CN110631465B - 基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锅炉设备监测技术领域，公开了一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，包括多个测量装置，测量装置设置在锅炉受热面的同一高度，测量装置包括固定套筒和传感器，固定套筒的一端固定在锅炉受热面上，传感器嵌套在固定套筒内并通过螺纹与固定套筒连接，传感器靠近锅炉的一端设置有测量探头。在进行锅炉受热面的灰渣厚度测量时，三套测量装置联合使用安装于受热面的同一高度，通过调节螺纹旋合使每套传感器在各自固定套筒内处于不同的位置，实现对待测位置灰渣厚度的差动式测量，基于所测得的电容值得到待测表面的灰渣厚度。本发明结构简单、操作方便，可以有效消除炉内环境复杂多变对灰渣厚度测量结果的影响。

Description

基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置及方法

技术领域

本发明属于锅炉设备检测技术领域，具体涉及一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置及方法。

背景技术

在电站锅炉、煤气化废热锅炉等以煤炭作为原料的工业设备中，通常采用辐射式换热器或对流式换热器来吸收煤炭燃烧或气化所产生高温气体的显热。由于煤炭中的矿物质和无机成分经燃烧后变为灰渣，因此所产生的高温气体中通常夹带有大量的灰渣颗粒。当高温气体流经炉内受热面时，其所夹带的灰渣颗粒会在受热面发生沉积，造成受热面的污染。锅炉内受热面的污染可分为结渣和积灰两类。结渣现象多发生在高温气体（>1000℃）流经的辐射受热面，如电站锅炉的炉膛水冷壁、煤气化炉辐射废锅的水冷壁。当高温气体中处于熔融状态的灰渣颗粒接触到水冷壁时，就会发生凝固并粘结在上面，逐渐积累形成受热面结渣。积灰现象则更多发生在中低温气体流经的对流受热面。这些部位的烟气温度低于煤灰的软化温度，因此灰渣颗粒多以固态形式存在，随着固态飞灰颗粒在受热面上的不断积累便造成受热面的积灰现象。当受热面有积灰结渣发生时，其换热热阻主要集中在气体侧的污垢热阻，灰渣沉积层会导致换热恶化，使机组效率下降。特别是在煤气化炉的废热锅炉中，由于煤气化所产生高温合成气含有大量熔渣、飞灰颗粒，使得废锅受热面的灰渣沉积现象及危害更为突出，过度的积灰结渣会造成气体通道的堵灰堵渣，最终导致机组停车。因此，实现对炉内受热面灰渣生长过程的实时在线监测，对保证电站锅炉、煤气化炉等设备的长期稳定运行至关重要。目前，锅炉受热面积灰结渣在线监测方式可分为直接监测和间接监测两类。

直接监测是通过仪器直接监测炉内受热面的积灰结渣状况。例如中国专利103024357，公开了一种燃煤电站锅炉炉膛积灰结渣自动旋转升降监测系统，包括有固定支架，升降台，成像系统（包括CCD相机和光学镜头），冷却装置与驱动机构；装置在工作时，升降台下降，成像系统的光学镜头伸入锅炉炉膛内，然后转动镜头多角度、全方位采集炉膛内的积灰结渣信息。虽然上述装置能实现对积灰结渣的直接监测，但该系统配套有升降平台、驱动机构等多种机械装置，同时需要布置专门的冷却管道、压缩空气吹扫等辅助设施来对成像系统进行保护，系统结构复杂、失效点多，还未在实际生产中得到广泛应用。

间接监测则是通过监测炉内流动、换热参数，建立相应的计算模型来判断炉内的灰渣沉积状况。例如中国专利102253081，公开了一种基于声学原理的电站锅炉炉膛积灰监测方法。该方法在电站锅炉炉膛布置声波测温点，利用声波测温技术对炉膛出口烟气温度和锅炉水冷壁温度进行测量，建立炉膛灰污监测模型，实现炉膛局部受热面灰污实时监测。但声波的传播特性和烟气的温度与组分高度相关，而炉内环境复杂多变，当监测环境不稳定时其测试精度难以保证。其他类型的间接监测方式，如壁面热流计、热平衡计算等方法，也受到所建立模型适用范围的限制，当锅炉运行状况稳定时监测具有较高的准确性，但当煤种变化或炉内负荷发生变化时，计算模型准确度降低，导致对灰渣沉积的的监测结果出现偏差。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单、操作方便、性价比高的基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，包括多个测量装置，所述测量装置设置在锅炉受热面的同一高度，所述测量装置包括固定套筒和传感器，所述固定套筒的一端固定在锅炉受热面上，所述传感器嵌套在固定套筒内并通过螺纹与固定套筒连接，所述传感器靠近锅炉的一端设置有测量探头，所述测量探头包括中心电极、环形电极、绝缘陶瓷和测温元件，所述中心电极的截面为圆形，所述环形电极设置在中心电极外周，所述绝缘陶瓷设置在环形电极外侧和环形电极与中心电极之间，所述测温元件设置在绝缘陶瓷内，用于测量测量探头的温度。

所述固定套筒包括套管和固定法兰，所述套管内壁设置有内螺纹；所述传感器包括测量杆和表壳，测量杆外周设置有与套管内壁上的内螺纹配合的外螺纹，所述表壳与测量杆的一端连接，所述测量探头设置在测量杆内并位于其另一端，所述测量探头的引线经测量杆与表壳内的电路连接；所述测量杆的外周设置有螺纹法兰和锁紧螺母，螺纹法兰和锁紧螺母通过螺纹与测量杆连接；所述螺纹法兰用于连接固定法兰，所述锁紧螺母用于锁定螺纹法兰。

所述套管为耐高温金属材料制成。

所述的一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，包括三个测量装置，各个测量装置中传感器端部与固定套筒端部的距离不相等。

所述固定套筒与待测表面之间采用导热材料灌注。

本发明还提供了一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测方法，所述的一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，具体包括以下步骤：

S1、调整各个测量装置中测量探头的端部与固定套筒的端部之间的距离，使其各不相同，并记录其距离；

S2、将各个测量装置固定安装在锅炉的待测表面上，使固定套筒的端部与待测表面（4）平齐，在固定套筒与待测表面之间灌注导热材料；

S3、测量并记录各个传感器的电容值C，并将其和对应的设置距离参数带入环形电容的电容计算公式中，计算得到灰渣厚度δ；所述计算公式为：

；

其中，C表示电容，其单位为F，ε ₁、ε ₂分别为烟气与灰渣的介电常数，a为中心电极的半径，b为环形电极的宽度，d为中心电极和环形电极的间距，δ为灰渣厚度。

所述测量装置的数量为3个。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明传感器测量探头与灰渣直接接触，因此相对以流动或换热参数进行间接测量的方式，本发明具有更高的测量准确度；同时所采用的传感器基于电容原理，相较于以往炉内摄像等直接测量方式的设备复杂、失效点多的缺点，本发明具有设备可靠、结构简单、操作方便、性价比高等优点。

（2）本发明采用差动方式对待测位置的灰渣厚度进行测量，通过调节传感器在固定套管内的位置，实现对同一高度灰渣厚度的差动式测量，采用差动测量可有效消除煤种变化、锅炉负荷变化、灰渣成分未知等因素对测量结果的影响，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线测量装置的结构示意图；

图2为传感器的结构示意图；

图3为图2的B-B视图；

图4为固定套筒示意图；

图5为图4的A-A视图；

图6为本发明实施例提供的测量装置测量灰渣的原理示意图；

图7为本发明实施例提供的测量装置在煤气化废热锅炉水冷壁的安装示意图；

图8为本发明实施例提供的测量装置进行差动式测量示意图，其为图7中C-C方向视图。

图中：1为测量装置，2为固定套筒，3为传感器，4为待测表面，5为导热材料，6为灰渣，7为水冷壁，8为废热锅炉，21为固定法兰，22为套管，23为内螺纹，31为测量杆，32为螺纹法兰，33为锁紧螺母，34为外螺纹，35为测量探头，36为中心电极，37为环形电极，38为绝缘陶瓷，39为测温元件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，包括三个测量装置1，所述测量装置1设置在锅炉受热面的同一高度。

如图1所示，所述测量装置1包括固定套筒2和传感器3，所述固定套筒2的一端固定在锅炉受热面上，所述传感器3嵌套在固定套筒2内并通过螺纹与固定套筒2连接。

具体地，如图2和图3所示，所述传感器3包括测量杆31和表壳30，所述表壳30与测量杆31的一端连接，所述测量杆31靠近锅炉的一端内部设置有测量探头35，所述测量探头35包括中心电极36、环形电极37、绝缘陶瓷38和测温元件39，所述中心电极36的截面为圆形，所述环形电极37设置在中心电极36外周，所述绝缘陶瓷38设置在环形电极37外侧和环形电极37与中心电极36之间，所述测温元件39设置在绝缘陶瓷38内，用与测量测量探头35的温度，对测试结果进行温度补偿。测量杆31内设置有引线孔，所述测量探头35的引线经测量杆31内的引线孔与表壳30内的电路连接，测量杆31接地，起到对测量探头35的屏蔽作用。

具体地，如图4和图5所示，所述固定套筒2包括套管22和固定法兰21，所述套筒22内壁设置有内螺纹23。如图2所示，所述测量杆31的外周设置有与内螺纹23配合的外螺纹34，螺纹法兰32和锁紧螺母33设置在测量杆31的外周上，螺纹法兰32和锁紧螺母33与测量杆31通过螺纹连接；所述螺纹法兰32用于连接固定法兰21，所述锁紧螺母33用于锁定螺纹法兰32。本实施例中，传感器3通过螺纹设置在固定套筒2内，则转动传感器3可以调节测量探头与固定套筒端面的距离，调节完成后，将螺纹法兰32与固定法兰21通过螺栓连接，可以保证传感器3与固定套筒2的紧密贴合，最后将锁紧螺母33转动至贴近螺纹法兰，可以起到固定螺纹法兰32，并锁定测量杆的效果，因此，本实施例的测量装置可以调整传感器，使其处于固定套筒内的不同位置，及可以调节测量距离并进行锁紧。

在进行锅炉受热面的灰渣厚度测量时，三套测量装置1联合使用安装于待测位置同一高度，通过调节螺纹旋合使每套传感器3在各自固定套筒2内处于不同的位置，实现对待测位置灰渣厚度的差动式测量，基于所测得的电容值计算得到待测表面的灰渣厚度。

进一步地，本实施例中，套管22为耐高温金属材料制成。

进一步地，本实施例中，所述固定套筒2与待测表面4之间采用导热材料5灌注。

结合图2、图3和图6，本发明的电容测试原理如下：所述中心电极36与环形电极37组成一个平面电容，在中心电极36上施加激励信号，就会在测量探头35的端面产生空间电场，电力线由中心电极36发出进入环形电极37。将传感器安装到炉内待测位置，当积灰结渣发生时，探头端面与灰渣6接触，电力线就会穿过灰渣6与烟气，平面电容的空间电场发生改变，所测得的电容值随之发生变化。当平面电容的电极尺寸确定时，其所测的电容值就取决于灰渣和烟气所形成的复合介电特性。基于高斯定理和静电场边界条件，采用镜像法可以推导出平面环形电容的电容值计算公式如下：

； （1）

；（2）

其中，C表示电容，其单位为F，ε ₁、ε ₂分别为烟气与灰渣的介电常数，a为中心电极36的半径，b为环形电极37的宽度，d为中心电极36和环形电极37的间距，δ为灰渣厚度。在实际运行中，由于锅炉所用煤种成分以及炉内燃烧工况复杂多变，使得炉内灰渣与烟气的组分无法预测，二者的介电常数也就未知，因此无法得到测试电容值与灰渣厚度的准确关系。针对这一问题，本发明采用差动测量方式来解决介电常数未知的影响。由于锅炉内受热面通常为对称布置，所以当积灰结渣发生时，受热面同一高度处的灰渣厚度相等，因此本发明通过调整测量装置中传感器在固定套筒中的位置，实现对同一高度处灰渣厚度的差动测量。

结合图1和图7，以煤气化废热锅炉8为例，所述的测量装置1对炉膛内水冷壁7的待测表面4上的灰渣6的厚度进行测量时，采用三套测量装置联合使用，三套测量装置安装于待测表面4的同一高度。

结合图7和图8，进行灰渣厚度监测时，首先将固定套筒2安装于待测表面4，固定套筒2的端部与待测表面4平齐，传感器3在固定套筒2内的位置通过螺纹旋合进行调节。如图8（a）所示，第一套测量装置1中，传感器测量探头35的端部与待测表面4平齐；如图8（b）所示，第二套测量装置1中，传感器测量探头35的端部与待测表面4间距为δ ₁；如图8（c）所示，第三套测量装置1中，传感器测量探头35的端部与待测表面4间距为δ ₂。由于受热面同一高度处的灰渣厚度相等，因此第一套测量装置所接触的灰渣厚度为δ，也就是炉内该高度处的真实灰渣厚度，所测得的电容值为C ₁；第二套测量装置所接触的灰渣厚度为δ+δ ₁，测得的电容值为C ₂；第三套测量装置所接触的灰渣厚度为δ+δ ₂，测得的电容值为C ₃。这样，由三套测量装置所测得的灰渣厚度与电容分别为（δ，C ₁）、（δ+δ ₁，C ₂）、（δ+δ ₂，C ₃）。其中传感器探头端部与待测表面的间距δ ₂和δ ₃在安装测量装置时即可确定，均为已知值。将三组参数（δ，C ₁）、（δ+δ ₁，C ₂）、（δ+δ ₂，C ₃），代入上述电容计算公式得到三元方程组，联立求解就可以得到待测位置处的实际灰渣厚度δ。

此外，本发明实施例中，测量装置的数量还可以大于三个，通过多组电容C和对应的距离参数δ，应用公式（1）和公式（2），并通过最小二乘法拟合，可以得到灰渣厚度δ的精确值。

参考图8，安装时，固定套筒2与待测表面4之间采用导热材料5灌注，通过热传导将传感器的高温传递给锅炉受热面，避免温度过高对传感器造成损毁。

此外，本发明实施例还提供了一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测方法，采用上述的基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置实现，具体包括以下步骤：

S1、调整各个测量装置中测量探头35的端部与固定套筒2的端部之间的距离，使其各不相同，并记录其距离；

S2、将三个测量装置1固定安装在锅炉的待测表面4上，使固定套筒2的端部与待测表面4平齐，在固定套筒2与待测表面4之间灌注导热材料5；

S3、测量并记录各个传感器3的电容值C，并将其和对应的设置距离参数带入环形电容的电容计算公式中，即公式（1）和公式（2）中，计算得到灰渣厚度δ。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，其特征在于，包括多个测量装置（1），所述测量装置（1）设置在锅炉受热面的同一高度，所述测量装置（1）包括固定套筒（2）和传感器（3），所述固定套筒（2）的一端固定在锅炉受热面上，所述传感器（3）嵌套在固定套筒（2）内并通过螺纹与固定套筒（2）连接，所述传感器（3）靠近锅炉的一端设置有测量探头（35），所述测量探头（35）包括中心电极（36）、环形电极（37）、绝缘陶瓷（38）和测温元件（39），所述中心电极（36）的截面为圆形，所述环形电极（37）设置在中心电极（36）外周，所述绝缘陶瓷（38）设置在环形电极（37）外侧和环形电极（37）与中心电极（36）之间，所述测温元件（39）设置在绝缘陶瓷（38）内，用于测量测量探头（35）的温度，各个测量装置（1）中传感器（3）端部与固定套筒（2）端部的距离不相等。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，其特征在于，所述固定套筒（2）包括套管（22）和固定法兰（21），所述套管（22）内壁设置有内螺纹（23）；所述传感器（3）包括测量杆（31）和表壳（30），测量杆（31）外周设置有与套管（22）内壁上的内螺纹（23）配合的外螺纹（34），所述表壳（30）与测量杆（31）的一端连接，所述测量探头（35）设置在测量杆（31）内并位于其另一端，所述测量探头（35）的引线经测量杆（31）与表壳（30）内的电路连接；所述测量杆（31）的外周设置有螺纹法兰（32）和锁紧螺母（33），螺纹法兰（32）和锁紧螺母（33）通过螺纹与测量杆（31）连接；所述螺纹法兰（32）用于连接固定法兰（21），所述锁紧螺母（33）用于锁定螺纹法兰（21）。

3.根据权利要求2所述的一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，其特征在于，所述套管（22）为耐高温金属材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，其特征在于，包括三个测量装置（1）。

5.根据权利要求1所述的一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，其特征在于，所述固定套筒（2）与待测表面（4）之间采用导热材料（5）灌注。

6.一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测装置，具体包括以下步骤：

S1、调整各个测量装置中测量探头（35）的端部与固定套筒（2）的端部之间的距离，使其各不相同，并记录其距离；

S2、将各个测量装置（1）固定安装在锅炉的待测表面（4）上，使固定套筒（2）的端部与待测表面（4）平齐，在固定套筒（2）与待测表面（4）之间灌注导热材料（5）；

S3、测量并记录各个传感器（3）的电容值C，并将其和对应的设置距离参数带入环形电容的电容计算公式中，计算得到灰渣厚度δ；所述计算公式为：

其中，C表示电容，其单位为F，ε ₁、ε ₂分别为烟气与灰渣的介电常数，a为中心电极（36）的半径，b为环形电极（37）的宽度，d为中心电极（36）和环形电极（37）的间距，δ为灰渣厚度。

7.根据权利要求6所述的一种基于电容原理差动式测量的积灰结渣在线监测方法，其特征在于，所述测量装置（1）的数量为3个。

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