CN102539009A - 电站锅炉水冷壁向火侧壁温在线监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水冷壁温度在线监测技术领域，特别涉及一种电站锅炉水冷壁向火侧壁温在线监测系统及监测方法。在炉膛截面安装声波导管、电动扬声器和特制驻极体式传声器组成的声波收发系统，其收发测点布置在水冷壁同一侧的受热面上；电动扬声器发出声信号，同时被增强型传声器接收并将其转变成电压信号，通过电缆输入信号调理器后进入数据采集卡换为数字信号，再通过广义互相关时间延迟估计得出飞渡时间，最后经计算机和软件计算出水冷壁向火侧壁面温度。所述系统不受炉内高温、腐蚀、多尘等恶劣环境的限制，真实反映水冷壁向火侧壁面温度，避免爆管现象的发生，减少事故率，降低了运营成本。

Description

电站锅炉水冷壁向火侧壁温在线监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于水冷壁温度在线监测技术领域，特别涉及一种电站锅炉水冷壁向火侧壁温在线监测系统及监测方法。 

背景技术

目前，电站锅炉水冷壁温度的测量方法很多，一般主要有两种方式：(1)测量向火侧管壁温度，(2)测量背火侧管壁温度。 

测量向火侧管壁温度是在炉内向火侧管壁上安装热电偶测量端，然后再施以喷涂覆盖等工艺，这样可以提高壁温测量的正确性，同时可延长热电偶的使用寿命。但是热电偶始终受炉内高温、腐蚀、多尘等恶劣条件的影响，使用寿命短，一般不超过一个月。 

测量背火侧管壁温度是将热电偶测量端安装在炉外管壁上。这种方法工程上比较容易，且运行寿命长，成本较低。但测量的是背火侧管外壁温度，并非向火侧管壁温度。需经过理论计算才能推算出向火面管壁温度，其数据真实性受到影响。 

由于水冷壁向火侧接受1200℃以上的炉膛高温辐射，而管内流动介质温度一般在320～380℃，管壁温度梯度变化很大，向火侧与背火侧管壁的温差将有100℃左右，因此测点位置选取尤为重要。上述第一种方法虽然测量向火侧壁温，但使用寿命短；而第二种方法测量的是背火侧，不能真实反映炉内向火侧壁温。因此，研制开发新的水冷壁壁温监测方法就非常必要了。 

发明内容

为了克服现有的水冷壁壁温在线监测装置精度不高，不能适应高温、腐蚀、 多尘等恶劣环境的不足，本发明提供了一种电站锅炉水冷壁向火侧壁温在线监测系统。 

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：两组由声波导管、电动扬声器和驻极体式传声器组成的声波收发器布置在炉膛一侧的水冷壁向火侧受热面的同一层面上；所述电动扬声器连接到功率放大器，功率放大器与接线盒输出端连接；特制驻极体式传声器连接到信号调理器，信号调理器与接线盒的输入端连接；接线盒通过与双通道数据采集卡连接，双通道数据采集卡连接到工控机，形成一套壁温在线监测系统。 

本发明同时还提供了一种使用所述监测系统对电站锅炉水冷壁向火侧壁温进行在线监测的方法，具体为： 

声波信号由一组声波发生器发出，被布置在同一壁面的另一组声波接收装置接收，通过测量声波飞渡时间，来确定声波在传播路径上的平均速度： 

$c=\frac{L}{\mathrm{\τ}}=\sqrt{\frac{\mathrm{\γR}}{m}(t+273.15)}=Z\sqrt{t+273.15}$

式中：τ为飞渡时间；L为测点距离；c为介质中声波的传播速度；R为理想气体普适常数；t为气体温度；γ为气体的绝热指数；m为气体分子量； 为一常数；其中，声源信号为扫频周期0.1S、频率范围500-3000Hz的扫频信号； 

由上式得出温度计算公式： 

本发明的有益效果为： 

利用声波在炉膛烟气中传播速度的变化，来计算炉膛贴壁烟气温度的高低，然后通过热平衡原理，测量水冷壁向火侧贴壁温度。本发明不受炉内高温、腐蚀、多尘等恶劣环境的限制，真实反映炉内温度，避免爆管现象的发生，减少事故率，降低了运营成本。 

附图说明

图1a和图1b为水冷壁壁温监测装置示意图。 

图2为炉膛水冷壁壁温在线监测装置布置图。 

图3为水冷壁壁温在线监测测点示意图。 

图中标号： 

10-声波收发器；11-工控机；12-数据采集卡；13-接线盒；14-功率放大器；15-电动扬声器；16-声波导管；17-驻极体式传声器；18-信号调理器；19-锅炉炉膛；21-水冷壁；22-水冷壁壁温在线监测层；33-水冷壁壁面。 

具体实施方式

本发明提供了一种电站锅炉水冷壁向火侧壁温在线监测系统及监测方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。 

图1a和图1b为水冷壁壁温监测系统图。两组由声波导管16、电动扬声器15和驻极体式传声器17组成的声波收发器10布置在炉膛一侧的水冷壁向火侧受热面的同一层面上。电动扬声器15连接到功率放大器14，功率放大器14与接线盒13输出端连接；特制驻极体式传声器17连接到信号调理器18，信号调理器18与接线盒13的输入端连接；接线盒13通过与双通道数据采集卡12连接，双通道数据采集卡12连接到工控机11，形成一套壁温监测系统。 

图2为炉膛水冷壁壁温在线监测装置布置图。炉膛水冷壁向火侧壁温在线监测装置中的声波导管16、电动扬声器15和驻极体式传声器17组成的声波收发器10，其收发测点布置在水冷壁壁温在线监测层22的水冷壁21一侧的受热面上。 

图3为水冷壁壁温在线监测测点示意图。声波信号由水冷壁壁面33布置的声波发生器31发出，被布置在同一壁面的声波接收装置32测到，通过声波飞渡时间的测量，可以用来确定声波在传播路径上的平均速度。声波在烟气中传播， 根据平面波的运动方程、波动方程以及气体状态方程可以推导出声波传播速度与温度的关系如下： 

$c=\frac{L}{\mathrm{\τ}}=\sqrt{\frac{\mathrm{\γR}}{m}(t+273.15)}=Z\sqrt{t+273.15}$

式中：τ为飞渡时间，s；L为测点距离，m；c为介质中声波的传播速度，m/s；R为理想气体普适常数，J/mol·k；t为气体温度，℃；γ为气体的绝热指数(定压比热容与定容比热容之比值)；m为气体分子量，kg/mol。对于给定的气体混合物， 为一常数，故声波在其中的传播速度取决于气体的温度。由上式得出温度计算公式： 

$t={\left(\frac{L}{\mathrm{\τZ}}\right)}^2-273.15.$

本发明所采用的声源信号为扫频周期0.1S、频率范围500-3000Hz的扫频信号。 

所述装置工作时，声波发生器产生信号，通过声波导管16被同一侧水冷壁壁面33的声波接收装置检测到，将声信号转换为电压信号，并通过信号调理器18滤波和放大，经过接线盒13的输入端被双通道数据采集卡12得到；工控机11中的软件将两个通道的信号进行互相关分析，得出两个传声器之间的声波传播时间，由于两个传声器之间的距离固定并已知，计算出声波在两个传声器之间的传播速度，得到炉膛水冷壁壁温，在电脑的软件显示窗口给出温度值。 

在锅炉炉膛的各个壁面、各个层面均可安装该设备，以实现对不同位置的壁温在线监测。 

Claims (2)

1.一种电站锅炉水冷壁向火侧壁温在线监测系统，其特征在于，两组由声波导管(16)、电动扬声器(15)和驻极体式传声器(17)组成的声波收发器(10)布置在炉膛一侧的水冷壁向火侧受热面的同一层面上；所述电动扬声器(15)连接到功率放大器(14)，功率放大器(14)与接线盒(13)输出端连接；特制驻极体式传声器(17)连接到信号调理器(18)，信号调理器(18)与接线盒(13)的输入端连接；接线盒(13)通过与双通道数据采集卡(12)连接，双通道数据采集卡(12)连接到工控机(11)，形成一套壁温在线监测系统。

2.一种基于权利要求1所述在线监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

声波信号由一组声波发生器发出，被布置在同一壁面的另一组声波接收装置接收，通过测量声波飞渡时间，来确定声波在传播路径上的平均速度：

$c=\frac{L}{\mathrm{\τ}}=\sqrt{\frac{\mathrm{\γR}}{m}(t+273.15)}=Z\sqrt{t+273.15};$

式中：τ为飞渡时间；L为测点距离；c为介质中声波的传播速度；R为理想气体普适常数；t为气体温度；γ为气体的绝热指数；m为气体分子量；为一常数；其中，声源信号为扫频周期0.1S、频率范围500-3000Hz的扫频信号；

由上式得出温度计算公式：

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