CN106596861A - 一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法，包括以下步骤：确定海上采油设施主机燃用的燃料种类，给出燃料的各组分及含量；对海上发电主机进行烟气分析测试，获取烟气参数及其含量；利用O₂、RO₂的含量得到过量空气系数α_g；利用燃料各组分的体积分数计算理论空气量V⁰；利用RO₂、NO₂、H₂O的烟气含量计算三者的理论容积，从而得到理论上的理论烟气量利用过量空气系数α_g、理论空气量V⁰、理论烟气量计算实际烟气量V_y。本发明引入锅炉燃烧过程中的烟气计算方法，并采用实验测量烟气中的含氧量来确定运行中的过量空气系数，同时对过量空气系数的取值范围进行拓展，解决了海上采油设施主机余热回收的技术难点。

Description

一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法

技术领域

本发明涉及节能环保领域，特别涉及一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法。

背景技术

不论是燃气轮机还是柴油主机，在进行余热回收时，都需要确定两个关键的参数：烟气量和烟气温度。对于烟气温度，较为容易测得，可以通过打孔测试(如9-3平台)，但对于海上采油设施的主机尾气的烟气量的测试则较为困难。目前，对于烟气量或烟气流速的测量包括以下几种方法：

1、差压式流量测量方法。此方法根据伯努利方程提供的基本原理，通过测量流体的差压信号反映流体的流速，流量计包括孔板、文丘里管、V形内锥式流量计等。使用这些压差式流量计来测量流量非常常见，并且测量结果也较为准确。但一般来说，海上采油设施的主机尾气的烟道没有安装任何流量计，因此测量管路的流量还需考虑其他的方式。

2、超声波流量计和电磁流量计测试流量。对于超声波测量流速，可以追溯到20世纪30年代；而电磁流量计由电磁流量传感器和转换器组成，原理是将流体作为导体，当导体切割磁力线时会产生电动势，电动势的大小与流速有关。这两种非接触式测试方式均局限于温度较低、流体的品质要较为干净，且温度不能太高。显然，海上采油设施的透平主机和内燃机都不适合这两种非接触式测温方式。

3、锅炉计算烟气量。这种方式最早由西安交通大学提出来，有很多学者采用，后来又被清华大学进一步研究，将检测锅炉燃烧后的不完全燃烧损失也考虑进去。但这种方法建立在锅炉燃烧的角度上，并不是直接针对燃气透平和柴油机发电后的主机尾气的烟气量进行的研究，测量效果还有待商榷。

从9-3平台(Solar)、111FPSO(Caterpillar)、涠洲岛(Siemens)三个主机厂家不同型号的主机情况来看，海上的发电主机厂家一般会给出主机出厂的运行数据，但是运行一段时间后的数据有所波动。如果想对这些主机进行余热回收，还需对主机厂家提供的数据进行试验和理论验证。过量空气系数燃烧1kg燃料实际所供给的空气质量/完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量。一般来说，燃烧时的过量空气系数大于1，当过量空气系数越大，烟气的流量大为增加。有文献指出，这些主机的过量空气系数在4左右，然而，根据上述几个厂家的烟气量的情况来说，过量空气系数是变化的，柴油主机的过量空气系数小而燃气轮机的过量空气系数要大些，这也给发电主机的烟气量的测量和计算带来了很多困难。

因此，亟需一种针对海上发电主机烟气量的测量和计算方法。

发明内容

发明目的：针对现有烟气量测量方法无法对海上发电主机烟气量进行准确测量的技术问题，本发明提供一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法，将锅炉燃烧过程中的烟气计算方法应用于燃气轮机和柴油机的烟气量计算中，并采用实验测量烟气中的含氧量来确定运行中的过量空气系数，同时对过量空气系数的取值范围进行拓展，解决了海上采油设施主机余热回收的技术难点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法，包括以下步骤：

步骤1：确定海上采油设施主机燃用的燃料种类，给出燃料的各组分及含量；

步骤2：对海上发电主机进行烟气分析测试，获取烟气参数及其含量；所述烟气参数包括：RO₂、NO₂；

步骤3:利用O₂、RO₂的含量得到过量空气系数α_g；

步骤4:利用燃料各组分的体积分数计算理论空气量V⁰，公式为：

上式中:H₂-氧气的体积分数，％；CO-一氧化碳的体积分数，％；H₂S-硫化氧的体积分数，％；m-碳原子数量，n-氢原子数量；C_mH_n-烃类气体的体积分数，％；

步骤5:利用步骤2中RO₂、NO₂、H₂O的烟气含量计算三者的理论容积，进一步得到理论上的理论烟气量公式为：

上式中，-三原子气体的理论容积，m³/kg；-氮气的理论容积，m³/kg；-水蒸气的理论容积，m³/kg；

步骤6:利用过量空气系数α_g、理论空气量V⁰、理论烟气童计算实际烟气量V_y；公式为：

进一步地，所述三原子气体RO₂的理论容积采用下式得到：

上式中，C^y-原油中的含碳量，％；S^y-原油中的含硫量，％。

进一步地，所述N₂的理论容积采用下式得到：

上式中，N^y-原油中的含氮量，％。

进一步地，所述H₂O的理论容积采用下式得到：

上式中，H^y-原油中的含氢量，％；W^y-原油中的含水量，％。

进一步地，所述燃料完全燃烧时，步骤3中过量空气系数采用下式得到：

上式中，O₂-干烟气中的含氧量，％。

进一步地，所述步骤3中的O₂即干烟气中的含氧量由实验仪器测量而得。

进一步地，所述步骤1中的燃料为原油且不完全燃烧时，为使计算更为准确，采用以下不完全燃烧方程式：

RO₂+0.605CO+O₂+β(RO₂+CO)＝21

上式中，无量纲

进一步地，所述燃料(原油)不完全燃烧时，过量空气系数α_g采用下式得到：

上式可变形为：

进一步地，所述燃料为天然气且不完全燃烧时，采用以下不完全燃烧方程式：

RO₂+0.605CO+O₂+β(RO₂+CO)＝21

式中，无量纲

进一步地，所述燃料(天然气)不完全燃烧时，过量空气系数α_g采用下式得到：

上式可变形为：

本发明的有益效果是：本发明将锅炉燃烧过程中的烟气计算方法应用于燃气轮机和柴油机的烟气量计算中，并采用实验测量烟气中的含氧量来确定运行中的过量空气系数，同时对过量空气系数的取值范围进行拓展，与现有烟气量计算方法相比，本发明无需在主机尾气的烟道安装任何流量计，并且考虑了不完全燃烧损失，得到的烟气量更为准确，解决了海上采油设施主机余热回收的技术难点，具有一定的实际应用价值。

附图说明

图1是原油过量空气系数与三原子气体含量的变化曲线图。

图2是原油过量空气系数与干空气含氧量的变化曲线图。

图3是天然气过量空气系数与三原子气体含量的变化曲线图。

图4是天然气过量空气系数与干烟气含氧量的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

烟气量的准确测量是海上采油主机余热回收的技术难点，对于判断余热回收是否达到最优产生重要的影响。本专利将锅炉燃烧过程中的烟气计算方法应用于燃气轮机和柴油机的烟气量计算中去，并采用实验测量烟气中的含氧量来确定运行中的过量空气系数；同时，由于海上发电主机的过量空气系数远远高于锅炉的过量空气系数，故本专利还扩展了过量空气系数的取值范围。

本发明一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法，包括以下步骤：

步骤1：确定海上采油设施主机燃用的燃料种类，给出燃料的各组分及含量；

步骤2：对海上发电主机进行烟气分析测试，获取烟气参数及其含量；所述烟气参数包括：RO₂、NO₂；

步骤3:利用O₂、RO₂的含量得到过量空气系数α_g；

步骤3.1当燃料完全燃烧时，过量空气系数α_g采用下式得到：

上式中，O₂-干烟气中的含氧量，％，所述干烟气中的含氧量由实验仪器测量而得。

步骤3.2：当燃料为原油且不完全燃烧时，为使计算更为准确，采用以下不完全燃烧方程式：

RO₂+0.605CO+O₂+β(RO₂+CO)＝21

上式中，无量纲

则过量空气系数α_g采用下式得到：

上式可变形为：

制作图1

制作图2

由于无量纲β由燃料的可燃元素组成，而与水分和灰分无关。因此如果在计算烟气量中考虑不完全燃烧的影响，就要分别考虑燃油和燃气的不同，在锅炉的燃烧计算中文献将重油取0.36。

步骤3.3：当燃料为天然气且不完全燃烧时，为使计算更为准确，采用以下不完全燃烧方程式：

RO₂+0.605CO+O₂+β(RO₂+CO)＝21

式中，无量纲

则过量空气系数α_g采用下式得到：

上式可变形为：

制作图3

制作图4

由于无量纲β取决于燃料的可燃元素组成，而与水分和灰分无关。因此如果在计算烟气量中考虑不完全燃烧的影响，就要分别考虑燃油和燃气的不同。在锅炉的燃烧计算中文献将天然气取0.8。

步骤4：利用燃料各组分的体积分数计算理论空气量V⁰，公式为：

上式中:H₂-氢气的体积分数，％；CO-一氧化碳的体积分数，％；H₂S-硫化氢的体积分数，％；m-碳原子数量，n-氢原子数量；C_mH_n-烃类气体的体积分数，％；

步骤5:利用步骤2中RO₂、NO₂、H₂O的烟气含量计算三者的理论容积，进一步得到理论上的理论烟气量公式为：

上式中，-三原子气体的理论容积，m³/kg；-氮气的理论容积，m³/kg；-水蒸气的理论容积，m³/kg；

步骤5.1：所述三原子气体RO₂的理论容积采用下式得到：

上式中，C^y-原油中的含碳量，％；S^y-原油中的含硫量，％。

步骤5.2：所述N₂的理论容积采用下式得到：

上式中，N^y-原油中的含氮量，％。

步骤5.3：所述H₂O的理论容积采用下式得到：

上式中，H^y-原油中的含氢量，％；W^y-原油中的含水量，％。

步骤6:利用过量空气系数α_g、理论空气量V⁰、理论烟气童计算实际烟气量V_y；公式为：

实施例1

本实施例一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法，包括以下步骤：

步骤1：确定海上采油设施主机燃用的燃料种类，本次使用的是111FPSO主机，采用的燃料为原油，原油的各组分及含量见表1：

表1 111FPSO原油成分及含量表

步骤2：对111FPSO主机进行烟气分析测试，获取烟气参数及其含量，见表2：

表2烟气成分测试得到的参数及含量表

步骤3:利用O₂、RO₂查图1和2得到过量空气系数α_g为2.8，或者通过公式计算得出过量空气系数为2.4，公式如下：

步骤4：利用步骤1燃料各组分的体积分数计算理论空气量V⁰，公式为：

步骤5：利用步骤2中RO₂、NO₂、H₂O的烟气含量计算三者的理论容积，进一步得到理论上的理论烟气量公式为：

通过上述公式计算出的结果见表3：

表3烟气计算结果表

步骤6:利用步骤3的过量空气系数α_g(2.8和2.4)、理论空气量V⁰(10.921)、理论烟气量(12.05)计算实际烟气量V_y；公式为：

即可计算出单位质量燃烧后的烟气量，分别为31.7m³/kg和27.3m³/kg。

实施例2

本实施例一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法，包括以下步骤：

步骤1：确定海上采油设施主机燃用的燃料种类，本次使用的是锦州9-3采油平台主机，采用的燃料为天然气，天然气的各组分及含量见表4：

表4天然气成分及含量表

同时，采用烟气分析仪对9-3平台发电主机尾气进行了数据采集，见表5：

表5 9-3平台发电主机尾气测试数据

步骤2：对9-3采油平台主机进行烟气分析测试，获取烟气参数及其含量，见表6：

表6烟气成分测试得到的参数及含量表

步骤3:利用O₂、RO₂查图3和4得到过量空气系数α_g为4.1，或者通过公式计算得出过量空气系数为3.1，公式如下：

步骤4:利用步骤1燃料各组分的体积分数计算理论空气量V⁰，公式为：

步骤5:利用步骤2中RO₂、NO₂、H₂O的烟气含量计算三者的理论容积，进一步得到理论上的理论烟气量公式为：

通过上述公式计算出的结果见表7：

表7烟气计算结果表

步骤6:利用步骤3的过量空气系数α_g(4.1和3.1)、理论空气量V⁰(10.921)、理论烟气量(12.05)计算实际烟气量V_y；公式为：

即可计算出单位质量燃烧后的烟气量，分别为45.84m³/m³和34.94m³/m³。

参照图1，此图是当燃料为原油且不完全燃烧时，通过三原子气体含量与过量空气系数之间的变化绘制而成，随着烟气中过量空气系数的减少，三原子气体含量也相应减少。

参照图2，此图是当燃料为原油且不完全燃烧时，通过含氧量与过量空气系数之间的变化绘制而成。随着烟气中过量空气系数的增加，空气中的氧气会进入烟气，所以烟气中的含氧量也会相应增加。但是这种增加会有一个极值，即空气中含氧量最高不会超过21。此图适用于工程计算，但烟气成分测试存在的基础也是测量出烟气中的含氧量，故还需与测量手段相配合才能较为精确的计算出烟气的过量空气系数。

参照图3，此图是当燃料为天然气且不完全燃烧时，通过三原子气体含量与过量空气系数之间的变化绘制而成，随着烟气中过量空气系数的减少，三原子气体含量也相应减少。

参照图4，此图是当燃料为天然气且不完全燃烧时，通过含氧量与过量空气系数之间的变化绘制而成。过量空气系数的增加伴随着含氧量增加，到了21％是极值。从与中海油工作的经验可知，燃气轮机的过量空气系数一般比柴油机的大，故燃气轮机的烟气中的含氧量比柴油机大，伴随着烟气量也比柴油主机的大得多。

本发明对柴油发电主机和燃气透平发电主机这两种中海油海上采油设施发电主机的烟气量进行了分析，出如下结论：

(1)通过引入锅炉烟气分析结果推算过量空气系数的原理，建立了计算海上采油设施主机的烟气量的计算方法，得到了海上采油设施发电主机过量空气系数的取值范围，并指出了燃气透平的过量空气系数的取值大于柴油机主机，柴油机主机的过量空气系数大于锅炉。

(2)对于柴油发电主机来说，不管是否考虑不完全燃烧损失，过量空气系数的取值范围在2.5-3.0之间；同时，建议采用含氧量作为分析过量空气系数的主要参数，测量出含氧量后查询图2。

(3)对于燃气透平发电主机来说，过量空气系数比柴油机大，过量空气系数的取值范围在4.0左右；海上的燃气透平发电主机的过量空气系数建议查询图4(通过测试含氧量来查询)。

注意，上述内容仅为本发明的较佳实施例。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其它等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定海上采油设施主机燃用的燃料种类，给出燃料的各组分及含量；

步骤2：对海上发电主机进行烟气分析测试，获取烟气参数及其含量；所述烟气参数包括：RO₂、NO₂；

步骤3：利用O₂、RO₂的含量得到过量空气系数α_g；

步骤4：利用燃料各组分的体积分数计算理论空气量V⁰，公式为：

$V^0=\frac{1}{21}-(0.5H_2+0.5CO+1.5H_{2}S+\Σ(m+\frac{n}{4})C_m{H}_n-O_2)$

上式中：H₂—氢气的体积分数，％；CO—一氧化碳的体积分数，％；H₂S—硫化氢的体积分数，％；m—碳原子数量，n—氢原子数量；C_mH_n—烃类气体的体积分数，％；

步骤5：利用步骤2中RO₂、NO₂、H₂O的烟气含量计算三者的理论容积，进一步得到理论上的理论烟气量公式为：

$V_y^0=V_{RO2}^0+V_{N2}^0+V_{H2O}^0$

上式中，—三原子气体的理论容积，m³/kg；—氮气的理论容积，m³/kg；—水蒸气的理论容积，m³/kg；

步骤6：利用过量空气系数α_g、理论空气量V⁰、理论烟气量计算实际烟气量V_y；公式为：

$V_y=V_y^0+({\mathrm{\α}}_g-1)V^0+0.0161({\mathrm{\α}}_g-1)V^0.$

2.根据权利要求1所述的海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，所述三原子气体RO₂的理论容积采用下式得到：

$V_{RO2}^0=1.866(C^y+0.375S^y)\×{10}^{-2}$

上式中，C^y—原油中的含碳量，％；S^y—原油中的含硫量，％。

3.根据权利要求1所述的海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，所述N₂的理论容积采用下式得到：

$V_{N2}^0=0.79V^0+0.8N^y/100$

上式中，-N^y-原油中的含氮量，％。

4.根据权利要求1所述的海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，所述H₂O的理论容积采用下式得到：

$V_{H2O}^0=0.111H^y+0.0124W^y+0.0161V^0$

上式中，H^y-原油中的含氢量，％；W^y-原油中的含水量，％。

5.根据权利要求1所述的海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，所述燃料完全燃烧时，步骤3中过量空气系数采用下式得到：

${\mathrm{\α}}_g=\frac{21}{21-O_2}$

上式中，O₂-干烟气中的含氧量，％。

6.根据权利要求1或5所述的海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，所述步骤3中的O₂即干烟气中的含氧量由实验仪器测量而得。

7.根据权利要求1所述的海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，所述步骤1中的燃料为原油且不完全燃烧时，为使计算更为准确，采用以下不完全燃烧方程式：

RO₂+0.605CO+O₂+β(RO₂+CO)＝21

上式中，无量纲

8.根据权利要求7所述的海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，所述燃料不完全燃烧时，过量空气系数α_g采用下式得到：

${\mathrm{\α}}_g=\frac{21}{79+100\mathrm{\β}}(\frac{79}{{\mathrm{RO}}_2}+\mathrm{\β})$

上式可变形为：

9.根据权利要求1所述的海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，所述步骤1中的燃料为天然气且不完全燃烧时，为使计算更为准确，采用以下不完全燃烧方程式：

RO₂+0.605CO+O₂+β(RO₂+CO)＝21

式中，无量纲

10.根据权利要求9所述的海上发电主机烟气量的测量和计算方法，其特征在于，所述燃料不完全燃烧时，过量空气系数α_g采用下式得到：

${\mathrm{\α}}_g=\frac{21}{79+100\mathrm{\β}}(\frac{79}{{\mathrm{RO}}_2}+\mathrm{\β})$

上式可变形为：