi><mn>0</mn> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>fh</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>α</mi> <mi>air</mi></msub><mo>·</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>kl</mi></msub> </mrow> <msub><mi>Q</mi><mi>r</mi> </msub></mfrac><mo>·</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>100</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>q</mi><mn>4</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中Iy0为烟气的焓值、αair为过量空气系数、Ik0为排烟中空气的焓值、Ifh为飞灰的焓值、Ikl为冷空气的焓值、Qr表示煤泥发热量； <mrow><msub> <mi>q</mi> <mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>32866</mn><mo>·</mo><msub> <mi>M</mi> <mi>a</mi></msub> </mrow> <msub><mi>Q</mi><mi>r</mi> </msub></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>α</mi><mi>fh</mi> </msub> <mo>·</mo> <msub><mi>c</mi><mi>fh</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>100</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>c</mi><mi>fh</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>α</mi><mi>lz</mi> </msub> <mo>·</mo> <msub><mi>c</mi><mi>lz</mi> </msub></mrow><mrow> <mn>100</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>c</mi><mi>lz</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中αfh为飞灰份额、αlz为灰渣份额、cfh为飞灰含碳量、clz为炉渣含碳量； <mrow><msub> <mi>q</mi> <mn>5</mn></msub><mo>=</mo><msub> <mi>k</mi> <mrow><mi>q</mi><mn>5</mn> </mrow></msub><mo>·</mo><mfrac> <msub><mi>D</mi><mi>e</mi> </msub> <msub><mi>D</mi><mi>re</mi> </msub></mfrac> </mrow>其中kq5为散热损失系数、De为锅炉的额定蒸发量、Dre为锅炉的实际蒸发量；煤泥的发热量采用弹筒量热计进行测量，根据弹筒量热计测试结果进行修正得到；干煤泥的高位发热量Qar，ad为Qgr，ad＝Qb，ad (94.1St，ad+a×Qb，ad)其中Qb，ad表示分析煤样的弹筒发热量、St，ad表示由弹筒洗液测得的煤的硫含量、a表示硝酸校正系数；干煤泥的的低位发热量Qnet，ad为Qnet，ad＝Qgr，ad 0.206Had 0.023Mad其中Had表示分析煤样氢含量、Mad表示分析煤样水分含量；通过测试得到分析基的弹筒发热量，然后再次进行换算，得到收到基的发热量；即Qgr，ar＝Qgr，ad×(100 Mar)/(100 Mad)Qnet，ar＝Qgr，ar 0.206Har 0.023MarQgr，ar表示收到基高位发热量、Qnet，ar表示收到基低位发热量、Mar表示收到基煤泥含水量；通过以上关系式，计算出煤泥含水量发生变化后煤泥的热值；煤泥在水分含量增加后，密度也会变化，根据下式计算煤泥密度的变化； <mrow><msub> <mi>ρ</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>ρ</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>100</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>M</mi><mrow> <mi>ad</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1000</mn><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>M</mi><mrow> <mi>ad</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>M</mi><mrow> <mi>ad</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>(</mo><mn>100</mn><mo>-</mo><msub> <mi>M</mi> <mrow><mi>ad</mi><mn>2</mn> </mrow></msub><mo>)</mo> </mrow></mfrac> </mrow>ρ1和ρ2为不同工况下的煤泥密度，Mad1和Mad2为不同工况下的煤泥含水量；步骤(6).建立优化目标函数，对步骤1到步骤5建立的模型进行优化计算；经济目标表示为min(Qh′·Pmn′+Wsj·Pd)其中Pmn′为折算后干煤泥的价格，Qh′为折算后干煤泥的质量流量，折算方程为 <mrow><msubsup> <mi>Q</mi> <mi>h</mi> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>Q</mi> <mi>h</mi></msub><mfrac> <mrow><mo>(</mo><mn>100</mn><mo>-</mo><msub> <mi>M</mi> <mi>ad</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mo>(</mo><mn>100</mn><mo>-</mo><msub> <mi>M</mi> <mi>ar</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mfrac> </mrow>Qh为煤泥质量流量、Pd为用电价格；总的优化命题包括经济目标以及步骤1～5建立的模型，并满足25％≤Mad≤45％、0≤▽P≤25MPa、50≤L≤1500步骤(7).将煤泥热值参数、流变参数、管道输送参数带入步骤6中的总优化命题，采用非线性序列二次规划算法对该命题进行优化求解，得到使得优化目标函数最小时的煤泥最佳含水量，从而得到最佳煤泥输送浓度。
全文摘要
本发明涉及确定煤泥流化床锅炉给料系统中煤泥管道输送浓度的方法。本发明方法根据煤泥流化床锅炉给料特征，分别建立了煤泥管道湿法输送压损与功耗模型，锅炉负荷与煤泥热量能量平衡方程模型、锅炉效率与煤泥含水量关系模型等，并提出了一种综合考虑煤泥输送功耗、煤泥原材料损失成本最小的优化目标。在此基础上，建立了总的优化命题。通过非线性序列二次规划算法进行优化求解得到最佳煤泥输送浓度。本发明既可以用于煤泥流化床给料系统的运行优化，又可以用于煤泥流化床给料系统设计过程的设计优化与设备选型，具有重要的现实意义与应用价值。
文档编号G06F17/50GK101944138SQ20101015172
公开日2011年1月12日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者张日东, 江爱朋, 范家峰, 邵兵, 陈红 申请人:杭州电子科技大学