一种电站锅炉炉膛结渣多区段实时监测方法与流程

本发明涉及一种电站锅炉炉膛结渣多区段实时监测方法，特别是一种通过系统增加的测点以及锅炉已有的运行测点进行数据采集，根据进行事先建立好的计算步骤进行结渣污染计算，从而获得炉膛内实时结渣情况的监测方法。

背景技术：

电站锅炉以煤炭等化石燃料作为能量来源的运行方式决定了其在运行过程中不可避免地会产生灰污染，而作为锅炉主要燃烧空间的炉膛，由于其内部火焰温度极高，通常超过了煤灰的灰熔点，导致了熔融状态的飞灰极易粘附在温度较低的水冷壁上形成极难去除的渣层，影响锅炉的传热性能，严重时可能会造成水冷壁温度过高，引起爆管停炉等严重事故。

由于炉膛内的温度极高且存在烟气中的飞灰冲刷等问题，故不能采用直接测量的方式进行监测，因而现阶段对于炉膛的结渣实时监测一直停留在研究阶段。通常电站锅炉通常采用定时定量的吹灰方式进行炉膛结渣的清除工作，但是缺乏直观的监测数据的问题会导致吹灰结渣吹灰不及时而传热效率下降，或者吹灰过于频繁而蒸汽浪费太多。

现有的文献中有提出通过声学或激光测温的方式间接监测炉膛内部的结渣情况，但是由于监测仪器的造价昂贵不易维护因此应用较少。目前较多采用的都是软测量方法，此类方法通过采集炉膛实时运行数据，根据建立好的计算模型推算结渣情况，但是由于锅炉运行情况多变，炉膛内传热机理复杂，因此软测量监测方法的准确性有待更多的实践验证。除此之外，由于锅炉容量的增加、炉膛空间的变大以及吹灰器的多点排布，传统炉膛结渣整体监测由于只能反应炉膛整体结渣情况而不能体现不同区段的结渣情况，已经无法满足电厂对锅炉炉膛进行分区段吹灰的需求，应用前景受到了限制。所以，开发出一种能够对炉膛进行多区段监测且结果较为准确的方法，显得极具意义。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明提供一种电站锅炉炉膛多区段实时监测方法，通过在炉膛水冷壁上多个区段布置热流计测量炉膛局部热流密度，并采集实时运行参数、入炉煤质数据和锅炉炉膛结构及设计参数，然后根据采集的数据计算出炉膛多区段的实时结渣程度。本监测方法实现了仪器测量和理论计算的有利结合，能够为运行人员进行炉膛分区段吹灰操作提供炉内多区段实时结渣情况的直观数据参考。

技术方案：为了实现上述目的，本发明以每个区段的水冷壁热有效系数作为反映炉膛结渣程度结渣监测指标，其越大表明水冷壁吸收辐射能力越强结渣较少，其越小表明水冷壁吸收辐射能力越差结渣较严重，方法主要包括以下步骤：

步骤1：将炉膛按照燃烧性质的区别分成三大区域主燃烧区A、燃尽区B和换热区C三大区域，其中主燃烧区A按照燃烧器层数分成a段，燃尽区B按照燃尽风层数分成b段，换热区C按照此区域的吹灰器层数分成c段，如附图2，此处a指燃烧器层数、b指燃尽风层数、c指换热区吹灰器的层数。

步骤2：通过在炉膛中布置热流计测点并采集锅炉实时运行参数、入炉煤质数据和锅炉炉膛结构及设计参数。

步骤3：计算燃料理论燃烧温度T_th、炉膛整体火焰综合黑度ε_syn、炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f和炉膛整体黑度为炉膛分区段辐射传热计算作准备。

步骤4：根据主燃烧区A布置的热流计测点及结渣计算方法，计算主燃烧区域A的a个区段结渣程度ψ_A1～ψ_Aa。

步骤5：根据燃尽区B布置的热流计测点及结渣计算方法，计算燃尽区域B的b个区段结渣程度ψ_B1～ψ_Bb。

步骤6：根据换热区C布置的热流计测点及结渣计算方法，计算换热区域C的c个区段结渣程度ψ_C1～ψ_Cc。

步骤7：输出计算出的各区段实时水冷壁热有效系数，即反映结渣程度的参数：ψ_A1～ψ_Aa，ψ_B1～ψ_Bb，ψ_C1～ψ_Cc按时间分布做成曲线图，作为各区段直观的结渣监测数据呈现给运行人员。

所述步骤2中的锅炉实时运行参数包括本方法另加的测点和电站锅炉本身布置的测点，另加的测点主要是在炉膛多个区段上布置的热流计，用于测量不同区段的局部热流密度，见附图2，锅炉本身布置的测点主要有锅炉燃煤量、炉膛出口氧量、一次风占总风量比例、二次风占总风量比例、一次风进出口风温、二次风进出口风温、炉膛出口烟气温度等，可通过电厂DCS系统采集实时数据；入炉煤质数据通过煤质分析获得，主要包括煤的元素分析、工业分析和热值分析等，如所烧煤样为掺混煤则还需要不同煤样的配比；炉膛结构及设计参数可以通过锅炉使用和设计说明书获得，需要炉膛整体传热面积、不同区段的传热面积、有效容积、计算高度、上下排燃烧器布置高度差、燃烧器平均布置高度、出口烟窗面积、炉膛漏风系数、制粉系统的漏风系数。

所述步骤3中计算燃料理论燃烧温度T_th、炉膛整体火焰综合黑度ε_syn、炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f和炉膛整体黑度的方法如下(涉及的烟气和空气焓温表通过煤质燃料计算获得，此为热力计算常识，不再赘述)：

(1)计算燃料理论燃烧温度T_th：

a.随单位质量燃料进入炉内空气热量此处的焓值均根据温度按照空气焓温表查取；

b.单位质量燃料带入炉内有效热量炉内有效热量即为理论燃烧温度T_th对应焓值，在获得后通过烟气焓温表利用插值法查取T_th。

(2)计算炉膛火焰综合黑度ε_syn：

a.炉膛实际火焰黑度

b.炉膛火焰综合黑度

(3)计算炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f和炉膛整体黑度

a.炉膛整体水冷壁热有效系数式中为求解方便所设参数，无实际意义；

b.炉膛整体黑度

其中，为理论的冷空气焓，即空预器进口一次风和二次风混合温度对应的焓值，kJ/kg；为理论的热空气焓，即空预器出口一次风和二次风混合温度对应的焓值，kJ/kg；Q_k为随单位质量燃料带入炉内的空气(含漏风)的热量，kJ/kg；Q_r为单位质量燃料带入炉内的热量，通常等于燃料收到基低位发热量，kJ/kg；q₃为化学未完全燃烧热损失，％；q₄为机械未完全燃烧热损失，％；q₆为其他热损失，％；α_f"为炉膛出口过量空气系数；Δα_f为炉膛漏风系数；Δα_pcs为制粉系统的漏风系数；为单位质量燃料带入炉内的有效热，kJ/kg；T_th为理论燃烧温度，K；k_a为辐射吸收减弱系数，m^-1(煤质燃料计算获得，此为热力计算常识，不再赘述)；ε_f为炉膛实际火焰黑度；ε_syn为考虑了火焰辐射强度因介质吸收而减弱的火焰综合黑度；S为炉内辐射层有效厚度，m；R为与炉膛截面等面积圆形的半径，m；为炉膛整体黑度；T_f″为炉膛整体出口烟温，K；ψ_f为炉膛整体水冷壁热有效系数；x_m为炉膛火焰最高温度位置的相对高度，近似取等于燃烧器布置的相对高度；σ₀为玻尔兹曼常数，通常取5.67×10^-11kW/(m²·K⁴)；B_j为计算燃烧量，kg/s；为保热系数；H_f为水冷壁的吸热表面积，m²；为炉内烟气在理论燃烧温度至炉膛出口温度区间内的平均热容，kJ/(kg·K)。

所述步骤4中计算主燃烧区域A的a个区段结渣程度的方法如下：

(1)计算主燃区第1层燃烧器(第A区第1段)的水冷壁热有效系数ψ_A1：

a.假设主燃区第1区段的出口烟气温度T_A1″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_A1；

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_A1，根据校核式校核假设的A区第1段的出口烟气温度T_A1″，若符合校核式则输出ψ_A1；若不符合校核式则重新假设T_A1″，重新校核直到符合为止。

(2)计算主燃区第i层燃烧器(第A区第i段，1<i≤a)的水冷壁热有效系数ψ_Ai：

a.假设主燃区第i区段的出口烟气温度T_Ai″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_Ai，此处

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_Ai，根据校核式校核假设A区第i段的出口烟气温度T_Ai″，若符合校核式则输出ψ_Ai；若不符合校核式则重新假设T_Ai″，重新校核直到符合为止。

其中，下标Ai代表主燃区A的第i区段，i表示模块当前计算的A区某一段，i-1表示模块当前计算区段的前一区段，1<i≤a，此步骤中由于第1区段的传热模型不同因此单独列出，符号解释与第i区段相同；公式中出现的n用作代数求和公式中的泛指功能，无实际意义；B_ji为A区第i段计算燃烧量，kg/s，认为Q₆为炉膛整体其他热损失，kJ/kg，可根据锅炉设计书按照设计值选取；T_Ai″为A区第i段出口烟气温度，K；I_Ai″为A区第i段出口烟气焓值，kJ/kg，根据T_Ai″查取烟气焓温表获得；T_Ai为A区第i段的烟气平均温度，K；β_cr为燃料的燃尽率，可查阅锅炉手册；ψ"为下区段对上区段的辐射热有效系数，一般取0.1；F_Ai为A区第i段出口炉膛截面积，m²；H_Ai为A区第i段的水冷壁传热面积，m²；ψ_Ai为A区第i段水冷壁热有效系数；q_Ai为热流计测得的A区第i段的局部热流密度，kW/m²。

所述步骤5中计算燃尽区域B的b个区段结渣程度的方法如下：

(1)计算燃尽区第1层燃尽风(第B区第1段)的水冷壁热有效系数ψ_B1：

a.假设燃尽区第1区段的出口烟气温度T_B1″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_B1，此处

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_B1，根据校核式校核假设B区第1段的出口烟气温度T_B1″，若符合校核式则输出ψ_B1；若不符合校核式则重新假设T_B1″，重新校核直到符合为止。

(2)计算燃尽区第k层燃尽风(第B区第k段，1<k≤b)的水冷壁热有效系数ψ_Bk：

a.假设燃尽区第k区段的出口烟气温度T_Bk″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_Bk，此处

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_Bk，根据校核式校核假设B区第k段的出口烟气温度T_Bk″，若符合校核式则输出ψ_Bk；若不符合校核式则重新假设T_Bk″，重新校核直到符合为止。

其中，下标Bk代表燃尽区B的第k区段，k表示模块当前计算的B区某一段，k-1表示模块当前计算区段的前一区段，1<k≤b，此步骤中由于第1区段的传热模型不同因此单独列出，符号解释与第k区段相同；Δβ_cr为主燃烧区燃料的未燃尽率；T_Bk″为B区第k段出口烟气温度，K；I_Bk″为B区第k段出口烟气焓值，kJ/kg，根据T_Bk″查取烟气焓温表获得；T_Bk为B区第k段的烟气平均温度，K；ψ"为下区段对上区段的辐射热有效系数，一般取0.1；F_Bk为B区第k段出口炉膛截面积，m²；H_Bk为B区第k段的水冷壁传热面积，m²；ψ_Bk为B区第k段水冷壁热有效系数；q_Bk为热流计测得的B区第k段的局部热流密度，kW/m²。

所述步骤6中计算换热区域C的c个区段结渣程度的方法如下：

即计算换热区第m层吹灰器(第C区第m段，1≤m≤c)的水冷壁热有效系数ψ_Cm：

a.假设换热区第m区段的出口烟气温度T_Cm″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_Cm。此处当m＝1时，下标C(m-1)相当于Bb即燃尽区最后一层第b层燃尽风，而当m>1时，

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_Cm，根据校核式校核假设C区第m段的出口烟气温度T_Cm″，若符合校核式则输出ψ_Cm；若不符合校核式则重新假设T_Cm″，重新校核直到符合为止。

其中，下标Cm代表燃尽区C的第m区段，m表示模块当前计算的C区某一段，m-1表示模块当前计算区段的前一区段，1≤m≤c；T_Cm″为C区第m段出口烟气温度，K；I_Cm″为C区第m段出口烟气焓值，kJ/kg，根据T_Cm″查取烟气焓温表获得；T_Cm为C区第m段的烟气平均温度，K；ψ"为下区段对上区段的辐射热有效系数，一般取0.1；F_Cm为C区第m段出口炉膛截面积，m²；H_Cm为C区第m段的水冷壁传热面积，m²；ψ_Cm为C区第m段水冷壁热有效系数；q_Cm为热流计测得的C区第m段的局部热流密度，kW/m²。

有益效果：本发明一种电站锅炉炉膛多区段实时监测系统相比现有技术，具有以下有益效果：1、本发明能够提供炉膛不同区段实时结渣情况的直观数据，为炉膛分区段吹灰操作提供参考；2、本发明能够提供炉膛内不同区段的烟气温度分布，为炉膛燃烧调整和优化提供数据依据；3、炉膛划分区段的方式能够根据电厂运行的需求随意改变，可以适用于不同结构类型的电站锅炉，适用范围较广。

附图说明

图1为本发明的计算步骤流程图

图2为本发明炉膛区段划分。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步阐明本发明，应理解实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实例说明选取的锅炉为某600MW超临界参数变压运行直流锅炉，锅炉型号为HG1913/25.4－YM4型，单炉膛、螺旋水冷壁、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。锅炉燃烧方式为前后墙对冲燃烧，前后墙各布置3层三井巴布科克公司生产的低NO_X轴向旋流燃烧器(LNASB)，在最上层煤粉燃烧器上方，前后墙各布置1层燃尽风口。

以每个区段的水冷壁热有效系数作为反映炉膛结渣程度结渣监测指标，其越大表明水冷壁吸收辐射能力越强结渣较少，其越小表明水冷壁吸收辐射能力越差结渣较严重，方法主要包括以下步骤：

步骤1：根据说明书中的区段划分方法将炉膛部分分成三大区域主燃烧区A、燃尽区B和换热区C三大区域，其中主燃烧区A按照燃烧器层数分成3段，燃尽区B按照燃尽风层数分成1段，换热区C按照此区域的吹灰器层数分成3段。

步骤2：主要采集锅炉实时运行参数、入炉煤质数据和锅炉炉膛结构及设计参数。其中，锅炉实时运行参数包括本系统另加的测点和电站锅炉本身布置的测点，另加的测点主要是在炉膛多个区段上布置的热流计用于测量不同区段的局部热流密度，锅炉本身布置的测点主要有锅炉燃煤量、炉膛出口氧量、一次风占总风量比例、二次风占总风量比例、一次风进出口风温、二次风进出口风温、炉膛出口烟气温度(若无测点可沿逆烟气流程推算)等，可通过电厂DCS系统采集实时数据；入炉煤质数据通过煤质分析获得，主要包括煤的元素分析、工业分析和热值分析等，如所烧煤样为掺混煤则还需要不同煤样的配比；炉膛结构及设计参数可以通过锅炉使用和设计说明书获得，需要炉膛整体传热面积、不同区段的传热面积、有效容积、计算高度、上下排燃烧器布置高度差、燃烧器平均布置高度、出口烟窗面积、炉膛漏风系数、制粉系统的漏风系数。

步骤3：计算燃料理论燃烧温度T_th、炉膛整体火焰综合黑度ε_syn、炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f和炉膛整体黑度为炉膛分区段辐射传热计算作准备(涉及的烟气和空气焓温表通过煤质燃料计算获得，此为热力计算常识，不再赘述)

(1)计算燃料理论燃烧温度T_th：

a.进入炉内空气热量(此处的焓值均根据温度按照空气焓温表查取)；

b.燃料带入炉内有效热量炉内有效热量即为理论燃烧温度T_th对应焓值，在获得后通过烟气焓温表利用插值法查取T_th。

(2)计算炉膛火焰综合黑度ε_syn：

a.炉膛实际火焰黑度

b.炉膛火焰综合黑度

(3)计算炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f和炉膛整体黑度

a.炉膛整体水冷壁热有效系数(式中为求解方便所设参数，无实际意义)；

b.炉膛整体黑度

步骤4：根据主燃烧区A的结渣计算模型及布置的热流计测点，计算主燃烧区域a个区段的结渣程度：

(1)计算主燃区第1层燃烧器(第A区第1段)的水冷壁热有效系数ψ_A1：

a.假设主燃区第1区段的出口烟气温度T_A1″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_A1；

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_A1，根据校核式校核假设的A区第1段的出口烟气温度T_A1″，若符合校核式则输出ψ_A1；若不符合校核式则重新假设T_A1″，重新校核直到符合为止。

(2)计算主燃区第2层燃烧器(第A区第2段)的水冷壁热有效系数ψ_A2：

a.假设主燃区第2区段的出口烟气温度T_A2″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_A2，此处

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_A2，根据校核式校核假设A区第2段的出口烟气温度T_A2″，若符合校核式则输出ψ_A2；若不符合校核式则重新假设T_A2″，重新校核直到符合为止。

(3)计算主燃区第3层燃烧器(第A区第3段)的水冷壁热有效系数ψ_A3：

a.假设主燃区第3区段的出口烟气温度T_A3″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_A3，此处

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_A3，根据校核式校核假设A区第3段的出口烟气温度T_A3″，若符合校核式则输出ψ_A3；若不符合校核式则重新假设T_A3″，重新校核直到符合为止。

步骤5：根据燃尽区B的结渣计算模型及布置的热流计测点，计算燃尽区域1个区段的结渣程度：

计算燃尽区第1层燃尽风(第B区第1段)的水冷壁热有效系数ψ_B1：

a.假设燃尽区第1区段的出口烟气温度T_B1″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_B1，此处

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_B1，根据校核式校核假设B区第1段的出口烟气温度T_B1″，若符合校核式则输出ψ_B1；若不符合校核式则重新假设T_B1″，重新校核直到符合为止。

步骤6：根据换热区C的结渣计算模型及布置的热流计测点，计算换热区域3个区段的结渣程度，即

(1)计算换热区第1层吹灰器(第C区第1段)的水冷壁热有效系数ψ_C1：

a.假设换热区第1区段的出口烟气温度T_C1″，根据此段的热平衡方程

计算水冷壁热有效系数ψ_C1，

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_C1，根据校核式校核假设C区第1段的出口烟气温度T_C1″，若符合校核式则输出ψ_C1；若不符合校核式则重新假设T_C1″，重新校核直到符合为止。

(2)计算换热区第2层吹灰器(第C区第2段)的水冷壁热有效系数ψ_C2：

a.假设换热区第2区段的出口烟气温度T_C2″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_C2，

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_C2，根据校核式校核假设C区第2段的出口烟气温度T_C2″，若符合校核式则输出ψ_C2；若不符合校核式则重新假设T_C2″，重新校核直到符合为止。

(3)计算换热区第3层吹灰器(第C区第3段)的水冷壁热有效系数ψ_C3：

a.假设换热区第3区段的出口烟气温度T_C3″，根据此段的热平衡方程计算水冷壁热有效系数ψ_C3，

b.根据此段布置热流计测量获得的局部热流密度q_C3，根据校核式校核假设C区第3段的出口烟气温度T_C3″，若符合校核式则输出ψ_C3；若不符合校核式则重新假设T_C3″，重新校核直到符合为止。

步骤7：输出计算出的各区段实时水冷壁热有效系数：ψ_A1～ψ_A3，ψ_B1，ψ_C1～ψ_C3,按时间分布做成曲线图，作为各区段直观的结渣监测数据呈现给运行人员。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。