适用大型锅炉的智能型冷态炉内动力状况测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电站锅炉技术领域，具体涉及一种用于大型电站煤粉锅炉冷态炉内动力状况的测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]在我国的各种发电方式中，仍然以燃煤的火力发电为主，在300丽和600丽这些主力机组中，切圆燃烧方式由于燃烧行程长，炉内混合强烈，燃烧效率高等特点在煤粉锅炉中被广泛采用。
[0003]对于采用切圆燃烧方式的大型电站锅炉来说，其燃烧效果的好坏与炉内空气动力状况直接相关，但是在煤粉燃烧情况下，炉内是最高可达到1500°C多灰的高温环境、而且煤粉燃烧是多变量、多因素复杂耦合的物理化学过程，无法在热态情况下对炉内燃烧动力状况进行测试，目前有些测量技术如声波测温技术、激光测量技术等可以测量出炉内的温度场、氧量场、CO场的分布，就这些测量技术来看首先是误差较大，而且受现场测量条件，燃烧状况等因素的影响，很多情况下出现测量数据失真的现象，数据不可靠，最关键的一点是这些测量数据并不能反应炉内燃烧动力状况，不能显示出炉内燃烧切圆的大小，炉膛内贴壁风速是多少，有无贴壁燃烧等情况。
[0004]目前较为可行并且已经应用的方法有两种，一种是采用数值模拟的方法对炉内热态动力状况进行模拟，另一种是基于相似理论的炉内冷态动力状况的直接测量。
[0005]数值模拟是以计算方法为基础，利用计算机求解物理过程的方法，该方法具有成本低，速度快，可以模拟真实条件不需要缩小的模型等优势，但其缺点也较为明显，数值模拟的对象是数学模型，数学模型的是经过简化假设处理的，其准确性未知；对于一些几何形状复杂，物性变化大问题不能获得；数值模拟对解的唯一性判断力较弱。
[0006]目前关于炉内空气动力场的数值模拟的文章较多，如王鹏翔，杨威，陆慧林，200MW四角切向煤粉锅炉空气动力场冷态模化和数值模拟[J]，电站系统工程，2002，4:10-22 ;荆有印，方月兰，齐晓唯，四角切向燃烧煤粉锅炉炉内气流组织与数值模拟[J]，东北电力技术，2007，7:1-3 ;申春梅，吴少华，吴雪梅等，单炉膛双切圆锅炉炉内空气动力场的数值模拟[J]，电力设备，2006，11 (7):43-46等。这些数值模拟都采用了流体视为不可压缩流体，忽略流体粘性力做功引起的耗散，流动视为稳态流动，认为流体密度变化仅对浮生力产生影响，然后采用k-ε双方程模型SIMPLE离散方式对炉膛内部的气相流动进行模拟得出的结果，图1典型的数值模拟结果。
[0007]从模拟结果可以定性的看出炉内流动状况，而且给出信息也不全，没有定量给出燃烧切圆直径大小和锅炉贴壁风速等重要参数，而且由于数值模拟的固有的缺点，数值模拟结果在工程上仅作为参考，在进行锅炉设计和燃烧器设计时，还必须进行冷模试验。
[0008]根据相似原理，进行炉内冷态空气动力场等模化试验一种简便易行的测试方法，在新机组投产前或锅炉大修后启动前都要进行炉内空气动力场试验，该方法应遵守的原则是:几何相似，保持气流进入自摸化区，边界条件相似，这三个条件都是非常容易满足的，由于是在原锅炉上测试，所以几何相似，只要保证Re > 15就进入自摸化区域，边界条件只要保证冷态时的一次、二次和三次风的动量比相等就满足了边界条件，然后就可进行炉内冷态动力状况的直接测试，这种测试需要试验人员手持测风仪器对各点风速测量，而测试期间炉内是通风状态，测试人员处于一个噪音大、风速高、粉尘多，温度低(夏天则温度高)的环境，测试环境极其恶劣，而且由于测点数目较多，测试人员的劳动强度较大，耗费时间较长，而且人员在里面的站立对炉内空气动力状况影响并且在这种恶劣环境下测试对读数等也产生较大误差，导致测量精度较低，即使测试人员配戴较好的个人防护用品，鼻孔、眼睛耳朵内粉尘要三四天后才能排干净，对测试人员的身体造成较大的伤害。
[0009]除了直接测量炉内动力状况外，还有几种方法如飘带法，烟花示踪法，纸肩法等，这三种方法只能定性的分析，并且不能全面观察炉内状况，尤其烟花和纸肩法的持续时间较短，来不及仔细分析就结束了，所以目前采用这三种方法的越来越少。
[0010]关于炉内冷态空气动力场的文献也有一些如黄中柏，刘海明，330丽四角切圆燃煤锅炉冷态空气动力场试验研宄[J]，湖北电力，2011，12(35):23-25 ;孙科，张军威，吴福贵，1913t_h超临界四角切圆锅炉冷态空气动力场的试验研宄[J]，制冷空调与电力机械，2009，6 (30) 82-84 ;杨恒军，2号炉冷态空气动力场试验及分析[J]，华北电力技术，2007,3:3-5 ;这几篇文章介绍了不同锅炉的冷态空气动力场的试验过程并对试验结果进行了分析，但对试验方法上并没有什么改进或创新，还是由试验人员进入炉内直接测量。
[0011]检索发现:杨小琨，郭朝令，高欣，用于电站锅炉燃烧器喷口冷态测量的自行爬壁机械的研制[J]，锅炉制造，2012，2:1-7，这篇文献重点介绍了一种可以在水冷壁表面自行爬升的机械装置，文献中没有涉及到对炉内冷态空气动力状况测试方面的内容。
[0012]通过专利检索没有检索到与炉内空气动力状况测试方面紧密相关的专利，相关的专利都是与冷态测试时喷口风速测量相关的专利:
[0013]专利201120046520.8用于电站锅炉燃烧器喷口风速测量的自行爬壁装置，这个专利与前面所述文献“杨小琨，郭朝令，高欣，用于电站锅炉燃烧器喷口冷态测量的自行爬壁机械的研制[J]，锅炉制造，2012，2:1-7—致，也不再作评述。
[0014]专利200410013940.0(20042002360.7)锅炉冷态试验自动测试系统及其实验方法，这个专利介绍了一种测量系统，它采用改进的毕托管测量出燃烧器喷口的动压差，然后经过无线的差压收发器将数据送至微处理器进行数据处理。在这个专利中出现了几个问题，首先是改进型的毕托管要修安装固定角度要求比较高而现在燃烧器喷口又较为复杂，很容易使比托管的安装角度出现偏差使测量结果不准确；第二是系统十分复杂，以300MW的低氮燃烧器来说，一次风喷口布置24个，二次风喷口 28个，SOFA喷口 16个，共计68个喷口，假设每个喷口用两个改进型皮托管，则要采用136个皮托管，在该专利中没有说明差压收发器与皮托管的对应关系，若4个皮托管对应一个差压收发器的话，则差压收发器的数量达到34个，总的来说所需要安装和拆卸的设备过于庞大；第三点是该专利对于微处理器对于数据的处理没有说明，在权利要求中也没有相关的说明，由于这个专利采用皮托管测量喷口风速，由于不可避免的安装偏差或测孔的堵塞，测量数据会出现较大偏差，因此微处理器在处理数据时要有判断依据判断出数据是否合理，然后在进行数据计算如进行平均值计算，或二维的喷口速度分布情况等；第四点是这个专利采用无线差压收发器将测量数据送至微处理器，由于在整个炉膛是一个相对封闭的钢铁结构，对无线信号具有屏蔽效果，会降低无线差压收发器的使用效果。因此由以上分析可以看出这个专利在实际应用中会有较多的限制或不足，而且这个专利主要是用来测量冷态喷口风速，不适用于测量炉内空气动力状况。
[0015]专利201410195834.2适用于煤粉燃烧器冷态测试的喷口风速测量系统及方法，该专利提出了一个锅炉冷态喷口风速测量的智能系统及方法，测量方法用于测量喷口风速，不能测量出炉膛内的空气动力场的状况。
[0016]通过以上分析可知，通过对炉内空气动力场状况的测试可以有效地判断和分析锅炉热态燃烧状况，但是由于数值模拟的所固有的缺陷，目前所采用的方法还是有测试人员进入炉内实地测量炉内空气动力状况，而对测试人员来说又存在环境恶劣，劳动强度大，测量误差较大等缺点，因此有必要设计一种结构简单、能精确测量和不需要测试人员进入炉内实地测量的智能化炉内空气动力状况测量系统。
【发明内容】
[0017]为解决现有技术存在的不足，本发明公开了适用大型锅炉的智能型冷态炉内动力状况测量系统及方法，该系统可以定性和定量的实时表达出炉内空气动力状况如显出燃烧切圆直径大小，贴壁风速等，而且可以表达出每层燃烧器截面的动力状况，而且在整个测试过程中不需要测试人员进入炉内进行操作，极大的减轻了测试人员的劳动强度，该测量系统结构简单，安装、拆卸和维护的工作量较少。
[0018]为实