本发明涉及热力设备性能状态监测与诊断领域，是一种电锅炉电热元件表面结垢厚度的在线监测方法。
背景技术：
：电锅炉也称电加热锅炉，它是以电力为能源并将其转化成为热能，从而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的锅炉设备。电锅炉的电热管易结垢，是电锅炉的致命缺陷。炉水中的杂质会吸附在电热原件上(电热管和电热棒)，水分中的氧气也会对电热原件进行氧化，一旦电锅炉内的电热原件结垢或被氧化，将会严重影响电锅炉的热效率。更严重的是电锅炉电热原件结垢后，电热原件的温度会迅速升高，容易导致电热原件的烧坏，从而极大缩短电锅炉的使用寿命。因此，电锅炉电热元件的结垢严重影响了电锅炉的安全经济运行。为延长电锅炉的使用寿命，提高电锅炉运行的安全可靠性，研究电锅炉电热元件结垢厚度的在线诊断方法对于电锅炉结垢程度的实时监控和及时处理具有非常重要的工程实际意义。目前，电锅炉电热原件易结垢的问题还没有得到彻底的解决，而电锅炉在运行中，主要还是通过停炉检查来查看电热原件结垢的程度，然后视结垢厚度制定清垢方案。依据电锅炉的运行规程，一般根据当地的水质情况，电锅炉要在1-2个月内要打开清垢孔或人孔进行检查，查看炉壁和电热元件结垢情况，如果结垢厚度超过5mm，就要进行一次清炉，视结垢情况还需要定期对电锅炉进行排污。显然，由于不能在线实时得到电锅炉电热元件的结垢厚度，使电锅炉的定期的清垢和排污变得较为盲目，由此造成极大的资源浪费，有时电锅炉的水质变差后，仍按照先前电锅炉的清垢周期进行，还可能会造成电热元件的损坏，进而导致更大的经济损失。技术实现要素：本发明的目的是，针对目前关于电锅炉电热元件结垢厚度不能实时在线监测的问题和缺陷，本发明基于电锅炉加热工质的原理，将电锅炉加热水的过程近似看作是大容器饱和沸腾传热，通过监测电锅炉工质进出口工质的温度、工质流量、电锅炉水位、电锅炉电热元件表面温度测点，结合热平衡原理，提出一种能够自动在线计算、准确监测电锅炉电热元件表面结垢厚度的在线诊断方法。实现本发明目的采用的技术方案是：一种电锅炉电热元件表面结垢厚度的在线监测方法，其特征在于，它包括的步骤有:(a)数据采集环节：在线监测电锅炉给水温度、给水流量、电锅炉出口蒸汽的温度、电锅炉水位，电锅炉加热原件表面的温度，通过采集的电锅炉给水温度、给水流量、电锅炉出口蒸汽的温度、电锅炉水位，电锅炉加热原件表面的温度现场数据，来计算电锅炉加热元件无结垢时表面的温度和结垢厚度，(b)电锅炉电热元件无结垢表面温度的计算环节通过监测得到的电锅炉给水温度、给水流量、电锅炉产生饱和蒸汽的温度可得到电锅炉单位时间的换热量为q＝mgzcp(tzq-tgs)+r(1)式中：q为电锅炉单位时间的换热量，j/h；mgz为电锅炉的给水流量，kg/h；cp为工质在温度tgs和tzq之间的平均定压比热，计算时可取的比热容，j/(kg·k)；tzq为电锅炉出口工质的温度，即电锅炉出口饱和蒸汽温度，℃；tgs为电锅炉进口工质的温度，即电锅炉给水温度，℃；r为在温度tzq下由饱和水到饱和蒸汽吸收的汽化潜热，kj/kg，电锅炉的热流量为式中：q为电锅炉单位时间的换热量，j/h；φ为电锅炉的热流量，w，通过对电锅炉水位的监测得到实际浸入水中电锅炉电热元件的长度为l＝kx(3)式中：l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；k为电锅炉每单位水位高度的电热元件的长度，m/m；x为电锅炉水位高度，m，由此可得到电锅炉电热元件运行中对水的实际受热面积为a＝lπd(4)式中：a为电锅炉运行中的电热元件的实际受热面积，m2；l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；π为圆周率，计算中取值为3.14；d为电锅炉电热元件的外径，m；电锅炉运行中浸入水中电热元件表面的热流密度为式中：φ为电锅炉的热流量，w；q为电锅炉运行中浸入水中电热元件的表面热流密度，w/m2；a为电锅炉运行中的实际受热面积，m2；将电锅炉电热元件加热水的过程近似看作是大容器饱和核态沸腾，故依据传热学原理中rohsenow整理得到的饱和核态沸腾的无量纲关联式为式中：δt为电锅炉加热元件壁面温度和工质之间的温差，即电锅炉的壁面过热度，℃；q为电锅炉运行中浸入水中电热元件的表面热流密度，w/m2；σ为液体-蒸气截面的表面张力，n/m；ρl为电锅炉饱和液体的密度，kg/m3；ρv为电锅炉饱和蒸气的密度，kg/m3；ηl为饱和液体的动力粘度，pa·s；r为汽化潜热，j/kg；s为经验指数，对于水，s＝1，对于其他液体，s＝1.7；cwl取决于加热表面-液体组合情况的经验常数，对于机械抛光的不锈钢表面和液体水的组合，依据传热学原理，该值取0.013；g为重力加速度，取值为9.8，m/s2；cpl为饱和液体的比定压热容，j/(kg·k)；prls为饱和液体的普朗特数，将式(6)经过变形，整理成温差的形式，即电锅炉无结垢时电热元件表面温度和所加热工质的温度差为式中：δt为电锅炉加热元件壁面温度和工质之间的温差，℃；q为电锅炉运行中浸入水中电热元件的表面热流密度，w/m2；σ为液体-蒸气截面的表面张力，n/m；ρl为电锅炉饱和液体的密度，kg/m3；ρv为电锅炉饱和蒸气的密度，kg/m3；ηl为饱和液体的动力粘度，pa·s；r为汽化潜热，j/kg；s为经验指数，对于水，s＝1，对于其他液体，s＝1.7；cwl取决于加热表面-液体组合情况的经验常数，对于机械抛光的不锈钢表面和液体水的组合，依据传热学原理，该值取0.013；g为重力加速度，取值为9.8，m/s2；cpl为饱和液体的比定压热容，j/(kg·k)；prls为饱和液体的普朗特数，电锅炉电热元件无结垢时表面的温度为t1＝ts+δt(8)式中：t1为电锅炉电热元件无结垢时表面的温度，ts为液体水的饱和温度；δt为电锅炉加热元件无结垢壁面温度和工质之间的温差，℃；(c)电锅炉电热元件结垢平均厚度的计算环节将电锅炉的结垢看作是均匀附着在电锅炉电加热原件上，由传热学导热原理可知，由电锅炉电热元件无结垢表面到垢层外表面的热流量为式中：φ为电锅炉的热流量，也是由电锅炉电热元件无结垢表面到垢层表面的热流量w；π为圆周率，取值为3.14；λ为电热元件垢层的导热系数，对于水垢取值为1.32，w/(mk)；l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；t1为电锅炉电热元件表面的温度，℃；t2为在线测量得到的电锅炉电热元件垢层外表面的温度，℃；r1为电锅炉电热元件中心到电热元件表面的距离，℃；r2为电锅炉电热元件中心到垢层表面的距离，℃；将式(9)进行变形可得到r2＝r1+do式中：φ为电锅炉的热流量，w；π为圆周率，取值为3.14；λ为电热元件垢层的导热系数，对于水垢取值为1.32，w/(mk)；l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；t1为电锅炉电热元件表面无结垢时的温度，℃；t2为在线测量得到的电锅炉电热元件垢层外表面的温度，℃；r1为电锅炉电热元件中心到电热元件表面的距离，m；r2为电锅炉电热元件中心到垢层表面的距离，m；do为电锅炉电热元件结垢的平均厚度，m；对式(10)进行整理变形得到电锅炉电热元件平均结垢厚度的计算式为式中：φ为电锅炉的热流量，w；π为圆周率，取值为3.14；λ为电热元件垢层的导热系数，对于水垢取值为1.32，w/(mk)；l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；t1为电锅炉电热元件表面无结垢时的温度，℃；t2为在线测量得到的电锅炉电热元件垢层外表面的温度，℃；r1为电锅炉电热元件中心到电热元件表面的距离，m；r2为电锅炉电热元件中心到垢层表面的距离，m；do为电锅炉电热元件结垢的平均厚度，m；(d)电锅炉电热元件不同部位结垢厚度的确定环节di＝doβi(12)式中：di为电锅炉电热元件不同部位的结垢厚度，i代表电锅炉的不同部位，℃；do为电锅炉电热元件结垢的平均厚度，℃；βi为不同部位结垢厚度的修正系数，βi可通过电锅炉运行中结垢试验得到。本发明的一种电锅炉电热元件表面结垢厚度的在线监测方法的提出，基于以下构思：1.认为电锅炉热功率全部用来加热水，首先确定电锅炉电热元件的平均结垢厚度，然后在平均结垢厚度基础上乘以电热元件不同部位的修正系数，进而得到电锅炉电热元件不同部位的结垢厚度；2.近似认为电锅炉加热水的过程属于大容器饱和沸腾加热过程，这样就可以采用传热学原理中rohsenow整理得到的饱和核态沸腾的无量纲关联式计算电锅炉电热元件无结垢时壁面的过热度；3.定义电锅炉每单位水位高度的电热元件的长度的概念，这样通过监测水位高度就可以计算得到电锅炉实际加热水的电热元件的长度，并可以计算电锅炉实际参与换热的热流密度，进而才可以采用rohsenow整理得到的饱和核态沸腾的无量纲关联式进行计算电锅炉电热元件无结垢时壁面的过热度，最后可得到电锅炉电热元件无结垢时的表面温度；4.由计算得到的无结垢时的电锅炉电热元件表面的温度和在线测量得到的电热元件垢层外表面的温度就可以采用传热学的导热原理确定电锅炉电热元件的平均结垢厚度；5.采用rohsenow整理得到的饱和核态沸腾的无量纲关联式计算电锅炉电热元件无结垢时壁面的过热度时，忽略电锅炉下面加热元件所产生汽包对上面加热元件的影响；按照本发明的以上构思，根据电锅炉电热元件加热工质的特点，结合现场实际运行中监测到的参数、热平衡理论、试验数据和计算机技术，进一步提出了实现本发明技术方案所遵循的原理，即：1.首先在线监测电锅炉给水温度、给水流量、出口蒸汽的温度、电锅炉水位及电锅炉加热元件表面的温度；2.依据电锅炉热平衡原理、监测的水位高度得到电锅炉运行中浸入水中电热元件表面的热流密度，进而采用传热学原理中rohsenow整理得到的饱和核态沸腾的无量纲关联式计算得到电锅炉电热元件表面无结垢时的壁面温度；3.依据监测到的电锅炉电热元件结垢表面温度和电锅炉电热元件表面无结垢时的壁面温度，并结合传热学导热原理就可得到电锅炉电热元件表面的平均结垢厚度；4.将计算得到的得到电锅炉电热元件表面的平均结垢厚度乘以电锅炉电热元件不同部位的修正系数，就可以得到电锅炉不同部位的结垢厚度；本发明的一种电锅炉电热元件表面结垢厚度的在线监测方法，攻克了电锅炉电热元件表面结垢厚度无法在线监测的缺陷，且所需测点数据少，计算方法简单、精确和科学，能够实现在线准确监测电锅炉电热元件结垢厚度的目的。附图说明图1电锅炉电热元件加热水的示意图；图2电锅炉电热元件表面平均结垢厚度的示意图；图3本发明一种电锅炉电热元件表面结垢厚度的在线监测方法流程图；图4本发明一种电锅炉电热元件表面结垢厚度的在线监测方法程序简化流程图；图5本发明一种电锅炉电热元件表面结垢厚度的在线监测示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参照图1～图5，本发明的一种电锅炉电热元件表面结垢厚度的在线监测方法，包括以下内容：(a)数据采集环节如图1，由于电锅炉的结垢是一个动态过程，即每时每刻电锅炉电热元件的结垢厚度都是不同的。故通过数据采集系统采集电锅炉给水温度、给水流量、出口蒸汽的温度、电锅炉水位，电锅炉加热元件表面的温度以便对电锅炉电热元件无结垢表面温度和平均结垢厚度的计算，即由实时数据得到的电锅炉电热元件实时的结垢厚度，本发明电锅炉需要监测的运行参数清单电锅炉给水流量(甲)(t/h)电锅炉出口蒸汽温度(乙)(℃)电锅炉给水流量(乙)(t/h)电锅炉水位(甲)(m)电锅炉给水温度(甲)(℃)电锅炉水位(乙)(m)电锅炉给水温度(乙)(℃)电锅炉加热原件表面的温度(甲)(℃)电锅炉出口蒸汽温度(甲)(℃)电锅炉加热原件表面的温度(乙)(℃)(b)电锅炉电热元件无结垢表面温度的计算环节通过监测得到的电锅炉给水温度、给水流量、电锅炉产生饱和蒸汽的温度可得到电锅炉单位时间的换热量为q＝mgzcp(tzq-tgs)+r(1)式中：q为电锅炉单位时间的换热量，j/h；mgz为电锅炉的给水流量，kg/h；cp为工质在温度tgs和tzq之间的平均定压比热，计算时可取的比热容，j/(kgk)；tzq为电锅炉出口工质的温度，即电锅炉出口饱和蒸汽温度，℃；tgs为电锅炉进口工质的温度，即电锅炉给水温度，℃；r为在温度tzq下由饱和水到饱和蒸汽吸收的汽化潜热，该汽化潜热值由电锅炉饱和蒸汽温度确定，kj/kg。电锅炉的热流量为式中：q为电锅炉单位时间的换热量，j/h；φ为电锅炉的热流量，w。如图1所示，电锅炉在实际运行中并不总是在额定负荷下运行，即电锅炉的水位并不总是处于额定水位。故在计算中必须采用当下的实际参与换热的电锅炉电热元件的长度，才能计算得到电锅炉实时的结垢厚度，因此，需要确定电锅炉实际浸入水中的电热元件的长度。通过对电锅炉水位的监测得到实际浸入水中电锅炉电热元件的长度为l＝kx(3)式中：l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；k为电锅炉每单位水位高度的电热元件的长度，m/m，该值可由电锅炉电热元件的总长度和额定水位高度确定，可通过电锅炉设计参数得到；x为电锅炉水位高度，m，由此可得到电锅炉电热元件运行中与水换热的实际受热面积为a＝lπd(4)式中：a为电锅炉运行中的实际受热面积，m2；l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；π为圆周率，计算中取值为3.14；d为电锅炉电热元件的外径，m。电锅炉运行中浸入水中电热元件表面的热流密度为式中：φ为电锅炉的热流量，w；q为电锅炉运行中浸入水中电热元件的表面热流密度，w/m2；a为电锅炉运行中的实际受热面积，m2。将电锅炉电热元件加热水的过程近似看作是大容器饱和核态沸腾，故依据传热学原理中rohsenow整理得到的饱和核态沸腾的无量纲关联式为：式中：δt为电锅炉加热元件壁面温度和工质之间的温差(即电锅炉的壁面过热度)，℃；q为电锅炉运行中浸入水中电热元件的表面热流密度，w/m2；σ为液体-蒸气截面的表面张力，n/m；ρl为电锅炉饱和液体的密度，kg/m3；ρv为电锅炉饱和蒸气的密度，kg/m3；ηl为饱和液体的动力粘度，pas；r为汽化潜热，j/kg；s为经验指数，对于水，s＝1，对于其他液体，s＝1.7；cwl取决于加热表面-液体组合情况的经验常数，对于机械抛光的不锈钢表面和液体水的组合，依据传热学原理，该值取0.013；g为重力加速度，取值为9.8，m/s2；cpl为饱和液体的比定压热容，j/(kgk)；prls为饱和液体的普朗特数；将式(6)经过变形，整理成温差的形式，即电锅炉无结垢时电热元件表面温度和所加热工质的温度差为式中：δt为电锅炉加热元件壁面温度和工质之间的温差，℃；q为电锅炉运行中浸入水中电热元件的表面热流密度，w/m2；σ为液体-蒸气截面的表面张力，n/m；ρl为电锅炉饱和液体的密度，kg/m3；ρv为电锅炉饱和蒸气的密度，kg/m3；ηl为饱和液体的动力粘度，pas；r为汽化潜热，j/kg；s为经验指数，对于水，s＝1，对于其他液体，s＝1.7；cwl取决于加热表面-液体组合情况的经验常数，对于机械抛光的不锈钢表面和液体水的组合，依据传热学原理，该值取0.013；g为重力加速度，取值为9.8，m/s2；cpl为饱和液体的比定压热容，j/(kgk)；prls为饱和液体的普朗特数；电锅炉加热元件无结垢时表面的温度为t1＝ts+δt(8)式中：t1为电锅炉电热元件无结垢时表面的温度，ts为液体水的饱和温度；δt为电锅炉加热元件无结垢壁面温度和工质之间的温差，℃；(c)电锅炉电热元件结垢平均厚度的计算环节将电锅炉的结垢看作是均匀附着在电锅炉电加热元件上，如图2所示，由传热学导热原理可知，由电锅炉电热元件无结垢表面到垢层表面的热流量为：式中：φ为电锅炉的热流量，也是由电锅炉电热元件无结垢表面到垢层表面的热流量w；π为圆周率，取值为3.14；λ为电热元件垢层的导热系数，对于水垢取值为1.32，w/(mk)；l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；t1为电锅炉电热元件表面的温度，℃；t2为电锅炉电热元件垢层表面的温度(在线测量得到)，℃；r1为电锅炉电热元件中心到电热元件表面的距离，℃；r2为电锅炉电热元件中心到垢层表面的距离，℃；电锅炉加热元件表面结垢厚度的计算环节r2＝r1+do式中：φ为电锅炉的热流量，w；π为圆周率，取值为3.14；λ为电热元件垢层的导热系数，对于水垢取值为1.32，w/(mk)；l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；t1为电锅炉电热元件表面无结垢时的温度，℃；t2为在线测量得到的电锅炉电热元件垢层外表面的温度，℃；r1为电锅炉电热元件中心到电热元件表面的距离，m；r2为电锅炉电热元件中心到垢层表面的距离，m；do为电锅炉电热元件结垢的平均厚度，m；对式(10)进行整理变形得到电锅炉电热元件平均结垢厚度的计算式为式中：φ为电锅炉的热流量，w；π为圆周率，取值为3.14；λ为电热元件垢层的导热系数，对于水垢取值为1.32，w/(mk)；l为电锅炉电热元件浸入水中的实际长度，m；t1为电锅炉电热元件表面无结垢时的温度，℃；t2为在线测量得到的电锅炉电热元件垢层表面的温度，℃；r1为电锅炉电热元件中心到电热元件表面的距离，m；r2为电锅炉电热元件中心到垢层表面的距离，m；do为电锅炉电热元件结垢的平均厚度，m；(d)电锅炉电热元件不同部位结垢厚度的确定环节di＝doβi(12)式中：di为电锅炉电热元件不同部位的结垢厚度(i代表电锅炉的不同部位)，℃；do为电锅炉电热元件结垢的平均厚度，℃；βi为不同部位结垢厚度的修正系数，该系数可通过电锅炉运行中结垢试验得到。本发明的计算机软件程序依据自动化控制、计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。计算实例：现有一台生产饱和蒸汽的电锅炉，采用外径15mm的不锈钢作为安置电热阻丝的外套(即电热元件)，该电锅炉将按照水位的高度把电热元件分成第一、第二及第三段进行了结垢程度的试验。现测得该电锅炉的实时运行测量数据如下表所示。电锅炉运行测量、试验及设计数据(a)数据采集环节通过数据采集系统采集电锅炉的给水温度、给水流量、出口蒸汽的温度、电锅炉水位，电锅炉加热原件表面的温度，并由此得到以上参数的平均值。电锅炉给水流量平均值为电锅炉给水温度平均值为电锅炉出口蒸汽温度平均值为电锅炉平均水位为电锅炉电热原件表面的平均温度为(b)电锅炉电热元件无结垢表面温度的计算环节在温度为时的比热容为cp＝4194.6j/(kgk)139℃的饱和水加热到饱和蒸汽的汽化潜热为r＝2147070j/kg电锅炉的单位时间的换热量为q＝mgzcp(tzq-tgs)+r＝495×4194.6×(139-20)+2147070＝2.49×108j/h电锅炉的热流量为某电锅炉每单位水位高度的电热元件的长度系数k＝5.1m/m，通过对电锅炉水位的监测得到实际浸入水中电锅炉电热元件的长度为l＝kx＝5.1m/m×2.09m＝10.659m电锅炉采用外径为15mm的不锈钢钢管作为安置电阻丝的外套，即作为电热元件，电锅炉电热元件运行中对水的实际受热面积为a＝lπd＝10.659m×3.14×0.015m＝0.502m2电锅炉运行中浸入水中电热元件表面的热流密度为139℃时饱和水及饱和蒸汽的物性参数为：ρl＝926.97kg/m3，ρv＝1.92kg/m3，cpl＝4.2849kj/(kg·k)，ηl＝202.77×10-6pa·s，prls＝1.27，r＝2147.07kj/kg，σ＝207.1×10-4n/m，cwl＝0.013，g＝9.8m/s2电锅炉无结垢时电热元件表面温度和所加热工质的温度差为电锅炉加热元件无结垢表面的温度为t1＝ts+δt＝139+7.52＝146.52℃(c)电锅炉电热元件结垢平均厚度的计算环节水垢的导热系数取值为1.32w/(mk),电锅炉加热元件表面平均结垢厚度为(d)电锅炉电热元件不同部位结垢厚度的确定环节在电锅炉结垢程度试验中将该电锅炉的加热元件依据水位高度平均分成3段，靠近炉底的电热元件为第一段，第一段的结垢厚度的修正系数为2.1，靠近水位的最上层的电热元件为第三段，第三段的结垢厚度修正系数为0.6，中间一段为第二段，第二段的结垢厚度的修正系数为1.4，电锅炉电热元件第一段的平均结垢厚度为d1＝doβ1＝0.116*2.1＝0.2436mm电锅炉电热元件第二段的平均结垢厚度为d2＝doβ2＝0.116*1.4＝0.1624mm电锅炉电热元件第三段的平均结垢厚度为d3＝doβ3＝0.116*0.6＝0.0696mm在线监测结果：该电锅炉电热元件各部位的结垢厚度均小于5mm,目前不需要停炉清垢。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页12