一种燃气烟气污染物排放管控系统及方法

技术领域

本发明属于生产能源环保管理领域，涉及一种燃气烟气污染物排放管控系统及方法。

背景技术

气体燃料是工业生产中常用的能源介质，由于各类燃气中一般都含有S、N等组分，导致燃气用户/设备的燃烧烟气中出现一定浓度的SO

在实际应用中，燃气发生源与燃气用户/设备一般都通过燃气管网进行连接形成整个燃气系统。特别对于一些大型工业企业，燃气系统一般较为复杂，多个燃气发生源和多个燃气用户/设备通过复杂的管网相连，而各燃气发生源的燃气组份存在差异，由于通过管网对燃气进行输配，实际达到各燃气用户/设备的燃气组份难以跟踪，特别是S、N等元素造成烟气排放污染的组分来源难以追踪，燃气用户/设备的烟气环保排放只能进行结果管控，而对于造成燃烧排放超标的具体原因无法追溯，难以实现燃气用户/设备的烟气环保排放的有效管控。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃气烟气污染物排放管控系统及方法，通过对燃气系统中各气源的燃气组分、供气参数以及各燃气用户/设备的用气参数以及燃烧运行参数监测，利用燃气管网模拟及燃烧分析计算，实时计算得到各燃气用户/设备的烟气污染物排放情况，并通过管控终端实现排放污染物的实时监控和预测分析。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种燃气烟气污染物排放管控系统，包括：数据监测模块、数据采集及传输模块、燃气管网流动分析模块以及管控终端；

所述数据监测模块通过数据采集及传输模块与燃气管网流动分析和管控终端连接；

所述数据采集及传输模块用于采集燃气系统中各气源和各燃气用户/设施的实时监测值，并将其传输给模型分析计算模块和管控终端分别进行分析计算和可视化显示；

所述燃气管网流动分析模块与管控终端进行交互，并根据数据采集及传输模块获取的监测数据以及管控终端的交互信息进行分析计算，计算结果在管控终端进行可视化显示。

进一步，所述数据监测模块包括流量计、压力计、温度计、燃气成分分析仪及烟气成分分析仪，监测燃气管网系统以下数据：

各燃气气源的实时燃气供应流量、压力、温度；燃气组分含量，包括H

各燃气用户/设施的实时燃气消耗流量、压力、温度、燃气燃烧系统的助燃空气流量、排烟残氧浓度以及排烟温度。

以上监测数据通过所述的数据采集及传输模块进行采集和传输。

进一步，所述燃气管网流动分析模块包括：燃气管网模拟计算子模块和燃气用户/设施燃烧分析计算子模块；

所述燃气管网模拟子模块根据燃气管网系统的配置条件建立燃气管网水力仿真计算模型，根据各燃气气源的燃气供应流量、压力、温度、组分含量、总硫、总氮含量数据以及各燃气用户/设施的燃气消耗流量、压力、温度数据计算得到通过燃气管网输配后到达各燃气用户/设施的燃气来源组成、燃气组份含量和燃气总硫、总氮含量；

所述燃气用户/设施燃烧分析计算子模块根据燃气管网模拟子模块计算得到的各燃气用户/设施的燃气组份含量及总硫、总氮含量，以及各燃气用户/设施的燃气燃烧系统助燃空气流量、排烟残氧浓度以及排烟温度数据计算得到各燃气用户/设施排放烟气的SO

上述计算结果可传输给管控终端进行可视化显示。

进一步，所述燃气管网流动分析模块的计算模式包括实时分析计算模式和预测分析计算模式；

实时分析计算模式采用由数据监测模块和数据采集及传输模块获取的燃气管网系统实时监测数据作为分析计算的输入条件；

预测分析计算模式采用由用户通过管控终端设置的相关分析计算输入条件进行分析计算。

进一步，所述管控终端通过构建计算机软件系统，分为烟气排放实时分析子模块及烟气排放预测分析子模块；

烟气排放实时分析子模块通过构建图、表等可视化界面展示各燃气用户/设施的燃气来源组成、燃气实时消耗流量、压力、温度、燃气的组份含量、总硫和总氮含量以及排放烟气的SO

烟气排放预测分析子模块通过构建交互界面，引导用户输入燃气气源以及各燃气用户/设施的预设分析条件，包括：各燃气气源的燃气供应流量、压力、温度、组分含量、总硫、总氮含量；各燃气用户/设施的燃气消耗流量、压力、温度、助燃空气流量、排烟残氧浓度及排烟温度；然后，根据预设分析条件计算得到各燃气用户/设施的燃气来源组成、燃气实时消耗流量、压力、温度、燃气的组份含量、总硫和总氮含量以及排放烟气的SO

2、一种燃气烟气污染物排放管控方法，具体包括以下步骤：

S1：采集燃气管网系统中各气源和各燃气用户/设施的实时监测值，并将其传输给燃气管网流动分析模块和管控终端；

S2：燃气管网流动分析模块根据采集获取的燃气管网系统运行监测数据进行燃气管网模拟计算和燃气用户/设施燃烧分析计算，分别得到通过燃气管网输配后到达各燃气用户/设施的燃气来源组成、燃气组份含量和燃气总硫、总氮含量计算结果以及各燃气用户/设施排放烟气的SO

S3：通过管控终端构建图、表等可视化界面以及用户交互界面，对步骤S2中计算结果数据进行展示，实现烟气排放实时分析和预测分析。

进一步，步骤S2中，燃气管网流动分析模块分析计算的具体步骤包括：

S21：根据燃气管网的配置条件建立燃气管网水力仿真计算模型；

S22：按数值方法对燃气管网水力仿真计算模型进行离散求解，得到通过燃气管网输配后到达各燃气用户/设施的燃气来源组成、燃气组份含量和燃气总硫、总氮含量；

S23：基于步骤S22的计算结果结合各燃气用户/设施的燃气燃烧系统助燃空气流量、排烟残氧浓度以及排烟温度数据计算得到各燃气用户/设施排放烟气的SO

进一步，步骤S21中，所述燃气管网水力仿真计算模型是基于管道水力计算理论方程建立，包括：管道流动的质量、动量及能量守恒方程、阀门及各燃气用户/设备的连接关系方程；

所述燃气管网配置条件包括：燃气管网中各管段的长度、外径、壁厚、绝对粗糙度，以及各阀门的口径、开度和流量特性参数，各燃气用户/设备的尺寸及设定运行参数，以及管道、阀门以及各燃气用户/设备之间的连接关系参数。

进一步，步骤S22中，按数值计算方法对模型方程进行离散求解，具体包括：采用有限体积法将压力-速度耦合方程进行离散，形成离散方程组，并通过压力预测-修正方法，迭代求解方程；求解过程中，需要以下计算边界条件数据：各燃气气源的燃气供应流量、压力、温度、组分含量、总硫、总氮含量数据以及各燃气用户/设施的燃气消耗流量、压力、温度数据。

进一步，步骤S23具体包括以下步骤：

S231：根据步骤S22计算得到的各燃气用户/设施的燃气组分含量，计算燃气燃烧理论空气量；

S232：根据步骤S22计算得到的各燃气用户/设施的燃气组分含量以及各燃气用户/设施的助燃空气流量、排烟残氧浓度及排烟温度计算各燃气用户/设施的实际烟气量；

S233：根据S、N、C等元素的燃烧化学转化关系，计算各燃气用户/设施排放烟气的SO

本发明的有益效果在于：采用本发明系统可以实现燃气系统从气源到燃气用户/设备的物质跟踪，从而根据燃烧特性计算燃气用户/设备的烟气污染物排放情况，并通过建立管控系统对燃气系统的污染物排放进行实时分析计算和预测分析计算，帮助工业企业从源头上管控燃气污染排放，有利于提高工业燃气燃烧过程的污染物防控水平。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述的燃气烟气污染物排放管控系统结构图；

图2为本发明实具体施例的高炉煤气管网系统及监测仪表布置示意图；

附图标记：Q-流量计(燃气)，P-压力计(燃气)，T-温度计(燃气)，C-燃气成分分析仪，QA-流量计(烟气)，YO2-烟气成分分析仪(烟气残氧)，YT-温度计(烟气)。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，图1为本发明提供的一种燃气烟气污染物排放管控系统，包括：数据监测模块、数据采集及传输模块、燃气管网流动分析模块以及管控终端，其中：

数据监测模块通过数据采集及传输模块与模型分析计算模块和管控终端连接。

数据采集及传输模块用于采集燃气系统中各气源和各燃气用户/设施的实时监测值，并将其传输给模型分析计算模块和管控终端分别进行分析计算和可视化显示。

燃气管网流动分析模块可以与管控终端进行交互，并根据系统获取的监测数据以及管控终端的交互信息进行分析计算，计算结果在管控终端进行可视化显示。

实施例1：

对某钢铁企业高炉煤气管网安装相应仪表进行参数检测，布置图如图2所示。在本实例中，数据监测模块采用流量计、压力计、温度计、煤气成分分析仪及烟气成分分析仪监测煤气系统以下数据：

气源G1～G5的实时煤气供应流量、压力、温度；煤气组分含量，包括H

煤气用户C1～C14的实时煤气消耗流量、压力、温度；

煤气用户C2、C7、C8、C9、C12、C13及C14需要分析烟气的污染排放，所以还需要检测其助燃空气流量、排烟残氧浓度以及排烟温度。

所采用的流量计、压力计、温度计、煤气成分分析仪安装在煤气混合站出口处主管线上；烟气成分分析仪、烟气温度计及流量计安装在烟道直管段。所有检测仪表通过网络接口由所述的监测信息传输模块通过网络进行各检测数据的采集，并根据需要分别传输给模型分析计算模块及管控终端。

煤气管网流动分析模块分为煤气管网模拟计算子模块和燃气用户/设施燃烧分析计算子模块。

煤气管网模拟子模块根据该钢铁企业高炉煤气管网系统的实际配置条件建立煤气管网水力仿真计算模型。模型基于管道水力计算理论方程建立，包括管道流动的质量、动量及能量守恒方程、阀门及各煤气设备的连接关系方程。模型建立所需的配置条件包括高炉煤气管网中各段煤气管道的长度、外径、壁厚、绝对粗糙度，各阀门的口径、开度、流量特性参数，各高炉煤气用户的尺寸及设定运行参数，以及管道、阀门以及各煤气用户/设备之间的连接关系参数。

求解煤气管网水力仿真计算模型时，需要煤气管网模拟子模块读入相应边界调节，包括：气源G1～G5的实时煤气供应流量、压力、温度；煤气组分含量，包括H

煤气管网水力仿真计算模型按数值计算方法进行离散求解。优选地，可采用有限体积法将压力-速度耦合方程进行离散，形成离散方程组，并通过压力预测-修正方法，迭代求解方程，可获得煤气用户C2、C7、C8、C9、C12、C13及C14的煤气来源组成、煤气组分数据，包括H

煤气用户/设施燃烧分析计算子模块根据煤气管网模拟子模块计算得到的气用户C2、C7、C8、C9、C12、C13及C14的煤气组份含量及总硫、总氮含量，以及对应的燃烧系统助燃空气流量、排烟残氧浓度以及排烟温度数据计算得到对应的排放烟气中SO

1)根据煤气管网模拟子模块计算得到的C2、C7、C8、C9、C12、C13及C14的煤气组分数据，计算各自的煤气燃烧理论空气量；

式中，H

2)煤气管网模拟子模块计算得到的C2、C7、C8、C9、C12、C13及C14的煤气组分数据以及其的助燃空气流量、排烟残氧浓度及排烟温度计算对应煤气用户的实际烟气量V

式中，

式中，H

3)根据S、N、C等元素的燃烧化学转化关系，计算C2、C7、C8、C9、C12、C13及C14排放烟气的SO

式中，

在本实施中，煤气管网流动分析模块的计算模式分为实时分析计算模式和预测分析计算模式。

实时分析计算模式采用由数据监测模块和数据采集及传输模块获取的煤气系统实时监测数据作为分析计算的输入条件；

预测分析计算模式采用由用户通过管控终端设置的相关分析计算输入条件进行分析计算。

管控终端通过构建计算机软件系统，建立烟气排放实时分析子模块及烟气排放预测分析子模块。

烟气排放实时分析子模块可实现煤气组分追踪、燃烧排放监控等功能：

煤气组分追踪：通过可视化界面展示各煤气用户的煤气来源组成、煤气实时消耗流量、压力、温度、煤气的组份含量、总硫和总氮含量；优选的，可根据高炉煤气管网系统的总图建立管网可视化监控画面，在画面对应的煤气用户位置显示相应的煤气流量、压力以及来源组成、总硫、总氮含量的实时计算结果。

燃烧排放监控：通过图、表显示各煤气用户排放烟气中SO

烟气排放预测分析子模块的功能包括交互条件设置和计算结果查询。

交互条件设置：通过设置软件画面引导用户输入煤气气源以及各煤气用户/设施的预设分析条件，包括：各气源的煤气供应流量、压力、温度、组分含量、总硫、总氮含量；各煤气用户的煤气消耗流量、压力、温度、助燃空气流量、排烟残氧浓度及排烟温度。然后，根据预设分析条件计算得到各煤气用户的煤气来源组成、煤气实时消耗流量、压力、温度、煤气的组份含量、总硫和总氮含量以及排放烟气的SO

计算结果查询：按照计算案例名称、计算条件提交时间查询预测分析结果。优选地，用户可以在计算结果查询画面中查询到计算条件的设置情况以及计算得到各煤气用户的煤气来源组成、煤气实时消耗流量、压力、温度、煤气的组份含量、总硫和总氮含量以及排放烟气的SO

相应地，本实施例系统的煤气烟气污染物排放管控方法，具体包括以下步骤：

1)采集煤气系统中各气源和各煤气用户/设施的实时监测值，并将其传输给模型分析计算模块和管控终端；

2)煤气管网流动分析模块根据采集获取的煤气系统运行监测数据进行煤气管网模拟计算和煤气用户/设施燃烧分析计算，分别得到通过煤气管网输配后到达各煤气用户/设施的煤气来源组成、煤气组份含量和煤气总硫、总氮含量计算结果以及各煤气用户/设施排放烟气的SO

3)通过管控终端构建图、表等可视化界面以及用户交互界面，对S2中计算结果数据进行展示，实现烟气排放实时分析和预测分析。

其中，煤气系统中各气源和各煤气用户/设施的实时监测数据包括各煤气气源的实时煤气供应流量、压力、温度；煤气组分含量，包括H

煤气管网流动分析模块的具体步骤包括：

1)根据煤气管网的配置条件建立煤气管网水力仿真计算模型。

2)按数值方法对煤气管网水力仿真计算模型进行离散求解，得到通过煤气管网输配后到达各煤气用户/设施的煤气来源组成、煤气组份含量和煤气总硫、总氮含量；

3)基于煤气管网水力仿真计算模型的计算结果结合各煤气用户/设施的煤气燃烧系统助燃空气流量、排烟残氧浓度以及排烟温度数据计算得到各煤气用户/设施排放烟气的SO

煤气管网水力仿真计算模型基于管道水力计算理论方程建立，包括管道流动的质量、动量及能量守恒方程、阀门及各煤气用户/设备的连接关系方程；所述的煤气管网配置条件包括煤气管网中各管段的长度、外径、壁厚、绝对粗糙度，以及各阀门的口径、开度和流量特性参数，各煤气用户/设备的尺寸及设定运行参数，以及管道、阀门以及各煤气用户/设备之间的连接关系参数。

煤气管网水力仿真计算模型采用有限体积法将压力-速度耦合方程进行离散，形成离散方程组，并通过压力预测-修正方法，迭代求解方程。求解过程中，需要以下计算边界条件数据：各煤气气源的煤气供应流量、压力、温度、组分含量、总硫、总氮含量数据以及各煤气用户/设施的煤气消耗流量、压力、温度数据。

各煤气用户/设施排放烟气的SO

1)根据各煤气用户/设施的煤气组分含量，计算煤气燃烧理论空气量；

2)根据各煤气用户/设施的煤气组分含量以及各煤气用户/设施的助燃空气流量、排烟残氧浓度及排烟温度计算各煤气用户/设施的实际烟气量；

3)根据S、N、C等元素的燃烧化学转化关系，计算各煤气用户/设施排放烟气的SO

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。