一种基于化学平衡的燃煤锅炉能效在线监测方法技术领域
本发明涉及一种燃煤锅炉运行热效率的在线监测方法，用于燃煤锅炉能效水平的
监控。
背景技术
目前，我国能源结构以煤炭为主，除了用于电力供应的燃煤电站锅炉，诸多燃煤工
业锅炉也是煤炭消耗的主要用户。燃煤工业锅炉运行热效率偏低，大量煤炭利用效率极低，
且产生了大量的大气污染物，这给我国的煤炭总量控制、节能减排、大气污染物治理等工作
带来了较大困难。
为了促进燃煤工业锅炉经济高效运行，国家颁布了《工业锅炉经济运行》、《燃煤工
业锅炉节能监测》和《工业锅炉能效限定值及能效等级》等标准和规范对燃煤工业锅炉进行
监管。但是，燃煤工业锅炉能效水平提高仍然有限，其中重要原因是无法准确获得锅炉的能
效水平。传统的锅炉热效率计算有正平衡和反平衡两种方法，但其应用于燃煤工业锅炉能
效的在线监控都有局限性：在正平衡方法中，需要测试燃煤的热值，由于工业锅炉燃用煤种
的多变性，导致无法准确采用正平衡方法对热效率在线监测；反平衡方法则由于散热损失
和灰渣热损失无法实时测试而不能实现在线监测。因此，现有的锅炉能效水平测试均为离
线测试，或仅有部分数据在线测试，这些能效指标只能代表短时间内的运行情况。与电站锅
炉不同，燃煤工业锅炉运行负荷调整频繁，所以离线测试获得的能效数据很难与实际锅炉
相符合，这就会使相关部门很难准确得监管工业锅炉运行能效水平，而运行人员也不能有
效地进行运行调整。
发明内容
为解决背景技术锅炉能效无法实现在线监测、能效数据不准确的问题，本发明的
目的在于提供一种基于化学平衡的燃煤锅炉能效在线监测方法。
本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
(1)在线监测燃煤锅炉每小时平均给水流量、给水温度、蒸汽压力、蒸汽温度及蒸
汽湿度，计算得到每小时锅炉工质吸收的有效热量Q1＝Dgs(hzq-hgs-rw/100)；
其中，Q1—锅炉有效热量(kJ/h)；Dgs—给水流量(kg/h)；hzq—蒸汽焓(kJ/kg)；
hgs—给水焓(kJ/kg)；r—汽化潜热(kJ/h)；w—蒸汽湿度(％)；
(2)实时监测锅炉烟气流量(m3/h)及烟气中CO2浓度(％)、CO浓度(％)和SO2浓度
(％)，计算得到每小时锅炉烟气中的C元素含量MC烟气(kg/h)和S元素含量MS烟气(kg/h)，MC烟气＝
Q烟气×(ΦCO2+ΦCO)×12/22.4，MS烟气＝Q烟气×ΦSO2×32/22.4；
其中，MC烟气—烟气中C元素含量(kg/h)；MS烟气—烟气中S元素含量(kg/h)；Q烟气—锅炉
烟气流量(m3/h)；ΦCO2—烟气CO2浓度(％)；ΦCO—烟气CO浓度(％)；ΦSO2—烟气SO2浓度
(％)；12—C元素的摩尔质量(g/mol)；32—S元素的摩尔质量(g/mol)；22.4—气体摩尔体积
(L/mol)；
(3)实时监测锅炉飞灰、底渣量(kg/h)以及灰渣的含碳量(％)，计算得到每小时锅
炉飞灰、底渣中的C元素含量(kg/h)，进而得到锅炉每小时入炉的总C元素量MC(kg/h)，MC飞灰
＝M飞灰×ωC飞灰，MC底渣＝M底渣×ωC底渣，MC＝MC飞灰+MC底渣；
其中，MC飞灰—飞灰中C元素含量(kg/h)；MC底渣—底渣中C元素含量(kg/h)；MC—入炉
的总C元素含量(kg/h)；M飞灰—飞灰量(kg/h)；M底渣—底渣量(kg/h)；ωC飞灰—飞灰含碳量
(％)；ωC底渣—底渣含碳量(％)；
(4)实时监测锅炉供风量(m3/h)、烟气量(m3/h)、锅炉出口烟气氧含量(％)，可计算
得到燃烧消耗的总氧量，MO2＝Q供风×21％-Q烟气×ΦO2；
其中，MO2—燃烧消耗的氧气量(kg/h)；Q供风—锅炉供风量(kg/h)；ΦO2—烟气O2浓度
(％)；
(5)再根据燃烧的C元素量，通过燃烧过程中的氧平衡计算得到每小时锅炉燃烧的
总H元素量MH(kg/h)，其中，煤中S和N燃烧消耗的氧量按总氧量的1％取值进行计算修正，MH
＝(MO2×99％-Q烟气×ΦCO2×32/12-Q烟气×ΦCO×16/12)×2/16；
其中，MH—燃烧的总H元素量(kg/h)；Q烟气—烟气量(kg/h)；ΦCO2—烟气CO2浓度
(％)；ΦCO—烟气CO浓度(％)；32/12—O与C完全燃烧的质量比；16/12—O与C未完全燃烧的
质量比；2/16—H与O燃烧质量比；
(6)通过每小时锅炉燃烧的C、H和S元素的量，以及C、H和S的燃烧热，计算得到每小
时锅炉输入的总热量Q总＝32800MC+142900MH+9250MS；
其中，Q总—锅炉总热量(kJ/h)；MC—锅炉燃烧的总C量(kg/h)；MH—锅炉燃烧的总H
量(kg/h)；MS—锅炉燃烧的总S量(kg/h)；32800—C的燃烧热(kJ/kg)；142900—H的燃烧热
(kJ/kg)；9250—S的燃烧热(kJ/kg)；
(7)通过Q总和Q1，计算得到锅炉热效率η＝Q1/Q总，从而实现锅炉热效率的在线实时
监测；
(8)根据烟气中CO2和CO的浓度，计算锅炉燃烧效率，CE＝ΦCO2/(ΦCO2+ΦCO)×
100％，式中：ΦCO2和ΦCO分别为烟气中CO2和CO的浓度；
(9)同时实时在线监测锅炉的排烟温度、烟气氧含量和灰渣碳含量等节能指标，为
锅炉运行优化提供依据。
本发明的有益效果是：实现了锅炉热效率的在线监测，所有数据均为在线实时测
试获取，并通过化学平衡原理实时计算锅炉热效率和燃烧效率，真实反应了锅炉实时的能
效水平和燃烧水平，解决了燃煤工业锅炉煤质多样和负荷多变带来的能效无法准确监测的
问题，为相关部门监管工业锅炉能效水平和运行人员优化运行操作提供准确的依据。
附图说明
图1是本发明的框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
本发明实现了燃煤锅炉运行热效率的实时监测，所有数据均为在线实时测试获
取，准确反应了锅炉实时的能效水平，具体过程如图1所示。
对于燃煤工业锅炉，采用传统的正平衡方法，锅炉热效率无法实时监测的原因在
于锅炉燃用的煤种变化较多，而煤的热值又无法实现在线监测，所以无法在线测得输入锅
炉的总热量。对于煤燃烧过程，煤中C和H燃烧释放的热量占总燃烧热量的99％以上，因此根
据烟气参数、灰渣参数、供风量等参数的监测，通过化学平衡过程计算得到锅炉总的C和H的
燃烧量，即可算出锅炉的总输入热量，从而在线测得锅炉的热效率和燃烧效率。
基于以上分析，本方法的具体实现过程如下：
(1)在线监测燃煤锅炉每小时平均给水流量、给水温度、蒸汽压力、蒸汽温度及蒸
汽湿度，计算得到每小时锅炉工质吸收的有效热量Q1＝Dgs(hzq-hgs-rw/100)；
其中，Q1—锅炉有效热量(kJ/h)；Dgs—给水流量(kg/h)；hzq—蒸汽焓(kJ/kg)；
hgs—给水焓(kJ/kg)；r—汽化潜热(kJ/h)；w—蒸汽湿度(％)；
(2)实时监测锅炉烟气流量(m3/h)及烟气中CO2浓度(％)、CO浓度(％)和SO2浓度
(％)，计算得到每小时锅炉烟气中的C元素含量MC烟气(kg/h)和S元素含量MS烟气(kg/h)，MC烟气＝
Q烟气×(ΦCO2+ΦCO)×12/22.4，MS烟气＝Q烟气×ΦSO2×32/22.4；
其中，MC烟气—烟气中C元素含量(kg/h)；MS烟气—烟气中S元素含量(kg/h)；Q烟气—锅炉
烟气流量(m3/h)；ΦCO2—烟气CO2浓度(％)；ΦCO—烟气CO浓度(％)；ΦSO2—烟气SO2浓度
(％)；12—C元素的摩尔质量(g/mol)；32—S元素的摩尔质量(g/mol)；22.4—气体摩尔体积
(L/mol)；
(3)实时监测锅炉飞灰、底渣量(kg/h)以及灰渣的含碳量(％)，计算得到每小时锅
炉飞灰、底渣中的C元素含量(kg/h)，进而得到锅炉每小时入炉的总C元素量MC(kg/h)，MC飞灰
＝M飞灰×ωC飞灰，MC底渣＝M底渣×ωC底渣，MC＝MC飞灰+MC底渣；
其中，MC飞灰—飞灰中C元素含量(kg/h)；MC底渣—底渣中C元素含量(kg/h)；MC—入炉
的总C元素含量(kg/h)；M飞灰—飞灰量(kg/h)；M底渣—底渣量(kg/h)；ωC飞灰—飞灰含碳量
(％)；ωC底渣—底渣含碳量(％)；
(4)实时监测锅炉供风量(m3/h)、烟气量(m3/h)、锅炉出口烟气氧含量(％)，可计算
得到燃烧消耗的总氧量，MO2＝Q供风×21％-Q烟气×ΦO2；
其中，MO2—燃烧消耗的氧气量(kg/h)；Q供风—锅炉供风量(kg/h)；ΦO2—烟气O2浓度
(％)；
(5)再根据燃烧的C元素量，通过燃烧过程中的氧平衡计算得到每小时锅炉燃烧的
总H元素量MH(kg/h)，其中，煤中S和N燃烧消耗的氧量按总氧量的1％取值进行计算修正，MH
＝(MO2×99％-Q烟气×ΦCO2×32/12-Q烟气×ΦCO×16/12)×2/16；
其中，MH—燃烧的总H元素量(kg/h)；Q烟气—烟气量(kg/h)；ΦCO2—烟气CO2浓度
(％)；ΦCO—烟气CO浓度(％)；32/12—O与C完全燃烧的质量比；16/12—O与C未完全燃烧的
质量比；2/16—H与O燃烧质量比；
(6)通过每小时锅炉燃烧的C、H和S元素的量，以及C、H和S的燃烧热，计算得到每小
时锅炉输入的总热量Q总＝32800MC+142900MH+9250MS；
其中，Q总—锅炉总热量(kJ/h)；MC—锅炉燃烧的总C量(kg/h)；MH—锅炉燃烧的总H
量(kg/h)；MS—锅炉燃烧的总S量(kg/h)；32800—C的燃烧热(kJ/kg)；142900—H的燃烧热
(kJ/kg)；9250—S的燃烧热(kJ/kg)；
(7)通过Q总和Q1，计算得到锅炉热效率η＝Q1/Q总，从而实现锅炉热效率的在线实时
监测；
(8)根据烟气中CO2和CO的浓度，计算锅炉燃烧效率，CE＝ΦCO2/(ΦCO2+ΦCO)×
100％，式中：ΦCO2和ΦCO分别为烟气中CO2和CO的浓度；
(9)同时实时在线监测锅炉的排烟温度、烟气氧含量和灰渣碳含量等节能指标，为
锅炉运行优化提供依据。
通过以上方法实现锅炉能效的在线监测。