CN106352320A - 一种电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法，在不增加电站锅炉测点的基础上，通过采集锅炉炉膛结构参数、入炉煤质数据和炉膛实时运行参数，以炉膛不同区段的水冷壁热有效系数作为结渣监测指标，基于炉膛整体及分区段传热平衡建立了炉膛分区段结渣软测量计算模型，能够提供炉膛不同区段实时结渣情况的直观数据，为炉膛分区段吹灰操作提供参考。

Description

一种电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法

技术领域

本发明涉及一种电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法，属于锅炉运行参数监测领域。特别是一种针对电站锅炉炉膛，根据电厂已有测点采集锅炉运行数据，通过事先建立好的模型进行炉膛分区段结渣情况实时推算的软测量方法。

背景技术

大型电站锅炉的炉膛作为燃料的主要燃烧空间，火焰中心温度可以达到1400℃～1700℃，此温度下煤质中的灰分已处于熔融状态，极易粘附在温度较低的炉膛水冷壁上造成结渣现象，且一旦开始结渣会形成越来越厚的渣层，如不及时清理会导致锅炉的传热性能急剧下降、锅炉效率降低，严重时可能会停炉，从而引发安全事故并造成极大的经济损失。

现今电站锅炉都采用吹灰器进行炉膛结渣的清除工作，但是由于炉膛燃烧温度极高且烟气中含有大量飞灰无法进行结渣情况直接监测，因此运行人员只能够凭借排烟温度和经验来进行炉膛结渣判断，通常直接采用定时定量的吹灰操作方式，从而造成了结渣吹灰不及时而传热效率下降，或者吹灰过于频繁而蒸汽浪费太多。

因为缺乏可靠的直接测量手段，锅炉炉膛中的结渣监测通常采用软测量方法，即通过已安装测点测得的运行参数根据热平衡原理进行炉膛结渣程度推算。目前专利文献中的有关锅炉炉膛结渣监测的软测量方法，大多都是推算炉膛整体结渣情况，但是随着锅炉容量的增加、炉膛空间的变大以及吹灰器的多点排布(可分区段吹灰)，炉膛结渣整体监测由于不能反应炉膛不同区段的结渣情况，无法满足电厂对锅炉炉膛进行分区段吹灰的需求，应用受到了一定限制。因此，建立一种炉膛结渣分区段实时软测量方法显得至关重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法，在不增加电站锅炉的测点的基础上，以炉膛不同区段的水冷壁热有效系数作为结渣监测指标，通过建立好的炉膛分区段结渣软测量计算模型推算出锅炉运行中炉膛不同区段的实时结渣程度，以帮助运行人员判断炉膛不同区段的吹灰时机。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将炉膛按燃烧性质由下到上依次分为主燃烧区、燃尽区和换热区三个区段。对炉膛进行相关数据采集。

步骤2，根据步骤1中采集的相关数据的分别计算燃料理论燃烧温度T_th、炉膛整体辐射吸收减弱系数k_a、炉膛整体火焰综合黑度ε_syn、炉膛整体黑度和炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f，为炉膛分区段辐射传热计算作准备。

步骤3，假设主燃烧区出口烟温T_f1″，列出主燃烧区热平衡方程，计算主燃烧区水冷壁热有效系数ψ₁。

步骤4，列出炉膛内主燃烧区热负荷方程，对假设的主燃烧区出口烟温T_f1″进行校核，若满足条件则进行步骤5，若不满足则重复步骤3到4。

步骤5，假设燃尽区的出口烟气温度T_f2″，列出燃尽区热平衡方程，计算燃尽区水冷壁热有效系数ψ₂。

步骤6，列出炉膛内燃尽区热负荷方程，对假设的燃尽区出口烟温T_f2″进行校核，若满足条件则进行步骤7，若不满足则重复步骤5到6。

步骤7，列出换热区热平衡方程，计算换热区水冷壁热有效系数ψ₃，输出计算出的不同区段水冷热有效系数ψ₁、ψ₂和ψ₃作为不同区段的结渣监测指标。

所述步骤1中采集的相关数据包括锅炉炉膛结构及设计参数、入炉煤质数据和锅炉实时运行参数。锅炉炉膛结构及设计参数包括炉膛整体传热面积、不同区段的传热面积、有效容积、计算高度、上下排燃烧器布置高度差、燃烧器平均布置高度、出口烟窗面积、炉膛出口对半辐射受热面的辐射热有效系数。入炉煤质数据通过煤质分析获得，主要包括煤的元素分析、工业分析和热值分析。锅炉实时运行参数通过电厂DCS系统采集，主要测点包括锅炉燃煤量、一次风占总风量比例、二次风占总风量比例、一次风进出口风温、二次风进出口风温、水冷壁工质流量、水冷壁进出口工质压力、水冷壁进出口工质温度和炉膛出口烟气温度。

所述步骤2中根据采集数据的分别计算燃料理论燃烧温度T_th、炉膛整体辐射吸收减弱系数k_a、炉膛整体火焰综合黑度ε_syn、炉膛整体黑度和炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f的方法如下：

步骤2-1，根据理论的热空气焓和理论的冷空气焓得到进入炉内空气热量。

$Q_k=({\mathrm{\α}}_f^{\′\′}-{\mathrm{\Δ\α}}_f-{\mathrm{\Δ\α}}_{pcs})I_{hk}^0+({\mathrm{\Δ\α}}_f+{\mathrm{\Δ\α}}_{pcs})I_{ck}^0$

Q_k为随单位质量燃料带入炉内的空气的热量，且此热量含漏风的热量。为理论的热空气焓，即空预器出口一次风和二次风混合温度。为理论的冷空气焓，即空预器进口一次风和二次风混合温度。α_f"为炉膛出口过量空气系数，Δα_f为炉膛漏风系数，Δα_pcs为制粉系统的漏风系数。

根据入炉内空气热量、单位质量燃料带入炉内的热量、化学未完全燃烧热损失、机械未完全燃烧热损失以及其他热损失得到燃料带入炉内有效热量。

$Q_f^{ef}=Q_r\frac{100-q_3-q_4-q_6}{100-q_4}+Q_k$

为炉内有效热量，即为理论燃烧温度T_th对应焓值，在获得炉内有效热量后通过烟气焓温表利用插值法查取燃料理论燃烧温度T_th。Q_r为单位质量燃料带入炉内的热量，通常等于燃料收到基低位发热量，q₃为化学未完全燃烧热损失，q₄为机械未完全燃烧热损失，q₆为其他热损失，

步骤2-2，根据收到基灰分以及单位燃料燃烧产生烟气质量得到烟气中灰分颗粒的质量浓度。

${\mathrm{\μ}}_{ash,m}=\frac{A_{ar}{\mathrm{\α}}_{fa}}{100G_y}.$

μ_ash,m为烟气中灰分颗粒的质量浓度，A_ar为收到基灰分，α_fa为飞灰系数。G_y为单位燃料燃烧产生烟气质量。

根据收到基碳元素、干燥无灰基挥发份、最上排燃烧器布置高度、最下排燃烧器布置高度以及水冷壁的吸热表面积得到烟气中焦炭颗粒的容积浓度。

${\mathrm{\μ}}_{cok,v}=\frac{5.5C_{ar}(10+q_4)}{(100+V_{daf})V_y}(1+\frac{h_t-h_{un}}{h_f}).$

μ_cok,v为烟气中焦炭颗粒的容积浓度，C_ar为收到基碳元素，V_daf为干燥无灰基挥发份，V_Y为单位燃料燃烧产生烟气体积，h_t为最上排燃烧器布置高度，h_un为最下排燃烧器布置高度，H_f为水冷壁的吸热表面积；

根据水蒸汽占烟气容积份额、水蒸汽和二氧化物之和占烟气容积份额、炉内辐射层有效厚度以及炉膛整体出口烟温得到三原子气体减弱系数。

$k_{g}r=\[\frac{0.78+1.6r_{H_{2}O}}{\sqrt{rS}}-0.1\](1-0.37\frac{T_f^{\′\′}}{1000})r.$

k_gr为三原子气体减弱系数。r_H2O为水蒸汽占烟气容积份额，r为水蒸汽和二氧化物之和占烟气容积份额，S为炉内辐射层有效厚度，T_f″为炉膛整体出口烟温。

根据烟气中灰分颗粒的质量浓度以及灰分颗粒的平均粒径得到灰分减弱系数。

$k_{ash}{\mathrm{\μ}}_{ash}=\frac{5330{\mathrm{\μ}}_{ash,m}}{{\left(T_f^{\′\′}{d}_{ash}\right)}^{2/3}}\[1-\frac{0.65}{1+0.0177/{\left({\mathrm{\μ}}_{ash,m}S\right)}^2}\].$

k_ashμ_ash为灰分颗粒减弱系数，μ_ash,m为烟气中灰分颗粒的质量浓度，d_ash为灰分颗粒的平均粒径，

根据焦炭颗粒的平均粒径、烟气中焦炭颗粒的容积浓度得到焦炭颗粒减弱系数。

$k_{cok}{\mathrm{\μ}}_{cok}=\frac{10{\mathrm{\μ}}_{cok,v}}{{\left(T_f^{\′\′}{d}_{cok}\right)}^{2/3}}.$

k_cokμ_cok为焦炭颗粒减弱系数，d_cok为焦炭颗粒的平均粒径，

根据三原子气体减弱系数、灰分颗粒减弱系数以及焦炭颗粒减弱系数得到辐射吸收减弱系数。

k_a＝k_gr+k_ashμ_ash+k_cokμ_cok

k_a为炉膛整体辐射吸收减弱系数，

步骤2-3，根据炉膛整体辐射吸收减弱系数、炉内辐射层有效厚度得到炉膛实际火焰黑度。

${\mathrm{\ϵ}}_f=1-e^{-k_{a}S}.$

ε_f为炉膛实际火焰黑度。

根据炉膛整体辐射吸收减弱系数、炉内辐射层有效厚度以及炉膛实际火焰黑度得到炉膛火焰综合黑度：

${\mathrm{\ϵ}}_{syn}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_f}{0.32k_a{\mathrm{R\ϵ}}_f+1}.$

ε_syn为考虑了火焰辐射强度因介质吸收而减弱的火焰综合黑度。

步骤2-4：根据炉膛火焰综合黑度得到炉膛整体黑度：

${\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{syn}}{{\mathrm{\ϵ}}_{syn}+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{syn}){\mathrm{\ψ}}_f}.$

为炉膛整体黑度，ψ_f为炉膛整体水冷壁热有效系数。

根据理论燃烧温度、主燃烧区出口烟气温度、炉膛火焰最高温度位置的相对高度以及炉内烟气在理论燃烧温度至炉膛出口温度区间内的平均热容得到炉膛辐射传热关系式：

T_th为理论燃烧温度，x_m为炉膛火焰最高温度位置的相对高度，σ₀为玻尔兹曼常数，φ为保热系数，B_j为计算燃烧量，为炉内烟气在理论燃烧温度至炉膛出口温度区间内的平均热容，H_f为水冷壁整体吸热面积。

根据炉膛整体黑度和炉膛辐射两个关系式，求出炉膛整体水冷壁热有效系数：

${\mathrm{\ψ}}_f=\frac{{\mathrm{Z\ϵ}}_{syn}}{{\mathrm{\ϵ}}_{syn}-(1-{\mathrm{\ϵ}}_{syn})Z}.$

其中，为求解方便所设参数，无实际意义求出炉膛炉膛整体水冷壁热有效系数后，再计算出炉膛的整体黑度所述步骤3中主燃烧区热平衡方程如下：

$\begin{array}{c}{B}_j(\frac{100}{100-q_4}{\mathrm{\β}}_{cr}{Q}_r+Q_k-Q_6)\\ =B_j{I}_{f1}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c1}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_1{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4{H}_{f1}\end{array}$

根据主燃烧区热平衡式，计算主燃烧区水冷壁热有效系数ψ₁。

其中，T_f1″为主燃烧区出口烟气温度。I_f1″为主燃烧区出口烟气焓值(根据T_f1″查取烟气焓温表获得)。β_cr为燃料的燃尽率，可查阅锅炉手册。ψ"为对上面区段的辐射热有效系数，一般取0.1。F_c1主燃烧区出口炉膛截面积。H_f1为主燃烧区的水冷壁传热面积。ψ₁为主燃烧区水冷壁热有效系数。

所述步骤4中炉膛内主燃烧区热负荷方程如下：

$\stackrel{\‾}{q}=B_j(Q_f^{ef}-I_f^{\′\′})/H_f$

$\stackrel{\‾}{q_I}=\frac{{\∫}_0^{h_1}\left({\mathrm{\η}}_h\stackrel{\‾}{q}\right)dh}{h_1}$

主燃烧区出口烟温T_f1″校核式：

$\left|\stackrel{\‾}{q_I}-{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_1{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4\right|/\stackrel{\‾}{q_I}\≤2\%$

其中，为炉膛整体平均热负荷。η_h为炉膛内局部热负荷系数，可做试验确定或查锅炉说明书。为主燃烧区的平均热负荷。h₁为主燃烧区出口到冷灰斗中线高度。

所述步骤5中燃尽区热平衡方程如下：

$\begin{array}{c}{B}_j{\mathrm{\Δ\β}}_{cr}{Q}_r+B_j{I}_{f1}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c1}\\ =B_j{I}_{f2}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f2}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c2}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_2{T}_{g2}^4{H}_{f2}\end{array}$

根据燃尽区平均烟气温度计算燃尽区水冷壁热有效系数ψ₂。

其中，T_g2为燃尽区的烟气平均温度。T_f2″为燃尽区出口烟气温度。I_f2″为燃尽区出口烟气焓值，kJ/kg(根据T_f2″查取烟气焓温表获得)。Δβ_cr为主燃烧区燃料的未燃尽率。F_c2燃尽区出口炉膛截面积。H_f2为燃尽区的水冷壁传热面积。ψ₂为燃尽区水冷壁热有效系数。

所述步骤6中炉膛内燃尽区热负荷方程如下：

$\stackrel{\‾}{q_{II}}=\frac{{\∫}_{h_1}^{h_2}\left({\mathrm{\η}}_h\stackrel{\‾}{q}\right)dh}{h_2-h_1}$

燃尽区出口烟温T_f2″校核式：

$\left|\stackrel{\‾}{q_{II}}-{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_2{T}_{g2}^4\right|/\stackrel{\‾}{q_{II}}\≤2\%$

其中，为燃尽区的平均热负荷。h₂为燃尽区出口到冷灰斗中线高度。

所述步骤7中换热区热平衡方程如下：

$\begin{array}{c}{B}_j{I}_{f2}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f2}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c2}\\ =B_j{I}_f^{\′\′}+{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_p{\left(T_f^{\′\′}\right)}^4{F}_{c3}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_3{T}_{g3}^4{H}_{f3}\end{array}$

根据换热区平均烟气温度计算换热区水冷壁热有效系数ψ₃。

其中，T_g3为换热区的烟气平均温度。I_f″为燃尽区出口烟气焓值(根据T_f″查取烟气焓温表获得)。ψ_p为炉膛出口对半辐射受热面的辐射热有效系数，等于炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f乘以经验系数，经验系数可按锅炉设计值选取。F_c3炉膛出口截面积。H_f3为换热区的水冷壁传热面积。ψ₃为换热区水冷壁热有效系数。

有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明在不增加电站锅炉测点的基础上，通过采集锅炉炉膛结构参数、入炉煤质数据和炉膛实时运行参数，以炉膛不同区段(炉膛区段划分见图1)的水冷壁热有效系数作为结渣监测指标，基于炉膛整体及分区段传热平衡建立了炉膛分区段结渣软测量计算模型，能够提供炉膛不同区段实时结渣情况的直观数据，为炉膛分区段吹灰操作提供参考。

附图说明

图1为本发明炉膛区段划分

图2为本发明的计算步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法，如图2所示，主要包括以下步骤：

步骤1，将炉膛按燃烧性质由下到上依次分为主燃烧区、燃尽区和换热区三个结渣分区段(如图1)，对炉膛进行相关数据采集。相关数据包括锅炉炉膛结构及设计参数、入炉煤质数据和锅炉实时运行参数。其中，炉膛结构及设计参数可以通过锅炉使用和设计说明书获得，需要炉膛整体传热面积、不同区段的传热面积、有效容积、计算高度、上下排燃烧器布置高度差、燃烧器平均布置高度、出口烟窗面积、炉膛出口对半辐射受热面的辐射热有效系数。入炉煤质数据通过煤质分析获得，主要包括煤的元素分析、工业分析和热值分析等，如所烧煤样为掺混煤则还需要不同煤样的配比。锅炉实时运行参数通过电厂DCS系统采集，主要测点包括锅炉燃煤量、一次风占总风量比例、二次风占总风量比例、一次风进出口风温、二次风进出口风温、水冷壁工质流量、水冷壁进出口工质压力、水冷壁进出口工质温度和炉膛出口烟气温度(若无测点可沿逆烟气流程推算)等。(上述测点均为锅炉中常用测点，无须再加入测点)。

步骤2，计算燃料理论燃烧温度T_th、炉膛整体辐射吸收减弱系数k_a、炉膛整体火焰综合黑度ε_syn、炉膛整体黑度和炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f，为炉膛分区段辐射传热计算作准备(涉及的烟气和空气焓温表通过煤质燃料计算获得，此为热力计算常识，不再赘述)：

(1)进入炉内空气热量：

(此处的焓值均根据温度按照空气焓温表查取)。

燃料带入炉内有效热量：

炉内有效热量即为理论燃烧温度T_th对应焓值，在获得后通过烟气焓温表利用插值法查取T_th。

(2)烟气中灰分颗粒的质量浓度：

烟气中焦炭颗粒的容积浓度：

三原子气体减弱系数：灰分减弱系数：焦炭颗粒减弱系数：

辐射吸收减弱系数：k_a＝k_gr+k_ashμ_ash+k_cokμ_cok。

(3)炉膛实际火焰黑度：

炉膛火焰综合黑度：

(4)列出炉膛整体黑度关系式：

列出炉膛辐射传热关系式：

联立此两个关系式，求出炉膛整体水冷壁热有效系数：(式中为求解方便所设参数，无实际意义)

求出炉膛炉膛整体水冷壁热有效系数后，再计算出炉膛的整体黑度

其中，为理论的冷空气焓，即空预器进口一次风和二次风混合温度对应的焓值，kJ/kg。为理论的热空气焓，即空预器出口一次风和二次风混合温度对应的焓值，kJ/kg。Q_k为随单位质量燃料带入炉内的空气(含漏风)的热量，kJ/kg。Q_r为单位质量燃料带入炉内的热量，通常等于燃料收到基低位发热量，kJ/kg。q₃为化学未完全燃烧热损失，％。q₄为机械未完全燃烧热损失，％。q₆为其他热损失，％。α_f"为炉膛出口过量空气系数。Δα_f为炉膛漏风系数。Δα_pcs为制粉系统的漏风系数。为单位质量燃料带入炉内的有效热，kJ/kg。T_th为理论燃烧温度，K。k_gr为三原子气体减弱系数,m^-1。k_ashμ_ash为灰分颗粒减弱系数，m^-1。k_cokμ_cok为焦炭颗粒减弱系数，m^-1。k_a为辐射吸收减弱系数，m^-1。为水蒸汽占烟气容积份额。r为水蒸汽和二氧化物(R₂O)之和占烟气容积份额。μ_ash,m为烟气中灰分颗粒的质量浓度，kg/kg。μ_cok,v为烟气中焦炭颗粒的容积浓度，g/Nm³。d_ash为灰分颗粒的平均粒径，μm(根据煤种查取)。d_cok为焦炭颗粒的平均粒径，μm(根据煤种查取)。C_ar为收到基碳元素，％。A_ar为收到基灰分，％。α_fa为飞灰系数。G_y为单位燃料燃烧产生烟气质量，kg/kg。V_y为单位燃料燃烧产生烟气体积，m³/kg。q₄为机械未完全燃烧损失，％。V_daf为干燥无灰基挥发份，％。h_t为最上排燃烧器布置高度，m。h_un为最下排燃烧器布置高度，m。ε_f为炉膛实际火焰黑度。ε_syn为考虑了火焰辐射强度因介质吸收而减弱的火焰综合黑度。S为炉内辐射层有效厚度，m。R为与炉膛截面等面积圆形的半径，m。为炉膛整体黑度(假想黑度)。T_f″为炉膛整体出口烟温，K。ψ_f为炉膛整体水冷壁热有效系数。x_m为炉膛火焰最高温度位置的相对高度，近似取等于燃烧器布置的相对高度。σ₀为玻尔兹曼常数，通常取5.67×10^-11kW/(m²·K⁴)。B_j为计算燃烧量，kg/s。φ为保热系数。H_f为水冷壁的吸热表面积，m²。为炉内烟气在理论燃烧温度至炉膛出口温度区间内的平均热容，kJ/(kg·K)。

步骤3，假设主燃烧区出口烟温T_f1″，列出主燃烧区热平衡方程，计算主燃烧区水冷壁热有效系数ψ₁：

(1)列出主燃烧区热平衡方程(本区段燃料放热＝本区段烟气带走热量+本区段向上面区段辐射热量+本区段吸收辐射热量)：

$B_j(\frac{100}{100-q_4}{\mathrm{\β}}_{cr}{Q}_r+Q_k-Q_6)=B_j{I}_{f1}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c1}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_1{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4{H}_{f1}$

(2)根据主燃烧区热平衡式，计算主燃烧区水冷壁热有效系数ψ₁。

其中，T_f1″为主燃烧区出口烟气温度，K。I_f1″为主燃烧区出口烟气焓值，kJ/kg(根据T_f1″查取烟气焓温表获得)。β_cr为燃料的燃尽率，可查阅锅炉手册。ψ"为对上面区段的辐射热有效系数，一般取0.1。F_c1主燃烧区出口炉膛截面积，m²。H_f1为主燃烧区的水冷壁传热面积，m²。ψ₁为主燃烧区水冷壁热有效系数。

步骤4，列出炉膛内主燃烧区热负荷方程，对假设的主燃烧区出口烟温T_f1″进行校核：

(1)列出炉膛内主燃烧区热负荷方程：

$\stackrel{\‾}{q}=B_j(Q_f^{ef}-I_f^{\′\′})/H_f$

$\stackrel{\‾}{q_I}=\frac{{\∫}_0^{h_1}\left({\mathrm{\η}}_h\stackrel{\‾}{q}\right)dh}{h_1}$

(2)基于本步骤中(1)的关系式，列出校核式：

$\left|\stackrel{\‾}{q_I}-{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_1{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4\right|/\stackrel{\‾}{q_I}\≤2\%$

对主燃烧区出口烟温T_f1″进行校核，若满足条件则进行步骤5，若不满足则重复步骤3到4。

其中，为炉膛整体平均热负荷，kW/m²。η_h为炉膛内局部热负荷系数，可做试验确定或查锅炉说明书。为主燃烧区的平均热负荷，kW/m²。h₁为主燃烧区出口到冷灰斗中线高度，m。

步骤5，假设燃尽区的出口烟气温度T_f2″，列出燃尽区热平衡方程，计算燃尽区水冷壁热有效系数ψ₂：

(1)列出燃尽区热平衡方程(本区段燃料放热量+下面区段烟气带入热量+下面区段向本区段辐射热量＝本区段烟气带走热量+本区段向上面区段辐射热量+本区段吸收辐射热量)：

$B_j{\mathrm{\Δ\β}}_{cr}{Q}_r+B_j{I}_{f1}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c1}=B_j{I}_{f2}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f2}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c2}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_2{T}_{g2}^4{H}_{f2}.$

(2)代入燃尽区平均烟气温度计算燃尽区水冷壁热有效系数ψ₂。

其中，T_g2为燃尽区的烟气平均温度，K。T_f2″为燃尽区出口烟气温度，K。I_f2″为燃尽区出口烟气焓值，kJ/kg(根据T_f2″查取烟气焓温表获得)。Δβ_cr为主燃烧区燃料的未燃尽率。F_c2燃尽区出口炉膛截面积，m²。H_f2为燃尽区的水冷壁传热面积，m²。ψ₂为燃尽区水冷壁热有效系数。

步骤6，列出炉膛内燃尽区热负荷方程，对假设的燃尽区出口烟温T_f2″进行校核：

(1)列出炉膛内燃尽区热负荷方程：

$\stackrel{\‾}{q_{II}}=\frac{{\∫}_{h_1}^{h_2}\left({\mathrm{\η}}_h\stackrel{\‾}{q}\right)dh}{h_2-h_1}$

(2)基于本步骤中(1)的关系式，列出校核式：

$\left|\stackrel{\‾}{q_{II}}-{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_2{T}_{g2}^4\right|/\stackrel{\‾}{q_{II}}\≤2\%$

对燃尽区出口烟温T_f2″进行校核，若满足条件则进行步骤7，若不满足则重复步骤5到6。

其中，为燃尽区的平均热负荷，kW/m²。h₂为燃尽区出口到冷灰斗中线高度，m。

步骤7，列出换热区热平衡方程，计算换热区水冷壁热有效系数ψ₃，输出计算出的不同区段水冷热有效系数ψ₁、ψ₂和ψ₃作为不同区段的结渣监测指标：

(1)列出换热区热平衡方程(下面区段烟气带入热量+下面区段向本区段辐射热量＝本区段烟气带走热量+本区段向半辐射受热面辐射热量+本区段吸收辐射热量)：

$B_j{I}_{f2}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f2}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c2}=B_j{I}_f^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_p{\left(T_f^{\′\′}\right)}^4{F}_{c3}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_3{T}_{g3}^4{H}_{f3}.$

(2)代入换热区平均烟气温度计算换热区水冷壁热有效系数ψ₃。

(3)输出计算出的不同区段水冷热有效系数ψ₁、ψ₂和ψ₃。

其中，T_g3为换热区的烟气平均温度，K。I_f″为燃尽区出口烟气焓值，kJ/kg(根据T_f″查取烟气焓温表获得)。ψ_p为炉膛出口对半辐射受热面的辐射热有效系数，等于炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f乘以经验系数，经验系数可按锅炉设计值选取。F_c3炉膛出口截面积，m²。H_f3为换热区的水冷壁传热面积，m²。ψ₃为换热区水冷壁热有效系数。

计算输出模块的步骤中涉及到假设迭代，所有计算过程通过电脑编程实现，最后将计算出的不同区段实时水冷热有效系数ψ₁、ψ₂和ψ₃按时间分布形成曲线图，作为运行人员进行炉膛分区段吹灰的直观数据参考。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将炉膛按燃烧性质由下到上依次分为主燃烧区、燃尽区和换热区三个区段。对炉膛进行相关数据采集。

步骤2，根据步骤1中采集的相关数据的分别计算燃料理论燃烧温度T_th、炉膛整体辐射吸收减弱系数k_a、炉膛整体火焰综合黑度ε_syn、炉膛整体黑度和炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f，为炉膛分区段辐射传热计算作准备。

步骤3，假设主燃烧区出口烟温T_f1″，列出主燃烧区热平衡方程，计算主燃烧区水冷壁热有效系数ψ₁。

步骤4，列出炉膛内主燃烧区热负荷方程，对假设的主燃烧区出口烟温T_f1″进行校核，若满足条件则进行步骤5，若不满足则重复步骤3到4。

步骤5，假设燃尽区的出口烟气温度T_f2″，列出燃尽区热平衡方程，计算燃尽区水冷壁热有效系数ψ₂。

步骤6，列出炉膛内燃尽区热负荷方程，对假设的燃尽区出口烟温T_f2″进行校核，若满足条件则进行步骤7，若不满足则重复步骤5到6。

步骤7，列出换热区热平衡方程，计算换热区水冷壁热有效系数ψ₃，输出计算出的不同区段水冷热有效系数ψ₁、ψ₂和ψ₃作为不同区段的结渣监测指标。

2.根据权利要求1所述的电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法，其特征在于：所述步骤1中采集的相关数据包括锅炉炉膛结构及设计参数、入炉煤质数据和锅炉实时运行参数；锅炉炉膛结构及设计参数包括炉膛整体传热面积、不同区段的传热面积、有效容积、计算高度、上下排燃烧器布置高度差、燃烧器平均布置高度、出口烟窗面积、炉膛出口对半辐射受热面的辐射热有效系数；入炉煤质数据通过煤质分析获得，主要包括煤的元素分析、工业分析和热值分析；锅炉实时运行参数通过电厂DCS系统采集，主要测点包括锅炉燃煤量、一次风占总风量比例、二次风占总风量比例、一次风进出口风温、二次风进出口风温、水冷壁工质流量、水冷壁进出口工质压力、水冷壁进出口工质温度和炉膛出口烟气温度。

3.根据权利要求1所述的电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法，其特征在于：所述步骤2中根据采集数据的分别计算燃料理论燃烧温度T_th、炉膛整体辐射吸收减弱系数k_a、炉膛整体火焰综合黑度ε_syn、炉膛整体黑度和炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f的方法如下：

步骤2-1，根据理论的热空气焓和理论的冷空气焓得到进入炉内空气热量；

$Q_k=({\mathrm{\α}}_f^{\′\′}-{\mathrm{\Δ\α}}_f-{\mathrm{\Δ\α}}_{pcs})I_{hk}^0+({\mathrm{\Δ\α}}_f+{\mathrm{\Δ\α}}_{pcs})I_{ck}^0$

Q_k为随单位质量燃料带入炉内的空气的热量，且此热量含漏风的热量；为理论的热空气焓，即空预器出口一次风和二次风混合温度；为理论的冷空气焓，即空预器进口一次风和二次风混合温度，α_f"为炉膛出口过量空气系数，Δα_f为炉膛漏风系数，Δα_pcs为制粉系统的漏风系数。；

根据入炉内空气热量、单位质量燃料带入炉内的热量、化学未完全燃烧热损失、机械未完全燃烧热损失以及其他热损失得到燃料带入炉内有效热量；

$Q_f^{ef}=Q_r\frac{100-q_3-q_4-q_6}{100-q_4}+Q_k$

为炉内有效热量，即为理论燃烧温度T_th对应焓值，在获得炉内有效热量后通过烟气焓温表利用插值法查取燃料理论燃烧温度T_th；Q_r为单位质量燃料带入炉内的热量，通常等于燃料收到基低位发热量，q₃为化学未完全燃烧热损失，q₄为机械未完全燃烧热损失，q₆为其他热损失，

步骤2-2：根据收到基灰分以及单位燃料燃烧产生烟气质量得到烟气中灰分颗粒的质量浓度；

${\mathrm{\μ}}_{ash,m}=\frac{A_{ar}{\mathrm{\α}}_{fa}}{100G_y};$

μ_ash,m为烟气中灰分颗粒的质量浓度，A_ar为收到基灰分，α_fa为飞灰系数；G_y为单位燃料燃烧产生烟气质量；

根据收到基碳元素、干燥无灰基挥发份、最上排燃烧器布置高度、最下排燃烧器布置高度以及水冷壁的吸热表面积得到烟气中焦炭颗粒的容积浓度；

${\mathrm{\μ}}_{cok,v}=\frac{5.5C_{ar}(10+q_4)}{(100+V_{daf})V_y}(1+\frac{h_t-h_{un}}{h_f});$

μ_cok,v为烟气中焦炭颗粒的容积浓度，C_ar为收到基碳元素，V_daf为干燥无灰基挥发份，h_t为最上排燃烧器布置高度，h_un为最下排燃烧器布置高度，H_f为水冷壁的吸热表面积；

根据水蒸汽占烟气容积份额、水蒸汽和二氧化物之和占烟气容积份额、炉内辐射层有效厚度以及炉膛整体出口烟温得到三原子气体减弱系数；

$k_{g}r=\[\frac{0.78+1.6r_{H_{2}O}}{\sqrt{rs}}-0.1\](1-0.37\frac{T_f^{\′\′}}{1000})r;$

k_gr为三原子气体减弱系数；为水蒸汽占烟气容积份额，r为水蒸汽和二氧化物之和占烟气容积份额，S为炉内辐射层有效厚度，T_f″为炉膛整体出口烟温；

根据烟气中灰分颗粒的质量浓度以及灰分颗粒的平均粒径得到灰分减弱系数；

$k_{ash}{\mathrm{\μ}}_{ash}=\frac{5330{\mathrm{\μ}}_{ash,m}}{{\left(T_f^{\′\′}{d}_{ash}\right)}^{2/3}}\[1-\frac{0.65}{1+0.0177/{\left({\mathrm{\μ}}_{ash,m}S\right)}^2}\];$

k_ashμ_ash为灰分颗粒减弱系数，μ_ash,m为烟气中灰分颗粒的质量浓度，d_ash为灰分颗粒的平均粒径，

根据焦炭颗粒的平均粒径、烟气中焦炭颗粒的容积浓度得到焦炭颗粒减弱系数；

$k_{cok}{\mathrm{\μ}}_{cok}=\frac{10{\mathrm{\μ}}_{cok,v}}{{\left(T_f^{\′\′}{d}_{cok}\right)}^{2/3}};$

k_cokμ_cok为焦炭颗粒减弱系数，d_cok为焦炭颗粒的平均粒径，

根据三原子气体减弱系数、灰分颗粒减弱系数以及焦炭颗粒减弱系数得到辐射吸收减弱系数；

k_a＝k_gr+k_ashμ_ash+k_cokμ_cok

k_a为炉膛整体辐射吸收减弱系数，

步骤2-3，根据炉膛整体辐射吸收减弱系数、炉内辐射层有效厚度得到炉膛实际火焰黑度；

${\mathrm{\ϵ}}_f=1-e^{-k_{a}S};$

ε_f为炉膛实际火焰黑度；

根据炉膛整体辐射吸收减弱系数、炉内辐射层有效厚度以及炉膛实际火焰黑度得到炉膛火焰综合黑度：

${\mathrm{\ϵ}}_{syn}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_f}{0.32k_a{\mathrm{R\ϵ}}_f+1};$

ε_syn为考虑了火焰辐射强度因介质吸收而减弱的火焰综合黑度；

步骤2-4：根据炉膛火焰综合黑度建立得到炉膛整体黑度关系式：

${\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{syn}}{{\mathrm{\ϵ}}_{syn}+(1-{\mathrm{\ϵ}}_{syn}){\mathrm{\ψ}}_f};$

为炉膛整体黑度，ψ_f为炉膛整体水冷壁热有效系数；

根据理论燃烧温度、主燃烧区出口烟气温度、炉膛火焰最高温度位置的相对高度以及炉内烟气在理论燃烧温度至炉膛出口温度区间内的平均热容建立炉膛辐射传热关系式：

T_th为理论燃烧温度，x_m为炉膛火焰最高温度位置的相对高度，σ₀为玻尔兹曼常数，φ为保热系数，B_j为计算燃烧量，为炉内烟气在理论燃烧温度至炉膛出口温度区间内的平均热容；

联立炉膛整体黑度关系式和炉膛辐射传热关系式两个关系式，求出炉膛整体水冷壁热有效系数：

${\mathrm{\ψ}}_f=\frac{{\mathrm{Z\ϵ}}_{syn}}{{\mathrm{\ϵ}}_{syn}-(1-{\mathrm{\ϵ}}_{syn})Z};$

其中，

求出炉膛炉膛整体水冷壁热有效系数后，再计算出炉膛的整体黑度

4.根据权利要求1所述的电站锅炉炉膛结渣分区段实时软测量方法，其特征在于：所述步骤3中主燃烧区热平衡方程如下：

$\begin{array}{c}{B}_j(\frac{100}{100-q_4}{\mathrm{\β}}_{cr}{Q}_r+Q_k-Q_6)\\ =B_j{I}_{f1}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c1}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_1{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4{H}_{f1}\end{array}$

根据主燃烧区热平衡式，计算主燃烧区水冷壁热有效系数ψ₁。

其中，T_f1″为主燃烧区出口烟气温度。I_f1″为主燃烧区出口烟气焓值(根据T_f1″查取烟气焓温表获得)。β_cr为燃料的燃尽率，可查阅锅炉手册。ψ"为对上面区段的辐射热有效系数，一般取0.1。F_c1主燃烧区出口炉膛截面积。H_f1为主燃烧区的水冷壁传热面积。ψ₁为主燃烧区水冷壁热有效系数。

5.所述步骤4中炉膛内主燃烧区热负荷方程如下：

$\stackrel{\‾}{q}=B_j(Q_f^{ef}-I_f^{\′\′})/H_f$

$\stackrel{\‾}{q_I}=\frac{{\∫}_0^{h_1}\left({\mathrm{\η}}_h\stackrel{\‾}{q}\right)dh}{h_1}$

主燃烧区出口烟温T_f1″校核式：

$|\stackrel{\‾}{q_I}-{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_1{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4|/\stackrel{\‾}{q_I}\≤2\%$

其中，为炉膛整体平均热负荷。η_h为炉膛内局部热负荷系数，可做试验确定或查锅炉说明书。为主燃烧区的平均热负荷。h₁为主燃烧区出口到冷灰斗中线高度。

6.所述步骤5中燃尽区热平衡方程如下：

$\begin{array}{c}{B}_j{\mathrm{\Δ\β}}_{cr}{Q}_r+B_j{I}_{f1}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f1}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c1}\\ =B_j{I}_{f2}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f2}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c2}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_2{T}_{g2}^4{H}_{f2}\end{array}$

根据燃尽区平均烟气温度计算燃尽区水冷壁热有效系数ψ₂。

其中，T_g2为燃尽区的烟气平均温度。T_f2″为燃尽区出口烟气温度。I_f2″为燃尽区出口烟气焓值，kJ/kg(根据T_f2″查取烟气焓温表获得)。Δβ_cr为主燃烧区燃料的未燃尽率。F_c2燃尽区出口炉膛截面积。H_f2为燃尽区的水冷壁传热面积。ψ₂为燃尽区水冷壁热有效系数。

7.所述步骤6中炉膛内燃尽区热负荷方程如下：

$\stackrel{\‾}{q_{II}}=\frac{{\∫}_{h_1}^{h_2}\left({\mathrm{\η}}_h\stackrel{\‾}{q}\right)dh}{h_2-h_1}$

燃尽区出口烟温T_f2″校核式：

$|\stackrel{\‾}{q_{II}}-{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_2{T}_{g2}^4|/\stackrel{\‾}{q_{II}}\≤2\%$

其中，为燃尽区的平均热负荷。h₂为燃尽区出口到冷灰斗中线高度。

8.所述步骤7中换热区热平衡方程如下：

$\begin{array}{c}{B}_j{I}_{f2}^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}^{\′\′}{\left(T_{f2}^{\′\′}\right)}^4{F}_{c2}\\ =B_j{I}_f^{\′\′}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_p{\left(T_f^{\′\′}\right)}^4{F}_{c3}+{\mathrm{\σ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_f^{syn}{\mathrm{\ψ}}_3{T}_{g3}^4{H}_{f3}\end{array}$

根据换热区平均烟气温度计算换热区水冷壁热有效系数ψ₃。

其中，T_g3为换热区的烟气平均温度。I_f″为燃尽区出口烟气焓值(根据T_f″查取烟气焓温表获得)。ψ_p为炉膛出口对半辐射受热面的辐射热有效系数，等于炉膛整体水冷壁热有效系数ψ_f乘以经验系数，经验系数可按锅炉设计值选取。F_c3炉膛出口截面积。H_f3为换热区的水冷壁传热面积。ψ₃为换热区水冷壁热有效系数。