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一种液体、气体 燃料燃烧完全度和燃气流量的确定方法

阅读：109发布：2023-01-25

专利汇可以提供一种液体、气体燃料燃烧完全度和燃气流量的确定方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种液体、气体燃料燃烧过程中燃烧完全度和燃气流量的确定方法，步骤为：在燃料输送管道、空气管道和烟气管道上分别设置三测点，并安装常规的测量装置或取样装置；分别测量测点1的燃料成分和流量；测点2的空气成分；测点3的燃气成分；将三测点的测量数据输入计算单元；根据空气、燃料和燃气的成分以及燃料流量Mburn，计算空气流量Mair、燃气流量Mgas和燃烧完全度ηB。由于本发明中唯一要直接测量的是燃料流量，由于流量小，流通管径小，并有足够长的稳定流段，可用常规的流量测量方法测量。其它测量量为燃料成分、空气成分和燃气成分，可用常规测量方法和装置容易测量和分析，因此本发明解决了燃烧完全度和燃气流量的确定的难题。，下面是一种液体、气体燃料燃烧完全度和燃气流量的确定方法专利的具体信息内容。

权利要求

1、一种液体、气体燃料燃烧完全度和燃气流量的确定方法，其特征是，方法步骤如下：
1)在燃料输送管道上设置测点1，在空气管道上设置测点2，在烟气管道或燃烧室出口处上设置测点3，在三测点处安装常规在线测量装置或取样装置；
2)在测点1处用常规的在线测量装置或取样装置在线或离线测量测量燃料的成分Gburn：C、H、O、N、H2O和燃料流量Mburn；在测点2处用常规的在线测量装置或取样装置在线或离线测量测量空气成分Gair：N2、O2、H2O、 CO2；在测点3处用常规的在线测量装置或取样装置在线或离线测量燃气成分Ggas：N2、O2、H2O、CO2；
3)将三测点的测量数据输或将测点取样送入实验室进行成分分析后的各成分含量的分析结果输入计算单元；
4)根据空气、燃料和燃气的成分以及燃料流量Mburn，计算确定空气流量 Mair、燃气流量Mgas和燃烧完全度ηB，计算方法推导如下：
燃烧前后，燃烧室的输入和输出质量守恒，满足方程：
           Mgas＝Mair+Mburn              (1)
与此同时燃烧前后每一种参与燃烧过程的化学元素在数量上也不会发生变化，C、H、O、N是燃烧过程中物质的主要构成元素，其数量守恒方程如下
氮元素守恒方程：
A1·Ggas(N2)·Mgas+A2·(1-ηB)·Mburn·Gburn(N)                  (2)
＝A3·Mburn·Gburn(N)+A4·Gair(N2)·Mair
氧元素守恒：
(B1·Ggas(O2)+B2·Ggas(CO2)+B3·Ggas(H2O))·Mgas
+B4·(1-ηB)·Mburn·Gburn(O)                                    (3)
＝B5·Mburn·Gburn(O)+(B6·Gair(O2)+B7·Gair(CO2)
+B8·Gair(H2O))·Mair+B9·Mburn·Gburn(H2O)
碳元素守恒：
C1·Ggas(CO2)·Mgas+C2·(1-ηB)·Mburn·Gburn(C)                (4)
＝C3·Mburn·Gburn(C)+C4·Gair(CO2)·Mair
氢元素守恒：
D1·Ggas(H2O)·Mgas+D2·(1-ηB)·Mburn·Gbrun(H)＝              (5)
D3·Mburn·Gburn(H)+D4·Gair(H2O)·Mair+D5·Gburn(H2O)·Mburn
其中A1-4、B1-9、C1-4、D1-9为系数，取决于各组成成分的单位(质量百分比、体积百分比)和流量单位(质量流量、体积流量)；
在氮元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中氮的含量Gburn(N)、空气中氮气的含量Gair(N2)、燃气中氮气的含量Ggas(N2)；在氧元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中氧的含量Gburn(O)和水分的含量Gburn(H2O)，空气中氧气、二氧化碳和水的含量Gair(O2)、Gair(CO2)和Gair(H2O)，燃气中氧气、二氧化碳和水的含量Ggas(O2)、Ggas(CO2)和Ggas(H2O)；在碳元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中碳的含量Gburn(C)、空气中二氧化碳的含量Gair(CO2)、燃气中二氧化碳的含量Ggas(CO2)；在氢元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中氢的含量 Gburn(H)和水分的含量Gburn(H2O)，空气水分的含量Gair(H2O)，燃气中水分的含量 Ggas(H2O)，根据实际选择的成分测量方法和装置以及测量精度选取其中任何两种元素的守恒方程，与公式(1)联立求解，得出燃烧过程中输入的空气流量、输出的燃气(烟气)流量和燃烧完全度；
空气流量 $M_{air} = \frac{b_{2} \cdot c_{1} - b_{1} \cdot c_{2}}{a_{1} \cdot b_{2} - a_{2} \cdot b_{1}} - - - (6)$
燃气流量 $M_{gas} = M_{air} + M_{burn} = \frac{b_{2} \cdot c_{1} - b_{1} \cdot c_{2}}{a_{1} \cdot b_{2} - a_{2} \cdot b_{1}} + M_{burn} - - - (7)$
燃烧完全度 $η_{B} = 1 - \frac{a_{1} \cdot c_{2} - a_{2} \cdot c_{1}}{a_{1} \cdot b_{2} - a_{2} \cdot b_{1}} - - - (8)$
其中参数a1、a2、b1、b2、c1和c2跟选取的元素守恒方程有关，如选取氮元素的守恒方程(2)和碳元素的守恒方程(4)与公式(1)联立求解，且气体成分按体积百分比计算，燃料成分按质量百分比计算，流量按质量流量计算，则可得：
$a_{1} = \frac{2 \cdot G_{gas} (N_{2})}{μ_{gas}} - \frac{2 \cdot G_{air} (N_{2})}{μ_{air}}, a_{2} = \frac{G_{gas} ({CO}_{2})}{μ_{gas}} - \frac{G_{air} ({CO}_{2})}{μ_{air}}$
$b_{1} = \frac{M_{burn} \cdot G_{burn} (N)}{14}, b_{2} = \frac{M_{burn} \cdot G_{burn} (C)}{12}$
$c_{1} = (\frac{G_{burn} (N)}{14} - \frac{2 \cdot G_{gas} (N_{2})}{μ_{gas}}) \cdot M_{burn}, c_{2} = (\frac{G_{burn} (C)}{12} - \frac{G_{gas} ({CO}_{2})}{μ_{gas}}) \cdot M_{burn} .$

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种通过气体和燃料成分来确定液体或气体燃料燃烧过程中燃烧完全度和燃气流量的方法，主要用于确定燃烧过程的燃烧完全度，从而判断燃烧的状况，同时确定燃烧产生的燃气流量，此外也可以确定燃烧过程中输入的空气量，尤其适用于在空气流道、燃气流道难以安装常规流量测量装置的场合。

背景技术

燃烧在动力、化工等工业领域有着广泛的应用，一般确定燃烧状态需要确定燃烧效率、燃烧过程消耗的空气量、燃料量以及燃烧的产物：燃气和灰渣(仅固体燃料有)。通常燃料量的测量是比较容易实现的，而空气和燃气流量因为流通管径大、稳定流动管道短而难以测量。
燃烧效率的定义目前有两种：一种是扣除不完全燃烧损失；另一种是以燃气吸收的热量占燃料提供的热量的百分比。前者的精确计算需要测定各种不完全燃烧产物，这在现实中很难实现；目前电厂中燃烧好坏的判定多是通过监测燃气中的不完全燃烧产物CO的含量来确定，燃烧效率一般不直接测定。后者需要确定燃气的成分以及流量。
目前常见的气体流量测量方法主要可分为两大类：第一类是通过利用流体流过特定节流件前后的压差变化来确定流体的流量，如孔板流量计、转子流量计等；第二类是通过测量流体流过管道时，测量断面上的流速分布来确定流体的流量，如超声波流量测量方法和装置等。
第一类方法是利用流体流过节流件时压力的下降与流量之间的关系来确定流体的流量，要求节流件的大小固定，前后压力分布均匀、稳定。在实际测量中流通管径较小时，节流件前后的压力测量比较准确，使得流量测量的结果也比较准确。但在大管径的管道中，压力分布变化大，压力很难准确测量，因此第一类方法不能用于大管径的流量测量。
第二类方法是利用流过管道的流体在某一个截面上流速与截面面积的乘积来确定流量，要求选定确定的截面并在截面上布置足够的流速测点，流场的分布稳定。在实际测量中，大管径的管道的截面上速度分布容易测量，使得该类方法在大管径力量测量中具有较强的优势。但为确保流场分布的稳定，必须在流通管到上找到一段足够长、流动足够稳定的直段，在其中设置测量截面。如果不能找到这样一个流段，则该方法也无法应用。
这两类方法在不同的条件下各有优劣，只要条件适合，一般都能满足测量要求，但一些特定的工程条件下，这两种方法都无法采用，如大管径、无稳定直流段的情况，典型的工程例证是重型燃气轮机进口空气流量和出口烟气流量，由于重型燃气轮机体积庞大、结构紧凑，通流管径大，很难找到一段平稳的流动段设置常规流量测点，因而到目前为止重型燃气轮机的进口空气流量和出口燃气流量还没有较好的测量手段。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种液体或气体燃料燃烧过程中燃烧完全度和燃烧后产生的燃气流量的测量方法，它利用燃烧前后物质的主要组成元素的数量守恒来确定物质的流量，与此同时还可以确定燃烧过程中送入的空气流量。其中燃烧完全度是指燃料的可燃成分中完全燃烧的部分所占百分比。
本发明的技术方案是：一种液体、气体燃料燃烧完全度和燃气流量的确定方法，其特点是，方法步骤如下：
1)燃料输送管道上设置测点1，在空气管道上设置测点2，在烟气管道或燃烧室出口处上设置测点3，在三测点处安装常规在线测量装置或取样装置；
2)在测点1处用常规的在线测量装置或取样装置在线或离线测量测量燃料的成分Gburn：C、H、O、N、H2O(对于气体燃料需要测量各组成气体的含量)和燃料流量Mburn；在测点2处用常规的在线测量装置或取样装置在线或离线测量测量空气成分Gair：N2、O2、H2O、CO2；在测点3处用常规的在线测量装置或取样装置在线或离线测量燃气成分Ggas：N2、O2、H2O、 CO2；
3)将三测点的测量数据输或将测点取样送入实验室进行成分分析后的各成分含量的分析结果输入计算单元；
4)根据空气、燃料和燃气的成分以及燃料流量Mburn，计算确定空气流量 Mair、燃气流量Mgax和燃烧完全度ηB，计算方法推导如下：
燃烧前后，燃烧室的输入和输出质量守恒，满足方程：
                    Mgas＝Mair+Mburn      (1)
与此同时燃烧前后每一种参与燃烧过程的化学元素在数量上也不会发生变化，C、H、O、N是燃烧过程中物质的主要构成元素，其数量守恒方程如下
氮元素守恒方程：
A1・Ggas(N2)・Mgas+A2・(1-ηB)・Mburn・Gburn(N) ＝A3・Mburn・Gburn(N)+A4・Gair(N2)・Mair      (2)
氧元素守恒：
(B1・Ggax(O2)+B2・Ggas(CO2)+B3・Ggas(H2O))・Mgas+B4・(1-ηB)・Mburn・Gburn(O) ＝B5・Mburn・Gburn(O)+(B6・Gair(O2)+B7・Gair(CO2) +B8・Gair(H2O))・Mair+B9・Mburn・Gburn(H2O)          (3)
碳元素守恒：
C1・Ggas(CO2)・Mgax+C2・(1-ηB)・Mburn・Gburn(C) ＝C3・Mburn・Gburn(C)+C4・Gair(CO2)・Mair         (4)
氢元素守恒：
D1・Ggas(H2O)・Mgas+D2・(1-ηB)・Mburn・Gburn(H)＝ D3・Mburn・Gburn(H)+D4・Gair(H2O)・Mair+D5・Gburn(H2O)・Mburn        (5)
其中A1-4、B1-9、C1-4、D1-9为系数，取决于各组成成分的单位(质量百分比、体积百分比等)和流量单位(质量流量、体积流量等)，例如，当Ggas(N2)为体积百分比、Mgas为体积流量时A1＝2，当Ggas(N2)为体积百分比、Mgas为质量流量时 A1＝2/μgas，当Ggas(N2)为质量百分比、Mgas为质量流量时A1＝1/28，其中μgas为烟气的平均分子量。
在氮元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中氮的含量Gburn(N)、空气中氮气的含量Gair(N2)、燃气中氮气的含量Ggas(N2)；在氧元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中氧的含量Gburn(O)和水分的含量Gburn(H2O)，空气中氧气、二氧化碳和水的含量Gair(O2)、Gair(CO2)和Gair(H2O)，燃气中氧气、二氧化碳和水的含量Ggas(O2)、Ggas(CO2)和Ggas(H2O)；在碳元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中碳的含量Gburn(C)、空气中二氧化碳的含量Gair(CO2)、燃气中二氧化碳的含量Ggax(CO2)；在氢元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中氢的含量 Gburn(H)和水分的含量Gburn(H2O)，空气水分的含量Gair(H2O)，燃气中的水分含量 Ggas(H2O)。可根据实际选择的成分测量方法和装置以及测量精度选取其中任何两种元素的守恒方程，与公式(1)联立求解，得出燃烧过程中输入的空气流量、输出的燃气流量和燃烧完全度。
空气流量

M_{air} = \frac{b_{2} \cdot c_{1} - b_{1} \cdot c_{2}}{a_{1} \cdot b_{2} - a_{2} \cdot b_{1}} - - - (6)

燃气流量

M_{gas} = M_{air} + M_{burn} = \frac{b_{2} \cdot c_{1} - b_{1} \cdot c_{2}}{a_{1} \cdot b_{2} - a_{2} \cdot b_{1}} + M_{burn} - - - (7)

燃烧完全度

η_{B} = 1 - \frac{a_{1} \cdot c_{2} - a_{2} \cdot c_{1}}{a_{1} \cdot b_{2} - a_{2} \cdot b_{1}} - - - (8)

其中参数a1、a2、b1b2、c1和c2跟选取的元素守恒方程有关，例如，若选取氮元素的守恒方程(2)和碳元素的守恒方程(4)与公式(1)联立求解，且气体成分按体积百分比计算，燃料成分按质量百分比计算，流量按质量流量计算，则可得：

a_{1} = \frac{2 \cdot G_{gas} (N_{2})}{μ_{gas}} - \frac{2 \cdot G_{air} (N_{2})}{μ_{air}},

a_{2} = \frac{G_{gas} ({CO}_{2})}{μ_{gas}} - \frac{G_{air} ({CO}_{2})}{μ_{air}}

b_{1} = \frac{M_{burn} \cdot G_{burn} (N)}{14},

b_{2} = \frac{M_{burn} \cdot G_{burn} (C)}{12}

c_{1} = (\frac{G_{burn} (N)}{14} - \frac{2 \cdot G_{gas} (N_{2})}{μ_{gas}}) \cdot M_{burn},

c_{2} = (\frac{G_{burn} (C)}{12} - \frac{G_{gas} ({CO}_{2})}{μ_{gas}}) \cdot M_{burn}

根据上述方法可知，应用本发明的方法确定的燃烧完全度只需要测量燃烧产生的完全燃烧产物，使得燃烧状态的判定更为简单。
在本发明中唯一需要直接测量的流量是燃料量。对于液体和气体燃料，由于流量小，流通管径小，同时在进入燃烧室前有足够长的稳定流段，可用常规的流体流量测量方法可准确测量。其它测量量均为物质的组成：燃料的组成成分、空气的气体组成成分和燃气的气体组成成分。燃料和空气在进入燃烧室前成分不会发生变化，可在其输送管道上直接测量或取样分析。燃气一般不易在燃烧室出口处测量，由于燃烧过程的复杂性该处的燃气分布均匀性差，放在后续设备之后或经过一段混合段后，再安装燃气成分测点。要求在流经后续设备或混合段的过程中，没有其它任何物质引入燃气内。综上所述本发明解决了液体或气体燃料燃烧过程中燃烧完全度和燃气流量的确定的难题。
附图说明
图1为燃烧完全度和燃气流量的测量系统原理图。
图中：1-空气；2-测点二；3-燃烧室；4-后续设备；5-测点三；6-燃气；7-计算单元；8-燃料；9-测点一。
以下参照附图1对本发明进行详细的描述：
图1显示了本发明的具体测量方法及其应用的一个典型场合：燃料和空气在燃烧室中混合燃烧产生燃气，而后进入后续设备(常见的有锅炉、燃气透平等)，最后排出；在燃料输送管道上安装测点一，利用目前已有的常规方法和装置在线或离线测量燃料的成分Gburn(C，H，O，N，H2O，其他)(对于气体燃料需要测量各组成气体的含量)和燃料流量Mburn；在空气管道上安装测点二，利用目前已有的常规方法和装置在线或离线测量空气成分Gair(N2，O2，H2O，CO2，其他)；在烟气管道上安装测点三，利用目前已有的任何一种方法和装置在线或离线测量燃气成分 Ggas(N2，O2，H2O，CO2，其他)；将三个测点的测量值送入计算单元，然后根据C、H、 O、N四种燃烧前后物质组成最主要的元素中任何元素的数量守恒方程，以及总质量守恒方程确定空气流量Mair、燃气流量Mgas和燃烧完全度ηB，计算单元可以是含有计算程序的计算机，也可以是含计算方法的IC集成块。
本方法实施的具体步骤如同技术方案中所述，具体计算例证为：
1、已知原始测量参数：
燃料为天然气，质量流量为Mburn＝10.0kg/s，各组成成分的质量百分比分别为 Gburn(CH4)＝96.226％，Gburn(C2H6)＝1.770％，Gburn(C3H8)＝0.300％， Gburn(C4H10)＝0.137％，Gburn(CO2)＝0.598％，Gburn(N2)＝0.967％，Gburn(H2S)＝0.002％。空气组成为氧气、氮气和水蒸气，其它成分忽略不计，干空气中氧气的体积百分比为21％，氮气的体积百分比为79％，1Nm3的干空气中含水10g，则整个空气中各成分的体积百分比含量分别为Gair(N2)＝77.7559％，Gair(O2)＝20.6693％， Gair(H2O)＝1.5748％，空气的平均分子量μair＝28.6693。烟气中主要成分的体积百分比分别为Ggas(CO2)＝2.5％，Ggas(H2O)＝6.5％， Ggas(O2)＝15.1％，Ggas(N2)＝75.7％，烟气的平均分子量为μgax＝28.3414。
2、计算
总质量平衡方程：Mgas＝Mair+Mburn
碳元素平衡方程：

\frac{1}{μ_{gas}} \cdot G_{gas} ({CO}_{2}) \cdot M_{gas} = η_{B} \cdot M_{burn} \cdot [\frac{G_{burn} ({CH}_{4})}{16} + \frac{2 \cdot G_{burn} (C_{2} H_{6})}{30} + \frac{3 \cdot G_{burn} (C_{3} H_{8})}{44}

+ \frac{4 \cdot G_{burn} (C_{4} H_{10})}{58}] + \frac{G_{burn} ({CO}_{2})}{44} M_{burn}

氢元素平衡方程：

\frac{2}{μ_{gas}} \cdot G_{gas} (H_{2} O) \cdot M_{gas} = η_{B} \cdot M_{burn} \cdot [\frac{4 \cdot G_{burn} ({CH}_{4})}{16} + \frac{6 \cdot G_{burn} (C_{2} H_{6})}{30} + \frac{8 \cdot G_{burn} (C_{3} H_{8})}{44}

+ \frac{10 \cdot G_{burn} (C_{4} H_{10})}{58} + \frac{2 \cdot G_{burn} (H_{2} S)}{34}] + \frac{G_{burn} ({CO}_{2})}{44} M_{burn}

3、计算结果
将已知数据带入上述方程式可得：
空气的质量流量Mair＝662.874kg/s
燃气的质量流量Mgas＝670.801kg/s
燃烧完全度度ηB＝0.958。

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