CN110411397A - 一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测装置及方法，包括分别水平安装在水平烟道下壁面和上壁面形心处的尺寸和加热功率相同的测量片和参比片；所述测量片自上而下包括测量片温度传感器、测量片加热器、测量片隔热板、测量片补偿加热器和测量片补偿温度传感器；所述参比片自下而上包括参比片温度传感器、参比片加热器、参比片隔热板、参比片补偿加热器和参比片补偿温度传感器；各个温度传感器均连接信号采集控制器。本发明系统结构简捷，算法简单，测量结果能直观反映通道底部积灰厚度，基于测量片温差的方法消除了环境条件和气流温度的影响，并且由于采用的是一段时间窗口内的温度数据，避免了测温随机误差造成的影响，数据更加稳定可靠。
Description
技术领域
本发明是针对燃煤锅炉水平烟道底部和脱硝装置催化剂表面积灰厚度的在线监测而提出的方法和装置，涉及到燃煤电厂排烟系统的安全、低阻力高效运行。该方法也适用于监测其它固体颗粒物在水平通道底部的沉积厚度在线监测。
背景技术
煤在锅炉中燃烧后，会产生大量的固体颗粒物。这些颗粒物如果不加以处理，会导致引风机快速磨损，排放到大气中会产生环境污染。因此，在锅炉的烟气通道内都会采取各种各样的除尘措施，例如旋风除尘、静电除尘或布袋除尘等。锅炉的排烟经除尘后，一般要经过一段水平布置的烟道进入引风机，再通过烟囱排放到大气环境中。由于水平烟道中的气流速度不高，除尘后的残余颗粒就会在重力作用下，沉积在水平烟道的底部，这种现象称为积灰。当积灰量较大时，一方面会减小烟气的流通面积，增加引风机的阻力，另外一方面，积灰会恶化水平烟道支架的应力状态，导致垮塌事故。因此，处于经济性和安全生产方面的考虑，需要对水平烟道的积灰厚度进行在线监测。此外，近年来燃煤电厂大量采用脱硝反应器控制氮氧化物排放，由于积灰影响到催化剂与烟气的接触效率，也需要对积灰的厚度进行在线监测，以根据积灰厚度确定吹灰的周期。
已有若干可以用于水平烟道积灰厚度的在线监测手段，直接方法有激光测距、超声波测距等，间接方法有气流压差监测和壁面应力(应变)监测等。其中激光测距方法因发射和接收装置在长期运行中会造成污染而失效，超声波测距方法受分辨率限制，且环境干扰因素难以排除，而气流压差和壁面应力(应变)信号的影响因素过多，无法适应在线监测的需要。
目前还没有公认成熟的方法和装置能够用于水平通道积灰厚度的在线监测。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种根据加热激励而产生的温升信号对水平烟道积灰厚度进行在线监测的方法和装置。
技术方案：
一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测装置，包括分别水平安装在水平烟道下壁面和上壁面形心处的尺寸和加热功率相同的测量片和参比片；所述测量片自上而下包括测量片温度传感器、测量片加热器、测量片隔热板、测量片补偿加热器和测量片补偿温度传感器；所述参比片自下而上包括参比片温度传感器、参比片加热器、参比片隔热板、参比片补偿加热器和参比片补偿温度传感器；所述测量片温度传感器、测量片补偿温度传感器、参比片温度传感器和参比片补偿温度传感器均连接信号采集控制器。
进一步的，所述温度传感器为微米厚度的薄膜温度传感器。
进一步的，所述测量片加热器和参比片加热器串联或并联起来用同一电源供电，所构成的回路中由电流传感器测量回路电流I，用电压传感器测量加热器两端电压V。
进一步的，所述测量片补偿加热器和参比片补偿加热器分别由不同电源供电，两个加热回路中分别加入测量片功率调整器和补偿片功率调整器，用于调整测量片补偿加热器和参比片补偿加热器的功率。
进一步的，所述测量片功率调整器和补偿片功率调整器分别连接信号采集控制器，信号采集控制器根据测量片两侧温度传感器的温差控制测量片功率调整器、根据参比片两侧温度传感器的温差控制补偿片功率调整器，使两侧的温差为零，以保证测量片隔热板和参比片隔热板两侧的加热器的热量全部散失在被测的水平烟道内。
基于上述在线检测装置的一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测方法，包括如下步骤：
1)装置通电启动后，首先设定采样间隔Δτ、测量时间窗口长度τL，计算得到窗口中的数据点数目N＝τL/Δτ+1；输入测量片和参比片的面积A或直径D、灰的热导率λ、以及温度控制的PID参数，并下载到信号采集控制器中；
2)在测量片和参比片达到热稳定工况后，由信号采集控制器记录瞬时的电流Ii、电压Vi，计算得到瞬时功率Pi＝ViIi和测量片加热器及参比片加热器的热流密度qi＝Pi/2A＝ViIi/2A；记录测量片温度传感器和参比片温度传感器的温度tmi和tri，并计算温差Δti＝tmi-tri；
3)当记录数据充满一个时间窗口后，计算该时间窗口内的平均热流密度和平均温差并根据测量原理计算出积灰厚度
4)将数据平移一个时间间隔，废弃最前面的一个数据，在数据队列中补充最新的测量数据，重复步骤2)-4)，即可实现积灰厚度的在线连续监测。
有益效果：本发明提出的一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测装置及方法，系统结构简捷，算法简单，测量结果能直观反映通道底部积灰厚度，基于测量片温差的方法消除了环境条件和气流温度的影响，并且由于采用的是一段时间窗口内的温度数据，避免了测温随机误差造成的影响，数据更加稳定可靠；装置制造成本低廉，所采用硬件均属于市场上常见的器件，极易获得。
附图说明
图1是本发明的装置原理示意图。
图2是本发明的电路结构示意图。
图3(a)和(b)分别是本发明采用的测量片和参比片的结构示意图。
图中标号：1、通道下壁面；2、通道上壁面；3、通道左侧面；4、通道右侧面；5、测量片；6、参比片；5-1、测量片温度传感器；5-2、测量片加热器；5-3、测量片补偿温度传感器；5-4、测量片补偿加热器；5-5、测量片隔热板；6-1、参比片温度传感器；6-2、参比片加热器；6-3、参比片补偿温度传感器；6-4、参比片补偿加热器；6-5、参比片隔热板；7、测量片和参比片电源；8、电流传感器；9、电压传感器；10、测量片补偿电源；11、参比片补偿电源；12、测量片补偿功率调整器；13、参比片补偿功率调整器；14、信号采集控制器；15、人机界面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
在平直水平烟道的底面形心处与底面平齐安装一个带有表面温度传感器恒定功率电加热测量片，在与底面对应的上壁面形心处安装一个与底部测量片尺寸一致、加热功率相同、也带有表面温度传感器的参比片。由于两个加热片的功率相同，散热条件相同，在底部没有积灰的情况下，测量片和参比片的温度应该保持一致且随烟道内的气流工况及外部散热条件同步变化。当通道底部积灰后，测量片上的散热条件变差，在保持加热功率恒定的条件下，测量片表面温度会升高，而位于上壁面的参比片上不会积灰，因而不会因积灰而产生温度变化。根据热传导理论，底面未积灰时，测量片和参比片的温度均为其中q为测量片和参比片的热流密度，始终保持不变；tf为气流平均温度，h为气流与测量片与参比片的表面传热系数。当底部发生积灰后，参比片温度仍保持不变，而测量片的温度变为其中δ为积灰厚度，λ为灰的热导率。此时，测量片与参比片的温差为在已知加热热流密度q和灰的热导率λ的情况下，即可推算出积灰厚度在无法准确预知灰的热导率λ时，可以用热阻间接表征积灰厚度。采用这种测量片与参比片温度差值的方法，可以最大限度地消除气流温度变化和环境条件变化的影响。
本发明所述的一种水平通道底部积灰厚度的在线监测方法和装置，选择被监测的水平通道(烟道)某段，见图1。该段水平通道由下壁面1、上壁面2、左侧面3和右侧面4构成。在通道下面内部中心点m处与底面平齐安装一个带有表面温度传感器恒定功率电加热测量片5，对应的上壁面中心点作为参比点r，安装一个与底部测量片尺寸一致、加热功率相同、也带有表面温度传感器的参比片6。为了减少侧向热损失，将测量片、参比片及安装在其上的温度传感器都制作成微米厚度的薄膜，为保持测量片和参比片向通道内侧的加热功率恒定，两者均采用防护加热结构，见图3。
测量片上表面由测量片温度传感器5-1、测量片加热器5-2叠加而成；与上表面类似，下表面由补偿温度传感器5-3、补偿加热器5-4叠加而成；将两者紧贴在测量片隔热板5-5的两侧。参比片下表面由参比片温度传感器6-1、参比片加热器6-2叠加而成；与下表面类似，上表面由补偿温度传感器6-3、补偿加热器6-4叠加而成；将两者紧贴在参比片隔热板6-5的两侧。
测量片加热器5-2和参比片加热器6-2可以串联或并联起来用同一电源7供电，由电流传感器8测量回路电流I，用电压传感器9测量加热器两端电压V。测量片和参比片补偿加热器分别由测量片补偿电源10和参比片补偿电源11供电，两个加热回路中分别加入测量片功率调整器12和补偿片功率调整器13，用于调整测量片补偿加热器和参比片补偿加热器的功率。电流传感器8、电压传感器9、测量片测量温度传感器5-1、测量片补偿温度传感器5-3、参比片测量温度传感器6-1、参比片补偿温度传感器6-3的信号均由信号采集控制器14采集处理；信号采集控制器14还要根据测量片两侧温度传感器5-1及5-3的温差控制测量片功率调整器12、根据参比片两侧温度传感器6-1及6-3的温差控制补偿片功率调整器13，使两侧的温差为零，以保证加热器的热量全部散失在被测的通道内。人机界面15与信号采集控制器链接，用于显示和保存测量数据和计算结果。
本发明所述的一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测方法在上述装置上实现，包括下列步骤：
1)通电启动后，通过人机界面设定采样间隔Δτ、测量时间窗口长度τL，计算得到窗口中的数据点数目N＝τL/Δτ+1；输入测量片(参比片)的面积A(或直径D)、灰的热导率λ、以及温度控制的PID参数，并下载到数据采集控制器14中；
2)在测量片和参比片达到热稳定工况后，由数据采集控制器14记录瞬时的电流Ii、电压Vi，计算得到瞬时功率Pi＝ViIi和测量片加热器5-2及参比片加热器6-2的热流密度qi＝Pi/2A＝ViIi/2A；记录测量片温度传感器5-1和参比片温度传感器6-1的温度tmi和tri，并计算温差Δti＝tmi-tri；
3)当记录数据充满一个时间窗口后，计算该时间窗口内的平均热流密度和平均温差并根据测量原理计算出积灰厚度
4)将数据平移一个时间间隔，废弃最前面的一个数据，在数据队列中补充最新的测量数据，重复步骤2)-4)，即可实现积灰厚度的在线连续监测。
Claims (6)
1.一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测装置，其特征在于，包括分别水平安装在水平烟道下壁面和上壁面形心处的尺寸和加热功率相同的测量片和参比片；所述测量片自上而下包括测量片温度传感器、测量片加热器、测量片隔热板、测量片补偿加热器和测量片补偿温度传感器；所述参比片自下而上包括参比片温度传感器、参比片加热器、参比片隔热板、参比片补偿加热器和参比片补偿温度传感器；所述测量片温度传感器、测量片补偿温度传感器、参比片温度传感器和参比片补偿温度传感器均连接信号采集控制器。
2.根据权利要求1所述的一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测装置，其特征在于，所述温度传感器为微米厚度的薄膜温度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测装置，其特征在于，所述测量片加热器和参比片加热器串联或并联起来用同一电源供电，所构成的回路中由电流传感器测量回路电流I，用电压传感器测量加热器两端电压V。
4.根据权利要求1所述的一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测装置，其特征在于，所述测量片补偿加热器和参比片补偿加热器分别由不同电源供电，两个加热回路中分别加入测量片功率调整器和补偿片功率调整器，用于调整测量片补偿加热器和参比片补偿加热器的功率。
5.根据权利要求4所述的一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测装置，其特征在于，所述测量片功率调整器和补偿片功率调整器分别连接信号采集控制器，信号采集控制器根据测量片两侧温度传感器的温差控制测量片功率调整器、根据参比片两侧温度传感器的温差控制补偿片功率调整器，使两侧的温差为零，以保证测量片隔热板和参比片隔热板两侧的加热器的热量全部散失在被测的水平烟道内。
6.基于权利要求1所述在线检测装置的一种水平烟道底部积灰厚度的在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)装置通电启动后，首先设定采样间隔Δτ、测量时间窗口长度τL，计算得到窗口中的数据点数目N＝τL/Δτ+1；输入测量片和参比片的面积A或直径D、灰的热导率λ、以及温度控制的PID参数，并下载到信号采集控制器中；
2)在测量片和参比片达到热稳定工况后，由信号采集控制器记录瞬时的电流Ii、电压Vi，计算得到瞬时功率Pi＝ViIi和测量片加热器及参比片加热器的热流密度qi＝Pi/2A＝ViIi/2A；记录测量片温度传感器和参比片温度传感器的温度tmi和tri，并计算温差Δti＝tmi-tri；
3)当记录数据充满一个时间窗口后，计算该时间窗口内的平均热流密度和平均温差并根据测量原理计算出积灰厚度
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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