CN102192495B - 燃煤锅炉过热器灰污监测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机监测技术领域的基于数据的燃煤锅炉的过热器积灰在线监测系统及其监测方法，该系统包括：集散控制系统、下载接口、上传接口、尾部烟气含氧量在线监测器、飞灰含碳量监测仪、热流量监测仪、中央处理计算机和监控器。本发明通过锅炉集散控制系统的下载接口从集散控制系统下载锅炉的运行参数，并通过在过热器部位安装热流量监测仪，获得实时的热流密度。同时，从锅炉烟气通道的飞灰含碳量监测器和烟气氧量测量仪收集在线数据，并存储于灰污监测的中央处理器的数据库中进行学习并建立非线性的监测模型，从而与实时的热流密度相结合得出灰污监测结果。

Description

燃煤锅炉过热器灰污监测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种计算机监测技术领域的系统及方法，具体是一种燃煤锅炉过热器灰污监测系统及其检测方法。

背景技术

锅炉燃用的煤含有一定的灰分。一般煤的灰分为20％～30％，有的劣质煤灰分高达40％以上，因此煤在炉膛将可燃成分燃尽后必然要遗留下大量的灰分。对于固态排渣煤粉炉，约有90％的灰分随烟气带至尾部受热面，从而使各受热面受到不同程度的污染。此现象的存在，不仅会降低炉内受热面的传热能力，降低发电效率，还会引起与加剧锅炉腐蚀，降低受热面使用寿命，有时还会引起设备损坏。

因此，锅炉的吹灰、除尘和除灰设备是重要的辅助设备，关系到锅炉的安全及人们的生活环境的好坏。吹灰器的作用就是清除受热面上的结渣和积灰，维持受热面的清洁。它利用一定的吹灰介质(水、蒸汽、声波、燃气等)冲刷受热面，清除表面的污垢。吹灰器的运行可以提高机组可用率，保证锅炉经济、安全运行。但是，不合理的吹灰不仅不能清洁受热面，还会造成吹灰介质(主要为蒸汽)的大量浪费，还会加快设备的磨损。

然而由于没有有效的灰污测量手段，目前吹灰一般基于操作规程定期进行或基于经验判断不定期进行，这就可能造成吹灰过频或不及时。因此，运行中在线监测受热面的积灰程度，根据需要进行吹灰操作对提高锅炉的经济性和安全性运行十分必要。

国外对锅炉吹灰优化的研究起步较早。早在六十年代西方国家就开展了锅炉受热面灰污监测方面的工作，但是由于仪表和自动化水平的限制，当时工作主要限制于定期的离线状态评估，如美国Diamond Power公司开发的基于直接测量方法的吹灰评估系统。1970年以来，美国电力科学研究院(EPRI)联合相关电力公司和电站共同开始对锅炉受热面灰污在线监测问题进行全面研究，目前EPRI已研究开发了智能吹灰系统(ISB)，并已在多家电厂投入试用。美国Lehigh大学也从上世纪70年代开始致力于灰污监测的研究，利用热平衡、烟气温度测量、管壁温度和热流量测量、视频图像和对流烟道压降等方法对灰污情况进行监测。此外，美国西屋、Honeywell和GE等公司也与上世纪90前代开始进行燃煤电站吹灰影响的数据分析及相关软件开发。它们主要利用神经网络对炉膛结渣和对流受热面灰污建模，并利用PCA等数学分析方法发现影响电站性能的主要因素。还有，加拿大滑铁卢大学建立的用灰污热流计和清洁热流计直接测量的方法监测锅炉灰污的积灰监测系统，并在加拿大数台机组得到应用。

国内关于灰污监测和吹灰优化的研究则起步较晚。自20世纪80年代以来，我国也开展锅炉受热面灰污监测和吹灰优化问题的研究，并取得了一定的研究成果，有一些吹灰优化系统已投入使用。经检索发现，《中国电机工程学报》上的“300MW燃煤电厂积灰结渣计算机在线与优化吹灰”运用热平衡基本原理，建立了基于在线监测数据的热力计算模型，采用了在线热工参数的模糊表述和预处理，开发并实现了再稳定工况下对流受热面灰污模型。再检索有，华北电力大学硕士学位论文“基于人工神经网络的锅炉积灰结渣在线监测方法的研究”研究了基于人工神经网络的锅炉受热面积灰、结渣在线监测方法。所检索的大部分文章，多是建立了基于神经网络、能量平衡和烟气差压法等受热面灰污监测模型。然而，在上述模型大多为静态模型，未考虑变工况对锅炉受热面的影响，且所得的高温区测点大多为不可靠的样本测点，会影响到实时监测的准确性，无法建立合适的灰污监测模型。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于数据的燃煤锅炉的过热器积灰在线监测系统及其检测方法，通过锅炉集散控制系统的下载接口从集散控制系统下载锅炉的运行参数，并通过在过热器部位安装热流量监测仪，获得实时的热流密度。同时，从锅炉烟气通道的飞灰含碳量监测器和烟气氧量测量仪收集在线数据，并存储于灰污监测的中央处理器的数据库中进行学习并建立非线性的监测模型，从而与实时的热流密度相结合得出灰污监测结果。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明涉及一种基于数据的燃煤锅炉的过热器积灰在线监测系统，包括：集散控制系统、下载接口、上传接口、尾部烟气含氧量在线监测器、飞灰含碳量监测仪、热流量监测仪、中央处理计算机和监控器，其中：集散控制系统与锅炉本体相连并传输机组参数信息，下载接口与集散控制系统和中央处理计算机相连并传输机组参数信息到计算机中，上传接口与集散控制系统和中央处理计算机相连并传输灰污数据信息到集散控制系统中，尾部烟气含氧量在线监测器安装在尾部烟道并与中央处理计算机相连并传输烟气的氧含量信息，飞灰含碳量监测仪安装在尾部烟道与中央处理计算机相连并传输飞灰含碳量信息，热流量监测仪安装在过热器受热面上并与中央处理计算机相连传输热流信息，监控器与中央处理计算机相连并传输灰污数据信息。

本发明涉及上述系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤1：测量过热器管径、管程、烟气流通面积及热交换面积等结构，检验燃料特性，并将结果传送到中央处理计算机中；

步骤2：通过集散控制系统，获取锅炉实时的运行参数的结果并确定采样周期；同时，通过锅炉尾部烟气含氧量在线监测器获得锅炉的过量空气系数，并从锅炉尾部的飞灰含碳量监测仪获得锅炉的飞灰含碳量，将两者一并传送到中央处理计算机。

所述的飞灰含碳量包括：飞灰平均含碳量： $f_{\mathrm{kc}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}\frac{c_{\mathrm{fh}}}{100-c_{\mathrm{fh}}}+(100-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}})\left(\frac{c_{\mathrm{lz}}}{100-c_{\mathrm{lz}}}\right),$ 机械未完全燃烧热损失：

计算燃料量：

和烟气标准流量：

其中：α_fh＝85为飞灰占燃料灰分的百分比，％；c_fh＝C_lz分别为飞灰含碳量和炉渣含碳量，皆为测量值，％；A_ar为燃煤元素分析收到基灰分，％；Q_ar为1千克燃煤入炉热量，KJ/Kg；B为投入炉膛的燃料量，Kg/s；V_sj为实际烟气流量，m³/s；t_sj为过热器出口烟温，℃；

步骤3：通过电站化学实验室提供的数据，获得烟气的的各项物性，并建立烟气物性数据库。

步骤4：通过步骤1、2、3的结果，并考虑烟气辐射传热和对流传热，分别得到两者在光管条件下的辐射换热系数α_f和对流放热系数K_d，进而得到理论传热系数K₀；

所述的辐射换热系数包括：辐射放热系数： ${\mathrm{\α}}_f=5.7\×{10}^{-8}\frac{a_{\mathrm{gb}}+1}{2}{a}_h{T}^3\×\frac{1-{\left(\frac{T_{\mathrm{gb}}}{T}\right)}^4}{1-\frac{T_{\mathrm{gb}}}{T}},$ 烟气对流放热系数：

蒸汽对流放热系数：α₂＝0.023c_tc_l(λ/d)Re^0.8Pr^0.4、对流放热系数：

和理论传热系数：K₀＝K_d+α_f，其中：α_f，K_d的单位都为W/(m².℃)；a_gb为金属管壁的黑度；a_h为含灰烟气在一定温度下的黑度，需要根据烟气特性和温度求取；T_gb，T分别为管壁温度和烟气温度，℃；C_s，C_z为过热器结构布置的修正系数；λ，为烟气平均温度下的导热系数，W/(m²℃)；d，为管子的外径，m；w，为烟气的平均流速，m/s；υ，为烟气平均温度下的运动粘度，m²/s；Pr≈0.7，为烟气的普朗特数；

步骤5：通过热流量监测仪获取过热器实际的换热量Q_y，从而得到实际传热系数K_sj：平均换热温差：

实际传热系数：

其中：Δt_max，Δt_min分别为过热器出入口烟气与工质的温差中较大的和较小值；F为过热器外表面面积；

步骤6：由步骤4和步骤5获得的两结果便可根据α＝K_sj/K₀由中央处理计算机自动获得灰污监测结果。系统通过锅炉的集散控制系统的上传接口，将结果上传到集散控制系统中，并通过网络线路传输到现场控制室的监控器中，以供运行人员对当前的操作提供有效的参考。

本发明可以获得过热器灰污监测模型，中央处理器获得监测结果之后，将其显示在监控画面上，或将其通过微机接口将结果上传到DCS，为优化吹灰装置提供数据基础。与现有监测技术相比，本发明提出的过热器的灰污监测系统基于实时数据驱动，具有数据容易获取，额外的硬件投入小等优点。

附图说明

图1为燃煤锅炉过热器灰污监测系统框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：集散控制系统2、下载接口3、上传接口4、尾部烟气含氧量在线监测器6、飞灰含碳量监测仪7、热流量监测仪9、中央处理计算机5和监控器8，其中：集散控制系统2与锅炉本体相连并传输机组运行参数信息，下载接口3与集散控制系统及中央处理计算机相连并传输机组信息，上传接口4与集散控制系统及中央处理计算机相连并传输灰污数据信息，尾部烟气含氧量在线监测器6安装在尾部烟道并与中央处理计算机5相连并传输烟气的氧含量信息，飞灰含碳量监测仪7安装在尾部烟道与中央处理计算机5相连并传输飞灰含碳量信息，热流量监测仪7安装在过热器受热面上并与中央处理计算机5相连传输热流信息，监控器8与中央处理计算机5相连并传输灰污数据信息。

该锅炉为300MV亚临界、自然循环、中间再热、双拱单炉膛、“W”火焰燃烧方式、固态排渣、全钢架悬吊式燃煤汽包炉。

表1

本实施例所述系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤1：测量过热器管径、管程、烟气流通面积及热交换面积等结构，检验燃料特性，并将结果传送到中央处理计算机中；

步骤2：通过集散控制系统，获取锅炉实时的运行参数的结果并确定采样周期；同时，通过锅炉尾部烟气含氧量在线监测器获得锅炉的过量空气系数，并从锅炉尾部的飞灰含碳量监测仪获得锅炉的飞灰含碳量，将两者一并传送到中央处理计算机。其中，对飞灰含碳量的处理如下：

a)飞灰平均含碳量： $f_{\mathrm{kc}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}\frac{c_{\mathrm{fh}}}{100-c_{\mathrm{fh}}}+(100-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}})\left(\frac{c_{\mathrm{lz}}}{100-c_{\mathrm{lz}}}\right)$

b)机械未完全燃烧热损失：

c)计算燃料量： $B_j=B(1-\frac{q_4}{100})$

d)烟气标准流量： $V_{\mathrm{biao}}=V_{\mathrm{sj}}/(1+\frac{t_{\mathrm{sj}}}{273})$

其中α_fh＝85为飞灰占燃料灰分的百分比，％；c_fh＝c_lz分别为飞灰含碳量和炉渣含碳量，皆为测量值，％；A_ar为燃煤元素分析收到基灰分，％；Q_ar为1千克燃煤入炉热量，KJ/Kg；B为投入炉膛的燃料量，Kg/s；V_sj为实际烟气流量，m³/s；t_sj为过热器出口烟温，℃；

步骤3：通过电站化学实验室提供的数据，获得烟气的的各项物性，并建立烟气物性数据库。典型的物性库如下(表2)：

表2

步骤4：通过步骤1、2、3的结果，并考虑烟气辐射传热和对流传热，分别得到两者在光管条件下的辐射换热系数α_f和对流传热系数α_d，进而得到理论传热系数K₀，其中对两换热系数的处理如下：

a)辐射放热系数： ${\mathrm{\α}}_f=5.7\×{10}^{-8}\frac{a_{\mathrm{gb}}+1}{2}{a}_h{T}^3\×\frac{1-{\left(\frac{T_{\mathrm{gb}}}{T}\right)}^4}{1-\frac{T_{\mathrm{gb}}}{T}}$

b)烟气对流放热系数： ${\mathrm{\α}}_1=0.65C_s{C}_z\frac{\mathrm{\λ}}{d}{\left(\frac{\mathrm{wd}}{\mathrm{\υ}}\right)}^{0.64}{\mathrm{Pr}}^{0.33}$

c)蒸汽对流放热系数：α₂＝0.023c_tc_l(λ/d)Re^0.8Pr^0.4

d)对流放热系数：

e)理论传热系数：K₀＝K_d+α_f

其中，α_f，K_d的单位都为W/(m².℃)；a_gb为金属管壁的黑度；a_h为含灰烟气在一定温度下的黑度，需要根据烟气特性和温度求取；T_gb，T分别为管壁温度和烟气温度，℃；C_s，C_z为过热器结构布置的修正系数；λ，为烟气平均温度下的导热系数，W/(m²℃)；d，为管子的外径，m；w，为烟气的平均流速，m/s；υ，为烟气平均温度下的运动粘度，m²/s；Pr≈0.7，为烟气的普朗特数；

步骤5：通过热流量监测仪获取过热器实际的换热量Q_y，从而得到实际传热系数K_sj，如下：

a)平均换热温差： ${\mathrm{\Δt}}_m=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{\max }-\mathrm{\Δ}{t}_{\min }}{\ln \frac{\mathrm{\Δ}{t}_{\max }}{\mathrm{\Δ}{t}_{\min }}}$

b)实际传热系数：

其中，Δt_max，Δt_min分别为过热器出入口烟气与工质的温差中较大的和较小值；F为过热器外表面面积；

步骤6：由步骤4和步骤5获得的两结果便可根据α＝K_sj/K₀由中央处理计算机自动获得灰污监测结果。系统通过锅炉的集散控制系统的上传接口，将结果上传到集散控制系统中，并通过网络线路传输到现场控制室的监控器中，以供运行人员对当前的操作提供有效的参考。

Claims (4)

1.一种基于数据的燃煤锅炉的过热器积灰在线监测系统，其特征在于，包括：集散控制系统、下载接口、上传接口、尾部烟气含氧量在线监测器、飞灰含碳量监测仪、热流量监测仪、中央处理计算机和监控器，其中：集散控制系统与锅炉本体相连并传输机组参数信息，下载接口与集散控制系统和中央处理计算机相连并传输机组参数信息到中央处理计算机中，上传接口与集散控制系统和中央处理计算机相连并传输灰污数据信息到集散控制系统中，尾部烟气含氧量在线监测器安装在尾部烟道并与中央处理计算机相连并传输烟气的氧含量信息，飞灰含碳量监测仪安装在尾部烟道与中央处理计算机相连并传输飞灰含碳量信息，热流量监测仪安装在过热器受热面上并与中央处理计算机相连传输热流信息，监控器与中央处理计算机相连并传输灰污数据信息。

2.根据权利要求1所述系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：测量过热器管径、管程、烟气流通面积及热交换面积结构，检验燃料特性，并将结果传送到中央处理计算机中；

步骤2：通过集散控制系统，获取锅炉实时的运行参数的结果并确定采样周期；同时，通过锅炉尾部烟气含氧量在线监测器获得锅炉的过量空气系数，并从锅炉尾部的飞灰含碳量监测仪获得锅炉的飞灰含碳量，将两者一并传送到中央处理计算机；

步骤3：通过电站化学实验室提供的数据，获得烟气的各项物性，并建立烟气物性数据库；

步骤4：通过步骤1、2、3的结果，并考虑烟气辐射传热和对流传热，分别得到两者在光管条件下的辐射换热系数α_f和对流放热系数K_d，进而得到理论传热系数K₀；

步骤5：通过热流量监测仪获取过热器实际的换热量Q_y，从而得到实际传热系数K_sj：平均换热温差：

实际传热系数：

其中：Δt_max，Δt_min分别为过热器出入口烟气与工质的温差中较大的和较小值；F为过热器外表面面积；

步骤6：由步骤4和步骤5获得的两结果便可根据α＝K_sj/K₀由中央处理计算机自动获得灰污监测结果，系统通过锅炉的集散控制系统的上传接口，将结果上传到集散控制系统中，并通过网络线路传输到现场控制室的监控器中，以供运行人员对当前的操作提供有效的参考。

3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征是，所述的飞灰含碳量包括：飞灰平均含碳量： $f_{\mathrm{kc}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}}\frac{c_{\mathrm{fh}}}{100-c_{\mathrm{fh}}}+(100-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{fh}})\left(\frac{c_{\mathrm{lz}}}{100-c_{\mathrm{lz}}}\right),$ 机械未完全燃烧热损失： $q_4=\frac{337.27A_{\mathrm{ar}}{f}_{\mathrm{kc}}}{Q_{\mathrm{ar}}},$ 计算燃料量：

和烟气标准流量：

其中：α_fh＝85为飞灰占燃料灰分的百分比，％；c_fh＝c_lz分别为飞灰含碳量和炉渣含碳量，皆为测量值，％；A_ar为燃煤元素分析收到基灰分，％；Q_ar为1千克燃煤入炉热量，KJ/Kg；B为投入炉膛的燃料量，Kg/s；V_sj为实际烟气流量，m³/s；t_sj为过热器出口烟温，℃。

4.根据权利要求2所述的监测方法，其特征是，所述的辐射换热系数包括：辐射换热系数： ${\mathrm{\α}}_f=5.7\×{10}^{-8}\frac{a_{\mathrm{gb}}+1}{2}{a}_h{T}^3\×\frac{1-{\left(\frac{T_{\mathrm{gb}}}{T}\right)}^4}{1-\frac{T_{\mathrm{gb}}}{T}},$ 烟气对流放热系数：

蒸汽对流放热系数：α₂＝0.023c_tc_l(λ/d)Re^0.8Pr^0.4、对流放热系数：

和理论传热系数：K₀＝K_d+α_f，其中：α_f，K_d的单位都为W/(m².℃)；a_gb为金属管壁的黑度；a_h为含灰烟气在一定温度下的黑度，需要根据烟气特性和温度求取；T_gb，T分别为管壁温度和烟气温度，℃；C_s，C_z为过热器结构布置的修正系数；λ，为烟气平均温度下的导热系数，W/(m²℃)；d，为管子的外径，m；w，为烟气的平均流速，m/s；υ，为烟气平均温度下的运动粘度，m²/s；Pr≈0.7，为烟气的普朗特数。

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