CN107167418A - 一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法及监测*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法及其***。锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法，从锅炉水冷壁处抽取贴壁烟气并采用洁净空气以不小于10的高倍率稀释，在线实时测取稀释烟气中CO、CO2浓度值CCO‑Dgas和CCO2‑Dgas，把CCO‑Dgas/CCO2‑Dgas或CCO2‑Dgas/CCO‑Dgas或CCO‑Dgas/(CCO‑Dgas+CCO2‑Dgas)或CCO2‑Dgas/(CCO‑Dgas+CCO2‑Dgas)作为特征值，表征当前水冷壁高温腐蚀速率，前述倍率为标准体积倍率。本发明能全面了解锅炉水冷壁高温腐蚀状况，为燃烧优化调整提供依据，进而提高电站锅炉运行的安全性、节约检修维护费用。

Description

一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法及监测***
技术领域
本发明涉及一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法及监测***，属于电站锅炉技术领域。
背景技术
近年来，随着锅炉向大容量、高参数发展，锅炉水冷壁温度相应提高，导致水冷壁高温腐蚀问题越趋严重；为了降低NOx的生成量，目前大多电厂采用分级送风或低氧燃烧，造成水冷壁附近区域易形成还原性气氛，进而导致水冷壁的高温腐蚀，水冷壁减薄至一定程度将造成锅炉爆管事故，对锅炉机组的安全经济运行构成严重威胁。
锅炉高温腐蚀主要分为硫酸盐型和硫化物型两种，前者多发生于过热器和再热器，后者多发生于炉膛水冷壁。硫化物型高温腐蚀的主要原因是煤粉在缺氧条件下燃烧产生H2S以及游离态硫[S]，其与管壁铁金属以及铁氧化物发生反应形成铁的硫化物，进一步腐蚀锅炉水冷壁并同时使氧化膜疏松、剥裂甚至脱落。
某研究表明，当炉膛水冷壁附近出现还原性气氛时，燃煤中的硫以H2S气体的形式释放出来的比例在75％以上；当CO/(CO+CO2)由8％上升到24％时，H2S气体浓度则由0.02％上升到0.07％，从而引起水冷壁的强烈腐蚀。
大量的运行分析发现，凡腐蚀严重的炉膛水冷壁，都在相应腐蚀区域的烟气成分中发现还原性气氛和浓度很高的H2S气体。H2S气体具有渗透作用，它可以透过疏松的Fe2O3，与较致密的磁性氧化铁Fe3O4中的FeO反应生成FeS。FeO保护膜破坏后，H2S气体还可以与管壁Fe发生反应生成FeS和H2。由于腐蚀产物FeS与FeO结构疏松多孔，不能阻止腐蚀介质的侵入，同时随着炉膛烟尘的冲刷，使得腐蚀不断向基体金属发展，腐蚀由外向内逐渐发展。管壁附近氧化性气氛与还原性气氛交替出现，生成的腐蚀产物重新氧化为铁的氧化物，其又可以继续与腐蚀介质发生反应，腐蚀不断加剧。
从水冷壁高温腐蚀的机理可知，还原性气氛是发生高温腐蚀的必要条件。因此，对水冷壁易发生高温腐蚀的区域进行还原性气氛监测，有助于运行人员及时发现问题并通过燃烧调整予以解决。但锅炉水冷壁附近烟气温度很高，含有大量粉尘，且需要测量多点，采用常规烟气取样分析***难以保证连续可靠监测。常规的烟气取样分析***如中国专利CN200810195414.9公开的内容，该专利公开了一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，包括采样***和采样控制与处理***，所述采样***包括烟气采样探管，在烟气采样探管之后接设置有温控装置的烟气采样探头保温盒，在探头保温盒之后连接有电伴热管、快速冷却器，之后分为两个支路，其中一路为烟气旁路，另一路依次连接样气隔断电磁阀、样气采样泵、标定/采样三通电磁阀、0.1μm陶瓷过滤器、样气调节针阀及流量计和烟气分析仪表；所述采样控制与处理***包括：可控制采样***运行的PLC；与烟气分析仪表通过数据线相接的数据采集器；与数据采集器通过数据线相连接的工控机。上述***过于复杂，不仅成本非常高，而且整个***运行可靠性不高，尤其阀门、采样泵等由于内部有活动部件极易受到粉尘的影响。
发明内容
为了解决现有技术中烟气取样分析***因过于复杂导致的成本高、可靠性低等问题，本发明提供一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法及其***。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法，从锅炉水冷壁处抽取贴壁烟气并采用洁净空气以不小于10的高倍率稀释，在线实时测取稀释烟气中CO、CO2浓度值CCO-Dgas和CCO2-Dgas，把CCO-Dgas/CCO2-Dgas或CCO2-Dgas/CCO-Dgas或CCO-Dgas/(CCO-Dgas+CCO2-Dgas)或CCO2-Dgas/(CCO-Dgas+CCO2-Dgas)作为特征值，表征当前水冷壁高温腐蚀速率，前述倍率为标准体积倍率。
申请人经研究发现，直接测量贴壁烟气成份表征水冷壁高温腐蚀速率面临着高温、高粉尘浓度等难以克服的困难，但采用洁净空气对烟气进行高倍率稀释，并以CO和CO2浓度的相对高低表征水冷壁高温腐蚀速率，较为容易实现。理论上，采用不含CO和CO2的气体对贴壁烟气任意比例稀释，不会改变CO和CO2浓度的相对高低，两者任意组成的上述比值能够反映贴壁烟气的还原性气氛强弱，从而为水冷壁高温腐蚀速率的估算提供依据。
为了简化***和节约成本，本申请采用洁净空气对贴壁烟气进行稀释，但由于空气中含有少量CO2，实测稀释烟气中CO和CO2浓度的相对高低与贴壁烟气还存在偏差。为了修正上述偏差、提高监测的准确性，同步实时测取洁净空气中CO2浓度值CCO2-air，用于修正稀释烟气中CO2浓度值CCO2-Dgas，修正方法为稀释烟气中CO2浓度实测值减去CCO2-air作为修正后CO2浓度值CCO2-Dgas。上述修正方法从数学运算上是一种近似算法，但精准度已能够满足工程需要。
为了方便监测，同时保证监测的准确性，优选，贴壁烟气采用10～100倍标准体积的洁净空气稀释。
上述锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法所用的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，包括烟气稀释处理支路、支路通断阀、稀释烟气母管、洁净空气母管、CO浓度测量元件和第一CO2浓度测量元件；
烟气稀释处理支路一端与水冷壁上的烟气采样孔相接、另一端与支路通断阀、稀释烟气母管顺序串接；洁净空气母管与烟气稀释处理支路相通；
CO浓度测量元件和第一CO2浓度测量元件均安装在稀释烟气母管上，分别用于测量稀释烟气母管中CO浓度值CCO-Dgas和CO2浓度值CCO2-Dgas。
为了提高监测的准确性，在洁净空气母管上装设第二CO2浓度测量元件，测取洁净空气中CO2浓度值CCO2-air，用于修正稀释烟气中CO2浓度值CCO2-Dgas。
优选，CO浓度测量元件、第一CO2浓度测量元件和第二CO2浓度测量元件均采用红外测量技术。本***的设计也正是基于现有的红外测量CO、CO2浓度的技术比较成熟，其具有使用寿命长、可靠性高、准确度高等优势。
为延长CO浓度测量元件和第一CO2浓度测量元件的使用寿命，提高上述***的可靠性，烟气稀释处理支路包括依次相接的高温除尘段、低温冷凝段、抽取稀释段和稀释烟气输送段，锅炉水冷壁上的烟气采样孔、高温除尘段、低温冷凝段、抽取稀释段、稀释烟气输送段、支路通断阀和稀释烟气母管顺序相接，洁净空气母管与抽取稀释段相通。这样可获得低粉尘、低湿度的低温稀释烟气，为准确可靠测量提供良好条件。
水冷壁是锅炉的主要受热部分，水冷壁上的烟气采样孔用于烟气的采样检测；水冷壁上设有保温层是行内的常识。
为了进一步保证***的寿命和监测的准确性，高温除尘段设有粉尘沉降室和耐高温过滤器，粉尘沉降室和耐高温过滤器均设在水冷壁保温层内部，锅炉水冷壁上的烟气采样孔、粉尘沉降室、耐高温过滤器和低温冷凝段顺序相接。粉尘沉降室和耐高温过滤器均设在水冷壁保温层内部，以避免烟气中的水蒸气冷凝。
优选，耐高温过滤器为陶瓷过滤器。
优选，低温冷凝段设在水冷壁保温层外，与空气直接接触。
为了进一步保证***的寿命和监测的准确性，锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，还包括洁净空气输送管，洁净空气输送管一端与洁净空气母管相接、另一端与支路通断阀相接；低温冷凝段包括冷凝水积存罐和烟气输送管，耐高温过滤器和冷凝水积存罐相接，洁净空气输送管内径大于烟气输送管外径，烟气输送管一端与冷凝水积存罐相接、另一端***洁净空气输送管内、且不到洁净空气输送管的端部；洁净空气输送管内烟气输送管端部前后5～50cm的部分为抽取稀释段，洁净空气输送管抽取稀释段下游的部分为稀释烟气输送段。
本申请上游到下游的方向与气体的流动方向一致。
进一步优选，烟气输送管***洁净空气输送管的部分与洁净空气输送管同心布置、且与水平面垂直。
优选，上述洁净空气为经过除尘、除湿的压缩空气。当支路通断阀打开时，内圆管段(烟气输送管)在外圆管段(洁净空气输送管)压缩空气射流作用下，抽吸贴壁烟气，同时起到稀释作用，而冷凝水被吸附在内圆管段内壁面上，重力作用下向下流动；当支路通断阀关闭时，外圆管段压缩空气经内圆管段逆流回炉膛，一方面把高温除尘段、低温冷凝段的积灰和积液带回炉膛，另一方面冷却烟气采样孔，防止烟气采样孔处结焦堵塞。
烟气输送管***洁净空气输送管、且低于洁净空气输送管，也即烟气输送管一端与冷凝水积存罐连接、一端***洁净空气输送管内，烟气输送管***洁净空气输送管的一端低于洁净空气输送管，烟气输送管内贴壁烟气被洁净空气输送管内的洁净空气冷却，在与洁净空气混合前绝大部分水份可脱除。
当相应支路通断阀打开时，抽取贴壁烟气，烟气中的水份在管路中冷凝，暂存储在冷凝水积存罐中；待当前支路通断阀关闭，上述洁净空气向炉膛逆流，经冷凝水积存罐时湿度增大，从而逐步把积液以气态形式带回炉膛，避免积液直接冲至耐高温过滤器上造成微孔堵塞。
为了提高控制的准确性和方便性，优选，支路通断阀为电磁阀。
为了实现烟气稀释浓度可调，在洁净空气母管上游装设压缩空气调压阀，通过压力调整改变烟气稀释倍率。
为了延长设备的寿命，烟气采样孔开设在易发生高温腐蚀区域的水冷壁鳍片上，烟气采样孔、烟气稀释处理支路和支路通断阀的数量均为两个以上，每个烟气采样孔依次对应连接一路烟气稀释处理支路和一路支路通断阀。
上述***对若干烟气采样孔进行巡测，当巡测某一烟气采样孔时，仅打开当前支路上的支路通断阀，也即其他支路通断阀全部处于关闭状态。
优选，烟气采样孔在锅炉水冷壁易发生高温腐蚀的水冷壁鳍片上呈矩阵布置，相邻两烟气采样孔的间距为1～3m。
为了提高上述特征值与高温腐蚀速率的相关性，锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，还包括监控平台，监控平台用于显示当前***工作状态，并显示各烟气采样孔的特征值的大小，对相应位置的高温腐蚀速率和高温腐蚀程度进行自动在线评价。
本发明锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***具有自动和手动两种工作状态，自动状态下本***自动完成巡测，手动状态下使用人员可以选取其中某些烟气采样孔进行单测或巡测。燃烧优化调整时，选取自动巡测状态下发现的高温腐蚀区域，进行针对性的调整试验，从而提高工作效率，对于一直未监测到还原性气氛的水冷壁区域，可以不再进行采样，以缩短每次巡测的时间。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法及其***，对贴壁烟气进行高倍率稀释，经除尘、除湿和抽取等工艺环节后，测量稀释烟气中CO、CO2浓度值，以CO和CO2浓度的相对高低表征水冷壁高温腐蚀速率，简单、可靠；对水冷壁易发生高温腐蚀区域进行多点巡测，全面了解锅炉水冷壁高温腐蚀状况，为燃烧优化调整提供依据，进而提高电站锅炉运行的安全性、节约检修维护费用。
附图说明
图1是本发明实施例1锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***的原理图。
图2是本发明实施例1中锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测区域的示意图。
上述各图中，1为水冷壁，2为鳍片，3为支路通断阀，4为稀释烟气母管，5为洁净空气母管，6为调压阀，7为粉尘沉降室，8为耐高温过滤器，9为冷凝水积存罐，10为烟气采样孔，11为高温除尘段，12为低温冷凝段，13为抽取稀释段，14为稀释烟气输送段，15为易发生高温腐蚀区域，16为保温层，17为燃尽风中心线，20为CO浓度测量元件，21为第一CO2浓度测量元件，22为第二CO2浓度测量元件。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法，从锅炉水冷壁处抽取贴壁烟气并采用洁净空气以10～100的高倍率稀释，在线实时测取稀释烟气中CO、CO2浓度值CCO-Dgas和CCO2-Dgas，把CCO-Dgas/CCO2-Dgas或CCO2-Dgas/CCO-Dgas或CCO-Dgas/(CCO-Dgas+CCO2-Dgas)或CCO2-Dgas/(CCO-Dgas+CCO2-Dgas)作为特征值，表征当前水冷壁高温腐蚀速率，前述倍率为标准体积倍率；
同步实时测取洁净空气中CO2浓度值CCO2-air，用于修正稀释烟气中CO2浓度值CCO2-Dgas，修正方法为稀释烟气中CO2浓度实测值减去CCO2-air作为修正后CO2浓度值CCO2-Dgas。
上述锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法所用的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***包括：烟气稀释处理支路、支路通断阀、稀释烟气母管、洁净空气母管、CO浓度测量元件、第一CO2浓度测量元件和第二CO2浓度测量元件；
烟气稀释处理支路一端与水冷壁上的烟气采样孔相接、另一端与支路通断阀、稀释烟气母管顺序串接；洁净空气母管与烟气稀释处理支路相通；
CO浓度测量元件和第一CO2浓度测量元件均安装在稀释烟气母管上，分别用于测量稀释烟气母管中CO浓度值CCO-Dgas和CO2浓度值CCO2-Dgas；第二CO2浓度测量元件安装在洁净空气母管上，测取洁净空气中CO2浓度值CCO2-air，用于修正稀释烟气中CO2浓度值CCO2-Dgas；CO浓度测量元件、第一CO2浓度测量元件和第二CO2浓度测量元件均采用红外测量技术。
烟气稀释处理支路包括依次相接的高温除尘段、低温冷凝段、抽取稀释段和稀释烟气输送段，锅炉水冷壁上的烟气采样孔、高温除尘段、低温冷凝段、抽取稀释段、稀释烟气输送段、支路通断阀和稀释烟气母管顺序相接，洁净空气母管与抽取稀释段相通；
高温除尘段设有粉尘沉降室和耐高温过滤器，粉尘沉降室和耐高温过滤器均设在水冷壁保温层内部，锅炉水冷壁上的烟气采样孔、粉尘沉降室、耐高温过滤器和低温冷凝段顺序相接；耐高温过滤器为陶瓷过滤器；
低温冷凝段设在水冷壁保温层外，与空气直接接触。锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，还包括洁净空气输送管，洁净空气输送管一端与洁净空气母管相接、另一端与支路通断阀相接；低温冷凝段包括冷凝水积存罐和烟气输送管，耐高温过滤器和冷凝水积存罐相接，洁净空气输送管内径大于烟气输送管外径，烟气输送管一端与冷凝水积存罐相接、另一端***洁净空气输送管内、且不到洁净空气输送管的端部；洁净空气输送管内烟气输送管端部前后30cm的部分为抽取稀释段，洁净空气输送管抽取稀释段下游的部分为稀释烟气输送段；烟气输送管***洁净空气输送管的部分与洁净空气输送管同心布置、且与水平面垂直。
上述支路通断阀为电磁阀。洁净空气母管上游装设有压缩空气调压阀，通过压力调整改变烟气稀释倍率。
烟气采样孔开设在易发生高温腐蚀区域的水冷壁鳍片上，烟气采样孔、烟气稀释处理支路和支路通断阀的数量均为两个以上，每个烟气采样孔依次对应连接一路烟气稀释处理支路和一路支路通断阀；烟气采样孔在锅炉水冷壁易发生高温腐蚀的水冷壁鳍片上呈矩阵布置，相邻两烟气采样孔的间距为1～3m。
660MW超超临界燃煤机组锅炉采用前后墙对冲的燃烧方式，在两侧墙中间部位、燃尽风中心线标高位置附近及上方6米范围内易产生高温腐蚀，水冷壁管减薄速率达2mm/年，严重威胁机组的安全运行。根据检修期间检查情况，划定两侧墙易发生高温腐蚀的区域，总宽度为10m，总高度为12.5m，两侧墙对称。为了缩短连接管路，同时缩短巡测周期，每面侧墙安装一套本发明的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***；每面侧墙布置25个烟气采样孔，水平方向间距2m，竖直方向间距2.5m。本***的原理图见图1，所监测区域的示意图见图2。
锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***投入后，共监测到16个烟气采样孔处CO与CO2浓度比值CCO-Dgas/CCO2-Dgas超过0.5，说明相应区域还原性较强，通过燃烧优化调整，最终实现所有烟气采样点处的CO与CO2浓度比值小于0.5，其中超过90％小于0.2，从而基本消除了水冷壁强还原性气氛区域，达到了大幅减缓水冷壁高温腐蚀速率的目的。
实施例2
与实施例1基本相同，所不同的是：安装于300MW亚临界燃煤机组，锅炉采用四角切圆燃烧方式，水冷壁四面墙均布置烟气采样孔，对角安装两套本发明的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***。
实施例3
与实施例1基本相同，所不同的是：锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，还包括监控平台，监控平台用于显示当前***工作状态，并显示各烟气采样孔的特征值的大小，对相应位置的高温腐蚀速率和高温腐蚀程度进行自动在线评价。

Claims (10)

1.一种锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法，其特征在于：从锅炉水冷壁处抽取贴壁烟气并采用洁净空气以不小于10的高倍率稀释，在线实时测取稀释烟气中CO、CO2浓度值CCO-Dgas和CCO2-Dgas，把CCO-Dgas/CCO2-Dgas或CCO2-Dgas/CCO-Dgas或CCO-Dgas/(CCO-Dgas+CCO2-Dgas)或CCO2-Dgas/(CCO-Dgas+CCO2-Dgas)作为特征值，表征当前水冷壁高温腐蚀速率，前述倍率为标准体积倍率。
2.如权利要求1所述的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法，其特征在于：同步实时测取洁净空气中CO2浓度值CCO2-air，用于修正稀释烟气中CO2浓度值CCO2-Dgas，修正方法为稀释烟气中CO2浓度实测值减去CCO2-air作为修正后CO2浓度值CCO2-Dgas。
3.如权利要求1或2所述的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法，其特征在于：贴壁烟气采用10～100倍标准体积的洁净空气稀释。
4.权利要求1-3任意一项所述的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测方法所用的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，其特征在于：包括烟气稀释处理支路、支路通断阀、稀释烟气母管、洁净空气母管、CO浓度测量元件和第一CO2浓度测量元件；
烟气稀释处理支路一端与锅炉水冷壁上的烟气采样孔相接、另一端与支路通断阀、稀释烟气母管顺序串接；洁净空气母管与烟气稀释处理支路相通；
CO浓度测量元件和第一CO2浓度测量元件均安装在稀释烟气母管上，分别用于测量稀释烟气母管中CO浓度值CCO-Dgas和CO2浓度值CCO2-Dgas。
5.如权利要求4所述的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，其特征在于：在洁净空气母管上装设第二CO2浓度测量元件，测取洁净空气中CO2浓度值CCO2-air，用于修正稀释烟气中CO2浓度值CCO2-Dgas。
6.如权利要求4或5所述的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，其特征在于：烟气稀释处理支路包括依次相接的高温除尘段、低温冷凝段、抽取稀释段和稀释烟气输送段，锅炉水冷壁上的烟气采样孔、高温除尘段、低温冷凝段、抽取稀释段、稀释烟气输送段、支路通断阀和稀释烟气母管顺序相接，洁净空气母管与抽取稀释段相通。
7.如权利要求6所述的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，其特征在于：高温除尘段设有粉尘沉降室和耐高温过滤器，粉尘沉降室和耐高温过滤器均设在水冷壁保温层内部，锅炉水冷壁上的烟气采样孔、粉尘沉降室、耐高温过滤器和低温冷凝段顺序相接；低温冷凝段设在水冷壁保温层外，与空气直接接触。
8.如权利要求7所述的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，其特征在于：还包括洁净空气输送管，洁净空气输送管一端与洁净空气母管相接、另一端与支路通断阀相接；低温冷凝段包括冷凝水积存罐和烟气输送管，耐高温过滤器和冷凝水积存罐相接，洁净空气输送管内径大于烟气输送管外径，烟气输送管一端与冷凝水积存罐相接、另一端***洁净空气输送管内、且不到洁净空气输送管的端部；洁净空气输送管内烟气输送管端部前后5～50cm的部分为抽取稀释段，洁净空气输送管抽取稀释段下游的部分为稀释烟气输送段。
9.如权利要求4或5所述的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，其特征在于：在洁净空气母管上游装设压缩空气调压阀，通过压力调整改变烟气稀释倍率。
10.如权利要求4或5所述的锅炉水冷壁高温腐蚀在线监测***，其特征在于：烟气采样孔开设在易发生高温腐蚀区域的水冷壁鳍片上，烟气采样孔、烟气稀释处理支路和支路通断阀的数量均为两个以上，每个烟气采样孔依次对应连接一路烟气稀释处理支路和一路支路通断阀；烟气采样孔在锅炉水冷壁易发生高温腐蚀的水冷壁鳍片上呈矩阵布置，相邻两烟气采样孔的间距为1～3m；还包括监控平台，监控平台用于显示当前***工作状态，并显示各烟气采样孔的特征值的大小，对相应位置的高温腐蚀速率和高温腐蚀程度进行自动在线评价。
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