CN109000745B - 一种用于测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，该装置包括：喷淋强度探头，其为一端开口的中空结构，喷淋强度探头最外侧设有喷淋探头外壳，喷淋强度探头内部设有中空腔，喷淋强度探头一端开口处设有尾部端盖，中空腔内设有测温元件，且测温元件与中空腔内壁接触，中空腔内还设有电热丝，电热丝沿中空腔轴向布置，且电热丝不与测温元件接触；温度信号采集装置，其输入端通过测温元件引线与测温元件连接，温度信号采集装置输出端设有两条支路；喷淋强度诊断装置，其与温度信号采集装置输出端的一条支路连接；电加热控制装置，其一端与温度信号采集装置输出端的另一条支路连接，电加热控制装置另一端通过电热元件引线与电热丝连接。
Description
技术领域
本发明涉及燃煤电厂烟气净化和节能减排领域，具体而言，涉及一种用于测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置及测量方法。
背景技术
我国大中型燃煤电厂普遍采用湿法脱硫工艺进行烟气二氧化硫脱除。湿法脱硫塔内设有多层喷淋层，每层喷淋层内设有上百个喷嘴，石灰石-石膏浆液由喷嘴喷出并在重力作用下下落，与上行的烟气形成逆流，并发生传热、传质，二氧化硫扩散至浆液滴表面并与其中的碳酸钙发生反应，生成亚硫酸钙，并在浆液池中被氧化、结晶而生成石膏。显然，喷嘴对于脱硫系统的正常工作至关重要，然而由于脱硫产物之一的亚硫酸钙容易结垢，故喷淋系统常发生堵塞，导致部分喷嘴根本无浆液喷出，相应区域内的脱硫效果大大减弱。然而湿法脱硫塔通常无法在线进行喷淋系统堵塞的诊断，只能在机组停机时进行人工目视检查，严重降低了运行安全性，并制约了生产水平的提高。
实现喷淋系统堵塞的诊断，常规手段存在较大难度。喷淋系统堵塞时，最直接的表现是所在管路的浆液流量大幅减少或变为零，因而进行管路内的浆液流量监测是最直接的监测方法。但是，脱硫塔的每一个喷淋层内通常布有几百个喷嘴，而流量计本身较为精密，且造价较高，为每个喷嘴支路配置流量计是不现实的。再例如，通过图像识别，能够判断视频监测探头近处少数的喷嘴堵塞，但脱硫塔内浆液滴的空间密度很大而导致能见度很低，因而对于稍远处的喷嘴，图像识别是无能为力的。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置及测量方法，利用喷淋浆液的冷却能力与其流量呈正相关这一原理，发明了喷淋强度测量装置，可用于湿法脱硫塔的喷淋系统堵塞的监测。
本发明提供了一种用于测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，该装置包括：
喷淋强度探头，其为一端开口的中空结构，所述喷淋强度探头最外侧设有喷淋探头外壳，所述喷淋强度探头内部设有中空腔，所述喷淋强度探头一端开口处设有尾部端盖，所述中空腔内设有测温元件，且所述测温元件与所述中空腔内壁接触，所述中空腔内还设有电热丝，所述电热丝沿所述中空腔轴向布置，且所述电热丝不与所述测温元件接触；
温度信号采集装置，其输入端通过测温元件引线与所述测温元件连接；
电加热控制装置，其输入端通过电热元件引线与所述电热丝连接；
喷淋强度诊断装置，所述温度信号采集装置和所述电加热控制装置的输出端均与所述喷淋强度诊断装置连接。
作为本发明的进一步改进，所述尾部端盖上设有第一引出孔和第二引出孔，所述测温元件引线从所述第一引出孔穿出，所述电热元件引线从所述第二引出孔穿出
作为本发明的进一步改进，所述喷淋探头外壳外还套有套筒，所述套筒通过支撑杆与所述喷淋探头外壳连接。
作为本发明的进一步改进，所述套筒上均匀设有孔缝，所述孔缝的开孔率为10％～90％。
作为本发明的进一步改进，所述套筒直径为所述喷淋强度探头直径的1.01～3倍，所述套筒长度为所述喷淋强度探头长度的1.0～3倍。
作为本发明的进一步改进，所述测温元件至少设有两个，且所述测温元件之间不形成接触，所述测温元件为点接触测温传感器或膜状测温传感器，所述测温元件测量范围为-10℃～150℃，测量误差≤±1.5℃。
作为本发明的进一步改进，所述喷淋探头外壳材质为高导热率材料。
作为本发明的进一步改进，所述中空腔内填充有高导热率材料。
作为本发明的进一步改进，所述电加热控制装置设有超温报警器。
本发明还提供了一种所述的测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、所述电加热控制装置对所述电热丝通电，所述电热丝对所述喷淋探头外壳进行加热，使所述喷淋探头外壳温度高于喷淋浆液的温度t1；
步骤2、维持所述电热丝的加热功率Qh和喷淋浆液的温度t1恒定，用所述测温元件测量所述喷淋探头外壳的内壁温度t0，或维持所述喷淋探头外壳的内壁温度t0和所述喷淋浆液的温度t1恒定，用所述电加热控制装置测量所述电热丝的加热功率Qh；
步骤3、通过所述温度信号采集装置将所述测温元件测得的所述喷淋探头外壳的内壁温度t0传递给所述喷淋强度诊断装置，或将所述电加热控制装置测得的所述电热丝的加热功率Qh传递给所述喷淋强度诊断装置；
步骤4、所述喷淋强度诊断装置根据其自身存储的t0～Qs对应关系，由测得的述喷淋探头外壳的内壁温度t0反推出喷淋强度Qs，或所述喷淋强度诊断装置根据其自身存储的Qh～Qs对应关系，由测得的加热功率Qh反推出喷淋强度Qs。
本发明的有益效果为：解决了我国燃煤电厂湿法脱硫塔内喷淋强度尚无实用测量装置的问题，本发明利用喷淋浆液的冷却能力与其流量呈正相关这一原理，设计了如上所述的喷淋强度测量装置，根据喷嘴的喷淋强度对湿法脱硫塔的喷淋系统堵塞情况进行监测。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种用于测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置结构示意图；
图2为本发明实施例所述的喷淋强度探头的结构剖面图；
图3为本发明实施例所述的喷淋强度探头的尾部端盖的结构剖面图；
图4为本发明实施例所述的带有套管的喷淋强度探头三维结构示意图；
图5为本发明实施例所述的带有套管的喷淋强度探头尾部端盖三维结构示意图；
图6为本发明实施例所述的带有套管的喷淋强度探头右视图；
图7为本发明实施例所述的喷淋强度探头内壁温度与喷淋强度的定量关系曲线图。
图中，
1、喷淋强度探头；2、温度信号采集装置；3、喷淋强度诊断装置；4、电加热控制装置；5、测温元件；6、喷淋探头外壳；7、电热丝；8、尾部端盖；9、测温元件引线；10、电热元件引线；11、中空腔；12、第一引出孔；13、第二引出孔；14、套筒；15、孔缝；16、支撑杆。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1-6所示，本发明实施例所述的是一种用于测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，该装置包括：
喷淋强度探头1，其为一端开口的中空结构，本实施例中优选为中空圆筒；喷淋强度探头1最外侧设有喷淋探头外壳6，喷淋探头外壳6起保护内部元件和传递热量的作用；喷淋强度探头1内部设有中空腔11，喷淋强度探头1一端开口处设有尾部端盖8，喷淋探头外壳6和尾部端盖8使中空腔11形成一个密闭空间；中空腔11内设有测温元件5，且测温元件5与中空腔11内壁接触，用于测量喷淋探头外壳6的内壁温度t0；中空腔11内还设有电热丝7，电热丝7沿中空腔11轴向布置，用于对喷淋探头外壳6进行加热，且电热丝7不与测温元件5接触，避免对测温元件5的测温精度产生影响。
温度信号采集装置2，其输入端通过测温元件引线9与测温元件5连接，测温元件5测得的喷淋探头外壳6的内壁温度t0通过测温元件引线9传递给温度信号采集装置2。
电加热控制装置4，其输入端通过电热元件引线10与电热丝7连接，电加热控制装置4通过电热元件引线10实现对电热丝7的加热。
喷淋强度诊断装置3，温度信号采集装置2和电加热控制装置4的输出端均与喷淋强度诊断装置3连接。温度信号采集装置2将所获得的喷淋探头外壳6内壁温度信息传递给喷淋强度诊断装置3，喷淋强度诊断装置3对所获得的温度信息进行分析计算；电加热控制装置4将所获得的电热丝7的加热功率信息传递给喷淋强度诊断装置3，喷淋强度诊断装置3对所获得的加热功率信息进行分析计算。
进一步的，尾部端盖上设有第一引出孔12和第二引出孔13，测温元件引线9从第一引出孔12穿出，电热元件引线10从第二引出孔13穿出。
进一步的，喷淋探头外壳6外还套有套筒14，套筒14通过支撑杆16与喷淋探头外壳6连接，套筒14适用于喷淋强度较大的场合，当喷淋强度≥25mm/s时，则需要使用套筒14，用于降低落于喷淋探头外壳6上的喷淋浆液的流量。
进一步的，套筒14上均匀设有孔缝15，孔缝15的开孔率为10％～90％，液体可从重力方向上通过套筒14上部的孔缝15落入套筒14内并与喷淋探头外壳6接触和换热，之后从套筒14内下部的孔缝15流出，根据喷淋强度的大小来选择套筒14的开孔率，喷淋强度越大则需选择较大的开孔率。
进一步的，套筒14直径为喷淋强度探头1直径的1.01～3倍，套筒14长度为喷淋强度探头1长度的1.0～3倍。
进一步的，测温元件5至少设有两个，且测温元件5之间不形成接触，测温元件5为点接触测温传感器或膜状测温传感器，测温元件5测量范围为-10℃～150℃，测量误差≤±1.5℃。为了防止单个测温元件损坏导致错误测量，进一步提高测量的可靠性，故而设置一个以上的测温元件，并且互相之间在探头的轴向和周向保持一定的间隔。温度信号检测装置2采集测温元件5所测温度，并剔除明显不合理的数值。
进一步的，喷淋探头外壳6材质为高导热率材料，由于喷淋探头外壳6起保护内部元件和传递热量的作用，故而应该选择铜、铝等高导热率的材料。
进一步的，中空腔11内填充有高导热率材料，为增强喷淋探头外壳6与电热丝7、测温元件5之间的换热效果，故而中空腔11内需填充铜粉、铝粉、导热硅脂等高导热率材料。
进一步的，电加热控制装置4设有超温报警器，当喷淋探头外壳6的内壁温度t0超过预先设定的安全值时，超温报警器发出报警信号并停止向电热丝7供电。浆液的主要成分是水，因此安全值可以设为当地海拔对应的水沸点温度以上1～10℃，在我国低海拔地区可设为110℃。
本发明还提供了一种利用所述测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、电加热控制装置4对电热丝7通电，电热丝7对喷淋探头外壳6进行加热，使喷淋探头外壳6温度高于喷淋浆液的温度t1(一般在50℃～55℃)，喷淋浆液温度低于探头外壳，起到为探头外壳降温的作用。加热和降温作用最终达到平衡，此时电热丝的加热功率等于外壳向喷淋浆液的散热功率。
步骤2、维持电热丝7的加热功率Qh和喷淋浆液的温度t1恒定，用测温元件5测量喷淋探头外壳6的内壁温度t0，该方法是在恒热模式下对喷淋强度进行测量，即电热丝7的加热功率Qh为设定好的特定值，喷淋强度Qs越大，浆液对探头的降温作用越强，则t0越小。因此，通过测量t0，结合其它已知参数或传热模型，可以反推出Qs的大小；
或维持喷淋探头外壳6的内壁温度t0和喷淋浆液的温度t1恒定，用电加热控制装置4测量电热丝7的加热功率Qh，该方法是在恒温模式下对喷淋强度进行测量，即喷淋探头外壳6的内壁温度t0为设定好的特定值，恒温模式下，Qs越大则所需的Qh也越大，测量Qh即可反推出Qs的大小。
本实施例选用的是在恒温模式下对喷淋强度进行测量，恒温模式较恒热模式的一个优点是超温的可能性低，而恒热模式在Qs很小的情况下容易导致过高的探头温度，可能损坏探头内部元件。但恒温模式要求电加热控制装置能够实时根据t0的测量值调整加热功率Qh，对设备复杂度和控制精度的要求较高。
步骤3、通过温度信号采集装置2将测温元件5测得的喷淋探头外壳6的内壁温度t0传递给喷淋强度诊断装置3，若采用恒热模式对喷淋强度进行测量，则需测量喷淋探头外壳6的内壁温度t0，之后将而温度信号传至喷淋强度诊断装置3；或将电加热控制装置4测得的电热丝7的加热功率Qh传递给喷淋强度诊断装置3，若采用恒温模式对喷淋强度进行测量，则需对电热丝7的加热功率Qh进行测量，之后将测量的加热功率信号或设定好的加热功率信号传至喷淋强度诊断装置3。
步骤4、喷淋强度诊断装置3根据其自身存储的t0～Qs对应关系，由测得的述喷淋探头外壳6的内壁温度t0反推出喷淋强度Qs，或喷淋强度诊断装置3根据其自身存储的Qh～Qs对应关系，由测得的加热功率Qh反推出喷淋强度Qs，喷淋强度诊断装置3存储有探头结构参数、套筒配置如有无套筒、套筒开孔率等参数，根据所使用的测量装置确定参数之后，再根据t0～Qs或Qh～Qs的对应关系得出喷淋强度Qs。
本实施例以600MW火电机组的湿法脱硫塔为例对喷淋强度予以测量，首先根据传热学原理，导出t0与Qs的定量关系。探头外壳的外径为d，壁厚为δ，长度为L。热量经外壳内壁通过导热作用传至外壳的外壁，进一步通过对流换热传至流经探头外壳的浆液。该传热过程的热阻包括导热热阻Rcond和对流换热热阻Rconv两部分。由于探头外壳较薄，且为细长形，故其导热可近似为沿壁厚方向的一维导热，有单位面积上的导热热阻：
其中δ，λ分别是探头外壳的壁厚和导热系数。
对流换热热阻：
其中h是探头外壳与浆液之间的对流换热系数，与Qs和浆液的物性参数等因素有关。
由于脱硫塔内的浆液喷淋强度Qs通常很大，故浆液与探头外壳之间的换热近似按流体绕流圆柱进行分析。流体绕流圆柱的对流换热系数经验关系式为(《传热学》杨世铭陶文铨编著，第四版，北京：高等教育出版社.第258页)：
其中Nu为努塞尔数，h为对流换热系数，d为探头外径，λf为浆液的导热系数。Re为雷诺数，Pr为浆液的普朗特数，本式的定性温度为(tw+ts)/2，tw、ts分别是探头外壁温度和浆液主流的温度。由上式可算得对流换热系数h，从而根据热阻的串联关系可知：
下面给出计算过程和结果。探头结构尺寸及其它相关计算参数如表1。脱硫塔截面为圆形，内径16m。脱硫塔内设有4层喷淋层，每层喷淋层的浆液流量均为10000m3/h，因此最大浆液流量即为40000m3/h，考虑到可能存在喷嘴堵塞的问题，故计算中浆液流量最小值设为了单层浆液流量的四分之一，即2500m3/h。喷淋强度Qs等于浆液流量除以脱硫塔截面积，并换算成以mm/s为单位。
根据上文分析和模型进行计算，电加热功率Qh分别为30W和60W时的探头内壁温度t0随喷淋强度Qs的变化如图7所示。可见在给定工况下，t0和Qs具有一一对应关系，实际测量时在给定电加热功率下，只需要测得探头内壁温度t0，即可由类似于图7给出的定量关系反推出喷淋强度Qs。
由图7还可看出，t0～Qs曲线在Qs较大(≥25mm/s，无套筒时)时变化较为平缓，测量的灵敏度低于Qs较小的情况。例如，60W的加热功率下，Qs为41.5和55.3mm/s时的t0的差距为3.5℃，而Qs为13.8和27.7mm/s时的t0的差距则达14.5℃。为提高测量的灵敏度，可为探头加装套筒。套筒上仅部分位置开有孔缝，这使得探头“感受”到的喷淋强度Q’s小于套筒之外的实际喷淋强度Qs。图7中给出了套筒开孔率为50％、直径为6mm、长度为50mm时的t0～Qs曲线，灵敏度较无套筒情况有较大提高。
表1探头结构尺寸及相关参数(实例)
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，其特征在于，包括：
喷淋强度探头(1)，其为一端开口的中空结构，所述喷淋强度探头(1)最外侧设有喷淋探头外壳(6)，所述喷淋强度探头(1)内部设有中空腔(11)，所述喷淋强度探头(1)一端开口处设有尾部端盖(8)，所述中空腔(11)内设有测温元件(5)，且所述测温元件(5)与所述中空腔(11)内壁接触，所述中空腔(11)内还设有电热丝(7)，所述电热丝(7)沿所述中空腔(11)轴向布置，且所述电热丝(7)不与所述测温元件(5)接触；
温度信号采集装置(2)，其输入端通过测温元件引线(9)与所述测温元件(5)连接；
电加热控制装置(4)，其输入端通过电热元件引线(10)与所述电热丝(7)连接；
喷淋强度诊断装置(3)，所述温度信号采集装置(2)和所述电加热控制装置(4)的输出端均与所述喷淋强度诊断装置(3)连接；
该装置用于湿法脱硫塔浆液喷淋强度的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、所述电加热控制装置(4)对所述电热丝(7)通电，所述电热丝(7)对所述喷淋探头外壳(6)进行加热，使所述喷淋探头外壳(6)温度高于喷淋浆液的温度t1；
步骤2、维持所述电热丝(7)的加热功率Qh和喷淋浆液的温度t1恒定，用所述测温元件(5)测量所述喷淋探头外壳(6)的内壁温度t0，或维持所述喷淋探头外壳(6)的内壁温度t0和所述喷淋浆液的温度t1恒定，用所述电加热控制装置(4)测量所述电热丝(7)的加热功率Qh；
步骤3、通过所述温度信号采集装置(2)将所述测温元件(5)测得的所述喷淋探头外壳(6)的内壁温度t0传递给所述喷淋强度诊断装置(3)，或将所述电加热控制装置(4)测得的所述电热丝(7)的加热功率Qh传递给所述喷淋强度诊断装置(3)；
步骤4、所述喷淋强度诊断装置(3)根据其自身存储的t0～Qs对应关系，由测得的述喷淋探头外壳(6)的内壁温度t0反推出喷淋强度Qs，或所述喷淋强度诊断装置(3)根据其自身存储的Qh～Qs对应关系，由测得的加热功率Qh反推出喷淋强度Qs。
2.根据权利要求1所述的测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，其特征在于，所述尾部端盖(8)上设有第一引出孔(12)和第二引出孔(13)，所述测温元件引线(9)从所述第一引出孔(12)穿出，所述电热元件引线(10)从所述第二引出孔(13)穿出。
3.根据权利要求1所述的测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，其特征在于，所述喷淋探头外壳(6)外还套有套筒(14)，所述套筒(14)通过支撑杆(16)与所述喷淋探头外壳(6)连接。
4.根据权利要求3所述的测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，其特征在于，所述套筒(14)上均匀设有孔缝(15)，所述孔缝(15)的开孔率为10％～90％。
5.根据权利要求3所述的测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，其特征在于，所述套筒(14)直径为所述喷淋强度探头(1)直径的1.01～3倍，所述套筒(14)长度为所述喷淋强度探头(1)长度的1.0～3倍。
6.根据权利要求1所述的测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，其特征在于，所述测温元件(5)至少设有两个，且所述测温元件(5)之间不形成接触，所述测温元件(5)为点接触测温传感器或膜状测温传感器，所述测温元件(5)测量范围为-10℃～150℃，测量误差≤±1.5℃。
7.根据权利要求1所述的测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，其特征在于，所述喷淋探头外壳(6)材质为高导热率材料。
8.根据权利要求1所述的测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，其特征在于，所述中空腔(11)内填充有高导热率材料。
9.根据权利要求1所述的测量湿法脱硫塔浆液喷淋强度的装置，其特征在于，所述电加热控制装置(4)设有超温报警器。
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