CN114088253A - 一种水冷壁背火侧热流计及在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水冷壁背火侧热流计及在线监测方法，包括：至少两个磁吸附件、连接件和热电偶；所述两个磁吸附件间隔设定距离设置，连接件的两端与两个磁吸附件分别连接；所述连接件底部设有至少一组热电偶通孔，热电偶自所述通孔引出并与输出端子连接。本发明水冷壁背火侧热流计采用三点式测温设计，采用吸附方式与水冷壁管连接，基本不会破坏水冷壁管的结构，可在保持水冷壁结构完整的情况下测量其热流密度；具有安装简单，拆卸方便、定位精度高、成本低的优势。
Description
技术领域
本发明涉及锅炉水冷壁热流测量技术领域，尤其涉及一种水冷壁背火侧热流计及在线监测方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前，市面上存在锅炉水冷壁热流测量装置主要有两种形式。
一是采用水冷式热流计，该类热流计利用冷却水建立稳定的冷端温度，通过标定获得温差与热流密度间的关系，具有稳定性好，精度高的特点。然而该热流计水冷***复杂，热流计体积较大，在水冷壁安装时需要开孔，破坏了原有水冷壁结构，安装成本高，运营维护困难，不适于在水冷壁上大量安装，尤其对于超临界机组水冷壁会带来安全隐患。
二是采用背火侧温差式热流计，通常在水冷壁背火侧冷、热端安装两只热电偶，通过温差获得水冷壁热流密度。然而该温差式热流计的温差不仅与热流密度相关，还与工质温度、材料物性、积灰结渣等多种因素有关，同样的温差往往对应着多个热流密度值，测量数据很难满足要求。同时，由于水冷壁实际结构往往存在差异，这一差异也会对背火侧温差式热流计的测量精度产生影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种水冷壁背火侧热流计及在线监测方法，基于三点式水冷壁背火侧热流计，解决了水冷壁结构不确定性对水冷壁温差测量精度的影响；基于计算流体动力学仿真模拟(以下简称CFD)计算矫正热流计温差-热流关系的方法，解决了背火侧接触式热流计固有的温差-热流多值对应关系无法判断的问题。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种水冷壁背火侧热流计，包括：至少两个磁吸附件、连接件和热电偶；所述两个磁吸附件间隔设定距离设置，连接件的两端与两个磁吸附件分别连接；所述连接件底部设有至少一组热电偶通孔，热电偶自所述通孔引出并与输出端子连接。
作为进一步地方案，每一组热电偶通孔包括三个通孔，高温热电偶、中温热电偶和低温热电偶分别自相对应的通孔引出并与输出端子连接。
作为进一步地方案，相邻两个水冷壁管之间的鳍片管上设有凹槽，高温热电偶的探头端***所述凹槽内，并通过点焊方式固定。
作为进一步地方案，中温热电偶和低温热电偶的探头端与水冷壁采用物理压紧方式连接。
作为进一步地方案，所述中温热电偶压紧在水冷壁管与鳍片管的焊接位置处，所述低温热电偶压紧在所述水冷壁管的管道中轴线位置处。
作为进一步地方案，所述磁吸附件的形状与水冷壁管的形状相适配，能够吸附在水冷壁管上。
作为进一步地方案，还包括：数据处理单元，用于根据热电偶测得的温度数据计算热流计安装点的热流密度、灰渣厚度、工质温度和清洁因子，所述安装点包括高温测点、中温测点和低温测点。
作为进一步地方案，所述数据处理单元的工作过程具体包括：
基于最小误差原理，利用热电偶测量得到的水冷壁不同位置的温度值，以及水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库，得到t时刻所述温度值对应测点的水冷壁热流密度Qt和工质温度Tft；进而得到设定工质温度区间下的清洁因子和水冷壁灰渣厚度；
其中，所述水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库的建立过程包括：
使用CFD计算水冷壁在不同边界条件下，热流计安装测点处的温度模拟值；所述边界条件包括热流密度和工质温度的组合；
基于计算结果，建立不同水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库。
作为进一步地方案，进而得到设定工质温度区间下的清洁因子和水冷壁灰渣厚度，具体包括：
在给定锅炉负荷条件下，确定设定工质温度区间内的热流计测量的高温测点和低温测点的最大温差，此时对应的热流密度为清洁壁面时的热流密度Qt,max；
基于所述水冷壁热流密度Qt，以及所述热流密度Qt,max的比值，得到t时刻的清洁因子；
基于所述水冷壁热流密度Qt、热流密度Qt,max和最大温差，得到水冷壁灰渣厚度。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于上述的水冷壁背火侧热流计的热流密度和工质温度在线监测方法，包括：
基于最小误差原理，利用热电偶测量得到的水冷壁不同位置的温度值，以及水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库，得到t时刻所述温度值对应测点的水冷壁热流密度Qt和工质温度Tft；进而得到设定工质温度区间下的清洁因子和水冷壁灰渣厚度；
其中，所述水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库的建立过程包括：
使用CFD计算水冷壁在不同边界条件下，热流计安装测点处的温度模拟值；所述边界条件包括热流密度和工质温度的组合；
基于计算结果，建立不同水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明水冷壁背火侧热流计采用三点式测温设计，采用吸附方式与水冷壁管连接，基本不会破坏水冷壁管的结构，可在保持水冷壁结构完整的情况下测量其热流密度；具有安装简单，拆卸方便、定位精度高、成本低的优势。
(2)本发明水冷壁背火侧热流计可以适用于所有受热面的热流密度测试；可以应用于具有膜式水冷壁结构的高参数火力发电机组，例如超/超超临界火力发电机组的炉膛水冷壁。
(3)本发明在线监测方法通过CFD数值计算建立水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库，得到水冷壁内结渣/沾污情况与水冷壁外侧温度及水冷壁的热流密度间的复杂对应关系，从而可准确通过水冷壁外侧的热电偶测量及计算热流密度。能够在不破坏水冷壁结构的前提下，准确获得水冷壁热流密度及水冷壁沾污情况。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的水冷壁背火侧热流计结构示意图；
其中，1.水冷壁管，2.鳍片管，3.鳍片凹槽，4.永磁铁，5.连接件，6.自锁螺母，7.高温热电偶，8.中温热电偶，9.低温热电偶，10.输出端子。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种水冷壁背火侧热流计，包括：至少两个磁吸附件、连接件5和热电偶；所述两个磁吸附件间隔设定距离设置，连接件5的两端与两个磁吸附件分别连接；所述连接件5底部设有至少一组热电偶通孔，热电偶自所述通孔引出并与输出端子10连接。
具体地，参照图1，两个磁吸附件的形状与水冷壁管1的形状相适配，能够吸附在水冷壁管1上。磁吸附件可以采用永磁铁4，永磁铁4材料包括但不限于钕铁硼、铝镍钴等合金永磁材料，铁氧体永磁体材料(并保证其居里温度在水冷壁温度以上，约500℃以上)等。
连接件5为U型结构钢板材料，U型结构的两端分别与磁吸附件连接，两者的连接形式可以是焊接等固定连接方式，也可以是螺纹、磁力吸附等可拆卸连接方式。连接件5的底部开有至少一组热电偶通孔，每一组热电偶通孔包括三个通孔，高温热电偶7、中温热电偶8和低温热电偶9分别自相对应的通孔引出并与输出端子10连接。每一个通孔位置设有自锁螺母6，自锁螺母6通过螺纹与通孔相连接，并将高温热电偶7、中温热电偶8和低温热电偶9分别固定在对应位置上。热电偶线从自锁螺母6引出至输出端子10，进而接入电厂数据***。
需要说明的是，当开有一组热电偶通孔时，可以测量一个水冷壁管1的温度；当开有多组热电偶通孔时，可以同时测量多个水冷壁管1的温度。本实施例中，连接件5的底部开有一组热电偶通孔。相邻两个水冷壁管1之间的鳍片管2上设有鳍片凹槽3(略小于壁厚的非通孔，剩余壁厚约1mm)，高温热电偶7的探头端***鳍片凹槽3内，并通过点焊方式固定，接触点<2mm2，较小的热电偶探头保证了较高的测量精度和快速的响应特性。
中温热电偶8和低温热电偶9的探头端与水冷壁采用物理压紧方式连接。中温热电偶8压紧在水冷壁管1与鳍片管2的焊接位置处，低温热电偶9压紧在所述水冷壁管1的管道中轴线位置处。避免破坏压力容器(鳍片管2)的结构。
进行安装时，先将高温热电偶7焊接在膜式水冷壁对应位置处，并将中温热电偶8和低温热电偶9压紧在水冷壁对应位置处，随后将补偿导线通过自锁螺母6引出，再将装置吸附于水冷壁上。
本实施例水冷壁背火侧热流计具有基本不破坏水冷壁结构、安装简单、定位精度高、成本低的优势。
在一些实施方式中，还包括：数据处理单元，用于根据热电偶测得的数据计算热流计安装点的热流密度、灰渣厚度、工质温度和清洁因子，其中，安装点包括高温测点、中温测点和低温测点。
数据处理单元的工作过程具体包括：
基于最小误差原理，利用热电偶测量得到的水冷壁不同位置的温度值，以及水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库，得到t时刻所述温度值对应测点的水冷壁热流密度Qt和工质温度Tft；进而得到设定工质温度区间下的清洁因子和水冷壁灰渣厚度；
其中，所述水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库的建立过程包括：
使用CFD计算水冷壁在不同边界条件下，热流计安装测点处的温度模拟值；所述边界条件包括热流密度和工质温度的组合；
基于计算结果，建立不同水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库。
本实施例中，得到设定工质温度区间下的清洁因子和水冷壁灰渣厚度的过程具体为：
在给定锅炉负荷条件下，确定设定工质温度区间内的热流计测量的高温测点和低温测点的最大温差，此时对应的热流密度为清洁壁面时的热流密度Qt,max；
基于水冷壁热流密度Qt，以及所述热流密度Qt,max的比值，得到t时刻的清洁因子：
基于水冷壁热流密度Qt、热流密度Qt,max和最大温差，得到水冷壁灰渣厚度：
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种基于实施例一所述的水冷壁背火侧热流计的热流密度和工质温度在线监测方法，包括：
基于最小误差原理，利用热电偶测量得到的水冷壁不同位置的温度值，以及水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库，得到t时刻所述温度值对应测点的水冷壁热流密度Qt和工质温度Tft；进而得到设定工质温度区间下的清洁因子和水冷壁灰渣厚度；
其中，所述水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库的建立过程包括：
使用CFD计算水冷壁在不同边界条件下，热流计安装测点处的温度模拟值；所述边界条件包括热流密度和工质温度的组合；
基于计算结果，建立不同水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库。
具体地，膜式水冷壁的温度分布随着炉内燃烧强度、向火侧积灰、结渣程度、管内工质温度的不同而发生变化。这种变化具有内在的函数关系，并随时间体现出不同的响应特征。通过以下方法可根据测量得到的高温热电偶7温度值T1、中温热电偶8温度值T2和低温热电偶9温度值T3求出热流计安装点当地的关键参数：
(1)使用CFD计算水冷壁在不同(向火侧热流密度记为Q，管内工质温度记为Tf)边界条件下，水冷壁热流计高温测点、中温测点和低温测点的模拟值TA、TB和TC，并在上述(Q、Tf)不同边界条件组合下的计算结果制成表格或拟合曲线，建立对应关系数据库；
在本实施例中，采取5种不同的(Q、Tf)边界条件组合，即考虑5种水冷壁热流密度及5种工质温度的25种组合，分别记这25种工况为C1～C25.则工况表格如下：
其中，C代表工况，(Qi,Tfj)代表(第i个热流密度、第j个工质温度)为组合的CFD边界条件，TA、TB和TC分别代表高温热电偶7、中温热电偶8和低温热电偶9三个测点A、B、C处的壁温模拟结果。
(2)通过在水冷壁安装图1所示的热流计，可获得任一时刻在A、B、C处的实际温度测量值TA’，TB’和TC’，通过(1)中的表格或是曲线，藉由最小误差原理可计算得到对应测点的工质温度和热流密度在该时刻的测量值，记为(Qt，Tft)；
(3)在给定锅炉负荷条件下，计给定工质温度区间(Tf1，Tf2)内的热流计测量的高温测点TA’和低温测点TC’的最大温差为△Tft,max，此时对应的热流密度记为Qt,max，Qt,max为清洁壁面时的热流密度。
则在给定负荷及工质温度区间下的任一测量时刻的清洁因子为：
水冷壁灰渣厚度为：
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种水冷壁背火侧热流计，其特征在于，包括：至少两个磁吸附件、连接件和热电偶；所述两个磁吸附件间隔设定距离设置，连接件的两端与两个磁吸附件分别连接；所述连接件底部设有至少一组热电偶通孔，热电偶自所述通孔引出并与输出端子连接。
2.如权利要求1所述的一种水冷壁背火侧热流计，其特征在于，每一组热电偶通孔包括三个通孔，高温热电偶、中温热电偶和低温热电偶分别自相对应的通孔引出并与输出端子连接。
3.如权利要求2所述的一种水冷壁背火侧热流计，其特征在于，相邻两个水冷壁管之间的鳍片管上设有凹槽，高温热电偶的探头端***所述凹槽内，并通过点焊方式固定。
4.如权利要求3所述的一种水冷壁背火侧热流计，其特征在于，中温热电偶和低温热电偶的探头端与水冷壁采用物理压紧方式连接。
5.如权利要求4所述的一种水冷壁背火侧热流计，其特征在于，所述中温热电偶压紧在水冷壁管与鳍片管的焊接位置处，所述低温热电偶压紧在所述水冷壁管的管道中轴线位置处。
6.如权利要求1所述的一种水冷壁背火侧热流计，其特征在于，所述磁吸附件的形状与水冷壁管的形状相适配，能够吸附在水冷壁管上。
7.如权利要求1所述的一种水冷壁背火侧热流计，其特征在于，还包括：数据处理单元，用于根据热电偶测得的温度数据计算热流计安装点的热流密度、灰渣厚度、工质温度和清洁因子，所述安装点包括高温测点、中温测点和低温测点。
8.如权利要求7所述的一种水冷壁背火侧热流计，其特征在于，所述数据处理单元的工作过程具体包括：
基于最小误差原理，利用热电偶测量得到的水冷壁不同位置的温度值，以及水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库，得到t时刻所述温度值对应测点的水冷壁热流密度Qt和工质温度Tft；进而得到设定工质温度区间下的清洁因子和水冷壁灰渣厚度；
其中，所述水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库的建立过程包括：
使用CFD计算水冷壁在不同边界条件下，热流计安装测点处的温度模拟值；所述边界条件包括热流密度和工质温度的组合；
基于计算结果，建立不同水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库。
9.如权利要求8所述的一种水冷壁背火侧热流计，其特征在于，进而得到设定工质温度区间下的清洁因子和水冷壁灰渣厚度，具体包括：
在给定锅炉负荷条件下，确定设定工质温度区间内的热流计测量的高温测点和低温测点的最大温差，此时对应的热流密度为清洁壁面时的热流密度Qt,max；
基于所述水冷壁热流密度Qt，以及所述热流密度Qt,max的比值，得到t时刻的清洁因子；
基于所述水冷壁热流密度Qt、热流密度Qt,max和最大温差，得到水冷壁灰渣厚度。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的水冷壁背火侧热流计的热流密度和工质温度在线监测方法，其特征在于，包括：
基于最小误差原理，利用热电偶测量得到的水冷壁不同位置的温度值，以及水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库，得到t时刻所述温度值对应测点的水冷壁热流密度Qt和工质温度Tft；进而得到设定工质温度区间下的清洁因子和水冷壁灰渣厚度；
其中，所述水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库的建立过程包括：
使用CFD计算水冷壁在不同边界条件下，热流计安装测点处的温度模拟值；所述边界条件包括热流密度和工质温度的组合；
基于计算结果，建立不同水冷壁参数与测点位置温度的对应关系数据库。
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