CN108716664B - 一种在线测量炉膛灰污系数的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法和装置，包括以下步骤：在锅炉参考运行状态下，进行多个运行工况的三变量试验，得到锅炉参考状态下的比火焰辐射温度变化规律；(2)在锅炉实际运行状态下，测量炉膛负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角等运行参数，确定实际运行状态下的比火焰辐射温度；(3)对折焰角下方炉膛截面烟气温度进行测量，根据炉膛截面烟气温度平均值以及实际运行状态下的比火焰辐射温度，确定炉内火焰平均辐射温度；(4)根据水冷壁蒸发系统进、出口工质参数，确定炉膛水冷壁受热面的辐射热流量；(5)利用水冷壁受热面的辐射热流量和炉内火焰平均辐射温度，根据火焰辐射定律确定炉膛受热面灰污系数。
Description
技术领域
本发明属于锅炉炉膛积灰的运行监测和诊断领域，尤其涉及一种在线测量炉膛受热面灰污系数的方法和装置。
背景技术
锅炉炉膛水冷壁的积灰和结渣使受热管热传导阻力增大，管壁温度提高，受热管反方向投射给火焰的辐射热增加，炉膛传热效率下降，导致炉膛出口烟气温度升高，过热器或再热器的减温水用量增大，降低了锅炉运行的经济性和安全性。
目前，通常采用吹灰器清除炉膛的积灰和结渣，但吹灰器消耗大量蒸汽和热量，且频繁吹灰会对炉膛受热面形成伤害，因此，对炉膛积灰结渣状态进行测量和诊断，根据需要投入吹灰系统，是工程技术人员近年来一直致力于开发的技术。
申请号为201210554478.X的中国专利公开了一种采用高温摄像机对炉膛内积灰结渣状态进行拍摄的自动旋转升降监测系统。申请号为201120012164.8的中国专利公开了一种在线监测锅炉炉膛分区段灰污程度的装置，该装置采用声学测温，根据热平衡原理以及半经验公式，利用烟气侧温度倒推炉膛各个区段的热有效系数，并自定义了积灰系数表示炉膛污染状态。申请号为201610778234.8的中国专利公开了一种基于二维寻优的燃煤机组对流受热面智能吹灰方法，其中对灰污系数的监测是通过受热管热平衡逆推得到，但是对流受热面的灰污监测方法不适合炉膛辐射受热面。
文献《基于神经网络的电站锅炉辐射受热面污染监测》建立了基于人工神经网络的电站锅炉辐射受热面污染监测模型；文献《燃煤锅炉炉膛灰污染监测的炉膛出口烟温增量方法》根据传热方程和能量守恒原理，得到炉膛出口烟温的增量模型，该增量作为表征炉膛灰污染程度的参数；文献《燃煤电站锅炉受热面积灰结渣在线监测的研究》从低温烟气区逆烟气流程逐级进行烟气热平衡和受热面传热计算，得到炉膛出口烟气温度，并利用炉膛传热的古尔维奇计算关联式反算炉膛内平均污染系数；《基于声学测温技术的电站锅炉水冷壁灰污监测方法》根据声波测温技术测得炉膛出口烟气温度，采用炉膛热力计算方法反算炉膛热有效系数，并定义清洁因子描述炉膛污染状态。
因此，现有文献关于炉膛受热面的积灰监测方法主要是基于烟气热平衡和受热面传热计算，这种方法涉及的系统和环节较多，测量滞后时间长，输入参数波动大，所依据的炉膛热力计算模型误差较大，且模型所需的煤质数据目前也没有实现广泛的在线测量，且从低温烟气区逆烟气流程反算炉膛出口烟气温度时，各级受热面的计算误差会累积到灰污参数上，导致监测结果不准确；目前，通常采用清洁因子表示受热面沾污状态的相对变化，清洁因子对受热面清洁度变化的分辨率较低。
现有的炉膛污染状态监测技术的另一个缺陷是，监测方案中没有考虑炉膛运行环境的多变性。从本质上说，在上述文文献中，炉膛沾污状态监测的基本原理是，在给定运行条件下，炉膛出口烟气温度是沾污状态的单值函数；在实际运行中，负荷、燃烧器摆角、煤粉喷嘴投用方式以及炉膛出口烟气含氧量等运行参数都影响炉膛出口烟气温度，因此，一个稳定、可靠、适合现场应用的炉膛沾污测量系统应考虑运行环境的变化，能够适用于炉膛的变工况运行，而上述文献均未提供这样的技术方案。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明公开了一种测量炉膛受热面灰污系数的方法，该方法采用炉膛蒸发受热面内工质参数而非炉膛烟气参数确定辐射热流量；并利用炉膛参考状态下声波测温截面烟气温度的标定结果，以及实际状态下声波测温得到的平均烟气温度来确定炉膛火焰辐射平均温度；根据火焰热辐射规律，实现了炉膛受热面灰污系数的在线测量；由于受热面工质参数波动小，测量准确，辐射换热过程动态特性好，炉膛灰污系数测量精度和灵敏性较高，同时，该方法考虑炉膛负荷、煤粉喷嘴投用状态和燃烧器摆角等的影响，特别适用于锅炉燃用煤种结焦性能变化后炉膛污染状态的测量。
本发明还公开了一种测量炉膛受热面灰污系数的装置。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，包括以下步骤：
(1)在锅炉参考运行状态下，进行多个运行工况的三变量试验，确定炉膛负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角对比火焰辐射温度的影响，得到锅炉参考状态下的比火焰辐射温度变化规律；
(2)在锅炉实际运行状态下，测量炉膛负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角等运行参数，利用参考状态下的比火焰辐射温度变化规律，确定实际运行状态下的比火焰辐射温度；
(3)对折焰角下方炉膛截面烟气温度进行测量，根据炉膛截面烟气温度平均值以及实际运行状态下的比火焰辐射温度，确定炉内实际火焰平均辐射温度；
(4)根据水冷壁蒸发系统进、出口工质参数，确定炉膛水冷壁受热面的辐射热流量；
(5)利用水冷壁受热面的辐射热流量和炉内实际火焰平均辐射温度，根据火焰辐射定律确定炉膛受热面灰污系数。
所述锅炉设有对机组负荷、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力、省煤器出口给水温度、燃烧器摆角、磨煤机给煤量等参数进行测量的热工测量仪表；对于汽包锅炉，锅炉还设有对汽包压力和排污流量进行测量的测量工具；对于直流锅炉，锅炉还设有对水冷壁出口工质压力和温度进行测量的测量工具。
所述步骤(1)中，锅炉参考运行状态是指锅炉燃用设计煤种，受热面采用常规吹灰方式和频率，蒸汽温度、压力和减温水流量等参数在设计范围，炉膛出口烟气含氧量和配风方式根据负荷自动控制，主辅机设备无缺陷运行的状态；
所述步骤(1)中，三变量试验是指改变负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角等变量而进行的试验；对于每个试验工况，测试的主要参数包括机组负荷、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力、省煤器出口给水温度、燃烧器摆角、磨煤机给煤量以及测温装置测得的截面多点烟气温度；对于汽包锅炉还包括汽包压力和排污流量参数；对于直流锅炉还包括水冷壁出口工质压力和温度参数。
所述步骤(1)中，比火焰辐射温度是炉内火焰平均辐射温度与炉膛测温截面烟气平均温度的比值；炉内火焰平均辐射温度根据炉膛水冷壁受热面辐射热流量确定，该辐射热流量利用水冷壁蒸发系统内的工质参数计算；
所述步骤(1)中，负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角对比火焰辐射温度的影响可采用多元变量二次型模型进行拟合。
所述步骤(2)中，在锅炉实际运行状态下，炉膛出口烟气含氧量和配风方式根据负荷自动控制，但在运行规程规定范围内，可自由选择燃用煤种、吹灰频率和运行参数，选用煤种的燃尽特性通常和设计煤种接近，但结焦性能有较大差异；
所述步骤(2)中，实际运行状态下的比火焰辐射温度根据负荷、煤粉火嘴投用状态和燃烧器摆角等变量，采用二次型模型计算。
所述步骤(3)中，利用炉膛声波测温装置对折焰角下方炉膛截面烟气温度进行测量。
所述步骤(4)中，水冷壁蒸发系统进、出口工质参数是指蒸汽或水的压力和温度，包括如下参数：汽包压力和排污流量(对于汽包锅炉)、水冷壁出口工质压力和温度(对于直流锅炉)、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力、省煤器出口给水温度；
所述步骤(4)中，炉膛水冷壁受热面的辐射热流量等于省煤器出口给水流量乘以水冷壁蒸发系统进出口工质的焓差；水冷壁蒸发系统进出口工质的焓根据相应位置的工质压力和温度计算。
一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，具体包括：
1)所述步骤(1)中锅炉参考运行状态的试验，包括在燃用设计煤种、维持蒸汽和给水参数在设计范围内，改变锅炉负荷、煤粉火嘴投用状态和燃烧器摆角等变量进行不同工况的试验，确定这些变量对比火焰辐射温度的影响；
锅炉负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角等作为自变量，用省煤器出口给水流量作为锅炉负荷，用比锅炉负荷τ表示为
其中，D是省煤器出口给水流量，De是额定负荷下省煤器出口给水流量；
煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角的变化用火焰中心位置系数M来衡量：
M＝0.59-0.5xh (2)
xh＝xr+Δx (3)
式(3)中，xr是投用的煤粉火嘴的相对标高；Δx是与燃烧器摆角有关的修正量，当燃烧器向上倾斜20°时，Δx＝+0.1，当燃烧器向下倾斜20°时，Δx＝-0.1，当摆角较小时，Δx值可相应地用插值法确定；
式(3)中投用的煤粉火嘴的相对标高xr按式(4)计算，
式(4)中，hr为投用的煤粉火嘴轴线高度的加权值，hH为炉膛高度；hr根据投用的煤粉火嘴的轴线高度和流量计算，
式(5)中，hi为投用的煤粉火嘴的轴线高度，mi为投用的煤粉火嘴的燃料流量，对于直吹式制粉系统，可由磨煤机出力决定；
参考运行状试验中的比火焰辐射温度γ，按下式计算，
式(6)中，T为测温截面多点烟气温度的平均值，Tx为炉内火焰平均辐射温度，Tx按下式计算，
式(7)中，Qw为炉膛水冷壁受热面辐射热流量；σ0为黑体辐射系数，σ0＝5.67×10- 11kW/(m2.K4)；al为炉膛黑度；x为受热面的角系数；Fl为炉膛水冷壁受热面面积；式(7)中炉膛黑度al采用锅炉热力计算标准中的方法进行；ζ0为参考状态下的炉膛灰污系数，ζ0取设计值；
式(7)中炉膛水冷壁受热面辐射热流量Qw根据水冷壁蒸发系统内的工质参数计算，其中，对于自然循环汽包炉，按下式计算，
Qw＝(m-mp)hs-mh″e+mphw (8)
对于直流锅炉，按下式计算，
Qw＝m(h″-h′) (9)
式(8)、(9)中，m为省煤器出口给水流量；mp为汽包炉排污流量；hs为汽包压力下饱和蒸汽的焓值；h″e为汽包炉省煤器出口给水的焓值；hw为汽包压力下饱和蒸水的焓值；h′、h″分别为直流锅炉进口工质、出口工质的焓值；这些水和蒸汽的焓值分别根据相应位置的压力和温度的测量值来计算；
根据参考运行状态试验得到的比火焰辐射温度γ、比锅炉负荷τ和火焰中心位置系数M的数据，采用多元变量二次型模型进行拟合，得到如下关系
γ＝a0+a1τ+a2M+a3τM+a4τ2+a5M2 (10)
式(10)中，a0、a1、a2、a3、a4、a5为拟合常数，通过回归分析得到，式(10)反映了负荷、煤粉火嘴投用状态和燃烧器摆角对比火焰辐射温度的影响规律；
在参考状态试验完成后，根据步骤(2)到步骤(5)对实际运行锅炉炉膛灰污系数进行在线测量；
2)在步骤(2)的锅炉实际运行状态下，测量炉膛负荷、燃烧器摆角、磨煤机给煤量等参数，根据步骤1)的式(1)计算锅炉比负荷τ；根据式(2)～式(5)计算火焰中心位置系数M；将比负荷τ和火焰中心位置系数M代入步骤1)的式(10)，计算锅炉实际运行状态下的比火焰辐射温度γ。
3)在步骤(3)中利用炉膛声波测温装置测量测温截面多点烟气温度，根据式(11)计算测温截面烟气温度平均值T：
式(11)中，n为声波测温截面测点个数，Ti为第i个测点的烟气温度值；
根据比火焰辐射温度γ和测温截面烟气温度平均值T计算炉内火焰平均辐射温度Tx：
Tx＝γT (12)
4)测量省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力和省煤器出口给水温度，对于汽包锅炉测量汽包压力和排污流量，对于直流锅炉测量水冷壁出口工质压力和温度；根据这些压力和温度的测量值，根据步骤1)中的式(8)或式(9)计算炉膛水冷壁受热面的辐射热流量Qw；
5)根据炉膛水冷壁受热面的辐射热流量Qw和炉内火焰平均辐射温度Tx，利用式(13)计算炉膛受热面灰污系数ζ
式(13)中σ0为黑体辐射系数，σ0＝5.67×10-11kW/(m2.K4)；al为炉膛黑度；x为受热面的角系数；Fl为炉膛水冷壁受热面面积，式(7)中炉膛黑度al采用锅炉热力计算标准中的方法进行。
一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的装置，与在线测量炉膛灰污系数的方法相配合，包括电厂DCS4,控制柜2，测温装置1，计算机及显示装置3，所述测温装置1采用声波收发器，所述控制柜2采用PCU控制柜，所述PCU控制柜分别与计算机及显示装置3、电厂DCS4连接，声波收发器与控制柜2连接，声波收发器设有多个。
本发明有益效果：
1.本发明通过引入锅炉参考状态，将参考状态作为已知的运行状态，进行详细的试验测试，并将参考状态作为实际运行中灰污系数测量计算的对比状态，能够显著提高灰污系数测量的准确性。
2.本发明通过采用炉膛蒸发受热面内工质参数确定受热面辐射热流量，由于工质侧参数波动小，测量准确，辐射换热过程动态特性好，炉膛灰污系数测量精度和灵敏性高，可靠性好。解决了现有技术中炉膛受热面的积灰监测方法主要是基于烟气热平衡和受热面传热计算存在的系统和环节较多、测量滞后时间长、输入参数波动大，不能有效地实现广泛的在线测量的问题，以及由于从低温烟气区逆烟气流程反算炉膛出口烟气温度时、各级受热面的计算误差会累积到灰污参数上，导致监测结果不准确的问题；解决了采用清洁因子表示受热面沾污状态的相对变化存在的清洁因子对受热面清洁度变化的分辨率较低、准确性差的问题。
3.本发明综合考虑炉膛负荷、煤粉喷嘴投用状态和燃烧器摆角等的影响，特别适用于锅炉燃用煤种结焦性能变化后炉膛灰污系数的测量，根据炉膛灰污系数的测量结果，对吹灰系统进行优化，提高了锅炉运行的经济性和安全性。解决了现有技术的炉膛污染状态监测技术存在的没有考虑炉膛运行环境的多变性、不能够适用于炉膛的变工况运行的问题。
附图说明
图1为锅炉炉膛声波测温系统；
图2为炉膛声波测温系统测量截面示意图；
图3为炉膛声波测温系统测量温度测点布置示意图；
图4为锅炉掺烧易结焦煤种前后，炉膛灰污系数的测量结果；
图5为锅炉掺烧易结焦煤种前后，不同负荷下火焰图像对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
实施例1
如图1-5所示，一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，包括以下步骤：
(1)在锅炉参考运行状态下，进行多个运行工况的三变量试验，确定炉膛负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角对比火焰辐射温度的影响，得到锅炉参考状态下的比火焰辐射温度变化规律；
(2)在锅炉实际运行状态下，测量炉膛负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角等运行参数，利用参考状态下的比火焰辐射温度变化规律，确定实际运行状态下的比火焰辐射温度；
(3)对折焰角下方炉膛截面烟气温度进行测量，根据炉膛截面烟气温度平均值以及实际运行状态下的比火焰辐射温度，确定炉内火焰平均辐射温度。
(4)根据水冷壁蒸发系统进、出口工质参数，确定炉膛水冷壁受热面的辐射热流量；
(5)利用水冷壁受热面的辐射热流量和炉内火焰平均辐射温度，根据火焰辐射定律确定炉膛受热面灰污系数。
所述锅炉设有对机组负荷、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力、省煤器出口给水温度、燃烧器摆角、磨煤机给煤量等参数进行测量的热工测量仪表；对于汽包锅炉，锅炉还设有对汽包压力和排污流量进行测量的测量工具；对于直流锅炉，锅炉还设有对水冷壁出口工质压力和温度进行测量的测量工具。
所述步骤(1)中，锅炉参考运行状态是指锅炉燃用设计煤种，受热面采用常规吹灰方式和频率，蒸汽温度、压力和减温水流量等参数在设计范围，炉膛出口烟气含氧量和配风方式根据负荷自动控制，主辅机设备无缺陷运行的状态。
所述步骤(1)中，三变量试验是指改变负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角等变量而进行的试验；对于每个试验工况，测试的主要参数包括机组负荷、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力、省煤器出口给水温度、燃烧器摆角、磨煤机给煤量以及测温装置测得的截面多点烟气温度；对于汽包锅炉还包括汽包压力和排污流量参数；对于直流锅炉还包括水冷壁出口工质压力和温度参数。
所述步骤(1)中，比火焰辐射温度是炉内火焰平均辐射温度与炉膛测温截面烟气平均温度的比值；炉内火焰平均辐射温度根据炉膛水冷壁受热面辐射热流量确定，该辐射热流量利用水冷壁蒸发系统内的工质参数计算；
所述步骤(1)中，负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角对比火焰辐射温度的影响可采用多元变量二次型模型进行拟合。
所述步骤(2)中，在锅炉实际运行状态下，炉膛出口烟气含氧量和配风方式根据负荷自动控制，但在运行规程规定范围内，可自由选择燃用煤种、吹灰频率和运行参数，选用煤种的燃尽特性通常和设计煤种接近，但结焦性能有较大差异；
所述步骤(2)中，实际运行状态下的比火焰辐射温度根据负荷、煤粉火嘴投用状态和燃烧器摆角等变量，采用二次型模型计算。
所述步骤(3)中，利用炉膛声波测温装置对折焰角下方炉膛截面烟气温度进行测量。
所述步骤(4)中，水冷壁蒸发系统进、出口工质参数是指蒸汽或水的压力和温度，包括如下参数：汽包压力和排污流量(对于汽包锅炉)、水冷壁出口工质压力和温度(对于直流锅炉)、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力、省煤器出口给水温度；
所述步骤(4)中，炉膛水冷壁受热面的辐射热流量等于省煤器出口给水流量乘以水冷壁蒸发系统进出口工质的焓差；水冷壁蒸发系统进出口工质的焓根据相应位置的工质压力和温度计算。
实施例2
一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，具体包括以下步骤：
1)所述步骤(1)中锅炉参考运行状态的试验，包括在燃用设计煤种、维持蒸汽和给水参数在设计范围内，改变锅炉负荷、煤粉火嘴投用状态和燃烧器摆角等变量进行不同工况的试验，确定这些变量对比火焰辐射温度的影响；
锅炉负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角等作为自变量，用省煤器出口给水流量作为锅炉负荷，用比锅炉负荷τ表示为
其中，D是省煤器出口给水流量，De是额定负荷下省煤器出口给水流量；
煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角的变化用火焰中心位置系数M来衡量：
M＝0.59-0.5xh (2)
xh＝xr+Δx (3)
式(3)中，xr是投用的煤粉火嘴的相对标高；Δx是与燃烧器摆角有关的修正量，当燃烧器向上倾斜20°时，Δx＝+0.1，当燃烧器向下倾斜20°时，Δx＝-0.1，当摆角较小时，Δx值可相应地用插值法确定；
式(3)中投用的煤粉火嘴的相对标高xr按式(4)计算，
式(4)中，hr为投用的煤粉火嘴轴线高度的加权值，hH为炉膛高度；hr根据投用的煤粉火嘴的轴线高度和流量计算，
式(5)中，hi为投用的煤粉火嘴的轴线高度，mi为投用的煤粉火嘴的燃料流量，对于直吹式制粉系统，可由磨煤机出力决定；
参考运行状试验中的比火焰辐射温度γ，按下式计算，
式(6)中，T为测温截面多点烟气温度的平均值，Tx为炉内火焰平均辐射温度，Tx按下式计算，
式(7)中，Qw为炉膛水冷壁受热面辐射热流量；σ0为黑体辐射系数，σ0＝5.67×10- 11kW/(m2.K4)；al为炉膛黑度；x为受热面的角系数；Fl为炉膛水冷壁受热面面积；式(7)中炉膛黑度al采用锅炉热力计算标准中的方法进行；ζ0为参考状态下的炉膛灰污系数，ζ0取设计值；
式(7)中炉膛水冷壁受热面辐射热流量Qw根据水冷壁蒸发系统内的工质参数计算，其中，对于自然循环汽包炉，按下式计算，
Qw＝(m-mp)hs-mh″e+mphw (8)
对于直流锅炉，按下式计算，
Qw＝m(h″-h′) (9)
式(8)、(9)中，m为省煤器出口给水流量；mp为汽包炉排污流量；hs为汽包压力下饱和蒸汽的焓值；h″e为汽包炉省煤器出口给水的焓值；hw为汽包压力下饱和蒸水的焓值；h′、h″分别为直流锅炉进口工质、出口工质的焓值；这些水和蒸汽的焓值分别根据相应位置的压力和温度的测量值来计算；
根据参考运行状态试验得到的比火焰辐射温度γ、比锅炉负荷τ和火焰中心位置系数M的数据，采用多元变量二次型模型进行拟合，得到如下关系
γ＝a0+a1τ+a2M+a3τM+a4τ2+a5M2 (10)
式(10)中，a0、a1、a2、a3、a4、a5为拟合常数，式(10)反映了负荷、煤粉火嘴投用状态和燃烧器摆角对比火焰辐射温度的影响规律；
在参考状态试验完成后，根据步骤(2)到步骤(5)对实际运行锅炉炉膛灰污系数进行在线测量。
2)在步骤(2)的锅炉实际运行状态下，测量炉膛负荷、燃烧器摆角、磨煤机给煤量等参数，根据步骤1)的式(1)计算锅炉比负荷τ；根据式(2)～式(5)计算火焰中心位置系数M；将比负荷τ和火焰中心位置系数M代入步骤1)的式(10)，计算锅炉实际运行状态下的比火焰辐射温度γ。
3)在步骤(3)中利用炉膛声波测温装置测量测温截面多点烟气温度，根据式(11)计算测温截面烟气温度平均值T：
式(11)中，n为声波测温截面测点个数，Ti为第i个测点的烟气温度值；
根据步骤2)中确定的比火焰辐射温度γ和测温截面烟气温度平均值T计算炉内火焰平均辐射温度Tx：
Tx＝γT (12)
即，炉内火焰平均辐射温度等于声波测温测量截面烟气温度平均值乘以比火焰辐射温度。
4)测量省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力和省煤器出口给水温度，对于汽包锅炉测量汽包压力和排污流量，对于直流锅炉测量水冷壁出口工质压力和温度；根据这些压力和温度的测量值，根据步骤1)中的式(8)或式(9)计算炉膛水冷壁受热面的辐射热流量Qw。
5)根据炉膛水冷壁受热面的辐射热流量Qw和炉内火焰平均辐射温度Tx，利用式(13)计算炉膛受热面灰污系数ζ
式(13)中σ0为黑体辐射系数，σ0＝5.67×10-11kW/(m2.K4)；al为炉膛黑度；x为受热面的角系数；Fl为炉膛水冷壁受热面面积，式(7)中炉膛黑度al采用锅炉热力计算标准中的方法进行。由式(13)可知，炉膛受热面灰污系数与水冷壁受热面辐射热流量和炉内火焰平均辐射温度的四次方之商成正比。
炉膛受热面灰污系数ζ表示受热面吸收的热量占投射到受热面上的热量的比例，ζ越小，水冷壁的污染越严重，根据灰污系数ζ测量结果，对炉膛污染状态进行评价，并进行吹灰系统优化。
实施例3
炉膛灰污系数测量应用是在一台300MW锅炉上进行，该锅炉是亚临界、中间一次再热、单炉膛Π型布置，四角切圆燃烧、自然循环汽包锅炉，采用中速磨煤机正压直吹式制粉系统，配五台MP212B辊盘式磨煤机，每台磨煤机向同层四只煤粉喷嘴供粉，从下至上，煤粉喷口依次为A、B、C、D、E层，喷嘴高度即式(5)中hi(i＝1～5)分别为8.31m,9.91m,11.51m,13.11m,14.71m，炉膛高度即式(4)中hH为49.41m，水冷壁受热面积式(7)、式(13)中Fl＝2758m2，该锅炉安装并投用炉膛声波测温系统，图1为炉膛声波测温系统，图2为炉膛声波测温系统测量截面示意图，图3为炉膛声波测温系统测量温度测点布置，式(11)中，n＝24。
锅炉参考状态试验是在燃用煤种接近设计煤种，炉膛按常规方式吹灰，受热面处于正常积灰状态下进行；在参考状态下，机组负荷在174-297MW之间，运行中炉膛出口烟气含氧量和配风方式是机组负荷的函数。参考状态试验共包括14个工况，这些工况下，机组负荷Me、省煤器出口给水流量m、省煤器入口给水压力Pd、汽包压力Pec、省煤器出口给水温度tec、燃烧器摆角θ、声波测温截面烟气平均温度T、各台磨煤机给煤量mA、mB、mC、mD、mE以及计算得到的火焰中心位置系数M、比火焰辐射温度γ、比锅炉负荷τ等参数见表1和表2。
表2中的τ根据式(1)计算，γ根据式(6)计算，式(6)中的Tx根据式(7)计算，在利用式(7)计算Tx时，炉膛灰污系数ζ0取设计值，即对于该锅炉，参考状态下的ζ0＝0.45。
表1
| 变量 | 工况1 | 工况2 | 工况3 | 工况4 | 工况5 | 工况6 | 工况7 |
| M<sub>e</sub>/MW | 174 | 181 | 218 | 221 | 208 | 251 | 243 |
| m/t/h | 517.9 | 549.0 | 694.3 | 706.1 | 652.1 | 837.3 | 794 |
| m<sub>p</sub>/t/h | 13.15 | 13.54 | 16.20 | 16.32 | 15.59 | 16.60 | 16.69 |
| p<sub>d</sub>/MPa | 13 | 13.8 | 16.6 | 16.9 | 15.9 | 17.5 | 17.1 |
| P<sub>ec</sub>/MPa | 13.3 | 14.2 | 17.1 | 17.3 | 16.3 | 18 | 17.6 |
| t<sub>ec</sub>/℃ | 254 | 256.3 | 263.8 | 264.5 | 262.1 | 271.3 | 269 |
| θ/° | -5 | -5 | -5 | -5 | -5 | -5 | -5 |
| m<sub>A</sub>/t/h | 0 | 0 | 30.1 | 30.1 | 33.1 | 30.7 | 30 |
| m<sub>B</sub>/t/h | 31.3 | 31.3 | 24.6 | 25.5 | 32.7 | 28.3 | 30.5 |
| m<sub>C</sub>/t/h | 31 | 31.1 | 23.2 | 24.1 | 31.2 | 26.9 | 29 |
| m<sub>D</sub>/t/h | 28.9 | 29.3 | 22.5 | 23.3 | 4.4 | 26.2 | 28.5 |
| m<sub>E</sub>/t/h | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| T/℃ | 1144 | 1154.5 | 1215.1 | 1203.9 | 1139.7 | 1226.5 | 1238.5 |
| M// | 0.486 | 0.486 | 0.495 | 0.495 | 0.500 | 0.494 | 0.494 |
| τ// | 0.541 | 0.574 | 0.726 | 0.738 | 0.682 | 0.875 | 0.830 |
| γ// | 0.948 | 0.957 | 0.953 | 0.994 | 0.963 | 0.975 | 0.963 |
表2
根据表1和表2的最后三行中比火焰辐射温度γ、比锅炉负荷τ和火焰中心位置系数M的数据，采用多元变量二次型模型进行拟合，得到如下计算式
γ＝a0+a1τ+a2M+a3τM+a4τ2+a5M2
式中a0＝-16.9588,a1＝-2.43423,a2＝75.34017,a3＝4.70226,a4＝0.13818，a5＝-79.0187。
该锅炉在2015-12-615:00时，开始掺烧低灰熔点“大保当”煤，该煤的成分与设计煤种接近，但灰熔点较低且灰的粘性大，灰的变形温度和流动温度分别为1191℃和1285，在掺烧“大保当”煤前后24个小时，利用电厂分散控制系统DCS中采集的数据，在线计算炉膛受热面的灰污系数ζ，在某一时刻，计算流程如下：
①从电厂分散控制系统DCS中采集炉膛负荷、燃烧器摆角和磨煤机给煤量数据，根据式(1)～式(5)计算比锅炉负荷τ和火焰中心位置系数M；
②将比负荷τ和火焰中心位置系数M代入式(10)，计算比火焰辐射温度γ；
③从炉膛声波测温系统中采集声波测温截面多点烟气温度，计算声波测温截面烟气温度平均值T；
④根据比火焰辐射温度γ和声波测温截面烟气温度平均值T，计算炉内火焰平均辐射温度Tx；
⑤从电厂分散控制系统DCS中采集汽包压力、排污流量、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力和省煤器出口给水温度，根据这些压力和温度的测量值，根据式(8)计算炉膛水冷壁受热面的辐射热流量Qw；
⑥根据锅炉热力计算标准，计算炉膛黑度al。炉膛黑度al在4个机组负荷Me和省煤器出口给水流量m下的计算结果见表3，其它负荷下的炉膛黑度al值采用插值法计算；
表3
| M<sub>e</sub>/MW | 300 | 245 | 211 | 173 |
| m/t/h | 879 | 668 | 571 | 488 |
| a<sub>l</sub> | 0.972 | 0.967 | 0.963 | 0.952 |
⑦根据炉膛水冷壁受热面的辐射热流量Qw和炉内火焰平均辐射温度Tx，计算炉膛受热面灰污系数ζ。
掺烧“大保当”煤前后24个小时，炉膛灰污系数ζ在线测量结果见图4，图4中还给出炉膛灰污系数测量期间，机组电负荷的变化。
图4表明：(1)掺烧低灰熔点易结焦的“大保当”煤后，炉膛灰污系数明显降低，掺烧前，锅炉燃用煤种接近设计煤，炉膛灰污系数平均为0.408，掺烧后，炉膛灰污系数降低为0.367，炉膛污染状态比掺烧前加重。(2)在灰污系数测量时间范围内，机组负荷在197.9MW～301.5MW之间变化，灰污系数在0.34～0.47之间变化。(3)开始掺烧低灰熔点易结焦煤种后3小时内，炉膛灰污系数不断下降，随后保持相对稳定。
掺烧易结焦煤种前后，声波测温截面烟气温度分布等温线见图5，在相同负荷下，掺烧后炉膛温度明显升高，在240～300MW负荷范围内，测温截面平均温度升高39～70℃不等，这与灰污系数测量结果一致：由于掺烧后灰污系数降低，受热面污染加重，相同辐射换热量需要更高的传热温压，这是炉膛温度升高的主要原因。
上述现象表明，炉膛灰污系数测量结果准确反映了炉膛实际状态。
实施例4
一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的装置，与在线测量炉膛灰污系数的方法相配合，包括电厂DCS4,控制柜2，与锅炉连接的测温装置1，计算机及显示装置3，所述测温装置1采用声波收发器，所述控制柜2采用PCU控制柜，所述PCU控制柜分别与计算机及显示装置3、电厂DCS4连接，声波收发器与控制柜2连接，声波收发器设有多个。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，上述实施方式是本发明较佳的实施方式，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 (9)
1.一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)在锅炉参考运行状态下，进行多个运行工况的三变量试验，确定炉膛负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角对比火焰辐射温度的影响，得到锅炉参考状态下的比火焰辐射温度变化规律；
(2)在锅炉实际运行状态下，测量炉膛负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角运行参数，利用参考状态下的比火焰辐射温度变化规律，确定实际运行状态下的比火焰辐射温度；
(3)对折焰角下方炉膛截面烟气温度进行测量，根据炉膛截面烟气温度平均值以及实际运行状态下的比火焰辐射温度，确定炉内火焰平均辐射温度；
(4)根据水冷壁蒸发系统进、出口工质参数，确定炉膛水冷壁受热面的辐射热流量；
(5)利用水冷壁受热面的辐射热流量和炉内火焰平均辐射温度，根据火焰辐射定律确定炉膛受热面灰污系数。
2.如权利要求1所述的一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，其特征是，所述锅炉设有对机组负荷、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力、省煤器出口给水温度、燃烧器摆角、磨煤机给煤量参数进行测量的热工测量仪表；对于汽包锅炉，锅炉还设有对汽包压力和排污流量进行测量的测量工具；对于直流锅炉，锅炉还设有对水冷壁出口工质压力和温度进行测量的测量工具。
3.如权利要求1所述的一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，其特征是，所述步骤(1)中，锅炉参考运行状态是指锅炉燃用设计煤种，受热面采用常规吹灰方式和频率，蒸汽温度、压力和减温水流量参数在设计范围，炉膛出口烟气含氧量和配风方式根据负荷自动控制，主辅机设备无缺陷运行的状态；
所述步骤(1)中，三变量试验是指改变负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角变量而进行的试验；对于每个试验工况，测试的主要参数包括机组负荷、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力、省煤器出口给水温度、燃烧器摆角、磨煤机给煤量以及测温装置测得的截面多点烟气温度；对于汽包锅炉还包括汽包压力和排污流量参数；对于直流锅炉还包括水冷壁出口工质压力和温度参数。
4.如权利要求1所述的一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，其特征是，所述步骤(1)中，比火焰辐射温度是炉内火焰平均辐射温度与炉膛测温截面烟气平均温度的比值；炉内火焰平均辐射温度根据炉膛水冷壁受热面辐射热流量确定，该辐射热流量利用水冷壁蒸发系统内的工质参数计算；
所述步骤(1)中，负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角对比火焰辐射温度的影响可采用多元变量二次型模型进行拟合。
5.如权利要求1所述的一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，其特征是，所述步骤(2)中，在锅炉实际运行状态下，炉膛出口烟气含氧量和配风方式根据负荷自动控制，但在运行规程规定范围内，可自由选择燃用煤种、吹灰频率和运行参数，选用煤种的燃尽特性通常和设计煤种接近，但结焦性能有较大差异；
所述步骤(2)中，实际运行状态下的比火焰辐射温度根据负荷、煤粉火嘴投用状态和燃烧器摆角变量，采用二次型模型计算。
6.如权利要求1所述的一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，其特征是，所述步骤(3)中，利用炉膛声波测温装置对折焰角下方炉膛截面烟气温度进行测量。
7.如权利要求1所述的一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，其特征是，所述步骤(4)中，水冷壁蒸发系统进、出口工质参数是指蒸汽或水的压力和温度，包括如下参数：汽包压力和排污流量(对于汽包锅炉)、水冷壁出口工质压力和温度(对于直流锅炉)、省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力、省煤器出口给水温度；
所述步骤(4)中，炉膛水冷壁受热面的辐射热流量等于省煤器出口给水流量乘以水冷壁蒸发系统进出口工质的焓差；水冷壁蒸发系统进出口工质的焓根据相应位置的工质压力和温度计算。
8.如权利要求1所述的一种在线测量锅炉炉膛灰污系数的方法，其特征是，
1)所述步骤(1)中锅炉参考运行状态的试验，包括在燃用设计煤种、维持蒸汽和给水参数在设计范围内，改变锅炉负荷、煤粉火嘴投用状态和燃烧器摆角变量进行不同工况的试验，确定这些变量对比火焰辐射温度的影响；
锅炉负荷、煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角作为自变量，用省煤器出口给水流量作为锅炉负荷，用比锅炉负荷τ表示为
其中，D是省煤器出口给水流量，De是额定负荷下省煤器出口给水流量；
煤粉火嘴投用状态、燃烧器摆角的变化用火焰中心位置系数M来衡量：
M＝0.59-0.5xh (2)
xh＝xr+Δx (3)
式(3)中，xr是投用的煤粉火嘴的相对标高；Δx是与燃烧器摆角有关的修正量，当燃烧器向上倾斜20°时，Δx＝+0.1，当燃烧器向下倾斜20°时，Δx＝-0.1，当摆角较小时，Δx值可相应地用插值法确定；
式(3)中投用的煤粉火嘴的相对标高xr按式(4)计算，
式(4)中，hr为投用的煤粉火嘴轴线高度的加权值，hH为炉膛高度；hr根据投用的煤粉火嘴的轴线高度和流量计算，
式(5)中，hi为投用的煤粉火嘴的轴线高度，mi为投用的煤粉火嘴的燃料流量，对于直吹式制粉系统，可由磨煤机出力决定；
参考运行状试验中的比火焰辐射温度γ，按下式计算，
式(6)中，T为测温截面多点烟气温度的平均值，Tx为炉内火焰平均辐射温度，Tx按下式计算，
式(7)中，Qw为炉膛水冷壁受热面辐射热流量；σ0为黑体辐射系数，σ0＝5.67×10-11kW/(m2.K4)；al为炉膛黑度；x为受热面的角系数；Fl为炉膛水冷壁受热面面积；式(7)中炉膛黑度al采用锅炉热力计算标准中的方法进行；ζ0为参考状态下的炉膛灰污系数，ζ0取设计值；
式(7)中炉膛水冷壁受热面辐射热流量Qw根据水冷壁蒸发系统内的工质参数计算，其中，对于自然循环汽包炉，按下式计算，
Qw＝(m-mp)hs-mh″e+mphw (8)
对于直流锅炉，按下式计算，
Qw＝m(h″-h′) (9)
式(8)、(9)中，m为省煤器出口给水流量；mp为汽包炉排污流量；hs为汽包压力下饱和蒸汽的焓值；h″e为汽包炉省煤器出口给水的焓值；hw为汽包压力下饱和蒸水的焓值；h′、h″分别为直流锅炉进口工质、出口工质的焓值；这些水和蒸汽的焓值分别根据相应位置的压力和温度的测量值来计算；
根据参考运行状态试验得到的比火焰辐射温度γ、比锅炉负荷τ和火焰中心位置系数M的数据，采用多元变量二次型模型进行拟合，得到如下关系
γ＝a0+a1τ+a2M+a3τM+a4τ2+a5M2 (10)
式(10)中，a0、a1、a2、a3、a4、a5为拟合常数，式(10)反映了负荷、煤粉火嘴投用状态和燃烧器摆角对比火焰辐射温度的影响规律；
在参考状态试验完成后，根据步骤(2)到步骤(5)对实际运行锅炉炉膛灰污系数进行在线测量；
2)在步骤(2)的锅炉实际运行状态下，测量炉膛负荷、燃烧器摆角、磨煤机给煤量参数，根据步骤1)的式(1)计算锅炉比负荷τ；根据式(2)～式(5)计算火焰中心位置系数M；将比负荷τ和火焰中心位置系数M代入步骤1)的式(10)，计算锅炉实际运行状态下的比火焰辐射温度γ；
3)在步骤(3)中利用炉膛声波测温装置测量测温截面多点烟气温度，根据式(11)计算测温截面烟气温度平均值T：
式(11)中，n为声波测温截面测点个数，Ti为第i个测点的烟气温度值；
根据步骤2)中确定的比火焰辐射温度γ和测温截面烟气温度平均值T计算炉内火焰平均辐射温度Tx：
Tx＝γT (12)
4)测量省煤器出口给水流量、省煤器出口给水压力和省煤器出口给水温度，对于汽包锅炉测量汽包压力和排污流量，对于直流锅炉测量水冷壁出口工质压力和温度；根据这些压力和温度的测量值，根据步骤1)中的式(8)或式(9)计算炉膛水冷壁受热面的辐射热流量Qw；
5)根据炉膛水冷壁受热面的辐射热流量Qw和炉内火焰平均辐射温度Tx，利用式(13)计算炉膛受热面灰污系数ζ
式(13)中，σ0为黑体辐射系数，σ0＝5.67×10-11kW/(m2.K4)；al为炉膛黑度；x为受热面的角系数；Fl为炉膛水冷壁受热面面积，式(7)中炉膛黑度al采用锅炉热力计算标准中的方法进行。
9.一种利用如权利要求1-8所述任意一项方法的在线测量锅炉炉膛灰污系数的装置，与在线测量炉膛灰污系数的方法相配合，包括电厂DCS,控制柜，测温装置，计算机及显示装置，所述测温装置采用声波收发器，所述控制柜采用PCU控制柜，所述PCU控制柜分别与计算机及显示装置、电厂DCS连接，声波收发器与控制柜连接，声波收发器设有多个。
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