CN102353720A - 一种锅炉对流受热面灰污监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了燃烧在线监测技术领域中的一种锅炉对流受热面灰污监测方法及装置。本发明的装置包括声波导管、声波接收器、声波发生器、信号调理器、接线盒、输入输出装置、功率放大器和工控机；首先，工控机发送产生声波信号，经功率放大器放大后送至声波发生器；然后，声波发生器发出声波，声波经声波导管传播到锅炉炉膛内，声波接收器接收到锅炉炉膛的声波返回信号，将其传至工控机；之后，工控机测量出声波飞渡时间，进而求得锅炉烟气侧温度；最后，求得实际换热系数，最终得到灰污系数。本发明采用非接触式测量，可应用在高温、多尘和污染的环境；此装置操作简单，提供清晰简单的可视化界面。

Description

一种锅炉对流受热面灰污监测方法及装置

技术领域

本发明属于燃烧在线监测技术领域，尤其涉及一种锅炉对流受热面灰污监测方法及装置。

背景技术

火力发电机组锅炉在正常运行时，燃料多为固体燃料(如煤)或者含灰份的液体燃料，由高温烟气夹带的熔化或部分熔化的粘性颗粒碰撞在炉墙或受热面则造成结渣，而温度低于灰熔点的灰粒在受热面上沉积则造成积灰，一旦锅炉受热面形成积灰或者结渣，受热面的换热能力降低，工质吸热量减少，烟气侧温度升高，影响锅炉的经济性，降低发电厂效率，严重则导致意外停炉，直接危及锅炉的运行安全。

为解决上述由锅炉对流受热面灰污带来的问题，各电厂都配有吹灰器。电厂通过定时定量的吹灰方式清扫锅炉对流受热面的灰污，此种方法常常使受热面吹灰过于频繁或者吹灰力度不够。吹灰过于频繁，不仅浪费吹灰所使用的工质，而且致使受热面机械疲劳和热疲劳加剧，受热面的寿命降低；吹灰力度不够，不仅会造成受热面灰污状况加剧，而且容易致使受热面形成难以清除掉渣层。

发明内容

针对上述背景技术中提到目前对流受热面灰污监测的不足，本发明提出一种锅炉对流受热面灰污监测方法及装置。

本发明的技术方案是，一种锅炉对流受热面灰污监测装置，其特征是该装置包括声波导管、声波接收器、声波发生器、信号调理器、接线盒、输入输出装置、功率放大器和工控机；

所述声波导管的一端和锅炉水冷壁连接；声波导管的另一端和声波发生器连接；声波接收器放置在声波导管上；声波接收器和信号调理器连接；信号调理器和接线盒连接；接线盒分别与输入输出装置和功率放大器连接；输入输出装置和工控机连接；功率放大器和声波发生器连接。

一种灰污监测的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：工控机发送产生声波信号，该信号经功率放大器放大后送至声波发生器；

步骤2：声波发生器发出声波，声波经声波导管传播到锅炉炉膛内，声波接收器接收到锅炉炉膛的声波返回信号，经信号调理器、接线盒和输入输出设备传至工控机；

步骤3：工控机接收到信号后测量出声波飞渡时间，进而求得锅炉烟气侧平均温度；

步骤4：通过锅炉烟气侧平均温度求得实际换热系数，最终得到灰污系数。

锅炉烟气侧平均温度的计算公式为：

$T=\frac{D^2}{{\mathrm{B\τ}}^2}\·{10}^6-273.16$

其中：

T为锅炉烟气侧平均温度；

D为声波发生器和声波接收器之间距离；

B为声音常数；

τ为声波飞渡时间。

所述实际换热系数的计算公式为：

K′＝B_jQ_dc/(ΔtH)

其中：

K′为实际换热系数；

B_j为燃料量；

Q_dc为对流换热量；

Δt为对数平均温差；

H为对流换热面积。

所述对流换热量Q_dc的计算公式为：

其中：

I′为受热面进口处烟气的焓值；

I″为受热面出口处烟气的焓值；

为漏风带入的空气的焓值；

Δα为过量空气系数。

所述灰污系数的计算公式为：

$\mathrm{DC}=1-\frac{K^{\′}}{K}$

其中：

DC为灰污系数；

K为理论换热系数。

本发明的有益效果为：非接触式测量，可应用在高温、多尘和污染的环境；量化锅炉各对流受热面的污染程度，为锅炉对流受热面的吹灰提供指导，避免因定时定量吹灰带来的经济损失；此装置操作简单，提供清晰简单的可视化界面。

附图说明

图1为灰污受热面传热过程；

图2为锅炉烟气侧温度测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的目的在于解决锅炉对流受热面灰污监测，进而提供一种锅炉对流受热面灰污监测方法及装置。

本发明的实现依赖于硬件和软件两部分。本发明全部流程由主程序控制，主程序基于Labview软件，包括声波的产生信号、声波的接收、声波飞渡时间测量和锅炉烟气侧温度计算。

本发明的步骤如下：

步骤1：工控机发送产生声波信号，该信号经功率放大器放大后送至声波发生器；

步骤2：声波发生器发出声波，声波经声波导管传播到锅炉炉膛内，声波接收器接收到锅炉炉膛的声波返回信号，经信号调理器、接线盒和输入输出设备传至工控机；

步骤3：工控机接收到信号后测量出声波飞渡时间，进而求得锅炉烟气侧平均温度；

步骤4：通过锅炉烟气侧平均温度求得实际换热系数，最终得到灰污系数。

本发明的原理在于：基于经典的简单顺流及逆流换热器的换热模型，直接利用声学测温技术获取烟气侧进口和出口温度，来建立一种对流受热面灰污监测***。用声学测温技术直接测量高温对流受热面的烟气侧进出口温度。通过建立简单顺流及逆流换热器的换热模型，把受热面清洁吸热量和实际吸热量的比较，转化为清洁换热系数和实际吸热系数的比较。

可以在高温过热器、高温再热器的烟气进出口分别布置单路径声波测温仪，因为该处的烟温大都在700摄氏度以上，使用热电偶实时监测将非常困难。其余的可用已有的热电偶测点测出进出口烟温，即在热平衡计算中，在已知对流受热面进出口烟温，工质侧进出口等参数的基础上，推导出烟气在不积灰、积灰两种条件下对流受热面换热系数，最后求得灰污特征参数。

锅炉烟气侧平均温度的计算公式为：

$T=\frac{D^2}{{\mathrm{B\τ}}^2}\·{10}^6-273.16$

其中：

T为锅炉侧烟气平均温度，单位℃；

D为声波发生器和声波接收器之间距离，单位m；

B为声音常数；

τ为声波飞渡时间，ms。

要推算受热面在没有积灰的理想状况下的换热系数，可以分析热量是如何分步从烟气传递给管内工质的，如图1。

(1)高温烟气通过对流和辐射换热方式向灰污外表面换热，用对流换热系数α_d和烟气对管壁的辐射换热系数α_f之和α₁＝α_d+α_f来进行计算总换热系数α₁；

(2)灰污层的导热热阻，用灰污层的厚度δ_h和灰污层导热系数λ_h进行计算；

(3)管壁金属的导热热阻，用管壁厚度δ_m和金属导热系数λ_m进行计算；

(4)水垢层的导热热阻，用水垢层的厚度δ_g和水垢导热系数λ_g进行计算；

(5)管内表面对工质的对流换热用管内工质对流换热系数α₂进行计算。整个换热过程的换热热阻R即由上述5部分热阻叠加而成：

$R=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1}+\frac{{\mathrm{\δ}}_h}{{\mathrm{\λ}}_h}+\frac{{\mathrm{\δ}}_m}{{\mathrm{\λ}}_m}+\frac{{\mathrm{\δ}}_g}{{\mathrm{\λ}}_g}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2}$

换热热阻的倒数即为换热系数K_h(KW/m²·℃)，一般表达式为：

$K_h=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1}+\frac{{\mathrm{\δ}}_h}{{\mathrm{\λ}}_h}+\frac{{\mathrm{\δ}}_m}{{\mathrm{\λ}}_m}+\frac{{\mathrm{\δ}}_g}{{\mathrm{\λ}}_g}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2}}$

从实际换热过程中的热阻状况分析，管壁金属的热阻很小，可忽略不计。现代锅炉从安全性考虑，要求严格的给水化学处理，不允许在受热面上结水垢，则水垢的热阻也可忽略不计。灰污层的热阻是个相当复杂的问题，影响因素很多，如燃料种类、灰粒尺寸、烟气流速、管子直径及布置方式等。

在无积灰状况下的理想换热系数可表示为：

$K=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2}}$

由于炉内烟气冲刷管束的方式不同，可分为以下二种情况：

蒸汽横向冲刷顺列管束，此时的对流换热系数α_dhs：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{dhs}}=0.02\frac{\mathrm{\λ}}{d}{C}_s{C}_z{\mathrm{Re}}^{0.65}{\mathrm{Pr}}^{0.33}$

其中：

λ为平均温度下烟气的导热系数，单位KW/(m²g℃)；

d为定型尺寸，单位m；

C_s为管束几何布置方式的修正系数；

C_z为烟气行程方向上管子排数的修正系数；

Re为雷诺数；

Pr为普朗特数。

蒸汽横向冲刷错列管束，此时的对流换热系数α_dhc：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{dhc}}=\frac{\mathrm{\λ}}{d}{C}_s{C}_z{\mathrm{Re}}^{0.6}{\mathrm{Pr}}^{0.33}$

α_f为烟气对管壁的辐射换热系数，按下式计算：

${\mathrm{\α}}_f=4.9\×{10}^{-8}\frac{a_b+1}{2}a{T}_a^3\frac{1-{(T_b/T_a)}^{3.6}}{1-(T_b/T_a)}$

其中：

a_b为管壁的黑度，可取为0.82；

a为烟气黑度；

T_a为烟气侧绝对温度，单位K；

T_b为受热面管壁外侧温度，单位K。

蒸汽纵向冲刷管子对热系数α_dz按下式计算：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{dz}}=0.023\frac{\mathrm{\λ}}{d_{\mathrm{dl}}}{C}_t{C}_l{\mathrm{Re}}^{0.8}{\mathrm{Pr}}^{0.4}$

其中：

λ为流体的导热系数，单位kW/(m²g℃)；

d_dl为定型尺寸，单位m；

C_t当管内为烟气且被冷却或管内为蒸汽和水且被加热时为1；

C_l为相对长度的修正系数；

Re为雷诺数；

Pr为普朗特数。

由工质进、出口温度和烟气进、出口温度按下式算出对数平均温差：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_d-\mathrm{\Δ}{t}_x}{\ln \frac{\mathrm{\Δ}{t}_d}{\mathrm{\Δ}{t}_x}}$

式中：

Δt为对数平均温差，由锅炉侧烟气温度求得，单位℃；

Δt_d为受热面中具有较大温差的那一端的介质温度差，单位℃；

Δt_x为受热面中具有较小温差的那一端的介质温度差，单位℃。

其中，烟气侧进、出口温度由声波测温获得，工质进、出口温度由电厂DCS数据库获得。

当

时，温差可按下式计算：

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{2}(\mathrm{\Δ}{t}_d+\mathrm{\Δ}{t}_x)$

求出换热温差，可以得到受热面的实际换热系数K′：

K′＝B_jQ_dc/(ΔtH)

式中：

Q_dc为对流换热量，单位KJ/Kg；

K′为实际换热系数，单位KW/m²g℃；

为保温系数；

I′为受热面进口处烟气的焓值，单位KJ/Kg；

I″为受热面出口处烟气的焓值，单位KJ/Kg；

为漏风带入的空气的焓值，单位KJ/Kg；

Δα为过量空气系数；

H为受热面积，单位m²。

则，灰污特征参数为：

$\mathrm{DC}=1-\frac{K^{\′}}{K}$

式中：

DC为灰污系数；

K′为实际换热系数，单位KW/(m²g℃)；

K为理论换热系数，即不积灰时的换热系数，单位KW/(m²g℃)。

灰污系数DC(Deposition Coefficient)用来描述受热面的清洁程度。当受热面清洁时DC＝0，DC大于0则表明受热面受到污染，越大则表明受热面积灰污染越严重。用灰污系数DC表示换热面的污染状态，可以直接反映出换热面受沾污影响的大小。

本发明的硬件结构如图2所示，包括声波导管、声波接收器、声波发生器、信号调理器、接线盒、输入输出装置、功率放大器和工控机；

声波导管的一端和锅炉水冷壁连接；声波导管的另一端和声波发生器连接；声波接收器放置在声波导管上；声波接收器和信号调理器连接；信号调理器和接线盒连接；接线盒分别与输入输出装置和功率放大器连接；输入输出装置和工控机连接；功率放大器和声波发生器连接。

当锅炉对流受热面烟气测温度低于700℃(如省煤器外侧烟气)，在锅炉对流受热面四周对称安装热电偶，采集锅炉对流受热面烟气侧温度，传输并保存到数据库SQL***中。

工控机中的主程序是整个监测***的核心，装载LABVIEW软件和Matlab软件，为用户提供良好的可视化界面，界面提供各受热面的灰污系数、历史数据和趋势线。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种锅炉对流受热面灰污监测装置，其特征是该装置包括声波导管、声波接收器、声波发生器、信号调理器、接线盒、输入输出装置、功率放大器和工控机；

所述声波导管的一端和锅炉的水冷壁连接；声波导管的另一端和声波发生器连接；声波接收器放置在声波导管上；声波接收器和信号调理器连接；信号调理器和接线盒连接；接线盒分别与输入输出装置和功率放大器连接；输入输出装置和工控机连接；功率放大器和声波发生器连接。

2.一种使用权利要求1所述的装置对锅炉对流受热面进行灰污监测的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：工控机发送产生声波信号，该信号经功率放大器放大后送至声波发生器；

步骤2：声波发生器发出声波，声波经声波导管传播到锅炉炉膛内，声波接收器接收到锅炉炉膛的声波返回信号，经信号调理器、接线盒和输入输出设备传至工控机；

步骤3：工控机接收到信号后测量出声波飞渡时间，进而求得锅炉烟气侧平均温度；

步骤4：通过锅炉烟气侧平均温度求得实际换热系数，最终得到灰污系数。

3.根据权利要求2所述的灰污监测的方法，其特征是所述锅炉烟气侧平均温度的计算公式为：

$T=\frac{D^2}{{\mathrm{B\τ}}^2}\·{10}^6-273.16$

其中：

T为锅炉烟气侧平均温度；

D为声波发生器和声波接收器之间距离；

B为声音常数；

τ为声波飞渡时间。

4.根据权利要求3所述的灰污监测的方法，其特征是所述实际换热系数的计算公式为：

K′＝B_jQ_dc/(ΔtH)

其中：

K′为实际换热系数；

B_j为燃料量；

Q_dc为对流换热量；

Δt为对数平均温差；

H为对流换热面积。

5.根据权利要求4所述的灰污监测的方法，其特征是所述对流换热量Q_dc的计算公式为：

其中：

I′为受热面进口处烟气的焓值；

I″为受热面出口处烟气的焓值；

为漏风带入的空气的焓值；

Δα为过量空气系数。

6.根据权利要求4所述的灰污监测的方法，其特征是所述灰污系数的计算公式为：

$\mathrm{DC}=1-\frac{K^{\′}}{K}$

其中：

DC为灰污系数；

K为理论换热系数。

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