CN101004259A - 蒸汽发生器锅炉管老化的监测 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及监测大规模燃烧设备锅炉管(15a，15b)的在线老化监测，特别涉及垃圾焚烧厂。当运行燃烧设备时，管内老化，特别是磨蚀或烧结不同程度的连续方式被决定，并且因此不局限于停炉期的光学检验。老化速度或积聚与所述设备的运行方式有关。合适的老化传感元件(4)设置在烟气区域(14)的外侧，和接收来自烟气区域(14)空间或体积内的超声波信号，在该烟气区域，锅炉管暴露于燃烧过程中的有毒烟气中。专门设置测试管(40)，用于监测老化进程且在特定磨蚀暴露点处引入烟气区域(14)。

Description

蒸汽发生器锅炉管老化的监测
技术领域
本发明涉及大型燃烧设备的运行，更具体而言涉及蒸汽发生器设备锅炉管老化的监测。
背景技术
大型燃烧设备中的蒸汽发生器或锅炉面对极端的环境条件，这些环境条件由温度和其暴露于烟道或废气的化学成份所引起。在某种程度上较少关注用天然气作为燃料的电厂烟气，因为以煤炭或原油作为燃料的电厂产生不同成份的烟气，其中包括大量的侵蚀性硫组分。所谓废转能设备就是一种把废物燃烧成灰并利用燃烧热将液态水转换成蒸汽的燃烧设备，例如，用于区域供热和/或发电。于是，垃圾焚烧厂是锅炉管老化的主要的受害者，因为其烟道气体的成分主要取决于燃烧垃圾的成分，因此像后者一样不可预知。在任何情况下，在普通的城市垃圾中的一些塑料或电子残留物中包含大量的氟、氯、溴与碘，这些成分和高燃烧温度共同作用会导致蒸汽发生器锅炉管较快的腐蚀速度。在极个别情况下锅炉管壁厚以每年0.5毫米的速度减少。此外，烟气中会出现大量尘粒，这些尘粒偶尔开始烧结或积垢，以及与煤烟一起沉积在管壁上，即在管壁表面上形成抑制传热的沉积，因此，影响锅炉效率。腐蚀和烧结依次需要频繁地维修锅炉，否则该整套设备的寿命和经济效率将被削减。
蒸汽发生器制造商通过谨慎地选取用于特定锅炉管设计使用的材料以试图避免上述缺点，所述的锅炉管与腐蚀性烟气直接接触。然而，由于城市垃圾的成分的区域和季节变化，选取一种可以承受所有的腐蚀性组分和/或效果的材料几乎是不可能。这也使得存在这样的现象，在第一个垃圾焚烧厂取得成功的管材料却在第二个垃圾焚烧厂完全失败。既然锅炉管需遭受周期性地敲打以避免管上的烧结，那么利用陶瓷隔热涂层不能提供一种确定的方案。因为这种机械方式很可能破坏任何陶瓷涂层。
在垃圾焚烧厂中定义运行或燃烧模式最重要的控制参数为主次燃烧空气的质量流量、空气温度、返回烟气的量、垃圾或燃料供给量以及往复式炉栅的运输速度或烧结速度。修正这些参数一般以天或周为时间尺度，且可能导致炉栅上火焰的不同位置，并且因此引起炉膛或烟道中烟气不同的流动状态和温度分布，例如在炉栅上方的空间。
发电公司利用现有的测量技术只能使用周期停炉来测量锅炉管管壁的实际厚度并与在先测量的结果进行比较。长期测量的记录和进程仍然可以显示减少的趋势，该趋势用于准备适当的维修活动。既然上述停炉至多安排一年两次，检查通常最好每六个月执行一次，那么由于腐蚀和/或烧结导致的老化与发电厂上述运行或燃烧模式直接相关是不切实际的。
发明内容
因此本发明的目的为将大型燃烧设备中蒸汽发生器锅炉管的老化与该设备的运行方式相关联。根据权利要求1和6分别通过监测老化的方法和装置实现上述目的。进一步优选的实施例可由从属权利要求明显得到。
根据本发明，介绍一种用于锅炉管的在线老化监测，当燃烧设备运行时其以不同程度连续的方式判断老化或损耗。因此老化的评价不局限于停炉期的光学检验，且老化的速度或积聚可与该设备过去或当前的运行方式有关。提供一种合适的装置和测量技术，用于发射和接收在烟气区域内空间或体积导入和导出的测量信号，锅炉管置于该区域且暴露于来自燃烧过程中的烟气的破坏影响中。因此，恰好在影响锅炉管的环境条件下进行监测。
在本发明的有利具体实施方式中，合适的老化传感元件例如超声换能器，布置在导向具有破坏性烟气的烟气通道外侧，且本身不暴露于腐蚀性气体中。
在本发明优选的实施例中，使用一种超声波测量技术来检测锅炉管的老化，利用磨蚀和烧结都与不同成分的额外接触面或夹层的建立相关的事实，所述的不同成分都反射入射声波。与通过改变电阻获取与磨蚀相关的变化几何结构的电气测量比较，超声波测量是优越的。后者需要对测量的阻力进行大范围的数字修正以说明温度的影响，并且不允许检测非导电表面沉积物。超声波测量不受上述的约束。超声波探伤是一种标准的无损的试验技术，被用于各类工业中裂纹的质量检验，例如有缺陷的焊缝连接，浇注物和外壳的收缩腔。根据本发明，该技术适宜监测锅炉管的磨蚀状态。
在本发明的进一步优选的改进方案中，提供一种优选地由没有任何焊接接头的单片金属制成的测试管，其可在设置锅炉管的烟气区域内的空间或体积中延伸。该试验管没有过程的关联性，并且仅用于监测老化的进程，且有利地安装在烟气区域内的某个位置，该位置遭受如同锅炉管相同乃至更高的腐蚀性威胁，例如后者的上游，紧邻于燃烧区。
附图说明
参照如示意图所示优选的具体实施方式，本发明的内容将在下面文字部分进行详细地解释。
附图1是垃圾焚烧厂的主要组件；
附图2为具有在透射传输状态下运行的两个双元件超声传感器的测试管；
附图3为在脉冲/回波模式结构下运行的两个接触传感器检测的不同回声时间；
附图4为具有波导的单个超声换能器；
附图中使用的附图标记及其含义以摘要的形式列在符号表中。原则上，在附图中相同的部件使用相同的附图标记。
具体实施方式
工业超声波探伤一般使用的频率在500kHz至10MHz之间，并且是一种非常常见的非破坏性材料试验方法。利用穿过固体材料的声波传播检测金属、塑料和陶器内隐藏的裂缝、砂眼、孔隙以及任何其他的内部非连续性。当穿过材料的高方向性声能遇到另一种材料的边界时，一部分能量将被反射回来而另一部分将被穿透。换句话说，高频声波以预定的路径从微粒边界和裂纹反射，形成可被显示和记录的有区别的回波图案。超声波探伤法完全是非破坏性的和安全的，并且这是在众多生产和制造工业被沿用已久的试验方法。
用于工业超声波应用的典型传感器利用一种由压电陶瓷、合成物或聚合物制成的有源元件。当高压电脉冲激发该元件时，它以一种特殊的频率光谱振动并且产生一段声波。反之，当入射声波激发该元件时，它产生电脉冲。因为处于超声波频率的声能不能有效地穿过气体传播，通常在传感器和测试件之间使用耦合液体或凝胶的薄膜。接触传感器用于直接接触该测试件。它们垂直于表面引入声能，并且一般被用于定位空隙、砂眼和裂缝。双元件传感器在单个组件内利用分离的发射器和接收元件，并且在连续的脉冲-回波状态下进行测试。另一种技术被称为贯穿传输，在这里声能在置于样品相对侧的两个传感器之间传播。脉冲振幅、形状和阻尼可以被控制成最佳的传感器性能，并且接收器获取量和频带宽度可以被调整到最佳的信噪比。
如附图1所示为具有下述基本组件的垃圾焚烧厂。进料输入机构或传动装置10向炉膛11内供入生活或工业废物、垃圾或其它的碎片，并且将前者设置在支撑活动炉栅12上，从而形成废物床。炉栅12一般包括用于分散和混合废物，并且沿炉栅12向前运送废物的一些相对移动的炉栅板。可以设置辅助燃烧器13以启动或维持燃烧过程。燃烧后的烟气在烟气区域或炉膛11的烟气通道14的上游收集，并且导向锅炉或蒸汽发生器15。所述的垃圾焚烧厂还装备有用于检测锅炉15老化进程的适当的一套老化传感器4。测量数据作为电厂控制***5的一部分，在电厂优化软件中进行在线处理。
为了不失一般性，焚烧过程被废物分成四个连续横断的区域：干燥区20、用于热解和气化/挥发的第一燃烧区21、用于烧焦氧化或固体燃烧的残留区22以及灰处理/烧结区23。事实上在熔炉内这些区不是很好地被分隔，并且在一定程度上可以重叠。上述废物床之上定义为第二燃烧区或火焰带24，这里发生热解气体的均质气体相燃烧。主空气流30以不同量从炉栅下方送入上述四个区20、21、22、23。二次风31从所述炉栅上方进入以确保第二燃烧区24内的气体和热解产物完全燃烧。由于第二燃烧区24内部和上部的极端环境条件，所述传感元件4优选的本身没有设置在炉膛内，而是设置在所述烟气区域14的外侧。
附图2表示测试管40的纵向截面，该测试管布置在烟气区域14内且被垂直于所述测试管的锅炉管15a、15b围绕。测试管没有过程的关联性并且专门用于监测老化的进程。为此，所述试验管必须由与所述锅炉管相同的材料制成，至于它的几何结构，例如截面(圆形的、椭圆、正方形)可以与所述锅炉管中的一个不同。为了获得与在所述锅炉管中可比的温度，保持贯穿所述测试管的给水流。所述给水优选地从独立的水循环中提取，可以单独操作所述水循环从水/蒸汽循环流过锅炉。测试管安装在烟气区域中某个位置，该位置暴露在与锅炉管相同或甚至更高的腐蚀条件下。这保证了测试管的磨蚀始终可与锅炉管的磨蚀相比较，并且在最坏的情况下所述测试管将首先被损坏。
超声传感器元件或测量头41a、41b 41c和41d安装在测试管40的环形端面。为了壁免电子设备的热损伤和确保可靠运行，所述元件安装在距所述锅炉和烟气区域14一段距离处。在附图2的具体实施方式中，分离的发射器元件41a、41b和接收器元件41c、41d构成双元件传感器，所述双元件传感器在透射传输状态下运行并且受超声波控制器42控制。后者包括波/脉冲发生器、放大器和示波器或适合超声波检测与处理的其它装置。在这个结构中，接收器元件的信号强度可以被处理，以检测磨蚀损坏的增加。所述信号强度的削减取决于多种因素，其中测试管的几何形状直接受本发明试图鉴别的老化效果的影响。
附图3描述具有在脉冲/回波模式下运行的两个接触式传感器41a、41b的选择性实施例。超声波测试基本上是一种可比较的技术或借助恰当的校准，大多数消息源自于两个不同超声传送时间ta、tb的比较。假设，如附图3所示，由两个传感器检测的tb＞ta，这说明额外声音反射边界的存在，所述额外的声音反射边界与由传感器41a发射并检测的波相遇。正如附图3中第一附图所述，这样的边界可能归于局部，即在外管壁上形成的孔或凹陷的纵向非同性和非圆柱形对称的腐蚀效应。为了实现本发明的目的，超声波的传播可以包括如附图3第二附图描述的在测试管中的多次反射，而没有削弱所述方法的有益效果，但是可能需要额外的信号处理。在这种情况下，以沉积于锅炉管表面形式的烧结现象显而易见地影响超声波的传播时间ta或引起额外的反射。
两个传感器41a、41b显然还可以附到两个不同的管上。另一方面，单个传感器元件必须依赖于两个不同回波的出现，所述回波由声波的单个脉冲产生，即听觉上明显的回波优先于管相对端面传出的回波。
附图4描述了借助波导43的方法，将超声波测量装置41a置于烟气区域14的外侧且距受高温部分一段距离的选择方案。如果大多数可能的磨蚀点可预先被识别，例如通过计算流体动力学(CFD)模拟，则这种解决方案是有利的。接着，将波导的远端设置在紧邻这个位置的右侧，用于在相应的磨蚀危害点利用脉冲/回波原理专门临测局部管壁厚度。也有可能对超声波测量装置和波导使用可移动地安装，如附图4箭头所示。利用这种设置，有效的测量区域可扩展到监测管内大范围的位置或多个磨蚀危害点。
通过超声波装置检测磨蚀的另一种方法是使用非接触式发射/接收装置。通过在材料内激发机械波，例如声波的表面上的激光脉冲产生宽频超声波。所述波通过材料传播直到遇到边界。反射波将导致由激光选择的微小表面运动(“波动”)，此时在接收模式下运行。不变的样本将展示有区别的波形，该波形通过干涉量度学与最新的测量相比较。
最佳化软件允许产生和启动将锅炉腐蚀以及烧结和煤烟沉积降到最小的运行方式，所述软件与腐蚀监测的信号调制相关联，所述腐蚀监测利用电厂不同运行模式的参数进行。因此，可以根据电厂的实际条件调整维护间隔，从而可避免不希望的停炉期和提高电厂的经济效益。
符号表
10传动装置
11炉膛
12炉栅
13辅助燃烧器
14烟气区域
15锅炉
15a锅炉管
20干燥区
21第一燃烧区
22残留区
23灰处理区
24第二燃烧区
30主空气流
31二次风
4老化传感元件
40测试管
41a，b传感器元件
42传感器控制器
43波导
5控制***

Claims (10)

1、一种监测大规模燃烧设备蒸汽发生器锅炉管老化的方法，其中所述锅炉管(15a，15b)设置于烟气区域(14)内且暴露于来自燃烧过程的烟气中，其特征在于所述方法包括，当产生蒸汽时，接收和鉴定来自烟气区域(14)内部指示所述锅炉管(15a，15b)老化的信号。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于它包括通过位于所述烟气区域(14)外侧的老化传感元件(4)接收所述信号。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于它包括通过超声换能器(41a，41b)接收超声波信号。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于它包括接收来自设置于所述烟气区域(14)且暴露于所述烟气的测试管(40)的信号。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于它还包括将所述监测的老化与装置的运转状态相关联，并且如果必要的话调整后者。
6、一种监测大规模燃烧设备蒸汽发生器锅炉管老化的***，其中所述锅炉管(15a，15b)设置在烟气区域(14)内且暴露于燃烧过程的烟气中，其特征在于，所述***包括老化传感元件(4)，用于当产生蒸汽时接收和鉴定来自烟气体区(14)内部指示所述锅炉管(15a，15b)老化的信号。
7、根据权利要求6所述的***，其特征在于所述老化传感元件(4)设置在所述烟气区域(14)的外侧。
8、根据权利要求6所述的***，其特征在于所述老化传感元件(4)为超声换能器(41a，41b)。
9、根据权利要求6所述的***，其特征在于它包括设置在所述烟气区域(14)内且暴露于所述烟气中的分离的测试管(40)，其中所述老化传感元件接收来自所述测试管(40)的信号。
10、根据权利要求6所述的***，其特征在于所述燃烧设备为垃圾焚烧厂。
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