一种锅炉炉膛火焰中心位置监控方法与流程

本发明属于锅炉炉膛燃烧领域，具体涉及一种锅炉炉膛火焰中心位置监控方法。

背景技术：

锅炉炉膛的火焰中心是体现锅炉燃烧状况的重要因素，是炉内燃烧状态的直接反映。火焰中心高度位置变化直接影响着煤粉颗粒的着火、燃尽、污染物排放以及水冷壁和过热器热负荷分配等。火焰中心如果发生偏斜，不仅影响炉膛内烟气温度场及流场分布，还会影响受热面吸热量的分配，造成局部受热面吸热过多，致使该部分受热面传热恶化、烧坏管壁；同时，还会引发火焰偏斜侧炉内受热面的结渣和高温腐蚀，缩短炉内受热面(水冷壁)的使用寿命。因此，及时有效地监控火焰中心是否偏斜，具有一定的理论与实际应用价值。

在现有技术中，锅炉巨大的炉膛空间使得火焰中心难以测量。而炉内高温、高粉尘浓度等工作环境，在锅炉上安装大量测点又耗资巨大、施工困难。数值模拟的方法可计算出炉内三维空间内的温度场，但该方法不能实时预测和及时指导调整。因此，目前大多锅炉的火焰监测系统只能对炉内是否着火(具有火焰)进行判别，而对于火焰中心位置及是否偏斜不能进行有效判别。因此，针对火焰中心偏斜给锅炉带来的极大安全隐患问题，如何简单、可靠的实时监测火焰中心位置，从而指导实际运行，提高生产的经济性和安全性，是目前电站锅炉技术领域急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种锅炉炉膛内火焰中心位置的监控方法，以提高炉内火焰及空气动力场分布的均匀性，减少因火焰偏斜带来的传热恶化、结渣及高温腐蚀等造成的锅炉运行安全隐患。

本发明适用于锅炉炉膛受热面为垂直管屏式水冷壁，炉墙四周下部水冷壁出口存在温度测点，包括且不限于四角切圆锅炉炉膛、墙式切圆锅炉炉膛和双切圆锅炉炉膛等。

具体方案如下，一种锅炉炉膛火焰中心位置监控方法，所述监控方法包括：

1)建立炉膛热负荷与炉膛火焰中心位置的预测模型；

2)建立炉膛热负荷与水冷壁壁温之间的计算模型，该计算模型根据炉膛内传热的特点，主要考虑辐射传热；

3)建立锅炉不同负荷、一次风量和风温、二次风量和风温下炉膛热负荷分布与水冷壁壁温分布相对应的数据库；

4)现场提取实际水冷壁出口壁温测量数据和锅炉负荷、燃煤量、一二次风量；

5)根据实际水冷壁壁温测量值，调用数据库，差值读取热负荷数值，并计算炉膛三维热负荷分布；

6)利用2)所建炉膛热负荷与水冷壁壁温之间的计算模型，重新计算水冷壁壁温，判断其与测量值的平均误差是否满足要求；设置一定的误差阈值，判断壁温计算值与测量值的平均误差是否大于所设阈值，若是，则计算结束，输出热负荷分配曲线；若否，则继续调用数据库数据，进行迭代及误差判别；

7)根据计算所得热负荷分布，利用1)所建热负荷与火焰中心位置的预测模型，得到实际炉膛火焰中心位置，并图形显示火焰中心在炉膛内的状态，判断火焰中心是否偏斜；设置一定的火焰中心位置偏移量阈值，判断火焰中心位置偏移量是否大于所设阈值，若是，则计算结束，输出热负荷分配曲线；若是，则系统报警，提示偏斜区域并给出运行调整方案，再继续采集炉膛下水冷壁壁温。若否，则继续监测炉膛火焰中心位置。

可选的，所述建立炉膛热负荷与火焰中心位置的预测模型之前，还包括：将锅炉分别沿高度与宽度方向划分计算区域。可选的，所述建立炉膛热负荷与火焰中心位置的预测模型，具体包括：

根据火焰中心位置的不同，采用不同的热负荷分配系数，计算每一区域的区域热负荷；其中，所述的热负荷计算模型为：

式(1)中，q为热负荷，单位为w/(m²·s)；

ηa为沿炉膛高度方向的热负荷不均匀系数；

ηb为沿炉膛宽度方向的热负荷不均匀系统；

bcal为锅炉计算燃料消耗量，单位为kg/s；

为烟气在炉内的放热量，单位为kj/kg；

f为包围炉膛的总面积，单位为m²。

可选的，所述建立炉膛热负荷与火焰中心位置的监控模型，还包括：建立炉膛火焰中心位置与水冷壁热负荷分布的数据库，用于通过现场测量数据预测炉膛火焰中心位置。

可选的，所述建立炉膛热负荷与水冷壁壁温之间的计算模型，具体包括：

采用壁温计算模型，计算每一计算区域壁温：其中，所述壁温计算模型为：

式(2)中，tcr为壁温，单位为℃；

t为水冷壁流通介质的平均温度，单位为℃；

δt为区段中管内介质温度大于平均温度的值，单位为℃；

β为管子外径与内径的比值；

μ为热散漫系数；

δ为管子壁厚，单位为m；

λm为管壁向被加热介质的放热系数，单位为kj/(m²·s·℃)；

α为管壁向被加热介质的放热系数，单位为kj/(m²·s)。

可选的，所述计算每一区域的区域壁温之前，还包括：计算该区域水冷壁内工质的温度，具体包括：

采用工质焓增计算模型，计算每一区域的工质在该区域的焓增，联系工质初始参数可求得工质在该区域的焓值，再查询该区域工质的压力得到工质的温度。其中，所述工质焓增计算模型为：

式(3)中iy为工质在y区域的焓增，单位为kj/kg；

qy为在炉膛x高度下y宽度的热负荷，单位为w/(m²·s)；

qx为在炉膛x高度处的平均热负荷，单位为w/(m²·s)；

δi为工质的平均焓增，单位为kj/kg；

ix-1为工质在前一层计算高度下的焓值，单位为kj/kg。

可选的，所述建立锅炉不同负荷、一次风量和风温、二次风量和风温下炉膛热负荷分布与水冷壁壁温分布相对应的数据库，具体包括：

根据不同负荷、一次风量和风温、二次风量和风温下，分别确定一组对应的炉膛热负荷分布与水冷壁壁温分布，由此一一对应的关系建立数据库。

可选的，所述计算炉膛三维热负荷分布，具体包括：

根据锅炉负荷、燃煤量、一二次风量，调用所建立的炉膛热负荷分布与水冷壁壁温分布数据库，若存在与运行工况相对应的数据，直接读取，否则按差值法读取热负荷数值，计算炉膛三维热负荷分布：

可选的，所述利用炉膛热负荷与水冷壁壁温之间的计算模型重新计算水冷壁壁温，具体包括：

采用壁温计算模型，计算每一计算区域壁温：其中，所述壁温计算模型为：

式(2)中，tcr为壁温，单位为℃；

t为水冷壁流通介质的平均温度，单位为℃；

δt为区段中管内介质温度大于平均温度的值，单位为℃；

β为管子外径与内径的比值；

μ为热散漫系数；

δ为管子壁厚，单位为m；

λm为管壁向被加热介质的放热系数，单位为kj/(m²·s·℃)；

α为管壁向被加热介质的放热系数，单位为kj/(m²·s)。

可选的，所述判断壁温计算值与测量值的平均误差是否满足要求，具体包括：

设置一定的误差阈值，判断壁温计算值与测量值的平均误差是否大于所设阈值，若是，则计算结束，输出热负荷分配曲线；若否，则继续调用数据库数据，进行迭代及误差判别；

可选的，所述利用1)所建热负荷与火焰中心位置的预测模型，得到实际炉膛火焰中心位置，具体包括：

通过由现场运行数据输出的热负荷分配曲线与数据库中对应工况的热负荷作对比分析，利用火焰中心位置的预测模型得到火焰中心位置信息。

可选的，所述判断火焰中心是否偏斜，具体包括：

设置一定的火焰中心位置偏移量阈值，判断火焰中心位置偏移量是否大于所设阈值；若是，则系统报警，提示偏斜区域并给出运行调整方案，再继续采集炉膛下水冷壁壁温。若否，则继续监测炉膛火焰中心位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明建立炉膛热负荷与炉膛火焰中心位置的预测模型；建立炉膛热负荷与水冷壁壁温之间的计算模型，该计算模型根据炉膛内传热的特点，主要考虑辐射传热；建立锅炉不同负荷、一次风量和风温、二次风量和风温下炉膛热负荷分布与水冷壁壁温分布相对应的数据库；现场提取实际水冷壁出口壁温测量数据和锅炉负荷、燃煤量、一二次风量；根据实际水冷壁壁温测量值，调用数据库，差值读取热负荷数值，并计算炉膛三维热负荷分布；利用所建炉膛热负荷与水冷壁壁温之间的计算模型，重新计算水冷壁壁温，判断其与测量值的平均误差是否大于设置的阈值，若大于，则继续调用数据库数据，进行迭代及误差判别；若小于，则计算结束，输出热负荷分配曲线；根据计算所得热负荷分布，利用所建热负荷与火焰中心位置的预测模型，得到实际炉膛火焰中心位置，并图形显示火焰中心在炉膛内的状态，判断火焰中心偏斜是否大于设置的阈值，若大于，则系统报警，提示偏斜区域并给出运行调整方案，再继续采集炉膛下水冷壁壁温。

采用本发明提供的方法，相比于传统的火焰监控手段，只需依靠炉膛内现有测点，不需要另外投资设备与繁杂的测绘工作，监控方法简单，易于实现；监控结果由现场实测壁温得到，准确可靠，为工业生产提供了安全保障，为企业提供了经济效益；监控方法适用范围广，适用于各种锅炉，解决了目前难以判断锅炉燃烧状况的难题，具有广阔的前景与实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是为本发明实施例监控方法的流程示意图。

图2是本发明实施例的将炉膛高度方向划分计算区域示意图。

图3是本发明实施例的将炉膛宽度方向划分计算区域示意图。

图4是本发明实施例的沿炉膛高度方向热负荷分配图。

图5是本发明实施例的将炉膛宽度方向热负荷分配图。

图6是本发明实施例的沿炉膛高度水冷壁温度与工质温度图。

图7是本发明实施例的同炉膛相对高度水冷壁壁温图。

图8是本发明实施例的水冷壁温度计算值与实测值误差图。

图9是本发明实施例的计算得到的下水冷壁出口位置的水冷壁热负荷分配曲线。

图10本发明实施例的是炉膛火焰中心偏移位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的目的是提供一种锅炉炉膛火焰中心位置监控方法，该方法以实现炉膛燃烧过程中的实时监控与调整，为工业生产的安全性与经济性提供了保障。

图1为本发明实施例炉膛火焰中心位置监控方法的流程示意图。本实施例是以600mw超超临界压力燃煤机组的75％bmcr负荷作为参考标准，该炉采用п型布置、单炉膛、改进型低nox主燃烧器和mact型低nox分级送风燃烧系统、墙式切圆燃烧方式。锅炉燃用的煤种为芙蓉贫煤，采用中速磨正压直吹式系统，每炉配6台磨煤机。计算负荷下4台磨煤机运行，燃烧器开4层，并在燃烧器上面布置燃尽风。根据实际运行工况，进行实时监测，本实施例提供的炉膛火焰中心位置监控方法具体包括以下步骤：

步骤101：建立炉膛热负荷与炉膛火焰中心位置的预测模型；

其中，步骤101中建立炉膛热负荷与炉膛火焰中心位置的预测模型，具体包括：

将锅炉分别沿高度与宽度方向划分计算区域，如图2、图3所示；

根据火焰中心位置的不同，采用不同的热负荷分配系数，计算每一区域的区域热负荷，热负荷分配系数如图4、图5所示。其中，所述的热负荷计算模型为：

式(1)中，q为热负荷，单位为w/(m²·s)；

ηa为沿炉膛高度方向的热负荷不均匀系数；

ηb为沿炉膛宽度方向的热负荷不均匀系统；

bcal为锅炉计算燃料消耗量，单位为kg/s；

为烟气在炉内的放热量，单位为kj/kg；

f为包围炉膛的总面积，单位为m²。

步骤102：建立炉膛热负荷与水冷壁壁温之间的计算模型；

其中，步骤102中建立炉膛热负荷与水冷壁壁温之间的计算模型，具体包括：

采用壁温计算模型，计算每一计算区域壁温；其中，所述壁温计算模型为：

式(2)中，tcr为壁温，单位为℃；

t为水冷壁流通介质的平均温度，单位为℃；

δt为区段中管内介质温度大于平均温度的值，单位为℃；

β为管子外径与内径的比值；

μ为热散漫系数；

δ为管子壁厚，单位为m；

λm为管壁向被加热介质的放热系数，单位为kj/(m²·s·℃)；

α为管壁向被加热介质的放热系数，单位为kj/(m²·s)。

沿炉膛高度方向水冷壁壁温分布如图4所示。由图4可以看出，水冷壁温度呈先升高再降低的趋势，在炉膛燃烧器区域水冷壁壁温达到最大值。

沿炉膛宽度方向水冷壁壁温分布如图5所示。由图5可以看出，在同一高度截面，若火焰中心未发生偏移，即在炉膛中心时，水冷壁壁温呈两边低，中间高的对称分布。

采用工质焓增计算模型，计算每一区域的工质在该区域的焓增，联系工质初始参数可求得工质在该区域的焓值，再查询该区域工质的压力得到工质的温度；其中，所述工质焓增计算模型为：

式(3)中iy为工质在y区域的焓增，单位为kj/kg；

qy为在炉膛x高度下y宽度的热负荷，单位为w/(m²·s)；

qx为在炉膛x高度处的平均热负荷，单位为w/(m²·s)；

δi为工质的平均焓增，单位为kj/kg；

ix-1为工质在前一层计算高度下的焓值，单位为kj/kg。

沿炉膛高度方向工质温度变化如图6所示。图6可以看出，随着温度升高，工质比热容增大，使得温升逐渐变慢。

步骤103：建立不同工况炉膛热负荷分布与水冷壁壁温分布相对应的数据库；

其中，步骤103中建立不同工况炉膛热负荷分布与水冷壁壁温分布相对应的数据库，具体包括：

根据不同负荷、一次风量和风温、二次风量和风温，分别确定一组对应的炉膛热负荷分布与水冷壁壁温分布，由此一一对应的关系建立数据库。

步骤104：现场提出实际运行数据；

其中，步骤104中现场提出实际运行数据，具体包括：

现场提取实际水冷壁出口壁温测量数据和锅炉负荷、燃煤量、一二次风量，其中在本实施例中，水冷壁出口壁温测点共为96个，如图3所示中的小黑点。

步骤105：根据实际水冷壁壁温测量值，调用数据库，计算炉膛三维的实际热负荷分布；

其中，步骤105中，计算炉膛三维的实际热负荷分布，具体包括：

根据锅炉负荷、燃煤量、一二次风量，调用所建立的炉膛热负荷分布与水冷壁壁温分布数据库，若存在与运行工况相对应的数据，直接读取，否则按差值法读取热负荷数值，计算炉膛三维热负荷分布：

步骤106：根据所建炉膛热负荷与水冷壁壁温之间的计算模型，计算水冷壁壁温；

其中，步骤106中根据计算所得三维热负荷分布计算水冷壁壁温，具体包括：

采用壁温计算模型，计算每一计算区域壁温：其中，所述壁温计算模型为：

式(2)中，tcr为壁温，单位为℃；

t为水冷壁流通介质的平均温度，单位为℃；

δt为区段中管内介质温度大于平均温度的值，单位为℃；

β为管子外径与内径的比值；

μ为热散漫系数；

δ为管子壁厚，单位为m；

λm为管壁向被加热介质的放热系数，单位为kj/(m²·s·℃)；

α为管壁向被加热介质的放热系数，单位为kj/(m²·s)。

步骤107：判断水冷壁壁温计算值与测量值误差是否小于设置的阈值；

水冷壁壁温计算值与测量值误差的计算式为：

式(4)中，δ为相对误差；

tcr为水冷壁壁温的计算值，单位为℃；

ts为水冷壁壁温的实测值，单位为℃。

本实施例中误差值示于图8，进行误差判别，判断误差值是否小于设置的阈值，在本实施例中误差阈值为10％。

步骤108：若是，则输出热负荷分配曲线。

本实施例中，水冷壁壁温计算值与测量值之间的误差较低(图8)，均小于10％，则输出热负荷分配曲线，示于图9。

步骤109：若否，则继续调用数据库数据，进行迭代及误差判别。

步骤110：利用热负荷与火焰中心位置预测模型，得实际炉膛火焰中心位置；

其中，步骤110中利用热负荷与火焰中心位置预测模型，得实际炉膛火焰中心位置，具体包括：

通过由现场运行数据计算输出的热负荷分配曲线，应用步骤101所建炉膛热负荷与炉膛火焰中心位置的预测模型，得出实际运行工况下炉膛内火焰中心位置，示于图10。

步骤111：判断炉膛火焰中心位置偏移量是否超过设置的阈值。

步骤112：若是，则系统报警，提示偏斜区域并给出运行调整方案，见图10。再继续采集炉膛下水冷壁壁温。

图10可以看出，炉膛火焰中心向前墙有明显的偏移，系统立即报警，并提示运行操作人员增大a、b侧一、二次风门开度或减小a、b侧给粉量，以改变炉膛火焰中心位置，从而减少水冷壁的热偏差，有效防止水冷壁超温爆管等恶性事故的发生。

步骤113：若否，则继续采集炉膛下水冷壁壁温。

本发明实施例通过上述监控方法，技术人员可以只需依据炉膛内现有测点，不需要另外投资设备与繁杂的测绘工作，就可以实时监测炉膛火焰中心的位置情况。监控结果由现场实测壁温计算推导得到，准确可靠，为工业生产提供了安全保障，为企业提供了经济效益。采用本发明实施例提供的方法实现实时监控，既节约了监控成本，又保障了安全运行。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。