CN105698156A - 一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法，根据垂直水冷壁结构参数和机组运行参数信息，通过分段计算及数据拟合的方法计算垂直水冷壁壁温。本发明还提供了一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测系统，由计算服务器、数据库服务器、web站点服务器、客户端浏览器、厂级监控装置组成，Web站点服务器和客户端浏览器连接，数据库服务器和计算服务器连接，数据库服务器访问厂级监控装置，实现与锅炉DCS系统连接。通过本发明提供的方法和系统可有效避免垂直水冷壁部分管段的长期超温运行，延长垂直水冷壁的使用寿命，提高锅炉的安全运行可靠性。

Description

一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线监测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法及系统，属于锅炉技术领域。

背景技术

超超临界锅炉垂直水冷壁包括下部垂直水冷壁、上部垂直水冷壁，中间有混合集箱过度。垂直水冷壁由于燃烧工况与设计工况的不一致，以及燃烧煤种和设计煤种不一致等因素，在实际燃烧过程中，往往发生部分管段长期超温现象，以及由于管材长期超温而引起的寿命迅速衰减及爆管现象。

垂直水冷壁在燃烧过程中为了防止超温爆管现象，通过水冷壁入口处设置节流圈来调节流量。但在实际过程中，理论工况下的节流流量调节不一定满足实际工况的需求，主要由于理论工况的热负荷不均匀系数与实际工况的热负荷不均匀系数不一致。

通过垂直水冷壁壁温在线监测，可有效避免垂直水冷壁部分管段的长期超温运行，延长垂直水冷壁的使用寿命，提高锅炉的安全运行可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超超临界锅炉垂直水冷壁的壁温在线监测方法，以避免垂直水冷壁部分管段的长期超温运行，延长垂直水冷壁的使用寿命，提高锅炉运行的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法，其特征在于：该方法由以下三个流程组成：

第一流程：基础信息计算

第一步，每隔设定时间读取一次锅炉壁温测点及机组运行参数信息；

第二步，统计垂直水冷壁结构参数；对下部垂直水冷壁和上部垂直水冷壁进行计算点分段；统计节流圈管径；计算局部阻力系数ξ_j和管材沿程阻力系数ξ_y；

第三步，根据第一步和第二步的测点信息，拟合出沿炉膛高度方向的理论热负荷不均系数、沿炉膛宽度方向的理论热负荷不均系数，并整理成按管子相对高度、管子相对宽度的热负荷不均系数分布公式；

第四步，计算炉膛平均热负荷q_lpj；

第二流程：下部水冷壁流量平衡及壁温计算

第五步，假设下部水冷壁各管子流量G_l初始值为平均流量总流量G_SMQ为省煤器出口给水流量，n为下部水冷壁管子总数；

第六步，计算各计算点管段的吸热量q_l＝η_h*η_g*q_lpj*f_s，l表示第l根水冷壁管子编号，η_h表示炉膛高度方向热负荷，η_g表示炉膛宽度方向热负荷，f_s为水冷壁管子受炉膛火焰辐射表面积；

第七步，计算各计算点管段的工质出口压力P″_l、工质出口温度t″_l、平均密度ρ_l、平均比容υ_l、流速w_l、动压头重位压差ρ_lgh、管段总阻力ΔP_l＝(ξ_j+ξ_y)*Pd_l+ρ_lgh；

第八步，计算下部垂直水冷壁各管子的总阻力ΔP_z＝∑ΔP_l，广义阻力系数总流量＝各管子流量之和；

如果各管子的总阻力相同，则计算出垂直水冷壁各管段的流量；

如果各管子的总阻力不相同，则计算各管子的区间平均总阻力ΔPavg，用区间平均总阻力来代替各管子阻力，广义阻力系数保持不变，然后计算各管段的流量返回第五步；直到各管子的总阻力相同，计算出垂直水冷壁各管段的流量；

第九步，计算各管段内壁均流系数J_nb、动力粘度μ、介质导热系数λ、介质运动粘度v、定压比热容C_p、热容c、热扩散系数α、普朗特数Pr、介质放热系数α2；

第十步，计算各管段内壁温度t_n、平均均流系数J_avg、金属导热系数λ、外壁温度t_w、平均壁温t_avg；

第三流程：上部水冷壁流量平衡及壁温计算

下部水冷壁和上部水冷壁中间有汇集集箱过渡，区别在于下部水冷壁入口有节流圈，上部水冷壁没有，以及上下部水冷壁沿高度方向热负荷不同；

第十一步，假设上部水冷壁各管子流量G_l初始值为平均流量总流量G_SMQ为省煤器出口给水流量，n为上部水冷壁管子总数；

第十二步，计算各计算点管段的吸热量q_l＝η_h*η_g*q_lpj*f_s；

第十三步，计算各管段计算点管段的出口压力P″_l、出口温度t″_l、平均密度ρ_l、平均比容υ_l、流速w_l、动压头重位压差ρ_lgh、管段总阻力ΔP_l＝(ξ_j+ξ_y)*Pd_l+ρ_lgh；

第十四步，计算上部垂直水冷壁各管子的总阻力ΔP_z＝∑ΔP_l，广义阻力系数，总流量＝各管子流量之和；

如果各管子的总阻力相同，则计算出垂直水冷壁各管段的流量；

如果各管子的总阻力不相同，则计算各管子的区间平均总阻力ΔPavg。用区间平均总阻力来代替各管段阻力，广义阻力系数保持不变，然后计算各管段的流量

第十五步，计算各管段内壁均流系数J_nb、动力粘度μ、介质导热系数λ、介质运动粘度v、定压比热容C_p、热容c、热扩散系数α、普朗特数Pr、介质放热系数α2；

第十六步，计算各管段内壁温度t_n、平均均流系数J_avg、金属导热系数λ、外壁温度t_w、平均壁温t_avg。

优选地，所述步骤1中，每隔0.5分钟读取一次锅炉壁温测点及机组运行参数信息。

优选地，所述步骤1中，锅炉壁温测点包括下部垂直水冷壁出口管壁测点温度及上部垂直水冷壁出口管壁测点温度；机组运行参数信息包括：负荷，主蒸汽压力，主蒸汽流量，省煤器出口压力，省煤器出口给水温度，磨煤机组合。

优选地，所述步骤2中，垂直水冷壁结构参数管包括：外径d_w、壁厚δ、内径d_n、材质。

本发明还提供了一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测系统，使用上述的超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法，其特征在于：由计算服务器、数据库服务器、web站点服务器、客户端浏览器、厂级监控装置组成，Web站点服务器和客户端浏览器连接，数据库服务器和计算服务器连接，数据库服务器访问厂级监控装置，实现与锅炉DCS系统连接。

优选地，所述数据库服务器每隔设定时间，通过厂级监控装置读取一次锅炉壁温测点及机组运行参数信息，计算服务器根据所述锅炉壁温测点及机组运行参数信息实现锅炉垂直水冷壁壁温的计算。

本发明提供的方法克服了现有技术的不足，实现了垂直水冷壁壁温的在线监测，从而可有效避免垂直水冷壁部分管段的长期超温运行，延长垂直水冷壁的使用寿命，提高锅炉的安全运行可靠性。

附图说明

图1为某电厂垂直水冷壁计算点示意图；

图2为炉膛高度方向热负荷分布示意图；

图3为炉膛前后墙宽度方向热负荷分布示意图；

图4为炉膛左右墙宽度方向热负荷分布示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供了一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法，该方法由以下三个流程组成：

第一流程：基础信息计算。

第一步：读取锅炉壁温测点及机组运行参数信息：数据库服务器每隔Δt＝0.5分钟，通过厂级监控装置读取下部垂直水冷壁出口管壁测点温度，上部垂直水冷壁出口管壁测点温度，负荷，主蒸汽压力，主蒸汽流量，省煤器出口压力，省煤器出口给水温度，磨煤机组合等参数信息。

第二步，垂直水冷壁结构参数统计(管外径d_w、壁厚δ、内径d_n、材质material)，如图1所示，某电厂下部垂直水冷壁计算点分9段，上部垂直水冷壁计算点分7段，节流圈管径统计，局部阻力系数ξ_j(含节流圈阻力系数)、管材(含内螺纹管和光管)沿程阻力系数ξ_y计算，如下面四个表所示。

第三步，根据测点信息拟合出理论炉膛沿高度方向热负荷不均系数，理论炉膛沿宽度方向热负荷不均系数，并整理成按管子相对高度(0，1)、管子相对宽度(0，1)的热负荷不均系数分布公式。

图2为沿炉膛高度方向热负荷分布示意图，其横坐标x表示管子相对高度，h_j表示高度方向第j个计算点的高度，h表示总高度。根据该图拟合出的按管子相对高度的热负荷不均系数y的分布公式为：

y＝-34.841x⁵+80.303x⁴-54.1x³+3.6037x²+4.7642x+0.6963

图3为沿炉膛前后墙高度方向热负荷分布示意图，其横坐标m表示管子沿前后墙方向相对宽度，l_j表示前后墙宽度方向第j根管子，l表示前后墙宽度方向总管子数。根据该图拟合出的按管子前后墙相对宽度的热负荷不均系数y的分布公式为：

y＝-25.625m⁵+78.562m⁴-80.294m³+28.9m²-1.4664m+0.7151

图4为沿炉膛左右墙高度方向热负荷分布示意图，其横坐标n表示管子沿左右墙方向相对宽度，p_j表示左右墙宽度方向第j根管子，p表示左右墙宽度方向总管子数。根据该图拟合出的按管子左右墙相对宽度的热负荷不均系数y的分布公式为：

y＝9.8654n⁵-29.055n⁴+29.651n³-15.363n²+4.709n+0.6079

第四步，根据测点信息计算炉膛平均热负荷q_lpj(KW/m²)。

根据热力计算书计算一个不同负荷下的炉膛平均热负荷q_lpj。再根据计算壁温数据与壁温测点数据校核，修正炉膛平均热负荷q_lpj。

第二流程：下部水冷壁流量平衡及壁温计算。

第五步，假设下部水冷壁各管子流量G_l初始值为平均流量总流量GSMQ为省煤器出口给水流量，n为下部水冷壁管子总数，水冷壁有前墙、后墙、左墙、右墙。

第六步，计算各计算点管段的吸热量。q_l＝η_h*η_g*q_lpj*f_s，l表示第l根水冷壁管子编号，η_h表示炉膛高度方向热负荷，η_g表示炉膛宽度方向热负荷，f_s为该管子受炉膛火焰辐射表面积。。

第七步，计算各管段计算点管段的工质出口压力P″_l、工质出口温度t″_l、平均密度ρ_l、平均比容υ_l、流速w_l、动压头Pd_l、重位压差ρ_lgh、管段总阻力ΔP_l＝(ξ_j+ξ_y)*Pd_l+ρ_lgh。

已知各管段计算点入口压力P′_l，根据入口压力P′_l、入口温度t′_l计算各管段计算点的入口焓i′_l＝enthalpyw(t′_l+273.15，P′_l*10)，enthalpyw函数来自IAPWS-IF97。

然后计算各管段的出口焓i″_l＝i′_l+q_l。假设各管段出口压力P″_l，则可反算各管段的出口温度t″_l，t″_l＝TempH(P″_l*10，i″_l)-273.15，TempH函数来自IAPWS-IF97。

根据管段计算点工质出口温度t″_l、工质入口温度t′_l，计算管段工质平均温度 $t_l^{avg}=\frac{1}{2}(t_l^{\′}+t_l^{\′\′}).$

根据管段计算点工质出口压力P″_l、工质入口压力P′_l，计算管段工质平均压力 $P_l^{avg}=\frac{1}{2}(P_l^{\′}+P_l^{\′\′}).$

根据管段工质平均温度平均压力计算管段计算点工质密度densw函数来自IAPWS-IF97，工质比容υ_l＝1/ρ_l，工质流速w_l＝G_l*υ_l/f_a，f_a为管子截面积。

计算管段动压头管段阻力ΔP_l＝(ξ_j+ξ_y)*Pd_l+ρ_lgh。

第八步，计算下部垂直水冷壁各管子的总阻力j为管子分段数，ΔP_lz为第l根管子总的阻力损失。计算广义阻力系数，

各管子的总阻力相同，如果每个管子的总阻力不相同，则计算各管子的区间平均总阻力ΔP_avg。用平均总阻力来代替各管段阻力，广义阻力系数保持不变，然后计算各管段的流量，并返回到第五步，直到各管子的总阻力平衡，计算出垂直水冷壁各管段的流量。

第九步，计算各管段内壁均流系数J_nb、动力粘度μ、介质导热系数λ、介质运动粘度v、定压比热容C_p、热容c、热扩散系数α、普朗特数Pr、介质放热系数α2。

动力粘度： $\mathrm{\μ}=viscw(t_l^{avg}+273.15,P_l^{avg}*10)/9.8$

viscw函数来自IAPWS-IF97；

介质导热系数： $\mathrm{\λ}=thconw(t_l^{avg}+273.15,P_l^{avg}*10)/1.163$

thconw函数来自IAPWS-IF97；

介质运动粘度：v＝9.81*μ*υ

v为蒸汽和水的动粘度系数，m²/s；μ为动力粘度系数，kgf*s/m²；υ为比容，m³/kg；

定压比热容： $C_p=C_{pw}(t_i^{avg}+273.15,P_l^{avg}*10)$

C_pw函数来自IAPWS-IF97；

热容：c＝C_p*1000

热扩散系数：

普朗特数：

介质放热系数： $\mathrm{\α}2=0.023*\frac{\mathrm{\λ}}{d_n}{\left(\frac{w*d_n}{v}\right)}^{0.8}*{\mathrm{Pr}}^{0.8}$

w为蒸汽流速，ρ为管子内蒸气密度，d_n为管子内径。

第十步，计算各管段内壁温度t_nb、平均均流系数J_avg、金属导热系数λ、外壁温度t_wb、平均壁温t_avg。

$t_{nb}=t_l^{avg}+J_{avg}*\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}2}*q_l$

$\mathrm{\λ}=44.6-0.028*t_l^{avg}$

$t_{wb}=t_{nb}+J_{avg}*q_l*\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}*2*\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+1}$

$t_{avg}=t_{nb}+J_{avg}*q_1*\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}*\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+1}$

α₂为管壁向被加热介质的放热系数，q_l为壁面热负荷，δ为管子壁厚，λ为管壁金属导热系数，β为管子外径和内径的比值；

第三流程：上部水冷壁流量平衡及壁温计算。

下部水冷壁和上部水冷壁中间有汇集集箱过渡，区别在于下部水冷壁入口有节流圈，上部水冷壁没有，以及上下部水冷壁沿高度方向热负荷不同。

第十一步，假设计算上部水冷壁各管子流量G_l初始值为平均流量总流量为省煤器出口给水流量，n为上部水冷壁管子总数。

第十二步，计算各计算点管段的吸热量，q_l＝η_h*η_g*q_lpj*f_s。

第十三步，计算各管段计算点管段的出口压力P″_l、出口温度t″_l、平均密度ρ_l、平均比容υ_l、流速w_l、动压头重位压差ρ_lgh、管段总阻力ΔP_l＝(ξ_j+ξ_y)*Pd_l+ρ_lgh。

第十四步，计算上部垂直水冷壁各管子的总阻力ΔP_z＝∑ΔP_l，广义阻力系数，总流量＝各管子流量之和，各管子的总阻力相同。如果每个管子的总阻力不相同，则计算各管子的区间平均总阻力ΔPavg。用平均总阻力来代替各管段阻力，广义阻力系数保持不变，然后计算各管段的流量，

第十五步，计算各管段内壁均流系数J_nb、动力粘度μ、介质导热系数λ、介质运动粘度v、定压比热容C_p、热容c、热扩散系数α、普朗特数Pr、介质放热系数α2。

第十六步，计算各管段内壁温度t_n、平均均流系数J_avg、金属导热系数λ、外壁温度t_w、平均壁温t_avg。

上述超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法可采用C#语言编写程序实现。实现该方法的超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测系统由计算服务器、数据库服务器、web站点服务器、客户端浏览器、厂级监控装置SIS系统组成，Web站点服务器和客户端浏览器连接，数据库服务器和计算服务器连接，数据库服务器访问厂级监控装置SIS系统，实现与锅炉DCS系统连接。

数据库服务器每隔0.5分钟，通过厂级监控装置读取下部垂直水冷壁出口管壁测点温度，上部垂直水冷壁出口管壁测点温度，负荷，主蒸汽压力，主蒸汽流量，省煤器出口压力，省煤器出口给水温度，磨煤机组合等参数信息。计算服务器实现超超临界锅炉垂直水冷壁壁温的在线计算。

Claims (6)

1.一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法，其特征在于：该方法由以下三个流程组成：

第一流程：基础信息计算

第一步，每隔设定时间读取一次锅炉壁温测点及机组运行参数信息；

第二步，统计垂直水冷壁结构参数；对下部垂直水冷壁和上部垂直水冷壁进行计算点分段；统计节流圈管径；计算局部阻力系数ξ_j和管材沿程阻力系数ξ_y；

第三步，根据第一步和第二步的测点信息，拟合出沿炉膛高度方向的理论热负荷不均系数、沿炉膛宽度方向的理论热负荷不均系数，并整理成按管子相对高度、管子相对宽度的热负荷不均系数分布公式；

第四步，计算炉膛平均热负荷q_lpj；

第二流程：下部水冷壁流量平衡及壁温计算

第五步，假设下部水冷壁各管子流量G_l初始值为平均流量总流量G_SMQ为省煤器出口给水流量，n为下部水冷壁管子总数；

第六步，计算各计算点管段的吸热量q_l＝η_h*η_g*q_lpj*f_s，l表示第l根水冷壁管子编号，η_h表示炉膛高度方向热负荷，η_g表示炉膛宽度方向热负荷，f_s为水冷壁管子辐射表面积；

第七步，计算各计算点管段的工质出口压力P″_l、工质出口温度t″_l、平均密度ρ_l、平均比容υ_l、流速w_l、动压头重位压差ρ_lgh、管段总阻力ΔP_l＝(ξ_j+ξ_y)*Pd_l+ρ_lgh；

第八步，计算下部垂直水冷壁各管子的总阻力ΔP_z＝∑ΔP_l，广义阻力系数总流量＝各管子流量之和；

如果各管子的总阻力相同，则计算出垂直水冷壁各管段的流量；

如果各管子的总阻力不相同，则计算各管子的区间平均总阻力ΔPavg，用区间平均总阻力来代替各管子阻力，广义阻力系数保持不变，然后计算各管段的流量返回第五步；直到各管子的总阻力相同，计算出垂直水冷壁各管段的流量；

第九步，计算各管段内壁均流系数J_nb、动力粘度μ、介质导热系数λ、介质运动粘度v、定压比热容C_p、热容c、热扩散系数α、普朗特数Pr、介质放热系数α2；

第十步，计算各管段内壁温度t_n、平均均流系数J_avg、金属导热系数λ、外壁温度t_w、平均壁温t_avg；

第三流程：上部水冷壁流量平衡及壁温计算

下部水冷壁和上部水冷壁中间有汇集集箱过渡，区别在于下部水冷壁入口有节流圈，上部水冷壁没有，以及上下部水冷壁沿高度方向热负荷不同；

第十一步，假设上部水冷壁各管子流量G_l初始值为平均流量总流量G_SMQ为省煤器出口给水流量，n为上部水冷壁管子总数；

第十二步，计算各计算点管段的吸热量q_l＝η_h*η_g*q_lpj*f_s；

第十三步，计算各管段计算点管段的出口压力P″_l、出口温度t″_l、平均密度ρ_l、平均比容υ_l、流速w_l、动压头重位压差ρ_lgh、管段总阻力ΔP_l＝(ξ_j+ξ_y)*Pd_l+ρ_lgh；

第十四步，计算上部垂直水冷壁各管子的总阻力ΔP_z＝∑ΔP_l，广义阻力系数，总流量＝各管子流量之和；

如果各管子的总阻力相同，则计算出垂直水冷壁各管段的流量；

如果各管子的总阻力不相同，则计算各管子的区间平均总阻力ΔPavg。用区间平均总阻力来代替各管段阻力，广义阻力系数保持不变，然后计算各管段的流量

第十五步，计算各管段内壁均流系数J_nb、动力粘度μ、介质导热系数λ、介质运动粘度v、定压比热容C_p、热容c、热扩散系数α、普朗特数Pr、介质放热系数α2；

第十六步，计算各管段内壁温度t_n、平均均流系数J_avg、金属导热系数λ、外壁温度t_w、平均壁温t_avg。

2.如权利要求1所述的一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法，其特征在于：所述步骤1中，每隔0.5分钟读取一次锅炉壁温测点及机组运行参数信息。

3.如权利要求1或2所述的一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法，其特征在于：所述步骤1中，锅炉壁温测点包括下部垂直水冷壁出口管壁测点温度及上部垂直水冷壁出口管壁测点温度；机组运行参数信息包括：负荷，主蒸汽压力，主蒸汽流量，省煤器出口压力，省煤器出口给水温度，磨煤机组合。

4.如权利要求1所述的一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法，其特征在于：所述步骤2中，垂直水冷壁结构参数管包括：外径d_w、壁厚δ、内径d_n、材质。

5.一种超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测系统，使用如权利要求1所述的超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测方法，其特征在于：由计算服务器、数据库服务器、web站点服务器、客户端浏览器、厂级监控装置组成，Web站点服务器和客户端浏览器连接，数据库服务器和计算服务器连接，数据库服务器访问厂级监控装置，实现与锅炉DCS系统连接。

6.如权利要求5所述的超超临界锅炉垂直水冷壁壁温在线检测系统，其特征在于：所述数据库服务器每隔设定时间，通过厂级监控装置读取一次锅炉壁温测点及机组运行参数信息，计算服务器根据所述锅炉壁温测点及机组运行参数信息实现锅炉垂直水冷壁壁温的计算。