CN102252780B

CN102252780B - 电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置及其测量方法

Info

Publication number: CN102252780B
Application number: CN2011101102244A
Authority: CN
Inventors: 袁景淇; 王旭辉; 于彤; 葛翔宇; 惠兆宇; 蔡惟; 朱凯; 潘轶彪
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-04-29
Also published as: CN102252780A

Abstract

一种火力发电技术领域的电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置及其测量方法，该装置包括耐高温陶瓷取样管、水冷式套管换热器、引风装置、温度、压力和流量测量元件、数模转换器以及数据处理计算机，耐高温陶瓷取样管与水冷式套管换热器螺口密封连接，冷却水导流管与套管换热器密封连接，引风装置设置在套管换热器烟气出口处作为烟气流动的动力源，温度测量装置、压力测量装置和流量测量装置分别设置在水冷式套管换热器烟气管和冷却水管进出口处并将采集数据输出至控制模块进行记录。本发明借助水冷式套管换热器原理，利用炉膛内少量定容烟气与冷却水热交换，并通过冷却水热量变化量和尾烟气的热量反推炉膛内烟气的实时温度。

Description

电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种火力发电技术领域的装置，具体是一种电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置及其测量方法。

背景技术

我国火电发电量占总发电量的四分之三，火力电站中燃煤锅炉占80％以上。锅炉炉膛燃烧产生的高温烟气温度一般在900-1000℃之间，普通的接触式温度传感器如热电偶，很难承受高温烟气中固体颗粒的长期冲刷、耐久性差、维护成本高。非接触锅炉炉膛烟气温度的测量装置，有辐射式高温计、红外热像仪等，但是测量结果只能反映火焰的投影温度切分度较粗，不能提供火力电站重要换热工质高温烟气的精准温度。此外，近年来，声波技术也在电站锅炉炉膛烟气温度的监测中有一定应用，但其监测结果的时间分辨率较低，且成本较高。事实上，迄今国内火力电站锅炉炉膛烟气温度测量基本处于空白状态。

鉴于锅炉炉膛烟气温度能够最直接反映锅炉燃烧状况，如何简单准确地测量炉膛烟气温度是火力电站运行监控的一大任务。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号200410060961.8，公开日2005-3-2，记载了一种燃煤锅炉炉内三维温度场实时监测装置，该装置需在锅炉不同高度方向分层布置摄像探头，每层至少布置两支。摄像头通过接收来自炉膛内的辐射信息计算炉膛内的三维温度场；但是该技术是基于辐射信息进行测量，并不能反映锅炉中高温烟气的精确温度，而且需要在锅炉不同位置加装摄像头，装置的耐久性欠缺和维护成本高是制约其广泛使用的瓶颈问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置及其测量方法，借助水冷套管换热器原理，利用炉膛内少量定容烟气与冷却水热交换，并通过冷却水热量变化量和尾烟气的热量反推炉膛内烟气的实时温度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置，包括：耐高温陶瓷取样管、水冷式套管换热器、引风装置、温度、压力和流量测量元件等，其中：耐高温陶瓷取样管与水冷式套管换热器密封连接，引风装置设置在套管换热器烟气出口处作为烟气流动的动力源，温度、压力和流量测量元件分别设置在水冷式套管换热器烟气管和冷却水管进出口处并将采集数据输出至数模转换器并由数据处理计算机进行记录。

所述的水冷式套管换热器包括：内管、外管、冷却水导流管和绝热保护层，其中：内管与外管在两侧边缘连接形成中空式结构，冷却水导流管设置于外管冷却水进出口处，内管供烟气流过，内外管间供冷却水流过，两种流体流向为逆向，绝热保护层位于外管的外部。

所述的内管采用不锈钢材料制成；

所述的外管采用紫铜材质制成；

所述的绝热保护层为石棉制成。

本发明涉及上述装置的测量方法，包括以下步骤：

第一步、通过耐高温陶瓷取样管从锅炉炉膛内抽取定容烟气，经过绝热管后进入水冷套管换热器，在水冷套管换热器中烟气与冷却水进行热交换，烟气经降温后流出换热器；

第二步、给定流量的冷却水经过套管换热器获得的热量即体现为冷却水进出口出处的温差，冷却水获得的热量与高温烟气所损失的热量相等，借助冷却水和烟气物性参数数据库据此就可通过冷却水的温升和水冷套管换热器出口处低温烟气温度反推锅炉炉膛高温烟气的温度，其具体步骤包括：

2.1)借助冷却水物性参数数据库通过冷却水进出口温度、流量、压力计算冷却水进出口处冷却水的热量，从而得到冷却水经过套管换热器获得的热量ΔQ_w；

Δ Q_{W} = Q_{W_{out}} - Q_{W_{in}} = h_{W_{out}} ρ_{W_{out}} v_{W_{out}} - h_{W_{in}} ρ_{W_{in}} v_{W_{in}}

式(1)

其中ΔQ_w分别为冷却水和烟气的热量变化量；h_w(T，P)为冷却水焓值，ρ_w(T，P)为冷却水密度；v_w为冷却水体积流量，下标in和out分别表示装置进口与出口。

冷却水物性参数可参照1997年德国Erlangen举行的水和水蒸汽性质国际联合会(IAWPS)会议上获得通过的水和水蒸汽热力性质工业公式，即IAPWS-IF97公式经过计算求得，通过压力和温度测点所得数据实时计算冷却水的焓值h_w(T，P)和密度ρ_w(T，P)。由于计算公式较复杂，这里不做详细陈述，具体可参照公式出处(W.Wagner et al.，The IAPWS Industrial Formulation1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam，ASME J.Eng.Gas Turbines andPower，Vol.122(2000)，pp.150-182.)

2.2)借助烟气物性参数数据库通过烟气出口温度、流量、压力计算烟气出口处烟气的热量Q_fgout；

Q_{G_{out}} = C_{G_{out}} T_{G_{out}} ρ_{G_{out}} v_{G_{out}}

式(2)

其中C_fg(T，P)为烟气比热容；T_fg为烟气温度；ρ_fg(T，P)为烟气密度；v_fg为烟气体积流量。

烟气物性参数可参照许圣华发表的《烟气物性的直接计算方法》计算求得，通过压力和温度测点所得数据实时计算烟气的比热容C_fg(T，P)和密度ρ_fg(T，P)。(许圣华，苏州丝绸工学院学报，199年6月第19卷第3期，32-36)

C_{m} = g_{N_{2}} C_{m N_{2}} + g_{{CO}_{2}} C_{m {CO}_{2}} + g_{o_{2}} C_{m O_{2}} + g_{H_{2} O} C_{m H_{2} O}

式(3)

其中C_m是烟气比热，单位为kJ/(kg℃)；

分别是氮气、二氧化碳、氧气和水蒸气的质量分数，单位为kg/kg。

分别是氮气、二氧化碳、氧气和水蒸气的比热，单位为kJ/(kg℃)，各组分的比热由回归公式求得，具体可见原文，其误差在0-1200℃内小于1％。

烟气的密度可按理想气体方程计算，具体的计算见原文。由于烟气的物性参数与烟气各组分所占比例相关，此处烟气组分选取典型烟气组分比例(r_CO2＝0.13，r_H2O＝0.11，r_N2＝0.76)。经过计算分析后可知烟气组分小范围的波动对烟气物性参数的影响并不明显，其误差均小于1％。如对特殊组分烟气温度进行测量，则需要提前分析烟气组分比例，带入物性参数计算公式中可提高测量精度。

2.3)根据冷却水获得热量ΔQ_w与高温烟气所损失的热量ΔQ_fg相等，即

ΔQ_W＝ΔQ_G 式(4)

Δ Q_{G} = Q_{G_{in}} - Q_{G_{out}} = C_{G_{in}} T_{G_{in}} ρ_{G_{in}} v_{G_{in}} - C_{G_{out}} T_{G_{out}} ρ_{G_{out}} v_{G_{out}}

式(5)

可得烟气入口处烟气的热量Q_fgin；

Q_{G_{in}} = Q_{G_{out}} + Δ Q_{G} = Q_{G_{out}} + Δ Q_{W}

式(6)

Q_{G_{in}} = C_{G_{out}} T_{G_{out}} ρ_{G_{out}} v_{G_{out}} + h_{W_{out}} ρ_{W_{out}} v_{W_{out}} - h_{W_{in}} ρ_{W_{in}} v_{W_{in}}

式(7)

2.4)借助烟气物性参数数据库及烟气进口流量、压力可计算得烟气入口温度，即本装置所需测量的高温烟气温度T_fgin。

T_{G_{in}} = \frac{C_{G_{out}} T_{G_{out}} ρ_{G_{out}} v_{G_{out}} + h_{W_{out}} ρ_{W_{out}} v_{W_{out}} - h_{W_{in}} ρ_{W_{in}} v_{W_{in}}}{C_{G_{in}} ρ_{G_{in}} v_{G_{in}}}

式(8)

通过本装置可以实现锅炉炉膛烟气温度的实时软测量，避免传感器直接与高温烟气进行接触，大大延长了传感器的使用寿命。若冷却水温度传感器测量精度为0.1℃，则炉膛高温烟气测量精度可达5℃，即相对测量误差小于1％。对于900-1100℃之间的高温烟气，本装置的测量结果可比较准确地代表炉膛烟气温度，且可作为制定火力电站锅炉系统优化方案的重要基础依据。

附图说明

图1套管换热器式炉膛烟气温度测量装置示意图。

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例。

如图1所示，本实施例采用的测量装置包括：耐高温陶瓷取样管1，水冷式套管换热器2，引风装置3，模/数转换器4，数据处理计算机5，冷却水进出口测量元件T₁、T₂，冷却水质量流量计F_W，烟气体积流量计F_G，烟气出口温度测量元件T_G，烟气出口压力测量元件P_G。其中耐高温陶瓷取样管1与水冷式套管换热器2的金属内管密封连接，取样管和整个套管换热器采用绝热材料与环境绝热。所有6个传感器的测量数据通过模/数转换器4被转换为数字信号后，由RS-232数据端口送入上位机5，进行数据处理、烟气温度显示和数据储存。

所述的水冷式套管换热器2包括：内管、外管、冷却水导流管和绝热保护层；所述的外管两端通过焊接与内管密封连接，形成中空结构，温度为T₁的冷却水、以流量F_W进入该中空结构后，流动方向与烟气流动方向相反，换热后的产生温升，由温度检测元件T₂测量其温度。相应地，高温烟气经冷却后温度下降(约40-80℃)，其体积流量、压力、温度由相应的检测元件加以测量。

所述的内管内流动烟气，内管和外管之间流动冷却水且两种流体流向为逆向；所述的换热器内管采用不锈钢材料制成，外径为0.008m；

所述的外管由紫铜材质制成，其内径为0.012m，长度为1.0m，冷却水进口和出口位于距外管封口0.03m处，冷却水的流动方向与烟气的流动成逆向；

所述的换热器冷却水进出导管由外径为0.008m的紫铜材质制成并焊接于外管；

所述的换热器绝热保护层材质为石棉，最外层为铝箔；

所述的耐高温陶瓷取样管外径为0.008m，设计为可伸缩式，方便监测炉膛内不同位置的炉温。

所述的内管引风量控制在1.2L/min，冷却水保持在0.1-0.5L/min的流量。

本实施例测量方法的操作步骤如下：

第一步、通过耐高温陶瓷取样管1从锅炉炉膛内抽取定容烟气，经过绝热管后进入水冷套管换热器2，在水冷式套管换热器2中烟气与冷却水进行热交换，烟气经降温后流出换热器；

第二步、给定流量的冷却水经过套管换热器2获得的热量即体现为冷却水进出口出处的温差，冷却水获得的热量与高温烟气所损失的热量相等，借助冷却水和烟气物性参数数据库据此就可通过冷却水的温升和水冷套管换热器出口处低温烟气温度反推锅炉炉膛高温烟气的温度。

烟气出口实时热量可通过烟气焓值与测量装置所测数据实时计算，冷却水进出口实时热量可通过冷却水焓值与测量装置所测数据实时计算。通过冷却水热量变化与烟气热量变化平衡可计算烟气入口处实时热量，并通过烟气焓值计算求得高温烟气实时温度。

水冷套管换热器的参数范围：

水冷式套管换热器2中换热管采用热传导系数高的金属材料，这样换热管所蓄积的热量可认为相对稳定。因此，炉膛高温烟气流经换热器损失的热量全部被冷却水所吸收。

设炉膛烟气温度T_Gin为1300℃，此处留200℃余量以保证装置在900-1100℃测量范围内的精度和装置运行时尾烟温度的安全性。设装置出口尾烟温度T_G为50℃，冷却水进出口温度T₁、T₂分别为20和25℃。通过热量衡算求得冷却水质量流量F_w与烟气体积流量F_G的比例应为1∶12。此装置取冷却水体积流量F_W为0.1-0.5L/min，因此可求得烟气抽取量F_G为1.2L/min。

为保证高温烟气通过换热器达到充分降温效果，通过套管换热器工作原理计算得本装置中π×d×l取0.03m²，其中内管外径d取0.008m，总长度l取0.5m，烟气抽取量约为1.2L/min，可知烟气在换热器中流动的时间延迟约为1秒。为了保证换热器内冷却水较小的流动时间延迟，且换热器易于加工，外管内径取0.012m，长度取1.0m，则冷却水流动时间延迟约6秒。

本装置可以直接反映火力电站重要换热工质高温烟气的精准温度，装置中的耐高温陶瓷取样管1在现场中便于设置。本装置借助水冷套管换热器2的工作原理，将测量高温烟气的问题转换为测量冷却水及低温烟气的问题，解决了测量高温烟气传感器易损坏的问题。本装置的测量精度取决于各传感器的测量精度，如测量精度要求不高，则可采用较为经济合算的传感器进行测量，从而降低这个装置的成本；如测量精度要求较高，则可采用测量精度高的传感器进行测量，从而得到更高的测量精度。

本装置中水冷式套管换热器2中具体尺寸应根据设定的烟气和水的体积流速按照水冷式套管换热器2参数设计方法进行设计，如提高烟气和水的体积流速，即从炉膛中采取更多的烟气，可以使本装置的测量结果更为稳定、更具代表性，但水冷式套管换热器2的装置尺寸会相应增大，内外管间距增大，一定上减少空间小所带来的冷却水流动阻力，使得测量精度进一步提高。

本装置采用了间接法对炉膛高温烟气温度进行测量，避免了直接测量法中传感器容易损坏、三维温度场测量法中无法直接反应烟气温度及时间延迟的缺点，可以长时间稳定的进行炉膛高温烟气的实时测量。利用水冷式套管换热器的工作原理，进行合理的参数设计、材料选取及装置设置后搭建了一款电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置及其测量方法。

Claims

1.一种电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置，包括：耐高温陶瓷取样管、水冷式套管换热器、引风装置、温度测量元件、压力测量元件和流量测量元件、数模转换器以及数据处理计算机，其特征在于：耐高温陶瓷取样管与水冷式套管换热器螺口密封连接，引风装置设置在水冷式套管换热器烟气出口处作为烟气流动的动力源，温度、压力和流量测量元件分别设置在水冷式套管换热器烟气管和冷却水导流管进出口处并将采集数据经数模转换后输出至数据处理计算机进行数据处理记录；

所述的水冷式套管换热器包括：烟气管、外管、冷却水导流管和绝热保护层，其中：冷却水导流管与烟气管密封连接，烟气管与外管在两侧边缘连接形成中空式结构，冷却水导流管设置于外管冷却水进出口处，烟气管供烟气流过，烟气管与外管间供冷却水流过，两种流体流向为逆向，绝热保护层位于外管的外部。

2.根据权利要求1所述的电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置，其特征是，所述的烟气管采用不锈钢材料制成；所述的外管采用紫铜材质制成；所述的绝热保护层为石棉制成。

3.一种根据权利要求1或2所述装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、通过耐高温陶瓷取样管从锅炉炉膛内抽取定容烟气，进入水冷式套管换热器，在水冷式套管换热器中烟气与冷却水进行热交换，烟气经降温后流出水冷式套管换热器；

第二步、给定流量的冷却水经过水冷式套管换热器获得的热量即体现为冷却水导流管进出口出处的温差，冷却水获得的热量与高温烟气所损失的热量相等，借助冷却水和烟气物性参数数据库据此就能通过冷却水的温升和水冷套管换热器出口处低温烟气温度反推锅炉炉膛高温烟气的温度。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征是，所述的第二步具体包括：

2.1)借助冷却水物性参数数据库通过冷却水导流管进出口温度、流量、压力计算冷却水导流管进出口处冷却水的热量，从而得到冷却水经过水冷式套管换热器获得的热量ΔQ_w，

其中：ΔQ_w为冷却水的热量变化量；h_w(T，P)为冷却水焓值，ρ_w(T，P)为冷却水密度；v_w为冷却水体积流量，下标in和out分别表示装置进口与出口；

2.2)借助烟气物性参数数据库通过烟气出口温度、流量、压力计算烟气出口处烟气的热量 Q_fgout，Q_fgout＝C_fgoutT_fgoutρ_fgoutv_fgout，其中：C_fgout(T，P)为烟气比热容；T_fgout为烟气温度；ρ_fgout(T，P)为烟气密度；v_fgout为烟气体积流量；

其中：C_m是烟气比热，单位为kJ/(kg℃)；

分别是氮气、二氧化碳、氧气和水蒸气的质量分数，单位为kg/kg，

分别是氮气、二氧化碳、氧气和水蒸气的比热，单位为kJ/(kg℃)，各组分的比热由回归公式求得，其误差在0-1200℃内小于1％；

2.3)根据冷却水获得热量ΔQ_w与高温烟气所损失的热量ΔQ_G相等，即：ΔQ_W＝ΔQ_G，

可得烟气入口处烟气的热量Q_fgin，即

2.4)借助烟气物性参数数据库及烟气进口流量、压力可计算得烟气入口温度，即本装置所需测量的高温烟气温度T_fgin，即T_Gin，