CN108105749A - 一种水冷壁管内工质流量在线测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷壁管内工质流量在线测量方法及系统，方法实施步骤包括：针对水冷壁管上的两个标高位置，采集背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C的温度，计算温差ΔT_AB，温差ΔT_AC，并基于关系式f₁(α,q)、关系式f₂(α,q)求解热流密度q和对流传热系数α，再代入关系式f_v(α,q)求解温差ΔT_AV并计算管内壁圆周方向平均壁温T_V及其管内工质温度T_S，得到不同标高位置管内工质温度T_S1和T_S2，最终根据式(1)计算得到水冷壁管内工质流量。本发明能够对电站锅炉膜式水冷壁管内的工质流量实现在线测量，对水冷壁管传热恶化的预判、提前采取措施防止爆管有着重要的指导意义。

Description

一种水冷壁管内工质流量在线测量方法及系统

技术领域

本发明涉及锅炉检测技术，具体涉及一种水冷壁管内工质流量在线测量方法及系统。

背景技术

水冷壁是锅炉的主要部件之一，其作用是将炉膛内燃料燃烧产生的热能传递给水冷壁管内工质，因此，水冷壁的工作过程是一个从炉膛内吸热和向管内工质放热的过程，其工作温度取决于吸热与放热的平衡。受材料的限制，水冷壁存在一个最高允许工作温度，当水冷壁的吸热与放热达到平衡，且平衡状态下的温度不超过最高允许工作温度时，水冷壁即是安全的；当水冷壁的吸热小于放热时，水冷壁温度降低，汽水参数下降；当水冷壁的吸热大于放热时，水冷壁温度上升，超过最高允许工作温度时，将威胁到水冷壁的安全性。保证水冷壁的安全是锅炉运行的最主要任务之一。

膜式水冷壁由多根管子通过鳍片并连而成，同一回路的管子两端分别连接相同的集箱，因此流过每根管子的工质流量取决于该管子的阻力特性，阻力大的管子流量小，阻力小的管子流量大。当一台锅炉设计、安装完成后，受热面(包含膜式水冷壁)的阻力特性原则上基本确定，但仍会由于管内工质物理特性的变化或管子流通截面结构的变化(如结垢、堵塞、变形等)而改变。因此，锅炉运行中水冷壁管内的实际工质流量存在很大的不确定性和未知性，而水冷壁管内工质的流量对管子的热平衡有着重要影响。为了达到热平衡，在锅炉的设计中通常采用一定的方法调节水冷壁各回路阻力特性(如加装不同孔径的节流孔圈改变管子的阻力特性)，使管内工质流量与所处区域热负荷相匹配。但面对锅炉实际运行中复杂多变的工况，目前的设计方法仍难以准确实现不同工况下工质流量与热负荷的匹配。因水冷壁阻力特性改变或工况变化导致工质流量与区域热负荷不匹配引起的超温爆管事故时有发生，严重影响锅炉安全稳定经济运行。

获得锅炉运行中水冷壁管内实际的工质流量，对水冷壁管传热恶化的预判、提前采取措施防止爆管有着重要的指导意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种水冷壁管内工质流量在线测量方法，本发明能够对电站锅炉膜式水冷壁管内的工质流量实现在线测量，对水冷壁管传热恶化的预判、提前采取措施防止爆管有着重要的指导意义。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种水冷壁管内工质流量在线测量方法，实施步骤包括：

1)针对被测量的水冷壁管上的标高位置#1和标高位置#2，分别采集被测量的水冷壁管背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C的温度，得到管外壁中点A的温度T_A、鳍片根部点B的温度T_B、鳍片中点C的温度T_C，并计算管外壁中点A、鳍片根部点B之间的温差ΔT_AB，计算管外壁中点A、鳍片中点C之间的温差ΔT_AC；

2)针对标高位置#1和标高位置#2，分别将温差ΔT_AB输入预先拟合得到的关系式f₁(α,q)、温差ΔT_AC输入预先拟合得到的关系式f₂(α,q)并通过联立求解计算出热流密度q和对流传热系数α，关系式f₁(α,q)通过拟合包含温差ΔT_AB、对流传热系数α、热流密度q三者的映射关系，关系式f₂(α,q)通过拟合包含温差ΔT_AC、对流传热系数α、热流密度q三者的映射关系；

3)分别将热流密度q和对流传热系数α输入预先拟合得到的关系式f_v(α,q)求解得到管内壁圆周方向平均壁温T_V与背火侧管外壁中点A之间的温差ΔT_AV，关系式f_v(α,q)通过预先拟合包含温差ΔT_AV、对流传热系数α、热流密度q三者的映射关系，将温差ΔT_AV加上管外壁中点A的温度T_A得到管内壁圆周方向平均壁温T_V；

4)分别根据管内壁圆周方向平均壁温T_V计算管内工质温度T_S，得到标高位置#1对应的管内工质温度T_S1和标高位置#2对应的管内工质温度T_S2；

5)根据式(1)计算得到水冷壁管内工质流量M；

A·q_v＝M·c_p·(T_S2-T_S1) (1)

式(1)中，M为待求的水冷壁管内工质流量，A为水冷壁的向火侧投影面积，q_v为第一标高位置和第二标高位置的平均热流密度，c_p为工质比热容，T_S1为第一标高位置的工质温度，T_S2为第二标高位置的工质温度。

优选地，步骤4)中根据管内壁圆周方向平均壁温T_V计算管内工质温度T_S的函数表达式如式(2)所示；

q＝α(T_V-T_S) (2)

式(2)中，α为对流传热系数，q为热流密度，T_V为管内壁圆周方向平均壁温，T_S为待计算的管内工质温度。

优选地，关系式f₁(α,q)、关系式f₂(α,q)以及关系式f_v(α,q)的拟合步骤包括：

S1)根据被测量的水冷壁管的几何尺寸及材料属性建立有限元分析模型；

S2)求取不同传热条件下的水冷壁横截面上的温度分布，所述不同传热条件下热流密度q和对流传热系数α的取值，由不同传热条件下的温度分布计算膜式水冷壁背火侧管外壁中点A温度T_A与鳍片根部B点温度T_B、鳍片中点C温度T_C、管内壁圆周方向平均壁温T_V，并计算管外壁中点A、鳍片根部点B之间的温差ΔT_AB，计算管外壁中点A、鳍片中点C之间的温差ΔT_AC，计算管内壁圆周方向平均壁温T_V与背火侧管外壁中点A之间的温差ΔT_AV；

S3)分别拟合出不同传热条件下的热流密度q和对流传热系数α与温差ΔT_AB、ΔT_AC、ΔT_AV的函数关系式ΔT_AB＝f₁(α,q)、ΔT_AC＝f₂(α,q)、ΔT_AV＝f₃(α,q)，从而得到关系式f₁(α,q)、关系式f₂(α,q)以及关系式f_v(α,q)。

本发明还提供一种水冷壁管内工质流量在线测量系统，包括计算机系统和布置于被测量的水冷壁管上的标高位置#1和标高位置#2的两组温度采集单元，每一组温度采集单元包括用于检测被测量的水冷壁管上对应标高位置背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C的温度的三个热电偶，所述计算机系统被编程以执行本发明前述水冷壁管内工质流量在线测量方法的步骤。

本发明还提供一种水冷壁管内工质流量在线测量系统，包括计算机系统，所述计算机系统被编程以执行本发明前述水冷壁管内工质流量在线测量方法的步骤。

本发明水冷壁管内工质流量在线测量方法具有下述优点：本发明针对水冷壁管上的两个标高位置，采集背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C的温度，计算温差ΔT_AB，温差ΔT_AC，并基于关系式f₁(α,q)、关系式f₂(α,q)求解热流密度q和对流传热系数α，再代入关系式f_v(α,q)求解温差ΔT_AV并计算管内壁圆周方向平均壁温T_V及其管内工质温度T_S，得到不同标高位置管内工质温度T_S1和T_S2，最终根据式(1)计算得到水冷壁管内工质流量。本发明能够对电站锅炉膜式水冷壁管内的工质流量实现在线测量，对水冷壁管传热恶化的预判、提前采取措施防止爆管有着重要的指导意义。本发明水冷壁管内工质流量在线测量系统为本发明水冷壁管内工质流量在线测量方法对应的系统，其同样也具有本发明水冷壁管内工质流量在线测量方法的前述优点，故在此不再赘述。

附图说明

图1为现有技术的某电站锅炉膜式水冷壁结构示意图。

图2为仿真得到的水冷壁管和鳍片横截面温度分布示意图。

图3为仿真分析得到的ΔT_AB和ΔT_AC与对流传热系数的关系曲线示意图。

图4为仿真分析得到的ΔT_AB和ΔT_AC与热流密度的关系曲线示意图。

图5为本发明实施例方法的基本原理示意图。

图6为本发明实施例方法中的标高位置示意图。

图7为本发明实施例方法的热电偶安装示意图。

具体实施方式

下文将以某电站锅炉膜式水冷壁为例，对本发明水冷壁管内工质流量在线测量方法及系统进行进一步的详细说明。

膜式水冷壁是电站锅炉炉膛通常采用的水冷壁形式，由水冷壁管和鳍片组成，本实施例中的某电站锅炉膜式水冷壁结构如图1所示，其具体尺寸如下，鳍片厚度δ＝6mm，水冷壁管外径r1＝14.3mm，内径r0＝8mm，节距L＝44.5mm。燃料燃烧放出的热量通过辐射和对流的传热方式由向火侧传递给水冷壁管及两侧的鳍片，再由水冷壁管和鳍片以导热和对流的传热方式将热量传递给水冷壁管内的工质，背火侧则采用保温材料减少热量的损失。

由于水冷壁管和鳍片内的热量传递方式为导热，其横截面上的温度呈连续性分布，且存在一定的规律性。由水冷壁工作过程分析可知，水冷壁管和鳍片在横截面上的温度分布取决于向火侧的吸热与工质侧的放热，即向火侧的热流密度q与工质侧的对流传热系数α(背火侧的散热损失相对而言非常小，可忽略不计)。对于一定结构的膜式水冷壁，在确定的热流密度和对流传热系数条件下，通过模拟计算的方法可以求得确定的水冷壁管和鳍片横截面上的温度分布，如图2所示。

分别改变热流密度和对流传热系数计算不同传热工况下的温度分布发现，背火侧管外壁中点A与鳍片根部B点和鳍片中点C的温度之差ΔT_AB和ΔT_AC与热流密度和对流传热系数存在一定的函数关系，如图3、图4所示。基于上述发现，通过挖掘背火侧管外壁中点A与鳍片根部B点和鳍片中点C的温度之差ΔT_AB和ΔT_AC与热流密度和对流传热系数存在一定的函数关系，可以实现水冷壁管内工质流量在线测量。

如图5所示，本实施例水冷壁管内工质流量在线测量方法的实施步骤包括：

1)针对被测量的水冷壁管上的标高位置#1和标高位置#2，如图6所示；分别采集被测量的水冷壁管背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C的温度，如图7所示(其中A、B、C分别代表用于检测被测量的水冷壁管背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C的温度的热电偶，热电偶分别穿过保温层后与被测量的水冷壁管背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C接触)，得到管外壁中点A的温度T_A、鳍片根部点B的温度T_B、鳍片中点C的温度T_C，并计算管外壁中点A、鳍片根部点B之间的温差ΔT_AB(ΔT_AB＝T_B-T_A)，计算管外壁中点A、鳍片中点C之间的温差ΔT_AC(ΔT_AC＝T_C-T_A)；需要说明的是，图6表达的仅仅是一个横截面，标高位置#1和标高位置#2为沿竖直方向上偏移不同的两个高度位置。

2)针对标高位置#1和标高位置#2，分别将温差ΔT_AB输入预先拟合得到的关系式f₁(α,q)、温差ΔT_AC输入预先拟合得到的关系式f₂(α,q)并通过联立求解计算出热流密度q和对流传热系数α，关系式f₁(α,q)通过拟合包含温差ΔT_AB、对流传热系数α、热流密度q三者的映射关系，关系式f₂(α,q)通过拟合包含温差ΔT_AC、对流传热系数α、热流密度q三者的映射关系；

3)分别将热流密度q和对流传热系数α输入预先拟合得到的关系式f_v(α,q)求解得到管内壁圆周方向平均壁温T_V与背火侧管外壁中点A之间的温差ΔT_AV，关系式f_v(α,q)通过预先拟合包含温差ΔT_AV、对流传热系数α、热流密度q三者的映射关系，根据ΔT_AV＝T_V-T_A，将温差ΔT_AV加上管外壁中点A的温度T_A得到管内壁圆周方向平均壁温T_V；

4)分别根据管内壁圆周方向平均壁温T_V计算管内工质温度T_S，得到标高位置#1对应的管内工质温度T_S1和标高位置#2对应的管内工质温度T_S2；

5)根据式(1)计算得到水冷壁管内工质流量M；

A·q_v＝M·c_p·(T_S2-T_S1) (1)

式(1)中，M为待求的水冷壁管内工质流量，A为水冷壁的向火侧投影面积，q_v为第一标高位置和第二标高位置的平均热流密度，c_p为工质比热容，T_S1为第一标高位置的工质温度，T_S2为第二标高位置的工质温度。

本实施例中，水冷壁管内热量的传递为对流传热，因此步骤4)中根据管内壁圆周方向平均壁温T_V计算管内工质温度T_S的函数表达式如式(2)所示；

q＝α(T_V-T_S) (2)

式(2)中，α为对流传热系数，q为热流密度，T_V为管内壁圆周方向平均壁温，T_S为待计算的管内工质温度。

本实施例中，关系式f₁(α,q)、关系式f₂(α,q)以及关系式f_v(α,q)的拟合步骤包括：

S1)根据被测量的水冷壁管的几何尺寸及材料属性建立有限元分析模型；

S2)求取不同传热条件下的水冷壁横截面上的温度分布，所述不同传热条件下热流密度q和对流传热系数α的取值，由不同传热条件下的温度分布计算膜式水冷壁背火侧管外壁中点A温度T_A与鳍片根部B点温度T_B、鳍片中点C温度T_C、管内壁圆周方向平均壁温T_V，并计算管外壁中点A、鳍片根部点B之间的温差ΔT_AB，计算管外壁中点A、鳍片中点C之间的温差ΔT_AC，计算管内壁圆周方向平均壁温T_V与背火侧管外壁中点A之间的温差ΔT_AV；

S3)分别拟合出不同传热条件下的热流密度q和对流传热系数α与温差ΔT_AB、ΔT_AC、ΔT_AV的函数关系式ΔT_AB＝f₁(α,q)、ΔT_AC＝f₂(α,q)、ΔT_AV＝f₃(α,q)，从而得到关系式f₁(α,q)、关系式f₂(α,q)以及关系式f_v(α,q)。

本实施例中采用模拟计算的方法计算不同对流传热系数α和热流密度q下的截面温度分布，通过对ΔT_AB计算值、对流传热系数α和热流密度q进行拟合，可得三者关系式f₁，采用同样的方法可得关系式f₂。当确定关系式f₁和f₂后，通过试验测量计算可得出ΔT_AB和ΔT_AC，由ΔT_AB＝f₁(α,q)、ΔT_AC＝f₂(α,q)联立求解可计算出热流密度q和对流传热系数α。其中A、B、C点壁温测量如图7所示，热电偶A、B、C分别测量相应点处的壁温。本实施例中，f₁(α,q)、关系式f₂(α,q)以及关系式f_v(α,q)通过拟合得到的函数表达式具体如下：

ΔT_AB＝f₁(α,q)＝(0.3254×q-2.3739)α^-0.7341

ΔT_AC＝f₂(α,q)＝(0.3416×q-1.5653)α^-0.2669

ΔT_AV＝f₃(α,q)＝(0.5188×q-3.2072)α^-0.1872

此外，本发明还提供一种水冷壁管内工质流量在线测量系统，包括计算机系统和布置于被测量的水冷壁管上的标高位置#1和标高位置#2的两组温度采集单元，每一组温度采集单元包括用于检测被测量的水冷壁管上对应标高位置背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C的温度的三个热电偶(参见图7)，所述计算机系统被编程以执行本发明前述水冷壁管内工质流量在线测量方法的步骤。

此外，本发明还提供一种水冷壁管内工质流量在线测量系统，包括计算机系统，所述计算机系统被编程以执行本发明前述水冷壁管内工质流量在线测量方法的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种水冷壁管内工质流量在线测量方法，其特征在于实施步骤包括：

1)针对被测量的水冷壁管上的标高位置#1和标高位置#2，分别采集被测量的水冷壁管背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C的温度，得到管外壁中点A的温度T_A、鳍片根部点B的温度T_B、鳍片中点C的温度T_C，并计算管外壁中点A、鳍片根部点B之间的温差ΔT_AB，计算管外壁中点A、鳍片中点C之间的温差ΔT_AC；

2)针对标高位置#1和标高位置#2，分别将温差ΔT_AB输入预先拟合得到的关系式f₁(α,q)、温差ΔT_AC输入预先拟合得到的关系式f₂(α,q)并通过联立求解计算出热流密度q和对流传热系数α，关系式f₁(α,q)通过拟合包含温差ΔT_AB、对流传热系数α、热流密度q三者的映射关系，关系式f₂(α,q)通过拟合包含温差ΔT_AC、对流传热系数α、热流密度q三者的映射关系；

3)分别将热流密度q和对流传热系数α输入预先拟合得到的关系式f_v(α,q)求解得到管内壁圆周方向平均壁温T_V与背火侧管外壁中点A之间的温差ΔT_AV，关系式f_v(α,q)通过预先拟合包含温差ΔT_AV、对流传热系数α、热流密度q三者的映射关系，将温差ΔT_AV加上管外壁中点A的温度T_A得到管内壁圆周方向平均壁温T_V；

4)分别根据管内壁圆周方向平均壁温T_V计算管内工质温度T_S，得到标高位置#1对应的管内工质温度T_S1和标高位置#2对应的管内工质温度T_S2；

5)根据式(1)计算得到水冷壁管内工质流量M；

A·q_v＝M·c_p·(T_S2-T_S1) (1)

式(1)中，M为待求的水冷壁管内工质流量，A为水冷壁的向火侧投影面积，q_v为第一标高位置和第二标高位置的平均热流密度，c_p为工质比热容，T_S1为第一标高位置的工质温度，T_S2为第二标高位置的工质温度。

2.根据权利要求1所述的水冷壁管内工质流量在线测量方法，其特征在于，步骤4)中根据管内壁圆周方向平均壁温T_V计算管内工质温度T_S的函数表达式如式(2)所示；

q＝α(T_V-T_S) (2)

式(2)中，α为对流传热系数，q为热流密度，T_V为管内壁圆周方向平均壁温，T_S为待计算的管内工质温度。

3.根据权利要求1所述的水冷壁管内工质流量在线测量方法，其特征在于，关系式f₁(α,q)、关系式f₂(α,q)以及关系式f_v(α,q)的拟合步骤包括：

S1)根据被测量的水冷壁管的几何尺寸及材料属性建立有限元分析模型；

S2)求取不同传热条件下的水冷壁横截面上的温度分布，所述不同传热条件下热流密度q和对流传热系数α的取值，由不同传热条件下的温度分布计算膜式水冷壁背火侧管外壁中点A温度T_A与鳍片根部B点温度T_B、鳍片中点C温度T_C、管内壁圆周方向平均壁温T_V，并计算管外壁中点A、鳍片根部点B之间的温差ΔT_AB，计算管外壁中点A、鳍片中点C之间的温差ΔT_AC，计算管内壁圆周方向平均壁温T_V与背火侧管外壁中点A之间的温差ΔT_AV；

S3)分别拟合出不同传热条件下的热流密度q和对流传热系数α与温差ΔT_AB、ΔT_AC、ΔT_AV的函数关系式ΔT_AB＝f₁(α,q)、ΔT_AC＝f₂(α,q)、ΔT_AV＝f₃(α,q)，从而得到关系式f₁(α,q)、关系式f₂(α,q)以及关系式f_v(α,q)。

4.一种水冷壁管内工质流量在线测量系统，其特征在于，包括计算机系统和布置于被测量的水冷壁管上的标高位置#1和标高位置#2的两组温度采集单元，每一组温度采集单元包括用于检测被测量的水冷壁管上对应标高位置背火侧的管外壁中点A与鳍片根部点B和鳍片中点C的温度的三个热电偶，所述计算机系统被编程以执行权利要求1或2或3所述水冷壁管内工质流量在线测量方法的步骤。

5.一种水冷壁管内工质流量在线测量系统，其特征在于，包括计算机系统，所述计算机系统被编程以执行权利要求1或2或3所述水冷壁管内工质流量在线测量方法的步骤。