CN101806626A - 电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，在锅炉烟窗附近的垂直断面上布置多个靶标用于感温；在锅炉水平烟道的侧墙上，安装近红外成像仪，用于采集靶标的辐射能量；近红外成像仪通过串口由RS232与计算机进行通讯，将采集到的靶标的辐射能量送入计算机，由计算机进行计算，得到靶标的温度数据；然后将靶标的温度数据送入上位计算机进行处理，转换成靶标所在位置的烟气温度。本发明的优点是：能在线连续监测炉膛出口断面平均温度、上/下侧及左/右侧平均温度、最高/最低温度，并能绘制断面温度分布曲线，能设置多种报警功能；有利于大容量、高参数锅炉的安全、经济运行。

Description

电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种监测方法，尤其是涉及一种电站锅炉炉膛出口烟气温度的在线监测方法。

背景技术

电站锅炉炉膛内烟温的测量中具有重要意义的就是“电站锅炉炉膛出口烟气温度监测”。因为这个位置是对流区与辐射区的交界点，炉膛出口烟温对锅炉运行控制有着非常重要的意义，这个位置的温度变化能及时地反映出炉膛内能量的变化和锅炉运行状态的变化。风烟系统参与系统的能量交换和燃烧过程，对锅炉系统的经济性、可靠性和安全性影响很大。控制烟气的参数对确保锅炉的可靠运行非常重要，然而由于历史原因，烟气参数的监测和控制系统很不完善，大多数锅炉上都缺少这样的控制参数。

炉膛出口烟气温度通常随着负荷的增加而提高。正常情况下，某个负荷大体上对应一定的炉膛出口温度。如果燃油锅炉的油枪雾化不良，配风不合理，通常会使燃烧后延，造成炉膛出口烟气温度升高。如果煤粉锅炉的煤粉较粗或配风不合理，同样也会使燃烧后延，造成炉膛出口烟气温度升高。无论是燃油炉还是煤粉炉，当然燃烧器燃烧良好时，由于火焰较短，炉膛火焰中心较低，炉膛吸收火焰的辐射热量较多，使得炉膛出口烟气温度较低。换言之，如果在负荷相同的情况下，炉膛出口烟气温度明显升高，则有可能是油枪雾化不良，煤粉较粗或配风不合理，引起燃烧不良造成的，运行人员应对燃烧情况进行检查和调整，直至炉膛出口烟温恢复正常。

如果炉膛出口烟气温度升高，而燃烧良好，则可能是由于炉膛积灰或结渣，使水冷壁管的传热热阻增大，水冷壁管吸热量减少引起的。只有采取吹灰或清渣措施，才能使炉膛出口烟气温度恢复正常。

当锅炉容量较大，炉膛较宽时，如果燃烧器投入的数量不对称，或配风不合理，则可能是因为燃烧中心偏斜，引起炉膛出口两侧烟温偏差较大，应采取相应的调整措施，使两侧烟温偏差降至允许的范围内。

由此可以看出，通过监测炉膛出口烟温，就能掌握锅炉的燃烧工况，水冷壁管的清洁状况以及火焰中心是否偏斜，为运行人员及时进行调整提供帮助。

炉膛出口烟气温度的在线监测用于大型电站锅炉炉膛出口断面温度分布测量。出口断面是指位于锅炉水平烟道的出口烟窗。炉膛出口截面烟气温度（以下简称烟温）达到设计值对满足锅炉设计性能和运行可靠性十分重要。燃烧方式、炉膛几何尺寸、炉膛总的投入热量、炉膛吹灰器的数量和布置等因素将影响烟温，锅炉运行时过剩空气量、炉膛沾污情况、燃烧器和磨煤机切投组合方式、煤质等因素也将影响烟温。如果受到上述某种因素的影响，炉膛出口烟温偏离设计值时，将会影响锅炉运行的安全性和经济性。在烟气进入水平烟道前，经过大屏和炉膛上部水冷壁吸收部分热量，到达炉膛出口断面时，烟温和烟速沿水平烟道的高度方向和宽度方向呈现出不均匀分布状态，据20世纪90年代中期有关运行资料显示，甚者其两侧烟温偏差可达到100~200℃。特别是切圆燃烧锅炉，由于它在炉内空气动力场是由四角切向射流形成一个巨大的气流，当烟气到达出口断面时仍存在残余旋转和气固两相流中的颗粒在该断面上不对称分布，使得出口断面的温度和烟速发生偏斜，导致烟温分布更加的不均匀。从锅炉的前墙看，该断面一侧的烟温、烟速高，而另一侧则低。由于这种缘故，可以导致两侧的再热和过热蒸汽出现温度偏差以及管屏超温蠕变损坏，超温严重的出现爆管。同时可能由于温度过高，导致烟尘软化结焦在热交换屏上，对锅炉运行的安全性和经济性产生重大影响。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，能在线连续监测炉膛出口断面平均温度、上/下侧及左/右侧平均温度、最高/最低温度，并能绘制断面温度分布曲线，还具有煤软化温度（≤ST-100℃）(ST为燃煤的软化温度)及左右侧温差超限（△T≥50℃）等的报警功能。

本发明的技术方案如下：一种电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，包括如下步骤：

第一步，在锅炉烟窗附近的垂直断面上布置多个靶标用于感温；

第二步，在锅炉水平烟道的侧墙上，安装近红外成像仪，用于采集靶标的辐射能量；

第三步，近红外成像仪通过串口由RS232与计算机进行通讯，将采集到的靶标的辐射能量送入计算机，由计算机进行计算，得到靶标的温度数据；然后将靶标的温度数据送入上位计算机进行处理，转换成靶标所在位置的烟气温度。

所述靶标采用碳化硅材料，挤压烧制成型；在靶标中安装有高精度热敏元件，用于直接测量所在位置处的温度，然后根据所测温度与近红外成像仪所测温度进行比较，并根据不同温度时两种检测元件所测温度的差异对近红外成像仪所测信号进行补偿。

在近红外成像仪采集靶标辐射能量的过程中，运用计算机图像识别及红外追踪技术自动聚焦，每次抓取对应靶标的最大辐射值作为靶标的辐射能量。

在近红外成像仪的前端，配有光纤和冷却系统。

在锅炉水平烟道的任一面侧墙上配置一台校验比色测温仪，所使用的波长与近红外成像仪波长一致，满量程精度≤0.5%，比色测温仪测得的温度信号送入计算机，在800－1200℃的测量范围内修正近红外成像仪的温度--辐射强度关系曲线，使测量精度满足系统要求；再根据比色测温仪所测温度和监视图像与近红外成像仪所测温度和监视图像进行比较，根据不同温度时两种检测元件所测温度和监视图像的差异对近红外成像仪所测信号进行补偿。

与现有技术相比，本发明的优点是：能在线连续监测炉膛出口断面平均温度、上/下侧及左/右侧平均温度、最高/最低温度，并能绘制断面温度分布曲线，能设置多种报警功能，用户可以根据监测结果判断切向燃烧火球中心是否偏离预定位置、炉膛和管屏区域是否应该及时投用吹灰器等；有利于大容量、高参数锅炉的安全、经济运行。具体表现在：

1)通过采用近红外成像仪，并提高其灵敏度，增大其光学系统的有效口径来增大信号，降低信号处理的噪声以提高信噪比，从而减小系统的监测误差，提高温度分辨率，提高监测精度。

2)通过计算机的图像识别及红外追踪技术，能克服因热膨胀给测量带来的麻烦。

3)通过在近红外成像仪的前端设置光纤和冷却系统，能更好地保证光学信号的正常传输。

4)运用计算机图像识别及红外追踪技术自动聚焦，每次抓取的靶标辐射强度都是对应靶标的最大辐射值，保持连续测量的一致性。

5)靶标采用碳化硅材料挤压烧制成型，可以保证在使用环境中不因温度、磨损的因素影响使用寿命。

6)通过在靶标中安装高精度热敏元件、配置校验比色测温仪，用于校正近红外成像仪测量误差，确保系统的测温精度达到1.5%。

7)通过采用如下手段，进一步提高了系统测量的精确性：靶标布置在折焰角上方的烟窗截面附近，辐射换热表面平行于炉墙，使靶标与炉墙有辐射换热；靶标与安装附件之间用高性能绝热材料分隔；在水平烟道两侧墙上各装一只热电阻温度计。

8)通过报警系统的设置，可以实现如下功能：

(1)在锅炉启动阶段，汽轮机未冲转前，监测炉膛出口烟气温度不超过540℃，保护再热器。

(2)当温度达到（ST-100℃）时，及时投入炉膛吹灰器，增加炉膛吸热份额，降低烟气温度，同时也对水平烟道区域的吹扫器及时投入，减少水冷壁和水平烟道管束的结焦。

(3)出口断面左/右温度偏差较大时，调整送风，降低左/右烟气温度偏差。

(4)烟温偏高时，减少送风量，减少排烟损失，提高机组效率。

9)本系统的输出可作为电厂状态检修系统的输入数据，为判断过热器和再热器屏管的预期寿命提供数据。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一种电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，包括如下步骤：

在锅炉烟窗附近的垂直断面上布置多个靶标，由于靶标的温度随烟气温度变化，因此靶标可以用于感温；靶标采用碳化硅材料，挤压烧制成型，以保证在使用环境中不因温度、磨损的因素影响使用寿命；

在锅炉水平烟道的侧墙上，安装四台近红外成像仪，用于采集近红外成像仪视场范围内的靶标辐射能量；在采集过程中，运用计算机图像识别及红外追踪技术自动聚焦，每次抓取对应靶标的最大辐射值作为靶标的辐射能量，以保持连续测量的一致性；

红外成像仪通过串口由RS232与计算机进行通讯，将采集到的靶标的辐射能量送入计算机，由计算机进行计算，得到靶标的温度数据；然后将靶标的温度数据送入上位计算机进行处理，转换成靶标所在位置的烟气温度；

系统测试误差主要取决于电信号处理系统。提高近红外成像仪灵敏度，增大光学系统的有效口径是增大信号的途径，降低信号处理的噪声是提高信噪比的措施，从而提高温度分辨率，提高监测精度。

在装置近红外成像仪的前端，配有不影响红外线通过的光纤和冷却系统，用以保证光学信号的正常传输；

由于烟气中含有一定量的粉尘（＜200g/m3），显然粉尘会阻挡红外辐射波的传播。为确保系统的测温精度达到1.5%，在靶标中安装高精度热敏元件，用于校正热像仪测量误差；高精度热敏元件即高精度S分度热电偶，热电偶能直接测量所在位置处的温度，误差极小，根据热电偶所测温度与近红外成像仪所测温度进行比较，根据不同温度时两种检测元件所测温度的差异对近红外成像仪所测信号进行补偿，达到提高检测精度的目的。

在锅炉水平烟道的任一面侧墙上配置一台校验比色测温仪，所使用的波长与近红外成像仪波长一致，满量程精度≤0.5%，当测量通路上存在烟雾、尘埃对辐射能量造成衰减时，都不会对测量结果产生影响。比色测温仪的温度信号进入计算机，在800－1200℃的测量范围内修正近红外成像仪的温度--辐射强度关系曲线，使测量精度满足系统要求；比色测温仪测量所在位置处的温度和监视图像，误差极小，根据比色测温仪所测温度和监视图像与近红外成像仪所测温度和监视图像进行比较，根据不同温度时两种检测元件所测温度和监视图像的差异对近红外成像仪所测信号进行补偿，达到提高检测精度的目的。

美国机械工程师学会仪器与设备特性试验规范（ASMEPCT19.3,ANSIPCT19.3）<温度测量>第一章总论第28款有如下描述：“温度传感器处于低速气流中时（即不存在空气动力学的热效应），传感器同时受到辐射和传导两种效应。在稳定条件下流动的气体和传感器之间的对流传递一定等于辐射和导热的传热率。”在本发明中，靶标等同于温度传感器，烟气流速＜10m/s，满足低速气流条件，因此，根据ASME规范，则有靶标对流换热等于靶标辐射和经由靶标传导换热之和。为了保证测量的精确性，还应满足如下条件：

1）靶标布置在折焰角上方的烟窗截面附近，辐射换热表面平行于炉墙，辐射换热表面“看不到”炉膛中的火焰，“看不到”管屏，“只能看到”水平烟道的侧墙，即靶标与炉墙有辐射换热；

2）靶标与安装附件之间用高性能绝热材料分隔，并忽略ASME规范第一章第26款描述的导热误差；

3）冷炉墙条件：即当某一烟温值高出炉墙温度值不超过50℃时，应终止温度场的测量，为此应在水平烟道两侧墙上各装一只热电阻温度计，炉墙温度取两只热电阻温度计的平均值；

上位计算机经过运算及数据处理，可以输出数据如下数据：出口断面多点（点数与靶标数相等）实时温度、平均温度、左/右侧、上/下侧平均温度及温差、最高/最低温度值及相应坐标及管排编号、断面水平方向、垂直方向平均温度曲线、断面二维温度场曲线。

上位机还设置有在如下情形下的报警功能：

1）左右温度差大于50℃

2）平均温度加上100℃大于燃煤软化温度（ST）时

3）启动阶段，汽机未冲转前，某测点温度等于540℃

4）系统未投入运行

5）综合故障

6）近红外成像仪电源丧失

7）丧失冷却气源

8）冷却气源压力低

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，在锅炉烟窗附近的垂直断面上布置多个靶标用于感温；

第二步，在锅炉水平烟道的侧墙上，安装近红外成像仪，用于采集靶标的辐射能量；

第三步，近红外成像仪通过串口由RS232与计算机进行通讯，将采集到的靶标的辐射能量送入计算机，由计算机进行计算，得到靶标的温度数据；然后将靶标的温度数据送入上位计算机进行处理，转换成靶标所在位置的烟气温度。

2.根据权利要求1所述的电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，其特征在于：所述靶标采用碳化硅材料，挤压烧制成型。

3.根据权利要求1所述的电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，其特征在于：在靶标中安装有高精度热敏元件，用于直接测量所在位置处的温度，然后根据所测温度与近红外成像仪所测温度进行比较，并根据不同温度时两种检测元件所测温度的差异对近红外成像仪所测信号进行补偿。

4.根据权利要求1所述的电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，其特征在于：在近红外成像仪采集靶标辐射能量的过程中，运用计算机图像识别及红外追踪技术自动聚焦，每次抓取对应靶标的最大辐射值作为靶标的辐射能量。

5.根据权利要求1所述的电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，其特征在于：在近红外成像仪的前端，配有光纤和冷却系统。

6.根据权利要求1所述的电站锅炉炉膛出口烟气温度在线监测方法，其特征在于：在锅炉水平烟道的任一面侧墙上配置一台校验比色测温仪，所使用的波长与近红外成像仪波长一致，满量程精度≤0.5%，比色测温仪测得的温度信号送入计算机，在800－1200℃的测量范围内修正近红外成像仪的温度--辐射强度关系曲线，使测量精度满足系统要求；再根据比色测温仪所测温度和监视图像与近红外成像仪所测温度和监视图像进行比较，根据不同温度时两种检测元件所测温度和监视图像的差异对近红外成像仪所测信号进行补偿。