一种基于多点立体测量的锅炉出口烟温实时测量方法与流程

本发明属于电站锅炉监测技术领域，涉及一种基于多点立体测量的锅炉出口烟温实时测量方法。

背景技术：

炉膛烟气温度，特别是炉膛出口区域烟气温度是电站锅炉运行中需要监控的一个非常关键的参数，实现炉膛烟气的实时准确测温对保障火电厂安全运行，提高机组经济性和优化锅炉设计具有重要意义。

传统的火电厂设计中，随锅炉指定配供烟温探针(左右各一套)作为测量炉膛出口烟温的手段，如附图1所示。烟温探针是一种将热电偶送入炉膛或烟道，监测烟气温度的机电设备。热电偶固定在探针的头部，由气动或电动推进器推动探针在烟气中作伸缩运动，热电偶将测得的温度和位置转换系统检测到的热电偶进入炉膛的距离同时显示在集控室的仪表盘上。烟温探针主要用于锅炉启动期间监测炉膛出口处的烟气温度，防止再热器管子烧坏，也可以作为辅助控制工具测量锅炉低负荷运行时的烟气温度，当测得炉温达到设定的保护值时，烟温探针系统会发出报警并自动退回探针。

利用温度探针测量炉膛出口烟温的传统技术手段，不受炉膛烟气性质的影响，直接与烟气接触测量，测量精度较高，测温元件使用热电偶，设备廉价。但温度探针只能在启动投粉初期1小时内、烟温<530℃情况下工作，且8m～9m长的烟温探针进出高温炉膛极易损坏(大部分锅炉的烟温探针均已损坏)，所以不能满足锅炉运行全过程监测的需要，不利于锅炉燃烧优化。特别是当前各个发电集团的电厂由于煤种多变纷纷在开展煤种适应性试验研究和运行监控管理的情况下，实现在全负荷范围内炉膛出口烟温的测量显得尤为重要，很明显传统的烟温探针测温系统满足不了火电厂的炉膛出口烟温测量需求。同时应引起注意的是传统的烟温探针测量方式只简单补偿了环境温度，对因热电偶周围存在低温受热面引起的测量温度偏低没有修正，只能表征烟温变化趋势和速率，未能很好的表征烟气的真实温度。而且传统烟温探针烟温测量系统左右只各有一只温度探针，只能测量锅炉水平烟道固定位置沿宽度方向的烟气温度，不能满足一些基于整个炉膛出口温度场的机组运行状态和设备状态分析的要求。

技术实现要素：

本发明解决的问题在于提供一种基于多点立体测量的锅炉出口烟温实时测量方法，采用多点立体测量体系，并实时修正热电偶周围冷壁引起的测量值偏低，能够满足大型电站锅炉炉膛出口高温烟气环境下烟气温度的长期可靠测量，实现多点立体测量炉膛出口和水平烟道内高温烟气温度场。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于多点立体测量的锅炉出口烟温实时测量方法，包括以下操作：

1)构建多点立体测量体系：

在锅炉水平烟道设置多列烟温测点：在三级过热器后侧、四级过热器后侧、二级再热器后侧分别设置一列等距分布的烟温测点，每列烟温测点与其前后受热面等距；烟温测点采用铠装热电偶进行温度采集；

2)将烟温测点所采集的温度修正为锅炉炉膛出口烟气温度：

烟气对热电偶的换热系数α，由下式计算：

α＝α_c+α_r (1)

式中：α_c、α_r—分别为对流和辐射换热系数，kW/(m²·K)；

α_c＝Nu·λ/L (2)

N_u＝CR_e^mP_r^0.3 (3)

式中：R_e—烟气的雷诺数，

N_u—烟气的努塞尔数，

P_r—烟气的普朗特数，

λ—烟气的导热系数，kW/(m·K)，

L—特征长度，取热电偶的保护管直径，m；

系数C和m取决于烟气R_e数的大小；当R_e值处于40～10³范围内时，C＝0.51，m＝0.5；当R_e＝10³～2×10⁵时，C＝0.26，m＝0.6；

式中：T_f、T_tc—分别为烟气真实温度和热电偶表面温度，K；

σ₀—波尔兹曼常数，σ₀＝5.67×10^-11kW/(m²·k⁴)；

ξ_tc—热电偶表面黑度；

ξ_f—烟气黑度；

ξ_f＝1-e^-KPS (5)

S＝3.6V/∑F (6)

K＝K_g+K_a (7)

式中：K—烟气介质的辐射减弱系数，

P—炉内介质压力，对一般锅炉取P＝0.1MPa，

S—辐射层有效厚度，

V—烟道空间被前后受热面和四面炉墙界限的容积，m³；

∑F—烟道空间界限内壁面总面积，m²；

K_g、K_a—分别为烟气中三原子气体和粉尘(灰尘)的辐射减弱系数，

r_t—三原子气体所占烟气的容积总份额，

—烟气中水蒸汽的容积份额，

u—烟气中灰尘的浓度，kg/kg，

A—系数，参照相关标准选定，

α_yh—烟气携带的燃料灰分的份额，参照相关标准选定，

G_ar—燃烧产物的质量，kg，

α_gl—过量空气系数，

—燃料完全燃烧所需要的理论干空气量，m³/kg,

A_ar、C_ar、S_ar、H_ar、O_ar—收到基的灰分、碳、硫、氢、氧；

然后计算炉膛出口的烟气温度，公式如下：

T_f＝ξ_tc×σ₀×(1-ξ_f)(T_tc⁴-T₂⁴)/α+T_tc (13)

式中T₂是冷壁表面计算温度，采用下式得到：

式中：T_i—第i面冷壁表面温度，K，

T_i,_j—组成第i面冷壁第j根炉管管管壁温度，K，

ΔT_i,_j—组成第i面冷壁第j根炉管管壁温度修正温度，K；

n—组成第i面冷壁的炉管根数；

当冷壁截面为烟气时，冷壁温度T_i直接取为烟气温度T_f；计算出每个T_i(i＝1～6)后，冷壁表面计算温度按照面积加权平均计算：

T₂＝∑(T_iF_i)/∑F_i (15)

式中：T₂—冷壁表面计算温度，K，

T_i—第i面冷壁表面温度，K，

F_i—第i面冷壁表面积，m²；

按照上述公式迭代计算T_f，直到T_f的计算值和假设值误差<1K时收敛，此时的计算值即为修正后的锅炉炉膛出口烟气温度；

针对每个烟温测点分别计算其各自的修正温度。

所述在机组运行时，分布式控制系统DCS实时采集烟温测点的热电偶测量值，在DCS画面上展示并同步发送数据至电厂的SIS系统，SIS系统接受DCS传来的数据后，在自身实时服务器存储后将数据传至管理信息系统MIS镜像数据服务器储存；在MIS系统上，针对SIS系统的计算服务器实时读取数据服务器中热电偶测量值，并同步修正烟温测量值，消除因热电偶周围存在温度较低的受热面而造成的测量值偏低，给出实际烟气温度。

所述集控中心DCS画面上看到烟温在线实时测量值，同时在SIS页面的生产过程中看到烟温在线实时测量值和修正后的烟温值。

将烟温测点的热电偶周围各冷壁以锅炉中心线划分为左右两部分，左侧为A侧热电偶周围冷壁，右侧为B侧热电偶周围冷壁；(10)式中，Ti是第i面冷壁表面温度，i＝1～6，表示热电偶上下左右前后六个平面；上面为顶棚过热器或水平烟道上包墙或烟气；下面和前面为烟气；后面为左右侧水冷壁或者水平烟道左右侧包墙；左右面为过热器或再热器各管屏最外圈炉管组成的受热面，最上面热电偶左右面为过热器或再热器最外圈炉管组成的受热面的上半部分，最下面热电偶左右面为过热器或再热器最外圈炉管组成的受热面的下半部分，中间热电偶左右面为过热器或再热器最外圈炉管组成的受热面的中间一半部分。

所述的烟温测点采用设有套管的镍铬-镍硅铠装热电偶，其进入炉膛深度不低于200mm。

所述的套管的一端与锅炉炉管间的鳍片固定连接，另一端通过法兰与铠装热电偶固定连接。

所述的每列测点横向位置与其前后受热面等距，纵向位置沿水平烟道高度方向等距分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于多点立体测量的锅炉出口烟温实时测量方法，采用镍铬-镍硅铠装热电偶，基于多点立体测量体系，同时实时修正热电偶周围冷壁引起的测量值偏低，满足大型电站锅炉炉膛出口高温烟气环境下烟气温度的长期可靠测量(大于6个月)，实现多点立体测量炉膛出口和水平烟道内高温烟气温度场，修正温度偏低，能准确表征烟气的真实温度。本发明修正了热电偶测温时因周围存在冷壁辐射而造成的测量值偏低，修正后的值准确表征烟气真实温度，十分有利于指导过热器、再热器吹灰，指导锅炉运行以防止过热器、再热器沾污结渣等。

本发明提供的基于多点立体测量的锅炉出口烟温实时测量方法，不同于传统烟温探针只能测量锅炉水平烟道固定位置沿宽度方向的烟气温度，实现了多点立体测量炉膛出口和水平烟道烟气温度场，为更深入分析炉膛出口烟温偏差以指导燃烧调整，是否存在堵灰形成烟气走廊等提供数据支撑。

附图说明

图1是传统炉膛出口烟温测量系统测点位置示意图。

图2是本发明的烟温测点位置示意图。

图3是本发明的烟温测点局部放大示意图；其中，图3(a)是主视图，图3(b)是A-A视图。

其中，1为烟温测点。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图2，一种基于多点立体测量的锅炉出口烟温实时测量方法，包括以下操作：

1)构建多点立体测量体系：

在锅炉水平烟道设置多列烟温测点：在三级过热器后侧、四级过热器后侧、二级再热器后侧分别设置一列等距分布的烟温测点，每列烟温测点与其前后受热面等距；烟温测点采用铠装热电偶进行温度采集；

进一步的，参见图2，在锅炉水平烟道加装18个烟温测点(建议在锅炉制造时预留)，测点分布为：三级过热器后侧6个(3个标高，A、B两侧)，四级过热器后侧6个(3个标高，A、B两侧)，二级再热器后侧6个(3个标高，A、B两侧)。每列测点横向位置与其前后受热面(过热器和再热器)等距，纵向的3个测点沿水平烟道高度方向等距分布。每个烟温测点采用8mm直径铠装丝的镍铬-镍硅铠装热电偶，保护管直径16mm，该直径热电偶可耐受1200℃的环境温度，可满足大型电站锅炉三级过热器、四级过热器、二级再热器等高温受热面处烟气温度范围。

分别在锅炉水平烟道三级过热器后、四级过热器后、二级再热器后的左右侧各设置一列烟温测点1；所述的烟温测点1包括设有套管的铠装热电偶，套管的一端与锅炉炉管间的鳍片固定连接，另一端通过法兰与铠装热电偶固定连接。

进一步的，所述的铠装热电偶进入炉膛深度不低于200mm。

所述的每列测点横向位置与其前后受热面等距，纵向位置沿水平烟道高度方向等距分布。

具体的，在锅炉水平烟道三级过热器后，四级过热器后，二级再热器后左右侧各加装一列烟温测点，每列上中下3个(建议在锅炉制造时预留)，每列测点横向位置与其前后受热面(过热器和再热器)等距，纵向位置沿水平烟道高度方向等距分布。

每个烟温测点采用8mm直径铠装丝的镍铬-镍硅铠装热电偶，保护管直径16mm。安装时使用Ф40×5mm的套管，套管一端与锅炉炉管间的鳍片焊接，鳍片宽度不够时可进行让管处理，另一端焊接法兰，长度适当超出炉墙保温层，如附图3所示。套管的主要作用是穿过锅炉炉墙保温，避免高温的热电偶保护管与保温层接触，外侧焊接法兰，支撑固定热电偶。铠装热电偶插入套管后用法兰与套管连接固定，其进入炉膛深度不低于200mm。

2)将烟温测点所采集的温度修正为锅炉炉膛出口烟气温度：

热电偶测温是一种接触式测温方法，温度计感受件必须置于被测介质之中。当介质温度较高、测量空间周围布满温度较低的锅炉受热面(冷壁)时，高温热电偶表面与受热面之间的辐射换热将会导致温度计感受到的温度(测量值)与介质真实温度之间存在较大差别，必须对其进行修正以得到真实烟温，修正方法如下：

计算烟气对热电偶的换热系数α(包括对流换热和辐射换热)，由下式计算：

α＝α_c+α_r (1)

式中：α_c、α_r—分别为对流和辐射换热系数，kW/(m²·K)。

α_c＝Nu·λ/L (2)

N_u＝CR_e^mP_r^0.3 (3)

式中：R_e—烟气的雷诺数，

N_u—烟气的努塞尔数，

P_r—烟气的普朗特数，

λ—烟气的导热系数，kW/(m·K)，

L—特征长度，取热电偶的保护管直径，m。

系数C和m取决于烟气R_e数的大小。当R_e值处于40～10³范围内时，C＝0.51，m＝0.5；当R_e＝10³～2×10⁵时，C＝0.26，m＝0.6。

式中：T_f、T_tc—分别为烟气真实温度和热电偶表面温度，K，

σ₀—波尔兹曼常数，σ₀＝5.67×10^-11kW/(m²·k⁴)，

ξ_tc—热电偶表面黑度，取0.8

ξ_f—烟气黑度，

ξ_f＝1-e^-KPS (5)

S＝3.6V/∑F (6)

K＝K_gr_t+K_au (7)

式中：K—烟气介质的辐射减弱系数，

P—炉内介质压力，对一般锅炉取P＝0.1MPa，

S—辐射层有效厚度，

V—烟道空间被前后受热面和四面炉墙(或包复受热面)界限的容积，m³，

∑F—烟道空间界限内壁面总面积，m²

K_g、K_a—分别为烟气中三原子气体和粉尘(灰尘)的辐射减弱系数，

r_t—三原子气体所占烟气的容积总份额，

—烟气中水蒸汽的容积份额，

u—烟气中灰尘的浓度，kg/kg，参照相关标准选定，

A—系数，参照相关标准选定。

计算炉膛出口的烟气温度，公式如下：

T_f＝ξ_tc×σ₀×(1-ξ_f)(T_tc⁴-T₂⁴)/α+T_tc (10)

公式中T₂是冷壁表面计算温度，热电偶测温空间中，在其周围布置着不同形式的受热壁面，他们之间的壁温差别很大，冷壁表面计算温度如何选取直接影响修正后烟气温度值。为了保证修正后的烟气温度更加接近烟气真实温度，提高测量的准确性，本测量修正方法不同于现有提出的用一个固定的壁面温度设计值按照面积加权平均得到冷壁表面计算温度，而是采用了一种基于炉管管壁温度实时值的新计算方法，具体如下：

式中：T_i—第i面冷壁表面温度，K，

T_i,j—组成第i面冷壁第j根炉管管管壁温度，K，

ΔT_i,j—组成第i面冷壁第j根炉管管壁温度修正温度，K，查锅炉设计资料确定。

n—组成第i面冷壁的炉管根数。

将热电偶周围各冷壁以锅炉中心线划分为左右两部分，左侧为A侧热电偶周围冷壁，右侧为B侧热电偶周围冷壁。上式中，T_i是第i面冷壁表面温度，i＝1～6，表示热电偶上下左右前后六个平面。上面为顶棚过热器或水平烟道上包墙或烟气；下面和前面为烟气；后面为左右侧水冷壁或者水平烟道左右侧包墙。左右面为过热器或再热器各管屏最外圈炉管组成的受热面，最上面热电偶左右面为过热器或再热器最外圈炉管组成的受热面的上半部分，最下面热电偶左右面为过热器或再热器最外圈炉管组成的受热面的下半部分，中间热电偶左右面为过热器或再热器最外圈炉管组成的受热面的中间一半部分。T_i,j是组成第i面冷壁第j根炉管的管壁温度。

当冷壁为过热器或者再热器时，一般在炉管上部，锅炉炉顶大罩内有炉管管壁温度测点，如果该炉管没有管壁温度测点，就取临近炉管的管壁温度测量值。然后查取锅炉壁温计算数据汇总表，计算该炉管高度方向的炉管管壁温差，作为炉管管壁温度修正温度，即ΔT_i,j。当冷壁为顶棚过热器，水冷壁，水平烟道包墙时，T_i,j取该段炉管进出口蒸汽温度的平均值，考虑炉管管壁温度高于炉管内蒸汽温度，ΔT_i,j取20K。锅炉运行时，炉管外面会附有一层煤粉灰，煤粉灰层外表面温度才是真正与热电偶进行辐射换热的冷壁温度，因此上式最后加10K进行修正。需要注意的是当冷壁截面为烟气时，冷壁温度T_i直接取为烟气温度T_f。求出每个T_i(i＝1～6)后，冷壁表面计算温度按照面积加权平均计算，公式如下

T₂＝∑(T_iF_i)/∑F_i (11)

式中：T₂—冷壁表面计算温度，K，

T_i—第i面冷壁表面温度，K，

F_i—第i面冷壁表面积，m²。

按照上述公式迭代计算T_f，直到T_f的计算值和假设值误差<1K的时收敛，此时的计算值即为锅炉炉膛出口烟气温度。

将上述温度修正方法集成到电厂的厂级实时监控信息系统(SIS)的性能计算平台。机组运行时，分布式控制系统(DCS)实时采集热电偶测量值，在DCS画面上展示并同步发送数据至电厂的SIS系统，SIS系统接受DCS传来的数据后，在自身实时服务器存储后将数据传至管理信息系统(MIS)镜像数据服务器储存。在MIS系统上布置有SIS系统的计算服务器，实时读取数据服务器中热电偶测量值和其他修正计算用参数数据并计算校核，同步修正烟温测量值，消除因热电偶周围存在温度较低的受热面而造成的测量值偏低，给出实际烟气温度。

电厂运行人员可以在集控中心DCS画面上看到烟温在线实时测量值，同时可以在SIS页面的生产过程中看到烟温在线实时测量值和修正后的烟温值，以便于实时监控锅炉运行，保证运行安全。

本发明为修正热电偶周围冷壁引起的测量值偏低提供了必要的数据监测，满足大型电站锅炉炉膛出口高温烟气环境下烟气温度的长期可靠测量(大于6个月)，实现多点立体测量炉膛出口和水平烟道内高温烟气温度场，修正温度偏低，能准确表征烟气的真实温度。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。