CN110987211B - 基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法。所述系统包括设置在高温受热面金属管上的若干组温度测点、设置在锅炉主管道上的蒸汽流量测点以及数据采集、处理和显示设备。一组温度测量点包含三个不同位置的温度测量点，分别是布置在受热管入口温度测点，布置在受热管高温区段温度测点以及布置在受热管出口温度测点。通过记录多个温度测点以及蒸汽流量测点联合测量的大量历史数据，计算得到不同锅炉负荷下，炉膛内侧高温区段温度测点与金属管外壁间的热阻，进而通过炉膛内侧高温区段温度测点测量的温度数据来准确表征金属管壁的实际运行温度。本发明具有设备简单、可靠性高等优点。

Description

基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法，属于能源工程领域。
背景技术
大型电站锅炉的炉膛以及对流烟道内布置着大量的高温金属受热面(如高温过热器、高温再热器等)。这些金属受热面实际上是由若干根金属管组成的管屏，高温蒸汽在管内流动，高温烟气在管外流动，二者通过金属管壁进行热交换。高温蒸汽在受热面管内流动，一方面自身被加热，另一方面也对金属管壁起到冷却保护的作用。高温金属受热面所在区域的烟气温度基本都在800℃以上，远超受热面管材的许用温度。若受热面金属管得不到良好的冷却，运行温度长期超过其许用温度，会造成蒸汽侧氧化皮快速生长剥落引起管道堵塞，严重时甚至会导致爆管泄露，严重影响锅炉的运行安全。
为了追求更高的发电效率，人们不断地提高锅炉过热蒸汽、再热蒸汽的温度，这使得蒸汽对金属管壁的冷却能力下降。目前超(超)临界燃煤锅炉的典型过热/再热蒸汽的温度已经达到了600～620℃，而高温受热面常用管材的长期可用耐热温度仅为650～690℃，锅炉负荷变动时操作不当很容易引起金属管实际壁温超过极限耐受温度的情况。
准确有效地监控炉内受热面管子的运行温度，是保证高温受热面按照设计寿命服役的重要措施。然而直接监测炉内金属管壁的实际运行温度十分困难。目前绝大多数火电厂高温受热面系统的壁温测点都布置在管子出口在炉膛外侧靠近集箱的管段外壁上，测点测量到的温度仅能表征该管出口的蒸汽温度，并不能准确反映炉内金属管壁的实际运行温度水平。部分电厂采用在炉膛内受热面管壁上直接安装热电偶集热块的方法来监控壁温，然而受到炉膛内高温环境以及集热块与管壁间热阻的影响，这样测量到的温度通常会比金属管壁实际温度高30～50℃，因此也不能准确地表征金属管壁的实际运行温度。集热块与管壁间的热阻通常受到现场安装工艺的影响，没有办法通过理论计算。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法，通过流量测点和多个温度测点的联合测量的历史数据，计算得到不同运行负荷下锅炉高温受热面的热流以及炉内管壁上安装的温度测点与金属管壁之间的热阻，进而修正炉内管壁上温度测点的测量数据，达到准确测量监控金属管壁实际运行的温度的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法，所述方法包括：
在锅炉高温受热面选取待测金属管，分别在所述待测金属管入口、出口及高温区段表面布设温度测点，并通过锅炉DCS系统采集及记录相应的温度数据，包括待测金属管入口温度T0(P)、待测金属管高温区段温度T1(P)、待测金属管出口温度T2(P)；
获取锅炉运行历史数据，所述锅炉运行历史数据包括锅炉负荷P及与锅炉负荷P对应的蒸汽流量值M(P)、待测金属管入口温度T0(P)、待测金属管高温区段温度T1(P)、待测金属管出口温度T2(P)；通过锅炉运行历史数据进行区间均值运算得到锅炉负荷为P时的平均记录蒸汽流量
Figure BDA0002279600270000021
平均记录待测金属管入口温度
Figure BDA0002279600270000022
平均记录待测金属管高温区段温度
Figure BDA0002279600270000023
平均记录待测金属管出口温度
Figure BDA0002279600270000024
通过公式
Figure BDA0002279600270000025
计算得到锅炉负荷为P时高温受热面上的平均热流密度
Figure BDA0002279600270000026
其中k1为根据锅炉受热管结构以及锅炉负荷确定的系数；
通过公式
Figure BDA0002279600270000027
计算得到锅炉负荷P对应的待测金属管高温区段温度测点与待测金属管壁间的热阻
Figure BDA0002279600270000028
其中k2、k3、k4、k5、k6为根据锅炉受热管结构以及锅炉负荷确定的系数；
通过公式
Figure BDA0002279600270000029
修正锅炉运行时待测金属管高温区段温度测点测量得到的温度，得到待测金属管壁的实际运行温度Twall。
上述技术方案中，所述待测金属管入口温度测点设置在待测金属管入口管段的外壁面，且所述待测金属管入口管段位于炉膛外；将入口温度热电偶末端固定在待测金属管入口管段的外壁面，并在所述入口温度热电偶末端包裹保温材料形成绝热层。
上述技术方案中，所述待测金属管出口温度测点设置在待测金属管出口管段的外壁面，且所述待测金属管出口管段位于炉膛外；将出口温度热电偶末端固定在待测金属管入口管段的外壁面，并在所述出口温度热电偶末端包裹保温材料形成绝热层。
上述技术方案中，所述待测金属管高温区段温度测点设置在待测金属管高温区段的迎火面，且所述待测金属管高温区段位于炉膛内；在所述待测金属管高温区段迎火面焊接金属集热块，并在所述金属集热块预留高温热电偶通道，将高温热电偶末端插入高温热电偶通道并固定。
本发明具有以下优点及突出性效果：通过多个测点的联合测量的大量历史数据，计算得到不同锅炉负荷下，炉膛内侧高温区段温度测点与金属管外壁间的热阻以及受热面上的热流密度。进而通过炉膛内侧高温区段温度测点测量的温度数据来准确表征金属管壁的实际运行温度。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本发明公开了一种基于锅炉运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法，用于锅炉炉膛高温受热面金属管温度的测量。锅炉通常设有DCS系统(分布式控制系统，Distributed Control System)，采集及记录包括蒸汽流量、锅炉负荷在内的锅炉运行数据，并经过一段时间的锅炉运行后，在DCS系统形成历史数据或数据库，能够调用查询或分析。本领域一般技术人员对此均可理解和想象。非当前时刻的数据即为历史数据。这里通常包括至少三个月的运行数据。
在锅炉高温受热面选取至少一个待测金属管，分别在待测金属管入口、出口及高温区段表面布设温度测点。待测金属管入口温度测点设置在待测金属管入口管段的外壁面，且待测金属管入口管段位于炉膛外。将入口温度热电偶末端固定在待测金属管入口管段的外壁面，并在入口温度热电偶末端包裹保温材料形成绝热层。待测金属管出口温度测点设置在待测金属管出口管段的外壁面，且待测金属管出口管段位于炉膛外靠近集箱处。将出口温度热电偶末端固定在待测金属管入口管段的外壁面，并在出口温度热电偶末端包裹保温材料形成绝热层。待测金属管高温区段温度测点设置在待测金属管高温区段的迎火面，且待测金属管高温区段位于炉膛内。在待测金属管高温区段迎火面焊接金属集热块，并在金属集热块预留高温热电偶通道，将高温热电偶末端插入高温热电偶通道并固定。入口温度热电偶、出口温度热电偶和高温热电偶的测量引线均通过数据线连接到锅炉DCS系统。
待测金属管入口、出口及高温区段表面的温度测点均安装两个以上独立的热电偶或热电阻以消除测量误差。为了更全面的监测高温受热面的运行情况，可在高温受热面的选取多根典型受热管，每根典型受热管上均布置一组温度测点，即在每根典型受热管的入口处、高温烟气段的迎火面以及出口处，各布置一个温度测点。
通过锅炉DCS系统采集及记录相应的温度数据，包括待测金属管入口温度T0(P)、待测金属管高温区段温度T1(P)、待测金属管出口温度T2(P)。
获取锅炉运行历史数据，历史数据包括锅炉负荷P及与锅炉负荷P对应的蒸汽流量值M(P)、待测金属管入口温度T0(P)、待测金属管高温区段温度T1(P)、待测金属管出口温度T2(P)；通过锅炉运行历史数据进行区间均值数据运算得到锅炉负荷为P时的平均记录蒸汽流量
Figure BDA0002279600270000041
平均记录待测金属管入口温度
Figure BDA0002279600270000042
平均记录待测金属管高温区段温度
Figure BDA0002279600270000043
平均记录待测金属管出口温度
Figure BDA0002279600270000044
由于运行数据往往存在波动，通常可以设定波动范围值a，在[P-a，P+a]区间内的相关数据组，均作为锅炉负荷P的区间均值计算数据组，用以计算得到上述参数。
通过公式
Figure BDA0002279600270000045
计算得到锅炉负荷为P时高温受热面上的平均热流密度
Figure BDA0002279600270000046
其中，k1为根据锅炉受热管结构以及锅炉实时热负荷确定的系数，该实施例中，k1＝6.7×10-6。
通过公式
Figure BDA0002279600270000047
计算得到锅炉负荷P对应的待测金属管高温区段温度测点与待测金属管壁间的热阻
Figure BDA0002279600270000048
其中k2、k3、k4、k5、k6为根据锅炉受热管结构以及锅炉负荷确定的系数。
k2＝-l2/l
k1＝-l1/l
k3＝1
k5＝35.84Di 1.8μf 0.8/(Prf 0.3λf)
k6＝(Di/2)ln(Do/Di)/λm
其中，l2为炉内测点到管出口的长度，l1为管入口到炉内测点T1的长度，l＝l1+l2为管入口到管出口的长度。Di和Do分别为管子的内径和外径，λm和λf分别为金属管和烟气的导热系数。
通过公式
Figure BDA0002279600270000051
修正锅炉运行时待测金属管高温区段温度测点测量得到的温度，得到待测金属管壁的实际运行温度Twall。
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 (4)

1.基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法，其特征在于，所述方法包括：
在锅炉高温受热面选取待测金属管，分别在所述待测金属管入口、出口及高温区段表面布设温度测点，并通过锅炉DCS系统采集及记录相应的温度数据，包括待测金属管入口温度T0(P)、待测金属管高温区段温度T1(P)、待测金属管出口温度T2(P)；
获取锅炉运行历史数据，所述锅炉运行历史数据包括锅炉负荷P及与锅炉负荷P对应的蒸汽流量值M(P)、待测金属管入口温度T0(P)、待测金属管高温区段温度T1(P)、待测金属管出口温度T2(P)；通过锅炉运行历史数据进行运算得到锅炉负荷为P时的平均记录蒸汽流量
Figure FDA0002632051340000011
平均记录待测金属管入口温度
Figure FDA0002632051340000012
平均记录待测金属管高温区段温度
Figure FDA0002632051340000013
平均记录待测金属管出口温度
Figure FDA0002632051340000014
通过公式
Figure FDA0002632051340000015
计算得到锅炉负荷为P时高温受热面上的平均热流密度
Figure FDA0002632051340000016
其中k1为根据锅炉受热管结构以及锅炉负荷确定的系数；
通过公式
Figure FDA0002632051340000017
计算得到锅炉负荷P对应的待测金属管高温区段温度测点与待测金属管壁间的热阻
Figure FDA0002632051340000018
其中k2、k3、k4、k5、k6为根据锅炉受热管结构以及锅炉负荷确定的系数；
通过公式
Figure FDA0002632051340000019
修正锅炉运行时待测金属管高温区段温度测点测量得到的温度，得到待测金属管壁的实际运行温度Twall。
2.根据权利要求1所述的基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法，其特征在于，所述待测金属管入口温度测点设置在待测金属管入口管段的外壁面，且所述待测金属管入口管段位于炉膛外；将入口温度热电偶末端固定在待测金属管入口管段的外壁面，并在所述入口温度热电偶末端包裹保温材料形成绝热层。
3.根据权利要求1所述的基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法，其特征在于，所述待测金属管出口温度测点设置在待测金属管出口管段的外壁面，且所述待测金属管出口管段位于炉膛外；将出口温度热电偶末端固定在待测金属管出口管段的外壁面，并在所述出口温度热电偶末端包裹保温材料形成绝热层。
4.根据权利要求1所述的基于运行数据的锅炉高温受热面金属壁温监测方法，其特征在于，所述待测金属管高温区段温度测点设置在待测金属管高温区段的迎火面，且所述待测金属管高温区段位于炉膛内。
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