CN109540589A - 一种炉内积灰的实时在线监测采样装置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种炉内积灰的实时在线监测采样装置及其操作方法，包括：支撑连接装置、移动装置、图像采集装置、取样枪、温度采集装置、重量采集装置和控制处理器；支撑连接装置上设置有图像采集装置；移动装置固定设置在支撑连接装置上；取样枪安装在移动装置上；取样枪设置有温度采集装置；取样枪内设置有冷却气体流道和冷却液体流道，冷却气体流道设置有气体流量控制阀，冷却液体流道设置有液体流量控制阀；取样枪的左端部设置有重量采集装置；控制处理器通过图像采集装置、温度采集装置和重量采集装置采集信息。本发明能够实现实时对炉内积灰宏观形貌进行观察，能够获得炉内受热面上的实时积灰速度。

Description

一种炉内积灰的实时在线监测采样装置及其操作方法
技术领域
本发明属于炉内积灰研究技术领域以及高碱燃料高温燃烧时的积灰机理研究设备技术领域，涉及电厂锅炉及相关燃烧设备的炉内积灰实时在线监测和采样装置，特别涉及一种炉内积灰的实时在线监测采样装置及其操作方法。
背景技术
煤炭一直以来都是我国主要的一次能源，尤其是在发电耗能中煤炭比例仍超过70％。近年来在新疆地区发现的大型准东煤田是我国最大的整装煤田，势必成为我国未来能源安全的保证。另外，生物质能源作为一种“CO2零排放”的清洁可再生能源，其开发和利用对缓解能源供应紧张和温室气体的减排等具有重要意义。但与其它地区煤种和固体燃料相比，准东地区煤和生物质均含有较多的碱金属，极易造成锅炉设备受热面更为突出的积灰问题。在高温火焰中，这些高碱燃料中的碱金属很容易释到烟气中，随着烟气温度的降低发生复杂的物理化学变化，并经由热泳、扩散等作用在受热面上冷凝沉积形成初始积灰层。这些含碱金属的初始积灰层的形成会进一步加速促进烟气中气固相物质在受热面上的积灰，并诱发严重的结渣腐蚀等问题，严重威胁锅炉设备安全、经济以及高效运行，制约准东煤和生物质的利用。
获得高碱燃料在炉内的积灰形成机理对于防止锅炉严重积灰结渣、优化运行以及锅炉的优化设计具有非常重要的意义。监测受热面积灰速度并对积灰样品进行采集分析，获得高碱燃料燃烧过程中锅炉设备受热面的积灰形成速度，积灰形貌、元素组成及主要成分，是研究积灰形成机理和控制方法的主要研究方法。目前，对高碱燃料燃烧过程中的积灰研究主要包括在停火后冷态采集锅炉受热面上的积灰和采用积灰装置的实时采样两种方式对样品进行采集，然后进一步分析其形貌成分等特征。这两种方法虽然在一定程度上能获得积灰的形成机理，但均无法实现实时对积灰宏观形貌进行观察和受热面上的实时积灰速度的获得。
发明内容
本发明的目的在于提供一种炉内积灰的实时在线监测采样装置及其操作方法，以解决上述存在的技术问题。本发明能够实现实时对炉内积灰宏观形貌进行观察，能够获得炉内受热面上的实时积灰速度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，包括：支撑连接装置、移动装置、图像采集装置、取样枪、温度采集装置、重量采集装置和控制处理器；支撑连接装置用于将所述实时在线监测采样装置与锅炉固定连接；支撑连接装置上设置有安装通孔和图像采集通孔；图像采集通孔处设置有图像采集装置；移动装置固定设置在支撑连接装置上；取样枪的左端部安装在移动装置上，在移动装置的驱动下取样枪的右端部能够穿过支撑连接装置的安装通孔伸入或退出炉内；取样枪的右端部设置有温度采集装置；取样枪内设置有冷却气体流道和冷却液体流道，冷却气体流道设置有气体流量控制阀，冷却液体流道设置有液体流量控制阀；取样枪的左端部设置有重量采集装置；其中，图像采集装置、温度采集装置和重量采集装置的信号输出端均与控制处理器的信号接收端相连接；控制处理器的信号输出端分别与移动装置、气体流量控制阀以及液体流量控制阀的信号接收端相连接。
进一步的，取样枪为四层套管结构；冷却液体流道为中间两层，冷却气体流道为最内层和最外层。
进一步的，图像采集装置为高速摄像机。
进一步的，温度采集装置为热电偶；热电偶的数量为多个；多个热电偶分散埋设在取样枪内，热电偶用于检测取样枪的管壁温度。
进一步的，重量采集装置为称重传感器；称重传感器设置取样枪和移动装置之间。
进一步的，移动装置包括电机、导轨和移动块；电机的信号接收端与控制处理器的信号输出端相连接，移动块可移动的设置在导轨上，电机能够驱动移动块在导轨上移动；取样枪通过连接机构安装在移动块上。
进一步的，导轨水平设置。
进一步的，还包括平衡装置；平衡装置设置在取样枪的左端。
进一步的，支撑连接装置为法兰盘。
一种炉内积灰的实时在线监测采样装置的操作方法，包括以下步骤：
步骤1，通过支撑连接装置将所述实时在线监测采样装置安装在锅炉烟道外壁上；
步骤2，通过移动装置驱动取样枪，使取样枪的右端部穿过支撑连接装置的安装通孔伸入锅炉烟道内；
步骤3，通过温度采集装置采集取样枪的管壁温度，并将采集的信息传递给控制处理器；控制处理器通过调节气体流量控制阀和液体流量控制阀，使取样枪的管壁温度达到预设温度；
步骤4，进行实时监测采样，通过图像采集装置采集炉内积灰实时图像，通过重量采集装置实时采集积灰质量；将采集的信息传递给控制处理器进行记录并计算出积灰速度；
步骤5，监测采样达到预设时间，通过移动装置驱动取样枪退出锅炉烟道，收集取样枪上的积灰完成采样。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的实时在线监测采样装置的取样枪能够伸入炉内获得不同烟道位置处受热器上积灰状况；通过图像采集装置能够实时在线监测获得积灰取样枪表面积灰状况，同时利用重量采集装置采集取样枪重量的变化，进而获得受热面上的实时积灰速度；能够实现实时对炉内积灰宏观形貌进行观察，能够获得炉内受热面上的实时积灰速度。取样过程中，通过控制处理器控制气体流量控制阀和液体流量控制阀实现取样枪积灰受热面壁面温度与实际受热面壁温一致，确保监测取样的精确性。取样过程中，通过移动装置驱动取样枪实现取样枪的进出烟道。本发明的装置能够用于实际运行中的锅炉监测取样，为高碱燃料燃烧积灰的形成机理现场试验研究提供了更为快捷，更为科学，更为准确的采样方法，实现对高碱燃料燃烧过程中受热面积灰机理的研究。
进一步的，通过四层套管实现对取样枪表面温度的精确控制。
进一步的，通过高速摄像机实时在线监测获得积灰取样枪表面积灰状况。
进一步的，热电偶埋在取样枪里对管壁温度进行温度测量，通过数据采集器输入到电脑系统等控制处理器中进行记录处理，进而通过调节气体和液体控制阀，实现对取样枪的管壁温度的调节，确保取样监测的精确性。
进一步的，利用称重传感器获得受热面上的实时积灰速度。
进一步的，采用导轨式的移动装置，可将取样枪快速平稳的送入和退出锅炉烟道，保证取样枪受热面上积灰样品的无损采集，进一步提升精确性。
进一步的，设置平衡装置是为了保证取样枪的平衡；平衡锅炉及相关燃烧设备因烟气波动或者其它因素造成取样枪偏离水平位置。
本发明的操作方法用于本发明装置的操作，能够实现对实际电站锅炉燃烧设备的积灰实时在线监测和积灰样品的采集，获得高碱燃料燃烧过程中积灰机理。
附图说明
图1是本发明的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置的结构示意图；
图1中，1气体流量控制阀；2冷却气体入口；3冷却液体入口；4冷却气体出口；5液体流量控制阀；6冷却液体出口；7平衡装置；8控制处理器；9重量采集装置；10导轨；11固定支架；12图像采集装置；13法兰盘；14温度采集装置；15取样枪；16连接机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，本发明的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，包括支撑连接装置、移动装置、图像采集装置12、取样枪15、温度采集装置14、重量采集装置9和控制处理器8。具体的，所述积灰实时在线监测采样装置主体主要包括水平移动装置、取样枪15、高速摄像机、测温装置、称重传感器以及平衡装置7六部分。
支撑连接装置用于将所述实时在线监测采样装置与锅炉固定连接；支撑连接装置为法兰盘13。
支撑连接装置上设置有安装通孔和图像采集通孔；图像采集通孔处设置有图像采集装置12；图像采集装置12为高速摄像机。
移动装置固定设置在支撑连接装置上；取样枪15的左端部安装在移动装置上，在移动装置的驱动下取样枪15的右端部能够穿过支撑连接装置的安装通孔伸入或退出炉内；取样枪15的右端部设置有温度采集装置14；取样枪15内设置有冷却气体流道和冷却液体流道，冷却气体流道设置有气体流量控制阀1，冷却液体流道设置有液体流量控制阀5；取样枪15的左端部设置有重量采集装置9；其中，图像采集装置12、温度采集装置14和重量采集装置9的信号输出端均与控制处理器8的信号接收端相连接；控制处理器8的信号输出端分别与移动装置、气体流量控制阀1以及液体流量控制阀5的信号接收端相连接。冷却气体为压缩空气，冷却液体为冷却油。
其中，取样枪15水平设置，为四层套管结构；冷却液体流道为中间两层，冷却气体流道为最内层和最外层。温度采集装置14为热电偶；热电偶的数量为多个；多个热电偶分散埋设在取样枪15内，热电偶用于检测取样枪15的管壁温度。具体的，测温装置是由热电偶埋在取样枪15里对管壁温度进行温度测量，通过数据采集器输入到电脑系统中进行记录。重量采集装置9为称重传感器；称重传感器设置取样枪15和移动装置之间。移动装置包括电机、导轨10和移动块；电机的信号接收端与控制处理器8的信号输出端相连接，移动块可移动的设置在导轨10上，电机能够驱动移动块在导轨10上移动；取样枪15通过连接机构16安装在移动块上。导轨10水平设置。平衡装置7设置在取样枪15的左端，其配重重量可调，用于保证取样枪15的平衡。具体的，采样枪的平衡装置7安装在取样枪15尾部，平衡锅炉及相关燃烧设备因烟气波动或者其它因素造成取样枪15偏离水平位置。具体的，移动装置为水平移动装置包括电机和水平布置的水平移动导轨，用于控制取样枪15在烟道中的伸入和取出。积灰采样枪的取样枪15为四层套管结构，冷却油在中间两层流动，而压缩空气在最内层和最外两层流动。通过热电偶测量管壁壁温，并经信号线与电脑连接，控制气体流量控制器和液体流量控制阀5的作用调节压缩空气流量和冷却油流量，保证取样枪15壁面温度与取样枪15附近过热器或再热器的壁温一致。积灰采样枪的称重传感器安装在支撑架和取样枪15尾部中间，获得实时积灰变化并通过杠杆原理获得积灰速度。高速摄像头固定在法兰盘13上，对积灰取样枪15壁面上积灰状况进行监测，并通过信号线与计算机连接。计算机作为控制处理器8。
工作原理
本发明的装置在采样时，经过除湿稳压的压缩空气由冷却气体入口2进入取样枪15枪体，依次通过取样枪15最内层和最外层，最后通过冷却气体出口4排出。与此同时，冷却液体由冷却液体入口3进入取样枪15枪体，通过取样枪15中间两层并由冷却液体出口6排出。气体流量控制阀1和液体流量控制阀5通过控制处理器8对取样管壁温进行控制，调节气体流量和液体流量实现对取样管的表面温度。采样时，通过安装在固定法兰盘13的高速摄像机，对采样管表面上的实时积灰状况进行监测并通过信号线与电脑连接记录数据。与此同时，将称重传感器安装在取样管和固定支架11中间，记录取样管上实时质量变化，并经由计算机作为控制处理器8记录显示实时积灰速度。
本发明的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置的操作方法，包括以下步骤：
步骤1，通过支撑连接装置将所述实时在线监测采样装置安装在锅炉烟道外壁上；
步骤2，通过移动装置驱动取样枪15，使取样枪15的右端部穿过支撑连接装置的安装通孔伸入锅炉烟道内；
步骤3，通过温度采集装置14采集取样枪15的管壁温度，并将采集的信息传递给控制处理器8；控制处理器8通过调节气体流量控制阀1和液体流量控制阀5，使取样枪15的管壁温度达到预设温度；
步骤4，进行实时监测采样，通过图像采集装置12采集炉内积灰实时图像，通过重量采集装置9实时采集积灰质量；将采集的信息传递给控制处理器8进行记录并计算出积灰速度；
步骤5，监测采样达到预设时间，通过移动装置驱动取样枪15退出锅炉烟道，收集取样枪15上的积灰完成采样。
实施例
本发明的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，主要用于电厂锅炉及相关燃烧设备的积灰在线监测和样品采集。该装置的主体包括水平移动装置、取样枪、高速摄像机、测温装置、称重传感器以及平衡装置六部分。其中取样枪为四层套管结构，冷却油在中间两层流动，而压缩空气在最内层和最外两层流动。气体流量控制器和冷却油流量控制阀分别通过压缩空气流量和冷却油流量控制取样枪表面温度。高速摄像机固定在法兰盘上，以便实时在线监测燃烧过程中积灰状况。平衡装置安装在取样枪处，以便平衡锅炉及相关燃烧设备因烟气波动或者其它因素造成取样枪偏离水平位置。称重传感器固定在取样枪处，记录获得积灰质量并通过数据采集器进行采集。本发明可用于高温下固体燃料燃烧过程中积灰状况的实时在线监测和样品采集。
本发明的一种炉内积灰的实时在线监测采样方法，首先根据实际锅炉炉膛受热面的材料和管径以及积灰采样处实际空间尺寸确定取样枪的材料和尺寸，并依此获得取样枪内层套管的选取。其次采样前将水平移动导轨固定在法兰盘上，并保证水平移动导轨的水平放置，并通过信号线与计算机连接，控制取样枪在烟道中的快速伸入和取出。根据采样枪的尺寸，选取合适的热电偶，合理地均匀地将热电偶和信号线埋在取样枪壁面，并与计算机连接。采样前，将平衡装置安装在取样枪尾部，在取样枪由电机和水平移动导轨伸入炉膛烟道中时，通过调节保证取样枪的水平位置。采样时，经过除湿稳压的压缩空气由冷却气体入口进入取样枪枪体，依次通过取样枪最内层和最外层，最后通过冷却气体出口排出。与此同时，冷却液体由冷却液体入口进入取样枪枪体，通过取样枪中间两层并由冷却液体出口排出。气体流量控制阀和液体流量控制阀通过控制处理器对取样管壁温进行控制，调节气体流量和液体流量实现对取样管的表面温度。采样时，通过安装在固定法兰盘的高速摄像机，对采样管表面上的实时积灰状况进行监测并通过信号线与电脑连接记录数据。与此同时，将称重传感器安装在取样管和固定支架中间，记录取样管上实时质量变化，并经由计算机作为控制处理器记录显示实时积灰速度。采样完成时，通过电机和水平移动导轨快速平稳将取样枪从烟道中取出。同时，将积灰样品保留收集，留待后续分析。
综上，目前有些设备虽然能用来在研究获得高碱燃料燃烧过程中积灰形成机理，但却只能在小型试验台中运用，但却无法在实际电站锅炉中进行积灰取样，并且无法保证受热面上的积灰速度的实时获取。针对目前高碱燃料燃烧利用过程中存在的严重积灰腐蚀问题，本发明提供种炉内积灰实时在线监测取样装置，实时在线获得高碱燃料燃烧过程中积灰实时速度和积灰宏观形貌，以及实现对积灰样品的采集并经后续分析获得积灰形成机理。首先充分考虑固体燃料燃烧积灰形成过程中采样管材质、采样管管径和表面温度等影响因素，真实地反应获得不同烟道位置处受热器上积灰状况。其次，通过高速摄像机实时在线监测获得积灰取样枪表面积灰状况，并利用称重传感器获得受热面上的实时积灰速度。再次，积灰取样过程中，通过控制空气流量控制阀和冷却油流量控制阀实现积灰受热面壁面温度与实际受热面壁温一致。最后，通过水平导轨装置在试验开始和结束后能快速实现积灰取样枪的伸入和取出。综上本发明为高碱燃料燃烧积灰的形成机理现场试验研究提供了更为快捷，更为科学，更为准确的采样方法，实现对高碱燃料燃烧过程中受热面积灰机理的研究。本发明的炉内积灰实时在线监测采样装置，可实现对实际电站锅炉燃烧设备的积灰实时在线监测和积灰样品的采集，获得高碱燃料燃烧过程中积灰机理。本发明的装置分别通过高速摄像机和称重传感器实时在线监测受热面的积灰状况和积灰速度；能够实现实时对炉内积灰宏观形貌进行观察，能够获得炉内受热面上的实时积灰速度。本发明的可移动导轨式的采样管可快速平稳将取样枪取出，保证受热面上积灰样品的无损采集。

Claims (10)

1.一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，其特征在于，包括：支撑连接装置、移动装置、图像采集装置(12)、取样枪(15)、温度采集装置(14)、重量采集装置(9)和控制处理器(8)；
支撑连接装置用于将所述实时在线监测采样装置与锅炉固定连接；支撑连接装置上设置有安装通孔和图像采集通孔；图像采集通孔处设置有图像采集装置(12)；
移动装置固定设置在支撑连接装置上；取样枪(15)的左端部安装在移动装置上，在移动装置的驱动下取样枪(15)的右端部能够穿过支撑连接装置的安装通孔伸入或退出炉内；
取样枪(15)的右端部设置有温度采集装置(14)；取样枪(15)内设置有冷却气体流道和冷却液体流道，冷却气体流道设置有气体流量控制阀(1)，冷却液体流道设置有液体流量控制阀(5)；取样枪(15)的左端部设置有重量采集装置(9)；
其中，图像采集装置(12)、温度采集装置(14)和重量采集装置(9)的信号输出端均与控制处理器(8)的信号接收端相连接；控制处理器(8)的信号输出端分别与移动装置、气体流量控制阀(1)以及液体流量控制阀(5)的信号接收端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，其特征在于，取样枪(15)为四层套管结构；冷却液体流道为中间两层，冷却气体流道为最内层和最外层。
3.根据权利要求1所述的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，其特征在于，图像采集装置(12)为高速摄像机。
4.根据权利要求1所述的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，其特征在于，温度采集装置(14)为热电偶；热电偶的数量为多个；多个热电偶分散埋设在取样枪(15)内，热电偶用于检测取样枪(15)的管壁温度。
5.根据权利要求1所述的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，其特征在于，重量采集装置(9)为称重传感器；称重传感器设置取样枪(15)和移动装置之间。
6.根据权利要求1所述的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，其特征在于，移动装置包括电机、导轨(10)和移动块；电机的信号接收端与控制处理器(8)的信号输出端相连接，移动块可移动的设置在导轨(10)上，电机能够驱动移动块在导轨(10)上移动；取样枪(15)通过连接机构(16)安装在移动块上。
7.根据权利要求6所述的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，其特征在于，导轨(10)水平设置。
8.根据权利要求1所述的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，其特征在于，还包括平衡装置(7)；平衡装置(7)设置在取样枪(15)的左端。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置，其特征在于，支撑连接装置为法兰盘(13)。
10.权利要求1至9中任一项所述的一种炉内积灰的实时在线监测采样装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过支撑连接装置将所述实时在线监测采样装置安装在锅炉烟道外壁上；
步骤2，通过移动装置驱动取样枪(15)，使取样枪(15)的右端部穿过支撑连接装置的安装通孔伸入锅炉烟道内；
步骤3，通过温度采集装置(14)采集取样枪(15)的管壁温度，并将采集的信息传递给控制处理器(8)；控制处理器(8)通过调节气体流量控制阀(1)和液体流量控制阀(5)，使取样枪(15)的管壁温度达到预设温度；
步骤4，进行实时监测采样，通过图像采集装置(12)采集炉内积灰实时图像，通过重量采集装置(9)实时采集积灰质量；将采集的信息传递给控制处理器(8)进行记录并计算出积灰速度；
步骤5，监测采样达到预设时间，通过移动装置驱动取样枪(15)退出锅炉烟道，收集取样枪(15)上的积灰完成采样。
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