CN105556208A - 用于监测蒸汽锅炉的热交换器的质量变化的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于监测蒸汽锅炉的热交换器罐(10、11、12)的质量变化的方法和系统。所述热交换器罐(10、11、12)被吊杆(13)和支撑梁(14)支撑至所述蒸汽锅炉的框架梁(15)。在所述方法中，所述支撑梁(14)的腹板(22)设有应变计(17)，以测量在所述支撑梁(14)中由所述热交换器罐(10、11、12)的质量产生的应变状态变化。所述系统包括：固定至所述支撑梁(14)的腹板(22)的多个应变计(17)，用于测量在所述支撑梁(14)中由所述热交换器罐(10、11、12)的质量产生的应变状态变化；数据记录装置，用于记录测量数据；和计算机或者相应的计算单元，用于处理所述测量数据。

Description

用于监测蒸汽锅炉的热交换器的质量变化的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于监测蒸汽锅炉的热交换器罐的质量变化的方法，该热交换器罐被吊杆和支撑梁支撑至蒸汽锅炉的框架梁。本发明也涉及一种用于监测这种热交换器罐的质量变化的系统。

背景技术

蒸汽锅炉的上部分设有一组热交换器，其中烟气中所含的热被传递给在管道中流动的水或者水蒸汽。蒸汽锅炉可具有例如串联连接的八个热交换器罐，每个热交换器罐都可具有例如25个平面热交换器，待冷却的烟气在平面热交换器之间流动。在最冷的热交换器罐中，热传递介质为水(给水预热器，即节热器)，在下一热交换器罐中，水被蒸发(蒸发器，即蒸汽产生罐)，并且在最靠近炉膛、具有最高温度的热交换器罐中，热传递介质为将过热(过热器)的蒸汽。

为了允许无障碍热膨胀，热交换器通常通过吊杆从支撑梁悬置，支撑梁继而由蒸汽锅炉的框架梁支撑。翅片板可以布置在以平面形式弯曲的热交换器管道的管段之间，由此形成热传递板。每个热交换器罐通常都由设有多个垂直吊杆的两个支撑梁支撑，每个吊杆都连接至各个热传递板的任一端。吊杆也能够在支撑梁或者给水和排水管方向中支撑中间梁，中间梁支撑热传递板。

蒸汽锅炉的热传递表面结垢妨碍热从烟气传递到在热交换器内循环的介质中。用于燃烧黑液的回收锅炉尤其易于在热传递表面结垢，这是因为大量烟灰夹带在烟气流中流出回收锅炉的炉膛，这种烟灰在热传递表面上形成难以清除的沉积物。

通常，通过吹灰装置从热转移表面清除杂质，从锅炉本身的蒸汽生产获取该操作的操作蒸汽。仅能够在停机期间使用水冲洗，因为在运行期间，水冲洗将引起热冲击，热冲击将对热交换器的金属加应力。用于吹灰的蒸汽的内能降低了正在从蒸汽锅炉转移到涡轮中以及其它过程的蒸汽的内能。对于最优化蒸汽锅炉的整体效率来说，确定吹灰间隔是必要的。吹灰装置处于各种条件之下，并且基于运行情况和经验而设计运行模式，基于运行模式使用吹灰装置。在最重要并且最易于结垢的区域中，吹灰装置比其它位置更频繁地运行。

吹灰通过从锅炉的热表面规律地清除所沉积的烟灰和炉渣而保持锅炉的效率和蒸汽产生能力。因此，重要的是通过过程测量形成对锅炉吹灰需求的认识，以便能够在适当的时间，在锅炉的适当部分中实现吹灰。通过根据需求实现吹灰，能够节省相当大量的蒸汽，并且提高锅炉的效率。

从US6,323,442A公开本身已知监测热交换器的质量变化，以确定最优化吹灰间隔，其中通过联接至吊杆的应变计测量从吊杆悬置的热交换器罐的质量。叠加各个应变计指示的质量变化，由此获得整个热交换器罐的质量变化。吊杆支撑热交换器罐的进口和出口流的集热器管，集热器管继而支撑各个热交换器。例如因为难以更接近热交换器地布置充分稳固的支撑，所以使用基于吊杆的结构。在该公开的示例中，每个热交换器罐的吊杆以及它们的应变计的数目为20。另外，必须测量吊杆的温度，以提供温度补偿。因而，对于每个热交换器罐，需要总共40个测量通道。在同一申请人的后续公开WO2004102104A中，通过来自吊杆的负荷传感器做出相应的测量。在实践中，难以在现有蒸汽锅炉的其它位置布置负荷传感器。

当要测量几个热交换器罐的质量变化时，对于安装测量系统和设备本身来说，大量的测量通道是值得注意的问题。因而，大量的测量点对测量系统的设备和安装成本有显著影响。其中应变计安装在吊杆之下的条件非常不利，特别是在作为改进而将测量布置安装在现有蒸汽锅炉中时该条件增加成本。为了获得可靠结果，必须平均吊杆的负荷，并且必须有规律地校准测量系统，这在该实施例中是困难的。

从文献FR2555740Al已知一种解决方案，其中测量承载整个燃煤锅炉的负荷的框架的变形，以便监测锅炉的炉渣量。所使用的传感器为振弦式传感器，其被固定至框架梁的上和下凸缘，并且根据框架梁的弯曲变化而改变振动频率。这些传感器沿框架梁的未被支撑长度在中心固定。被固定至框架梁的上凸缘的传感器测量压缩应变，并且被固定至框架梁的下凸缘的传感器测量拉伸应变。这些传感器允许人对整个锅炉重量有所了解，但是它们不给出对锅炉的不同部分重量的任何理解。

本发明的目标在于消除涉及现有技术解决方案的这些问题。

发明内容

根据本发明的方法的特征在于权利要求1的特征部分中限定的内容。相应地，根据本发明的系统的特征在于权利要求10的特征部分中限定的内容。

本发明的第一方面是一种用于监测蒸汽锅炉的热交换器罐的质量变化的方法，该热交换器罐被吊杆和支撑梁支撑至蒸汽锅炉的框架梁。根据本发明，支撑梁的垂直支撑元件设有应变计，通过应变计测量在支撑梁中由热交换器罐的质量产生的应变状态的变化。

本发明的第二方面是一种用于监测蒸汽锅炉的热交换器罐的质量变化的系统，该热交换器罐被吊杆和支撑梁支撑至蒸汽锅炉的框架梁。根据本发明，该系统包括：固定至支撑梁的腹板的多个应变计，用于测量在支撑梁中由热交换器罐的质量产生的应变状态；数据记录装置，用于记录测量数据；和计算机或者类似的计算单元，用于处理测量数据。

在本发明的一个实施例中，应变计在支撑梁上靠近支撑点定位，支撑梁在支撑点处安置在框架梁上。

在本发明的一个实施例中，每个支撑点处的应变状态的变化由形成惠斯通全桥连接的四个应变计测量。

在本发明的一个实施例中，在四个应变计中，两个应变计被定位在主应变方向上，并且两个应变计被定位成垂直于所述主应变方向。

在本发明的一个实施例中，通过有限元法确定靠近支撑点的支撑梁的主应变，优选包括其方向。

在本发明的一个实施例中，在支撑点处，应变计被固定至支撑梁的两个垂直支撑元件，以便补偿支撑梁的任何可能弯曲。

在本发明的一个实施例中，应变计位于支撑梁的腹板的如下点处，其中框架梁的支撑力以约45°的角度向该点施加主应变。

在本发明的一个实施例中，如果需要，则通过在支撑梁的已知位置，优选在一个或者更多吊杆处放置已知质量，来校准测量系统。

在本发明的一个实施例中，如果需要，则通过有限元法来校准测量系统。

本发明基于下列理解，即通过在几个点处测量支撑热交换器罐的梁的应变状态的变化，能够通过计算确定所讨论的热交换器罐的质量变化。该测量方法允许人甚至在具有合理并且可行数量的测量点和测量通道的二维或者三维范围内获得质量变化的充分信息。

与现有技术的解决方案相比，从支撑梁执行测量的另一优点在于下列事实，即通过从两个梁做出的测量，能够获得关于热交换器罐的不同区域中的烟灰层的浓度的二维信息，以及通过吹灰而从其中移除质量的区域的信息。通常，热传输表面的结垢是单侧的，或者区域性地发生。

也可以从框架梁测量相应的支撑反作用力，但是因为框架梁远比支撑梁更坚固，所以测量值的分辨率将较差。

通常通过一次吹热交换器板的一侧而运行吹灰装置。另外，吹灰可以在垂直方向中，在热交换器的不同区域中发生。通过一次对一个区域吹灰并且监测相应的质量变化，能够达到对其中积累烟灰并且其中应集中吹灰的区域的三维理解。

优选地，通过使用能够自动地补偿温度影响的惠斯通全桥执行对支撑梁的应变状态的测量。因而，不需要用于测量温度的单独的测量通道，并且测量通道的数目减少。在现有技术的解决方案中，吊杆的温度在运行期间会显著变化，并且即使有温度补偿，这些变化也能够影响测量结果。与接触热交换器的吊杆的温度相比，离炉膛越远的支撑梁的温度通常越低，并且更均匀。

最优选地，测量点位于支撑热交换器罐的梁上的如下点处，其中框架梁的支撑力以约45°的角度向该点施加主应变。可以通过有限元法确定应变计的最佳定位和方向。将测量点定位在受到支撑反作用力在支撑梁的腹板上施加的主应变的区域中，也将最好地消除框架梁在支撑梁应变时变形而引起的变化。

除了控制吹灰装置之外，质量变化可以用于确定将在何时执行用于排出沉积物的临时冷却循环，或者作为替选，关闭蒸汽锅炉，以冲洗热传递表面。

附图说明

图1示出回收锅炉的热交换器罐以及它们在锅炉的框架梁上的支撑的侧视图。

图2示出从上方观察的两个热交换器罐的支撑结构。

图3示出支撑梁的支撑点。

图4示出将吊杆固定至支撑梁的示例。

图5示出支撑梁的末端处的测量点。

图6示出支撑梁中部的测量点。

具体实施方式

从框架柱16和框架梁15悬置蒸汽锅炉的结构性部分促进它们不受阻碍地热膨胀。图1示出将回收锅炉的热交换器10、11、12支撑至锅炉的框架结构15、16。热交换器罐10、11、12的数目根据锅炉的类型而变化。在回收锅炉包括八个热交换器罐10、11、12的情况下，其中在烟气的流动方向中，前五个为过热器10，然后是锅炉管11，并且最后两个热交换器罐为水预热器12。每个热交换器罐10、11、12都包括由热传递管组成的多个板元件，热传递介质(水或者蒸汽)在这些元件内流动。释放热的热烟气在形成热交换器罐10、11、12的热交换器板之间流动。每个热传递板都通过两个吊杆13从两个支撑梁14悬置，支撑梁14继而被支撑至框架梁15。

图2示出从锅炉上方观察的两个热交换器罐10、11，每个罐都通过吊杆(未示出)从两个支撑梁14悬置，支撑梁14被四个框架梁15支撑。每个支撑梁14被每个框架梁15支撑在4个支撑点s1、s2、s3、s4处。图3示出支撑梁14及其支撑点s1、s2、s3、s4的侧视图。图4示出一种将吊杆13固定至支撑梁14的方式。如图所示，吊杆13被布置成穿过支撑梁14，并且吊杆13的上端通过螺母19固定至支撑梁14的上表面。

图4中所示的支撑梁14包括下凸缘20、上凸缘21和将下凸缘20连接至上凸缘21的两个腹板22。上凸缘21承载被吊杆13传递给上凸缘21的热交换器罐10、11、12的重量。下凸缘20接收由框架梁15在支撑梁14上的支撑点s1、s2、s3和s4处施加的支撑力R_FEM。腹板22基本不承载负荷，但是受到由于支撑力R_FEM和吊杆传递的负荷而产生的剪切力。

支撑梁14可为例如单腹板I形梁或者双腹板箱形梁或者矩形梁。在所有情况下，支撑梁14都包括上水平支撑元件、下水平支撑元件以及连接它们的至少一个垂直支撑元件。可以从垂直支撑元件测量支撑梁14中由支撑反作用力R_FEM而产生的应变引起的拉伸。

从吊杆13悬置的热交换器罐10、11、12在支撑梁14上施加向下的拉力，由支撑力，即从框架梁15在支撑点s1、s2、s3和s4处施加给支撑梁14的支撑反作用力R_FEM补偿该向下的拉力。这些负荷力和支撑力在支撑梁14中引起能够通过应变计测量的局部应变状态。因此，在根据本发明的方法中，通过粘合至支撑热交换器罐的支撑梁14的应变计测量热交换器罐10、11、12的质量变化。优选地，这些应变计位于支撑梁14的支撑点s1、s2、s3和s4附近。

图5示出应变计17在支撑梁14的腹板22上、靠近梁的末端处的支撑点s1或者s4的优选位置，在所述支撑点处支撑力R_FEM被施加到支撑梁14。

图6相应地示出应变计17在支撑梁14的腹板22上、靠近处于梁的中部的支撑点s2(如图所示)和s3(相应于s2)的优选位置，在所述支撑点处支撑力R_FEM被施加到支撑梁14。

图6也示出间隔元件23可设置在支撑梁14和框架梁15之间的支撑点s3(以及分别是s2)处，以便限制承受支撑反作用力的面积，这样便于将测量点靠近腹板22的下边缘布置在对于在检测主应变引起的拉伸变化方面最优选的位置。优选地，垂直加强件24可在支撑点s2、s3处固定至支撑梁14的腹板22。支撑点处的垂直加强件24防止支撑梁的腹板22弯曲。

优选地，所使用的应变计为两对应变计17，这些应变计被布置成彼此成90°角，并且应变计对17中的一个应变计被设置在主应变方向中。因而，在测量支撑点s时，使用总共4个应变计，以在两个方向上同时进行测量。优选地，所述两对应变计17位于支撑梁14的腹板22上的如下点处，其中由框架梁15的支撑力R_FEM引起的主应变以约45°角向该点施加。两对应变计17被设置为与待测量的每个支撑点s连接，这些应变计彼此连接，以便它们形成惠斯通桥。优选地，所述两对应变计17粘合在靠近支撑梁14的支撑点s1、s2、s3和s4制成的孔或者槽口18附近。孔或者槽口18放大了支撑梁14的应变状态，并且提高了测量的灵敏度。也可通过其它已知的测量方法，测量应变变化在主应变的方向中的测量值，观察它们的已知限制和特征。

当应变计17仅被布置在支撑梁14的一个腹板22上时，支撑梁在纵轴方向中的可能扭转会导致测量结果不精确。如果需要，可以通过在支撑梁14的两个腹板22上对称地布置测量点而消除这种不精确，由此通过将来自两个腹板22的测量点的测量结果相加而获得来自每个支撑点s、s2、s3、s4的测量结果。在该情况下，所需的测量通道量加倍。

当应变计在惠斯通全桥连接中连接，并且所有传感器都处于相同温度时，会自动地补偿温度变化导致的误差。连接测量桥，以便当传感器的电阻在相同方向中变化(温度变化)时，测量桥保持平衡，但是当电阻在不同方向中变化时，测量桥易于打破平衡。当向测量桥中馈送恒定电压源时，平衡损失(lossofequilibrium)被视为测量桥的输出电压。因而，输出电压与支撑梁的应变状态直接成比例。从桥连接获得的信号被放大并且通过数据记录系统输入计算单元中，以保存和分析数据。

测量系统包括至少一个数据记录系统和计算机或者另一计算单元，其具有用于处理通过应变计记录的数据的计算机程序。计算机程序从数据记录系统接收测量数据，通过将测量信号转换为代表热交换器的质量或者质量变化的数据而处理测量数据，编译统计学数据，并且将该数据转换为其它格式。

可以通过以已知质量加载支撑梁14，或者通过有限元法，将对测量系统的校准执行为直接校准。在直接校准中，使用通过已知质量测量的信号计算校准系数。在动态校准中，质量沿支撑梁14移动，而在静态校准中，已知静态质量从支撑梁14的几个点悬置。在基于有限元法的校准中，通过数据记录系统的设置值、应变计的特征以及通过有限元建模获得的应变计17的最佳位置的理论拉伸值而计算理论校准系数。

可以通过下列方程将通过应变计17测量的数字信号转换为代表热交换器罐10、11、12的质量或者质量变化的值：

W_i,s＝CF_ε-W,s·CF_S-ε·(S_i,s-S_0,s)(1)

其中

W_i,s为在时间点t_i时在支撑点s测量的质量；

CF_ε-W,s为施加给支撑点s的拉伸和质量之间的转换因子(方程2)。可以通过有限元法从梁的应变计算因子CF_ε-W,s的理论值；

CF_S-ε为数据记录系统的数字输出信号和从应变计测量的拉伸之间的转换因子(方程3)。CF_S-ε取决于数据记录系统的设置和应变计的构造(在该情况下，惠斯通全桥具有处于每个支撑点s处的四个有源应变计)；

S_i,s为在特定时间点t_i时数据记录系统从处于支撑点s处的应变计产生的输出信号；

S_0,s为数据记录系统从处于支撑点s处的应变计产生的输出信号，其相应于0质量(即锅炉清洁时，测量开始时的输出信号)。

可以通过下列方程计算转换因子CF_ε-W,s：

${\mathrm{CF}}_{\mathrm{\ϵ}-W,s}=\frac{R_{FEM}}{{\mathrm{\ϵ}}_{1,s}-{\mathrm{\ϵ}}_{2,s}+{\mathrm{\ϵ}}_{3,s}-{\mathrm{\ϵ}}_{4,s}}---\left(2\right)$

其中

R_FEM为通过有限元法计算的处于支撑点s处的支撑反作用力(为了获得以千克计的质量W_i，必须将R_FEM转换为千克)；

ε_1,s…ε_4,s为通过有限元法计算的应变计在特定方向中的相对拉伸(图4和5)。

可以通过下列方程计算转换因子CF_S-ε：

${\mathrm{CF}}_{S-\mathrm{\ϵ}}=\frac{4\·U_{out}}{GF\·U_{exc}}---\left(3\right)$

其中

U_out为数据记录系统的输出电压，即测量电压(方程4)；

GF为应变计生产商给出的应变计常量；

U_exc为惠斯通桥的激励电压。

可以通过下列方程计算输出电压U_out：

$U_{out}=\frac{\mathrm{\Δ}U}{gain\·2^m}---\left(4\right)$

其中

ΔU为数据记录系统的总测量区域；

gain为数据记录系统的放大系数；

m为数据记录系统的分辨率。

通过将在特定时间点提供被施加给一个支撑梁14的负荷的平衡的支撑反作用力R_FEM相加，并且将其与刚好清洁过热交换器罐10、11、12的情况比较，获得清洁热交换器罐后的总体支撑反作用力的变化，并且因而获得热交换器罐的质量增加。

当比较在各个测量点处支撑热交换器罐10、11、12的前边缘和后边缘(如流动方向所示)的支撑梁14的应变状态变化时，可以获得质量如何在水平平面中，即在左侧或者右侧上或者在前边缘或者后边缘的侧面上积累的理解。由于吹灰装置也处于不同高度，所以在各个吹灰操作期间流出的质量变化允许人估计热交换器罐10、11、12的质量积累，以及垂直方向上的吹灰效率。由于质量积累通常不均匀，并且获得质量积累和流出的二维或者甚至三维数据，所以能够通过所获得的测量数据，以最优化方式控制吹灰装置，从而在甚至单个吹灰装置的运行区域内以适当的时间清除沉积物。

Claims (10)

1.一种用于监测蒸汽锅炉的热交换器罐(10、11、12)的质量变化的方法，所述热交换器罐(10、11、12)被吊杆(13)和支撑梁(14)支撑至所述蒸汽锅炉的框架梁(15)，其特征在于，所述支撑梁(14)的垂直支撑元件(22)设有应变计(17)，以测量在所述支撑梁(14)中由所述热交换器罐(10、11、12)的质量产生的应变状态的变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变计(17)靠近支撑梁(14)的支撑点(s1、s2、s3、s4)定位，所述支撑梁(14)在所述支撑点(s1、s2、s3、s4)处安置在框架梁(15)上。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，每个支撑点(s1、s2、s3、s4)处的应变状态的变化由形成惠斯通全桥连接的四个应变计(17)测量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在四个应变计(17)中，两个应变计被设置在主应变方向上，并且两个应变计被设置成垂直于所述主应变方向。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过有限元法确定靠近支撑点(s1、s2、s3、s4)的支撑梁(14)的主应变。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在支撑点(s1、s2、s3、s4)处，所述应变计(17)被固定至支撑梁(14)的两个垂直支撑元件(22)，以便补偿所述支撑梁(14)的可能扭曲。

7.根据上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述应变计(17)位于支撑梁(14)的垂直支撑元件(22)上的如下点处，其中框架梁(15)的支撑力(R_FEM)以约45°的角度向所述点施加主应变。

8.根据上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，如果需要，则通过在支撑梁的已知位置，优选在一个或者更多吊杆处放置已知质量，来校准测量系统。

9.根据上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，如果需要，则通过有限元法来校准测量系统。

10.一种用于监测蒸汽锅炉的热交换器罐(10、11、12)的质量变化的系统，所述热交换器罐(10、11、12)被吊杆(13)和支撑梁(14)支撑至所述蒸汽锅炉的框架梁(15)，其特征在于，所述系统包括：固定至所述支撑梁(14)的垂直支撑元件(22)的多个应变计(17)，用于测量在所述支撑梁(14)中由所述热交换器罐(10、11、12)的质量产生的应变状态变化；数据记录装置，用于记录测量数据；和计算机或者相应的计算单元，用于处理所述测量数据。