CN102252334A - 基于激光测距原理的智能吹灰方法 - Google Patents

Abstract

目前在燃煤锅炉运行中，受热面的积灰和结焦是不可避免的。结焦的危害很大。当前通行的各种吹灰调度方式对结焦的处理不能做到有的放矢，对锅炉运行的安全和经济性有一定的影响。本方法利用激光测距的优异性能，通过对壁面做全周平面扫描，配合测量装置的步进位移量，在定义好的坐标系中，确定出焦块的大小范围、高度和位置信息，完成锅炉炉膛内部结焦情况从生成、发展及其变化的实时全程跟踪监测，然后启动最有效的吹灰器对其进行吹扫，实现锅炉吹灰的最优运行。同时通过对炉膛内部易结焦部位的综合分析，判断其结焦成因，采取相应的改善措施，减轻或消除结焦现象，达到锅炉少吹灰甚至不吹灰的理想状况，提高锅炉效率，节约能源。

Description

基于激光测距原理的智能吹灰方法

技术领域

本发明用于大型电站锅炉智能吹灰系统。主要应用领域包括：大型电站锅炉、循环硫化床锅炉、大型工业锅炉、冶金行业主要以燃煤为主要燃料的大型燃烧室等。

背景技术

燃煤锅炉运行中，受热面的积灰和结焦不可避免。结焦是煤粉与空气在炉膛这个有限空间区域内相互作用的燃烧过程中形成的。在这个能量转换和传递的空间中，呈熔融状态的灰粒与壁面发生碰撞，被黏附在壁面上，结焦就发生了。它是我们燃用化石类矿物燃料带来的一个副产品。

结焦的危害很大。积聚在受热面上的灰污的热阻很大，附着在受热面上将降低受热面的吸热能力，使得传热效率降低；会引起受热面表面温度过高，导致部分受热面金属超温和高温腐蚀，甚至管排爆漏；影响锅炉水循环的安全性；使锅炉热偏差、风机电耗、受热面磨损增大，限制锅炉出力，造成锅炉整体效率下降。此外结焦还会增大NO_x的排放量。一般而言，与清洁状况相比，受到污染后锅炉效率将降低1 % ~ 2 . 5 % ，排烟温度升高十几度。

吹灰是保证大型电站锅炉安全、经济、稳定运行的重要手段。它的作用是清除受热面的结渣和积灰，维持受热面的清洁，以保证锅炉的安全经济运行。锅炉吹灰器是当前所有电站锅炉必须配备的一种必不可少的设备。随着机组容量的不断增大，为了提高和维持锅炉效率，保证锅炉安全，锅炉吹灰系统越来越庞大，组成也越来越复杂，一台机组动辄配备一、二百台吹灰器。在选择全部吹灰器投程控运行方式下，一个吹灰周期下来，耗时长达５、６小时以上。为了达到更有效清除结焦的目的，在600MW及其更大容量的锅炉上，已开始应用多种组合吹灰方式。比如，炉膛部分不仅仅采用蒸汽吹灰器，还增加了水力吹灰器，以扩大吹灰作用范围和效果。但目前通行的吹灰调度方式存在一定的问题，远远不能做到对结焦部位的精确有效吹扫，存在过度吹灰和吹灰不足的问题，对锅炉运行的安全性和经济性有一定的影响。吹灰调度方式不能对具体的结焦情况进行有针对性和选择性的吹灰，吹灰系统庞大又复杂，故最终造成吹灰的效率和经济性不高。

目前，我们对锅炉炉膛内部高温环境下的一些变化过程情况还是了解不多，无法实时准确地确定或计算出焦块的部位、数量、大小等，也不清楚结焦是由哪个部位先引起以及是从什么时候开始的。吹灰中避免不了出现欠吹或过度吹灰情况。因此，需要开发出一种能够智能方便地确定炉内结焦部位的仪器，指导大型锅炉吹灰工作。

发明内容

技术问题：

本发明的目的是提供一种经济安全高效节能的锅炉吹灰方法。该智能吹灰方法能实时地了解炉内结焦情况，选择最有效的吹灰器对结焦部位进行有效吹扫，实现锅炉吹灰的最佳及最优化运行。同时，通过对易结焦部位的统计与综合分析，判断锅炉炉膛内部易结焦部位的结焦成因，及时通过锅炉燃烧调整和采取其它措施，减轻或消除锅炉结焦现象，达到少吹灰甚至不吹灰的理想状况，最终达到提高锅炉的整体安全稳定经济运行的目标。 

技术方案：

本方法主要解决常规锅炉吹灰方法带来的不利问题和后果，确保结焦得到有效清除，避免吹灰器过吹和欠吹的问题，提高锅炉效率，实现节能安全目的，保证锅炉设备的安全稳定经济运行。

一般情况下，一个完整的优化吹灰系统不仅应包括热工数据的校核和预处理、受热面污染状态监测和电站热效率实时计算模块，还应该有合理高效的优化吹灰模块，乃至最终实现全自动吹灰的闭环控制模块。吹灰的有效性，有赖于所获得的数据的可靠与准确性。为了能在吹灰器吹灰中做到有针对性，就要做到两点：（1）有结焦时能立即判断出具体的部位，在必须要吹灰时能立即投入进行吹扫；（2）只启动结焦部位附近对渣块能起到有效清扫作用的吹灰器，使经济性与安全性的要求同时得到满足。

常规的锅炉有很多种整体布置方案。无论是哪种炉型，现场均采用由多根并列管子连接成整片的膜式换热面屏，这种受热面屏的管子与管子之间的曲面可忽略不计，两个管子之间的节距与有可能会对锅炉运行产生影响的焦块相比微不足道，可认为炉膛内部整面墙是光滑平整的。

利用激光的方向性强、单色性好、高亮度和高度的时空相干性的特点，将激光测距系统延伸入炉膛内部。用定义好的坐标，用激光测距原理方法来确定炉膛内受热面壁面结焦的大小及部位，记录每个部位结焦的产生（形成）、发展（增长）、成长的全过程，实时显示出来，为智能吹灰，燃烧调整、设备改进提供较优和准确的参考。

分析锅炉的结焦情况，能对锅炉运行形成危害和影响的，主要也就是锅炉炉膛膜式水冷壁换热面、屏式过热器和炉膛出口拆焰角部位。其它的对流换热面由于烟温的降低，很难形成难于清除的焦块。如有形成，也绝大多数是呈松散性积灰状态，对锅炉的安全性稳定性带来的影响相对较小，也易于清除。对于屏式过热器和炉膛出口拆焰角部位的结焦，我们可用照相法，用物理光学成像的方法确定。焦块不可能孤立存在，它总要依附在一个地方，该部位的形状是已知的，故我们无需三维空间场来确定焦块位置。看到拍到的炉内图像，我们就知道这个焦块是挂在什么地方。通过有选择性的滤波和图像解析处理，得到炉内焦块的清晰图象，从而启动最有效的吹灰器对该焦块进行吹扫。

 

有益效果：

与目前锅炉吹灰方法相比，本发明所提出的基于激光测距的原理的智能吹灰方法的优点体现在：

（1）可实时地了解到锅炉炉膛内部燃烧过程中形成的结焦情况。

（2）可全面地掌握锅炉结焦从产生、发展，或直至被清除的过程。

（3）能够地有效地启动结焦部位附近的吹灰器，使吹灰器功效发挥最大，避免盲目启动吹灰器对受热面壁面进行无效或有害的过度吹灰和欠吹。

（4）通过对易结焦部位的统计与综合分析，判断锅炉炉膛内部易结焦部位的结焦成因，及时通过锅炉燃烧调整和采取其它技术措施，减轻或消除锅炉结焦现象，达到少吹灰甚至不吹灰的理想状况，最终提高锅炉的整体安全稳定经济运行。

（5）可以形成一个标准工艺，解决目前大型燃用化石类燃料时燃烧所形成的结焦问题，具有广阔的工程应用前景和推广普及价值。 

附图说明

图1基于激光测距的智能吹灰方法原理结构框图。

图2激光测距确定结焦示意简图。

具体实施方式

实施方法：（1）在炉壁上利用现已有的开孔（象窥火孔、人孔门、吹灰枪口，火焰ＴＶ口，烟温探针口等）安装激光测距仪。激光测距装置安放在炉外，光学系统置入炉膛内部。激光经透镜反射后，改变光路，变成与炉膛内壁面相平行的光束。

（2）对炉墙内壁面做360°全周旋转扫描。每旋转一圈，测距仪推进一步，对炉膛壁面做一个完整扫描，建立起一幅结焦点的具体位置二维平面图。通过每次步进的长度，可得出这个焦块的高度（或厚度）。多幅这样的结焦部位平面图叠加起来，最终得到一个可基本满足现场吹灰需求精度的三维的焦块模拟图像。

（3）炉膛内部各吹灰枪的位置是明确的，炉膛受热面的周界及空间也是已知的，利用已定义好的坐标系可确定出焦块的距离与方向角，从激光测距装置的推进深度上可得出焦块的高度。控制单元对采集到的数据进行处理，得出焦块的整体信息。

（4）在此基础上判断：其一是否启动吹灰系统；其二启动吹灰系统后，有选择性地投入作用效果最好的吹灰器，对结焦部位进行有效吹扫。在吹扫的同时对焦块做持续的监视，直至焦块被吹落或达到可以接受的结焦值时，控制中心发出指令，停止吹灰。同步对采集到的数据进行模拟成像处理，直观地显示出炉内水冷壁上的焦块来，供值班人员参考。每面炉墙可各设置一套测距装置，可确定锅炉炉膛部分的结焦情况。

激光合理选择方法：选择穿透烟气能力强的适宜波长的激光，以能适应炉内实际工况。选择合适的功率，合理的光学系统，一般可不考虑激光器能量输出大小，是否人眼安全，激光束是否满足装置低温，频率是否受限等等因素的限制。目前单机最大的1000 MW机组有效的周界长度范围也不会超过100米，在这个距离范围内选取相适宜的激光测距方法。

安装方法：充分利用锅炉现有的设备进行安装，不另行在锅炉炉墙上开孔。现有的炉膛火焰ＴＶ图像系统是电站锅炉的标准配置，不论炉膛容量大小，炉型异同，一般都配有炉膛火焰电视系统。以600MW锅炉前后对冲旋流燃烧器为例，约标高在４９米左右，深入炉内的深度为１米~０.7米左右。可充分利用这一位置和设备，在其上安装装激光测距装置，利用它的合适的高度、位置、视场及视角，来对炉内结焦情况进行实时测量和显示。

抗高温方法：不论是伸入炉内对焦块进行激光测距的装置，还是对屏式过热器及炉膛出口拆焰角进行拍照的装置，为了保护光学系统，防止炉内高温和各种杂质对镜头设备的损伤，采用特种耐高温抗辐射的光学镜头。同时采用生产实际中广泛应用的成熟有效的冷却和清洁镜头的技术方法，保证镜头的清洁，保证测量系统的准确和可靠性，以保证装置的安全长期可靠稳定运行，获得准确的数据。

测量间隔选择方法：在实际生产现场，炉膛内部结焦不可能是一下子形成的，故这套系统不必要一直处于伸进炉膛内部，可定时推进测量，当有焦块形成时，可加强监视，增加测量的频度。

Claims (5)

1.针对激光测距原理的智能吹灰方法，其特征在于：

目前通行的吹灰调度方式因对炉内信息了解较少，不能对具体的结焦情况进行有针对性和选择性的吹灰，存在过度吹灰和吹灰不足的问题。

2.随着机组容量的不断增加，机组的吹灰系统越来越庞大，系统组成也越来越复杂，目前的吹灰调度方式已不能满足现代化机组安全经济运行的需求，吹灰的效率和经济性不高。

3.本发明专利所提出的方法追求锅炉吹灰最优、最经济，且能最大限度地保证锅炉的安全经济稳定运行，提高锅炉运行的整体效率，节约能源，有可观的应用价值和市场。

4.该方法具有简便，快捷、有效、可靠的特点，可以提高锅炉整体安全经济稳定运行水平。

5.新的基于激光测距原理的智能吹灰方法如下：

(1) 根据测量范围和工作条件，选择适宜的激光测距方法和激光波长；

(2) 在锅炉炉墙上原已有的开孔位置附近安装一套激光测距装置，激光测距装置安放在炉外，每面墙可安装一套；

(3) 激光发生器产生的激光进入炉内，通过可调角度的反射镜的作用，使测距激光束转向，对炉膛壁面进行全周扫描，反射镜镜头采用耐高温抗辐射的特种玻璃，处在炉内；

(4) 对整个光学系统及测量装置有可能接触到高温和火焰辐射的部分，采取有效的冷却系统和使光学系统保持清洁的吹扫系统，使系统能长期稳定可靠运行；

(5) 通过伺服控制装置对激光测距装置进行精确的全周旋转和步进移动方式控制；

(6) 对采集到的数据及其测距装置的位移量进行综合处理，因锅炉炉膛周界范围已知、吹灰器位置明确，按照定义的坐标系，确定炉膛内部结焦信息；

(7) 通过计算分析，只选择具有最佳吹灰效果的吹灰器，并启动它；

(8) 对焦块进行连续的监测，直至焦块被吹扫干净或达到可接受的水平；

(9) 吹灰器退出运行，复位；

(10) 对易结焦部位的结焦原因进行分析，采取改善措施；在这套测量装置上还可加入测温功能和拍照功能，如测定焦块的温度，测定靠近换热器壁面附近的烟气温度和喷燃器根部附近的火焰温度，对炉膛上方区域的换热器进行拍照等。

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