CN102706482A - 炉膛辐射热流量分布测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锅炉炉膛辐射热流量的测量方法及系统，它能够同时测得沿炉膛多个高度上的辐射热流量，特别适用于测量辐射热流量沿炉膛高度的分布。它包括水冷壁管，作为测量感应管，在该水冷壁管底部设有一个三通阀，分别与自省煤器入口的给水管路和水冷壁下联箱的管路连接；同时在该水冷壁管上布置一定数量的热电偶，用于测量管内介质温度，感应管被热电偶分成若干管段，每个管段上的辐射热流量根据该管段介质焓值的变化得到；正常运行状态下，感应测量管中的冷却介质来自水冷壁的下联箱，在测量状态下，冷却介质来自省煤器入口。它不需要安装任何型式的热流计，测量过程对水冷壁管的影响小，系统简单，易于测量，节约了人力和物力。

Description

炉膛辐射热流量分布测量方法及系统

技术领域

本发明属于电厂热能动力工程领域，涉及一种炉膛辐射热流量分布测量方法及系统，特别适用于测量炉膛不同高度多个位置上的辐射热流量，从而得到辐射热流量沿炉膛高度的分布。 

背景技术

由于电站锅炉炉膛容积大，燃料燃烧分布不均匀以及烟气沿流程温度变化剧烈，造成炉膛内某些区域的局部热流量有时会达到平均热流量的数倍以上，这些高热流区的蒸发管是安全运行的薄弱环节。在锅炉炉膛设计时，通常根据辐射热流量的经验分布校核蒸发管最高管壁温度，进行炉膛水循环动力设计，以选择受热管金属材料，保证炉膛水循环安全性。炉膛热流量分布是电站锅炉设计中最基本的经验数据，辐射热流量测量及分布规律研究是改进炉膛设计、提高运行可靠性的基础工作，该项研究在上世纪六十年代曾经得到广泛开展，前苏联在1969年颁布的锅炉热力计算标准中，给出了在当时技术背景下炉膛辐射热流量沿炉膛高度的变化曲线，并一直沿用至今；近年来，随着低氮氧化物燃烧器和超临界压力直流锅炉等先进技术大量投用和发电厂锅炉燃用煤煤质恶化，造成炉膛辐射热流量分布偏离了标准中推荐的曲线,炉膛受热面结焦腐蚀和超温爆管事故增加.因此，对于炉膛辐射热流量测量及分布的研究应进一步开展，为锅炉炉膛设计和超临界压力直流锅炉蒸发受热面节流孔布置提供更可靠的依据。 

目前，研究炉膛辐射热流量分布规律时，需要在炉膛内不同的高度布置大量热流量测点；由于锅炉炉膛容积大，所需的辐射热流计数量有时多达几十块，使用较多的一种辐射热流计通常配有水冷却系统，它通过测量热流流向上的金属温度变化而得到辐射热流量的数值，这一方法的缺点是:热电偶处于高温多灰环境中，系统可靠性差，测量工作量大。中国专利200910085715.0公布了上述这种配有冷却系统的辐射热流计；其它种类的辐射热流计还包括：中国专利98814340.2公布的一种基于材料处于辐射热流的条件下电阻发生变化的检测器；以及中国专利200410091166.5公布的一种适用于民居热流量计量的基于流体温度和流量测量的热扩散式热流量计.进行炉膛辐射热流量分布测量时，无论采用何种类型的热流计，都需要在炉膛不同高度上布置数量众多热流量测量点，测量成本高，且消耗大量人力。 

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种炉膛辐射热流量分布测量方法及系统，满足 炉内辐射热流量的多点测量要求，特别适合研究辐射热流量沿炉膛高度的分布规律。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是， 

一种炉膛辐射热流量分布测量系统，它包括水冷壁管，作为测量感应管，在该水冷壁管底部设有一个三通阀，分别与自省煤器入口的给水管路和水冷壁下联箱的管路连接；同时在该水冷壁管上布置一定数量的热电偶，用于测量管内介质温度，感应管被热电偶分成若干管段，每个管段上的辐射热流量根据该管段介质焓值的变化得到；正常运行状态下，感应测量管中的冷却介质来自水冷壁的下联箱，在测量状态下，冷却介质来自省煤器入口；所述热电偶在水冷壁管上每隔3到5米安装一根。 

一种采用炉膛辐射热流量分布测量系统的测量方法，它的步骤为： 

①以水冷壁管工质入口压力值和出口压力值两者的平均值作为水冷壁管中工质的压力p，根据水冷壁管中工质的压力p和各管段的测温值，计算各个管段两端的焓值， 

②利用各管段两端的焓值E计算各管段上的焓值变化△E； 

③利用各个管段上的焓值变化和管内介质流量计算各管段的吸热量； 

④该管段的吸热量除以它的受热面积，得到该管段的辐射热流量，即利用下式计算各管段上的平均热流量q (kW/m²)： 

$q=m\frac{\mathrm{\ΔE}}{S}$

其中，m为测得的管内工质流量，S为计算管段的辐射受热面积； 

⑤利用下式计算热流量系数η在炉膛相对高度x的分布： 

x=h/H    η=q/q₀

其中，x为炉膛相对高度，H为炉膛高度，q₀为平均热流量。 

所述方法中得到的各管段辐射热流量，每个管段上的辐射热流量和该管段在炉膛中的位置一一对应，由此得到辐射热流量沿炉膛高度的分布。 

采用整根的水冷壁管得到平均辐射热流量，水冷壁管平均辐射热流量当作基准热流量，将各个管段的辐射热流量无量纲化，得到辐射热流量系数沿炉膛高度的分布。 

本发明在炉膛内不布置任何型式的热流计，而是选择炉膛内的一根水冷壁管，对其进行恰当改造后，用作测量用的感应管，进行炉膛辐射热流量的测量，该水冷壁管的结构分为两部分。 

第一部分是经过改造后的水冷壁管。具体改造方法如下：将该水冷壁管与下联箱的连接切开，采用三通连接引入两路给水进入该水冷壁管，一路给水来自省煤器入口，另一路 来自原水冷壁下联箱，这两路给水管路上分别装有调节阀门。锅炉正常运行时，来自省煤器入口给水阀门处于关闭状态，来自水冷壁下联箱阀门处于打开状态；测量炉膛热流量时，打开来自省煤器入口给水阀门，关闭来自水冷壁下联箱阀门；采用非接触流量计测量该根水冷壁管入口的给水流量，利用管路上的给水阀门，将该根水冷壁管内的水流量调节到1.5～3.0kg/s之间；对于发电厂锅炉，数值模拟结果表明，来自省煤器入口的给水压力足以克服炉膛高度的静压、沿程阻力和局部阻力等引起的压力降，且还有剩余，保证水冷壁管内形成正常的流动。 

第二部分是分布在水冷壁管中的热电偶。分布方法为：在该根水冷壁管位于炉膛高度h=0、h=H以及中间管段每隔一定距离布置一支热电偶，用来测量管内工质的温度；间隔距离推荐为3.0～5.0米。 

传感器管水冷壁上端保持不变，接入水冷壁上联箱，再进入汽包。在对上述单根水冷壁管进行改造后，可用于测量炉膛不同高度的热流量，得到热流量沿炉膛高度的分布。 

本发明的测量原理是，在测量状态下，省煤器入口给水在其压力驱动下进入炉膛水冷壁测量管，给水吸收炉膛辐射热后，温度和焓值增加；沿水冷壁管高度方向上每隔一定距离测量水的温度变化，计算给水焓在每个管段的变化值，再利用管内水流量的测量结果，得到水在每个管段上吸收的炉膛辐射热量，然后根据管段的辐射受热面积，计算每个高度的管段单位面积的平均热流量，进而得到辐射热流量沿炉膛高度的分布。 

水的焓值受压力影响很少，忽略水沿流程的压力变化，在计算每个管段上的水的焓值时，水的压力取为该水冷壁管进、出口压力的平均值。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

(1)进行炉膛水冷壁热流量测量时，不需要安装任何型式的热流计，节约了大量仪表费用。 

(2)能够同时测量炉膛高度方向上多点的热流量，特别满足辐射热流量沿炉膛高度分布研究需要。 

(3)利用实际水冷壁管作为测量感应管，通过入口阀门切换其实际工作状态和测量状态，测量元件安装工作量小，测量过程对水冷壁管的影响小。 

(4)系统简单，易于测量，测试过程节约大量的人力。 

附图说明

图1为炉膛水冷壁测量感应管的工作示意图。 

图2为感应管的热电偶分布图。 

图3为具体实施例中得到的辐射热流量沿炉膛高度的分布图。 

图4为具体实施例中得到的辐射热流量系数沿炉膛相对高度的分布图。 

其中，1是炉膛，2是调节阀门I，3.是调节阀II，4是水冷壁测量感应管。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

如图1、2所示，是一台300MW亚临界自然循环汽包炉的炉膛燃烧室，炉膛截面尺寸为14.706m×12.829m，从冷灰斗的二等分水平面到炉膛顶棚的距离为49m，即炉膛高度H＝49米；燃料在炉膛内燃烧产生烟气并放出热量，热量以辐射换热的方式被燃烧室四周的水冷壁吸收，烟气流向炉膛出口并不断被冷却，燃烧区域的最高温度可达2500K.选择炉膛侧墙的一根水冷壁管4作为测量感应管，将省煤器入口的给水引入该根水冷壁入口作为测量热流量时的冷却介质，在该水冷壁管上安装11根热电偶，用于测量管内介质温度，从下往上前10根热电偶的间距为5米，最上面一根和前面一根的间距为4米；利用调节阀门I2控制管内介质流量在2.0kg/s左右。水冷壁面在炉膛高度上的热流分布是必要的设计数据，在实际生产和科学研究中，经常需要测量炉膛热流分布，采用本发明提供的方法，能够方便地测量热流分布. 

测量过程中得到的全部测量数据如下：省煤器入口来的给水压力18.90MPa，汽包压力18.38MPa，感应管水冷壁入口工质流量2.5kg/s，热电偶5，6，……，15测得不同炉膛高度h的工质温度t为： 

根据上述数据计算炉膛辐射热流量的步骤为： 

①水冷壁管工质入口压力和出口压力值的平均值作为水冷壁管中工质的压力p，即p=(18.90+18.38)/2=18.64MPa； 

②利用该压力和各点测得的温度值，计算5，6，……，15热电偶测温处的水的焓值E(kJ/kg)，并利用各点的焓值E计算管段A、B、C、D、E、F、G、H、I、J上的焓值变化△E 如下： 

③利用下式计算管段A、B、C、D、E、F、G、H、I、J上的平均热流量q(kW/m²)： 

$q=m\frac{\mathrm{\ΔE}}{S}$

上式中m为水冷壁管内的工质流量，测量值为m=2.5kg/s；ΔE为计算管段上的焓值变化，见前面的计算结果；S为各个管段的辐射受热面积，前9个管段的高度均为5米，因此，每个管段的辐射受热面积等于水冷壁管的节距乘以该高度，即S＝0.0762×5=0.381m²；后一个管段高度为4米，它的辐射受热面积S＝0.0762×4=0.3048m²；根据上式得到管段A、B、C、D、E、F、G、H、I、J上的平均热流量q，每个管段中点所在的高度看作该管段在炉膛内的高度，得到辐射热流量和炉膛高度的对应关系如下： 

④根据式 

计算整根水冷壁管上的平均热流量，此时m为测得的管内工质流量，m=2.5kg/s；ΔE为水冷壁管上的焓值变化，此处ΔE=1387.11-1216.67=170.44kJ/kg；S为整个 水冷壁管的辐射受热面积，S＝0.0762×49=3.73m²；利用该式得到整根水冷壁管上的平均热流量q₀=114.12kW/m²，用此热流量作为分母，将上述每个管段的热流值进行无量纲化，同时，用炉膛高度H＝49米作分母，将管段的高度无量纲化，得到相对热流量即热流量系数η在炉膛相对高度x的分布如下： 

图3是辐射热流量q随炉膛高度h的分布，图4是热流量系数η随炉膛相对高度x的分布。 

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。 

Claims (5)

1.一种炉膛辐射热流量分布测量系统，其特征是，它包括水冷壁管，作为测量感应管，在该水冷壁管底部设有一个三通阀，分别与自省煤器入口的给水管路和水冷壁下联箱的管路连接；同时在该水冷壁管上布置一定数量的热电偶，用于测量管内介质温度，感应管被热电偶分成若干管段，每个管段上的辐射热流量根据该管段介质焓值的变化得到；正常运行状态下，感应测量管中的冷却介质来自水冷壁的下联箱，在测量状态下，冷却介质来自省煤器入口。

2.如权利要求1所述的炉膛辐射热流量分布测量系统，其特征是，所述热电偶在水冷壁管上每隔3到5米安装一根。

3.一种采用权利要求1所述的炉膛辐射热流量分布测量系统的测量方法，其特征是，它的步骤为：

①以水冷壁管工质入口压力值和出口压力值两者的平均值作为水冷壁管中工质的压力p，根据水冷壁管中工质的压力p和各管段的测温值，计算各个管段两端的焓值，

②利用各管段两端的焓值E计算各管段上的焓值变化△E；

③利用各个管段上的焓值变化和管内介质流量计算各管段的吸热量;

④该吸热量除以管受热面积，得到该管段的辐射热流量，即利用下式计算各管段上的平均热流量q(kW/m²)：

$q=m\frac{\mathrm{\ΔE}}{S}$

其中，m为m为测得的管内工质流量，S为计算管段的辐射受热面积；

⑤利用下式计算热流量系数η在炉膛相对高度x的分布：

x=h/H    η=q/q₀

其中，x为炉膛相对高度，H为炉膛高度，q₀为平均热流量。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征是，所述方法中得到的各管段辐射热流量，每个管段上的辐射热流量和该管段在炉膛中的位置一一对应，由此得到辐射热流量沿炉膛高度的分布。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征是，采用整根的水冷壁管得到平均辐射热流量，水冷壁管平均辐射热流量当作基准热流量，将各个管段的辐射热流量无量纲化，得到辐射热流量系数沿炉膛高度的分布。

Images