专利名称：电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电站锅炉技术领域的方法，具体是一种电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法。
背景技术：
近年来，我国发电行业高速发展，超临界和超超临界发电机组大量投运，锅炉蒸发量、温度、压力等参数随着提升，金属材料已经用到了接近最高耐温等级，在应力超温方面的裕量越来越小。运行中多项因素都会引起材料强度超温和管内氧化皮的生成过快并脱落堵塞爆管等问题。锅炉爆管事故不但会造成上千万元的直接经济损失，还使管组寿命大幅度缩短。近几年开发的电站锅炉高温管系炉内壁温实时监测系统，其功能可以减小高温管系的温度偏差，延长使用寿命。但监测系统实时计算管子的炉内汽温和壁温，需要有代表性的而且测量准确的炉外壁温测量数据作为前提和依据。如果测量采集点的布局没有涵盖所有温度高及超温裕量小的管子，就不可能检测出具有超温爆管或氧化皮堵塞这些具有潜在危险性的管子，从而影响其功能的实现。然而目前大多数电站锅炉高温管组的炉外壁温测点都没有涵盖所有具有危险性的管子。为此本专利提出一种炉外壁温测量采集点正确布局的方法，旨在充分发挥高温管系炉内壁温实时监测系统的功能，以减小温度偏差和延长高温管屏的使用寿命。经对现有的技术文献检索发现①专利申请名称超超临界锅炉受热面壁温监控系统及监控方法，专利申请号 201010183756. 6，专利公开号CN101975390A，该技术自述本发明涉及超超临界锅炉受热面壁温监控系统及监控方法，目的是可以对锅炉内末级过热器、屏式过热器的受热管子进行全面实时监测，包括热电偶、数据采集系统、监控系统，数据采集系统的输入端与热电偶相连，数据采集系统的输出端与监控系统相连，在锅炉屏式过热器和末级过热器的每一路管路上都设有一热电偶，并按管路在锅炉内沿炉膛宽度方向的实际排列顺序依次与数据采集系统相连。该技术的不足之处是只提出超超临界锅炉的炉外壁温监控系统及监控方法，用以对锅炉的燃烧工况进行调整优化，没有对炉外壁温测点提出优化的布局方法。更没有从管子炉内管壁温度超温裕量的角度来优化测点的布局，因此不能保证测点布置在壁温最高的管子上；而且该技术没有用预计算来确定管壁温度的超温裕量，因此补充和加装炉外壁温测点的依据不足。②专业刊物名称中国仪器仪表，2009年第九期，文章名称为1000MW超超临界塔式锅炉受热面壁温在线监测方法研究，该技术自述针对一台具体锅炉对原设计测点布置作了增加，增加的测点针对锅炉两侧烟气偏差在比较高的温度状态，加强对该部分金属温度的监视及对管组同屏最外侧管温度的监视。该技术的不足之处是只涉及1000MW超超临界塔式锅炉一台具体锅炉的水冷壁和过热器再热器炉外壁温测点的补充和加装，并不是对各种锅炉炉型炉外壁温测点提出布局方法；没有从管子炉内管壁温度超温裕量的角度来优化测点的布局。有些锅炉外圈管有短路，因此并不是外圈管温度最高。所以不能保证测点布置在壁温最高的管子上；另外没有用预计算来确定管壁温度的超温裕量，因此补充和加装炉外壁温测点的依据不足。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提出一种电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法。本发明可实现锅炉在线监测系统实时检测和计算出所有管子中炉内壁温裕量最小，即最具超温爆管危险性的管子(在材料强度方面)。对防止强度超温具有实际意义。实现了电站锅炉过热器和再热器管系的安全、经济运行，并为锅炉的状态检修提供了直接的数据支持。本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括以下步骤步骤1、通过预计算，得出管系中偏差屏在各种负荷下所有管子沿长度各点的实时炉内工质温度、金属内壁温度、管壁温度、金属应力强度允许温度值；步骤2、根据预计算所得的各屏各管各点的管壁金属应力强度壁温裕量，计算出在管子材料强度方面的壁温裕量；步骤3、对壁温裕量进行排序，确定屏间和同片各管炉外壁温测量采集点的布局位置；步骤4、在容易被安装时异物堵塞的管子上增加测量采集点。其中步骤1所述的预计算，就是在锅炉设计阶段，预先计算沿锅炉宽度吸热量最大的偏差屏中各段管子管壁金属应力强度壁温裕量，用以找出管屏中容易超温爆管的最危险的管子。获得步骤1中所述的实时工质温度、金属内壁温度、管壁温度，包括以下步骤a、计算管段的对流热量平均值％ 计算管段的对流热量平均值为Qd = IdKha dHd( θ "t3) ⑴式中ξ d为对流传热偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，a d为对流放热系数， Hd为对流受热面积，θ为烟气温度，、为管子积灰表面温度。根据计算管段在管屏中所处的位置，由烟气对各排管子的对流传热偏差，计算得到管段的对流传热偏差系数ξ d。b、计算屏间辐射热量平均值％屏间辐射热量平均值为QP= IpKho 0axiapHp[( θ p+273)4-(ts+273)4] (2)式中屏间辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，％为波尔茨曼辐射常数，、为系统辐射黑度， 为屏间烟室黑度，Hp为屏间辐射面积，θ ρ为屏间烟气温度；t3为管子积灰表面温度。根据计算管段在管屏中所处的位置(中间管，首排管，紧贴在一片屏侧面的管子， 两边节距不等管子)，由屏间烟气对各种类型管子的屏间辐射角系数，计算得到各管段的屏间辐射偏差系数ξρ。C、计算屏前辐射热量平均值O1
屏前辐射热量平均值为=Qtl= IqKho 0axiaqHq[(e q+273)4-(ts+273)4] (3)式中ξ ,为屏前辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，σ C1为波尔茨曼辐射常数，axi为系统辐射黑度，aq为屏前烟室黑度，Hq为屏前辐射面积，θ q为屏前烟气温度，t3为管子积灰表面温度。根据计算管段在管屏中垂直于屏前辐射所处的位置(第1、2、3……排)，由屏前烟气对各排管子的辐射角系数，计算得到各管段的屏前辐射偏差系数ξ QOd、计算屏前前烟室辐射热量平均值Qtw屏前前辐射热量平均值为Qqq = ξ qqKh σ 0axiaqq(1-xgp) (l-aq)Hj( θ qq+273)4-(ts+273)4] (4)式中ξ M为屏前前辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，σ ^为波尔茨曼辐射常数，axi为系统辐射黑度，aqq为屏前前烟室黑度，xgp为屏前烟室进口管排的角系数，aq 为屏前烟室黑度，Hqq为屏前前辐射面积，θ qq为屏前前烟室的烟温，t3为管子积灰表面温度。根据计算管屏烟气上游高温管屏屏间烟室的辐射热量透过计算管屏的进口管排和屏前烟室，对计算管段的辐射角系数，计算得到各管段的前前辐射偏差系数ξ Μ。e、计算屏中辐射热量平均值Qz屏中辐射热量平均值为QZ= IzKho 0axiazHz[(e z+273)4-(ts+273)4] (5)式中ξ 2为屏中辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，％为波尔茨曼辐射常数，axi为系统辐射黑度，az为屏中烟室黑度，Hz为屏中辐射面积，θ ζ为屏中烟气温度，t3为管子积灰表面温度。根据计算管段在管屏中垂直于屏中辐射所处的位置(第1、2、3……排)，由屏中烟气对各排管子的辐射角系数，计算得到管段的屏中辐射偏差系数ξ ζ。f、计算屏后辐射热量平均值％屏后辐射热量平均值为Qh= hKh σ AiahHh[ ( θ h+273)4- (ts+273)4] (6)式中屏后辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，Otl为波尔茨曼辐射常数，axi为系统辐射黑度，ah为屏后烟室黑度，Hh为屏后辐射面积，θ h为屏后烟气温度，t3为管子积灰表面温度。根据计算管段在管屏中垂直于屏后辐射所处的位置(第1、2、3……排)，由屏后烟气对各排管子的辐射角系数，计算得到管段的屏后辐射偏差系数ξ h。g、计算屏下辐射热量平均值I屏下辐射热量平均值为 = xKh σ 0axiaxHx [ ( θ χ+273)4- (ts+273)4] (7)式中ξ ,为屏下辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，σ ^为波尔茨曼辐射常数，axi为系统辐射黑度，ax为屏下烟室黑度，Hx为屏下辐射面积，θ χ为屏下烟气温度，t3为管子积灰表面温度。根据计算管段在管屏中垂直于屏下辐射所处的位置(第1、2、3……排)，由屏下烟气对各排管子的辐射角系数，计算得到管段的屏下辐射偏差系数ξ X。h、计算管段的焓增AiaΔ ia = Kry(Qd+Qp+Qq+Qqq+Qz+Qh+Qx)/ga (8)式中Kry为预计算所设定的宽度吸热偏差系数，Qd为管段对流热量平均值，Qp为管段屏间辐射热量平均值，Qq为管段屏前辐射热量平均值，Qqq为管段前前辐射热量平均值， Qz为管段屏中辐射热量平均值，化为管段屏后辐射热量平均值，从为管段屏下辐射热量平均值，ga为计算管段的蒸汽流量。i、计算管段的蒸汽焓i和工质温度ti = ij+ Σ Δ (9)式中ij为计算管的进口蒸汽焓，取用设计值，Σ Δ 为从管子进口到计算点所有管段的蒸汽焓增计算值之和。j、计算管段的工质温度t根据蒸汽的焓温表，由i得出t。k、计算管段外壁沿周界最大热负荷qmqm = η Qd/Hd+Φ (Qp/Hp+Qq/Hq+Qqq/Hqq+Qz/Hz+Qh/Hh+Qx/Hx) (10)式中η为对流热负荷增大系数为对流热量；Hd为对流受热面积；Φ为辐射热负荷曝光系数》ρ为屏间辐射热量；ΗΡ为屏间辐射面积为屏前辐射热量；H,为屏前辐射面积；Qm为屏前前辐射热量；Htw为屏前前辐射面积；QZ为屏中辐射热量；HZ为屏中辐射面积为屏后辐射热量；Hh为屏后辐射面积为屏下辐射热量；HX为屏下辐射面积。1、计算管段的金属内壁温度tnb
权利要求
1.一种电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1、通过预计算，得出管系中偏差屏在各种负荷下所有管子沿长度各点的实时炉内工质温度、金属内壁温度、管壁温度、金属应力强度允许温度值；步骤2、根据预计算所得的各屏各管各点的壁温允许温度值，计算出在强度方面的壁温裕量；步骤3、对壁温裕量进行排序，确定屏间和同片各管炉外壁温测量采集点的布局位置； 步骤4、在容易被安装时异物堵塞的管子上增加测量采集点。
2.根据权利要求1所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤1所述的预计算，是在锅炉设计阶段，预先计算沿锅炉宽度吸热量最大的偏差屏中各段管子管壁金属应力强度壁温裕量，用以找出管屏中容易超温爆管的最危险的管子。
3.根据权利要求1所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，获得步骤1中所述的实时工质温度、金属内壁温度、管壁温度，包括以下步骤a、计算管段的对流热量平均值％计算管段的对流热量平均值为Qd = IdKha dHd( θ -t3) (1) 式中ξ d为对流传热偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，a d为对流放热系数，Hd为对流受热面积，θ为烟气温度，、为管子积灰表面温度；b、计算屏间辐射热量平均值％屏间辐射热量平均值为QP = IpKho 0axiapHp[(6 p+273)4-(ts+273)4] (2) 式中ξ p为屏间辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，σ ^为波尔茨曼辐射常数， axi为系统辐射黑度，ap为屏间烟室黑度，Hp为屏间辐射面积，θ ρ为屏间烟气温度；t3为管子积灰表面温度；C、计算屏前辐射热量平均值％屏前辐射热量平均值为=Qtl = IqKho 0axiaqHq [ ( θ q+273)4- (ts+273)4] (3) 式中ξ ,为屏前辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，σ ^为波尔茨曼辐射常数， axi为系统辐射黑度，aq为屏前烟室黑度，Hq为屏前辐射面积，θ q为屏前烟气温度，t3为管子积灰表面温度；d、计算屏前前烟室辐射热量平均值Qtw 屏前前辐射热量平均值为Qqq = I qqKh σ 0axiaqq (1-xgp) (1—aq) H J ( θ qq+273)4- (ts+273)4] (4) 式中ξ M为屏前前辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，σ ^为波尔茨曼辐射常数，axi为系统辐射黑度，aqq为屏前前烟室黑度，xgp为屏前烟室进口管排的角系数，aq为屏前烟室黑度，Hqq为屏前前辐射面积，θ qq为屏前前烟室的烟温，t3为管子积灰表面温度；e、计算屏中辐射热量平均值Qz屏中辐射热量平均值为QZ= ξ zKh σ 0axiazHz [ ( θ ζ+273)4- (ts+273)4] (5) 式中ξ ζ为屏中辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，σ ^为波尔茨曼辐射常数， axi为系统辐射黑度，az为屏中烟室黑度，Hz为屏中辐射面积，θ ζ为屏中烟气温度，t3为管子积灰表面温度；f、计算屏后辐射热量平均值％屏后辐射热量平均值为Qh = IhKho 0axiahHh[( Θ h+273)4-(ts+273)4] (6) 式中ξ h为屏后辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，σ ^为波尔茨曼辐射常数， axi为系统辐射黑度，ah为屏后烟室黑度，Hh为屏后辐射面积，θ h为屏后烟气温度，t3为管子积灰表面温度；g、计算屏下辐射热量平均值I屏下辐射热量平均值为 = IxKho 0axiaxHx [ ( θ x+273)4- (ts+273)4] (7) 式中ξ χ为屏下辐射偏差系数，Kh为高度热负荷偏差系数，σ ^为波尔茨曼辐射常数， axi为系统辐射黑度，ax为屏下烟室黑度，Hx为屏下辐射面积，θ χ为屏下烟气温度，t3为管子积灰表面温度；h、计算管段的焓增AiaΔ ia = Kry (Qd+Qp+Qq+Qqq+Qz+Qh+Qx) /ga (8)式中Kry为预计算所设定的宽度吸热偏差系数，％为管段对流热量平均值，％为管段屏间辐射热量平均值，Qq为管段屏前辐射热量平均值，Qqq为管段前前辐射热量平均值，Qz为管段屏中辐射热量平均值，Qh为管段屏后辐射热量平均值，Qx为管段屏下辐射热量平均值， ga为计算管段的蒸汽流量；i、计算管段的蒸汽焓i和工质温度t i = ij+ Σ Δ (9)式中ij为计算管的进口蒸汽焓，取用设计值，Σ Δ 为从管子进口到计算点所有管段的蒸汽焓增计算值之和； j、计算管段的工质温度t 根据蒸汽的焓温表，由i得出t ； k、计算管段外壁沿周界最大热负荷qmqm= η Qd/Hd+ Φ (Qp/Hp+Qq/Hq+Qqq/Hqq+Qz/Hz+Qh/Hh+Qx/Hx) (10) 式中n为对流热负荷增大系数，％为对流热量平均值，Hd为对流受热面积，Φ为辐射热负荷曝光系数，Qp为屏间辐射热量平均值，Hp为屏间辐射面积，Qq为屏前辐射热量平均值，H,为屏前辐射面积，Qtw为屏前前辐射热量平均值，Htw为屏前前辐射面积，Qz为屏中辐射热量平均值，Hz为屏中辐射面积，Qh为屏后辐射热量平均值，Hh为屏后辐射面积，Qx为屏下辐射热量平均值，Hx为屏下辐射面积； 1、计算管段的金属内壁温度tnb
4.根据权利要求3所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤a中所述的对流传热偏差系数，根据计算管段在管屏中所处的位置，由烟气对各排管子的对流传热偏差，计算得到管段的对流传热偏差系数ξ d。
5.根据权利要求3所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤b中所述的屏间辐射偏差系数，根据计算管段在管屏中所处的中间管，首排管，紧贴在一片屏侧面的管子，两边节距不等管子的位置，由屏间烟气对各种类型管子的屏间辐射角系数，计算得到各管段的屏间辐射偏差系数ξρ。
6.根据权利要求3所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤c中所述的屏前辐射偏差系数，根据计算管段在管屏中垂直于屏前辐射所处的第 1、2、3、...排的位置，由屏前烟气对各排管子的辐射角系数，计算得到各管段的屏前辐射偏差系数ξ,。
7.根据权利要求3所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤d中所述的屏前前辐射偏差系数，根据计算管屏烟气上游高温管屏屏间烟室的辐射热量透过计算管屏的进口管排和屏前烟室，对计算管段的辐射角系数，计算得到各管段的前前辐射偏差系数ξ Μ。
8.根据权利要求3所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤e中所述的屏中辐射偏差系数，根据计算管段在管屏中垂直于屏中辐射所处的第 1、2、3、...排的位置，由屏中烟气对各排管子的辐射角系数，计算得到管段的屏中辐射偏差系数ξζ。
9.根据权利要求3所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤f中所述的屏后辐射偏差系数，根据计算管段在管屏中垂直于屏后辐射所处的第 1、2、3、...排位置的，由屏后烟气对各排管子的辐射角系数，计算得到管段的屏后辐射偏差系数W。
10.根据权利要求3所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤g中所述的屏下辐射偏差系数，根据计算管段在管屏中垂直于屏下辐射所处的第1、2、3、...排的位置，由屏下烟气对各排管子的辐射角系数，计算得到管段的屏下辐射偏差系数ξχ。
11.根据权利要求1所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，获得步骤1所述的金属应力强度允许温度值，包括以下步骤计算点管子应力强度允许温度tyx = f( σ dt)式中σ dt为计算点管子的动态应力值。
12.根据权利要求1所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤2中所述的计算出在强度方面的壁温裕量，是指计算管子管壁金属应力强度壁温裕量，包括以下步骤a、计算监测点管子的管壁金属应力强度壁温裕量Stδ t = tyx-tb式中tyx为计算点管子金属的允许温度；tb为管壁温度。
13.根据权利要求1所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤3中所述的对壁温裕量进行排序，是指将步骤2中壁温裕量从小到大对前100位的部位的屏号、管号、监测点号进行排序，取相对最小的壁温裕量部位确定屏间和同片各管炉外壁温测量采集点的布局位置。
14.根据权利要求1所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤3中所述的测量采集点的布局位置，其方法为①各屏屏间的测量采集点部位除了按预计算所得的同屏各管中壁温裕量相对最小的管子出口外，在若干代表屏的外圈管出口布置测量采集点；②同屏各管的测量采集点布置在沿烟道宽度吸热量相对最大的管屏；③对切向燃烧Π型锅炉，当火球逆时针旋转时在右侧0.05 0. 2Β位置，顺时针旋转时在左侧0. 05 0. 2Β位置；对切向燃烧的塔式锅炉，在两侧的0. 05 0. 位置的两片屏上布置测量采集点，其中B是锅炉宽度；④对于前后墙燃烧方式锅炉，则在沿锅炉宽度的中间部位距离侧墙0.4 0.6Β位置的一片屏上布置主要测量采集点，其中B是锅炉宽度；⑤除了上述主要的同屏各管的测量采集点布置方式外，对切向燃烧Π型锅炉和前后墙燃烧方式锅炉都可以在吸热量较高的管屏上布置测量采集点作为补充。
15.根据权利要求1所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤4中所述的在容易被安装时异物堵塞的管子，是指根据管屏受热面的布置和进口集箱的布置方式，确定容易被安装时异物堵塞的管子。
16.根据权利要求1或者15所述的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，其特征是，步骤4中所述的管子，包括a、对于自中间部位以三通形式径向引入进口集箱的结构，则在进口集箱引出的所有管子中，正对三通引入导汽管下方的管子是容易被安装异物堵塞的管子；b、对于自两端轴向引入进口集箱的结构，则在进口集箱中间部位，其中集箱中纵向流速=0，自进口集箱下方引出的管子是容易被安装异物堵塞的管子；c、对于自一端轴向引入进口集箱的结构，则进口集箱的另一端，其中集箱中纵向流速 =0，自进口集箱下方引出的管子是容易被安装异物堵塞的管子。
全文摘要
一种电站锅炉技术领域的电站锅炉高温管系炉外壁温测量采集点的布局方法，步骤如下预计算出在各种负荷下各管组各屏各管各点的炉内工质温度、管子金属内壁温度、管壁温度、金属应力强度允许温度值；根据各屏各管各点的壁温与允许温度值，计算出强度壁温裕量；对壁温裕量进行排序，确定屏间和同片各管炉外壁温测量采集点的布局位置；在容易被安装时异物堵塞的管子上增加测量采集点。本发明在线监测系统实时检测和计算出所有管子中炉内壁温裕量最小，即最具超温爆管危险性的管子，实现了电站锅炉过热器和再热器管系的安全、经济运行，并为锅炉的状态检修提供了直接的数据支持。
文档编号F22B35/00GK102494323SQ20111042827
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者王孟浩, 王衡 申请人:上海望特能源科技有限公司