CN111366118A - 锅炉水垢厚度监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了锅炉水垢厚度监测装置及方法，该装置包括温度传感器、除垢装置及控制装置，除垢装置安装于锅炉内部，用于去除锅炉内某一位置处的水垢；温度传感器安装于锅炉外壁面，包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器安装于除垢装置除垢位置所对应的外壁面上，第二温度传感器安装于除垢位置附近的外壁面上；控制装置与温度传感器连接，控制装置用于接收第一温度传感器、第二温度传感器的温度测量信号，利用两个测点的温度值(差值)经公式计算获得第二温度传感器所对应锅炉内水垢厚度。本发明的水垢厚度监测装置，同时采集除垢点与非除垢点的锅炉金属外壁温度值，计算锅炉内水垢厚度。本发明属于锅炉技术领域。

Description

锅炉水垢厚度监测装置及方法
技术领域
本发明涉及锅炉技术领域，特别涉及锅炉水垢厚度监测装置及方法。
背景技术
蒸汽锅炉是一种将煤、油、天然气等能源变高温高压水蒸汽的动力设备，蒸汽锅炉主要工作原理是将水加热变成高温高压的蒸汽，再由管道输送到需要用高温高压蒸汽的地方。锅炉内的水在蒸发过程中由于水中的各种固体溶解物不断浓缩，当达到部分物质的最高溶解度时，这些固形物将结晶并强力附着在锅炉内金属壁表面(金属受热面)上，这些附着在金属壁上的固形物称为水垢，由于水垢的导热系数远小于锅炉金属(受热面)的导热系数，会使锅炉受热面吸收燃料燃烧后释放出的热量大大减小，锅炉的热效率降低。另外，锅炉结水垢后，会在水垢下形成腐蚀，减小锅炉的受压部位的金属厚度，产生安全隐患，极端情况下，可能会锅炉发生泄漏、爆炸，严重损害人民的生命安全和财产安全。
为预防锅炉结水垢，目前已有对进入锅炉的水进行去除易结水垢固形物处理和锅内加药去除水垢等多种有效的方法，但由于水处理设备的失效和司炉操作人员的技术水平有限，工业蒸汽锅炉结水垢的现象还很严重，目前还没有相关的仪器设备对锅炉水垢的厚度进行监测，只能等生产停产后打开锅炉的检查孔盖进行人工观察，当水垢超过一定的厚度时采取相应的措施进行清理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种锅炉水垢厚度监测装置，能在锅炉外部监测锅炉内水垢厚度。
本发明的另一个目的在于提供了一种锅炉水垢厚度监测方法，根据除垢点及其附近结水垢处的温度差确定锅炉内水垢的厚度。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：锅炉水垢厚度监测装置，包括温度传感器、除垢装置以及控制装置，所述除垢装置安装于锅炉内部，用于去除锅炉内某一位置处的水垢；所述温度传感器安装于锅炉外壁面，包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器安装于除垢装置除垢位置所对应的外壁面上，所述第二温度传感器安装于除垢位置附近的外壁面上；所述控制装置与温度传感器连接，所述控制装置用于接收第一温度传感器、第二温度传感器的温度测量信号，并计算获得第二温度传感器所对应锅炉内水垢厚度。
作为优选的技术方案，所述控制装置包括微处理器、模/数转换器、基准电压产生电路以及电源模块；所述温度传感器的输入端与基准电压产生电路的输出端连接，输出端与模/数转换器的输入端连接；微处理器的输出端与的基准电压产生电路的输入端连接，微处理器与模/数转换器双向连接，所述电源模块与微处理器连接。
作为优选的技术方案，所述控制装置还包括报警器，所述报警器与所述微处理器连接。
作为优选的技术方案，所述除垢装置包括给水管、涡轮装置以及清洗装置；所述给水管上设有多个喷水小孔；所述涡轮装置安装于给水管，包括涡轮叶片以及传动轴或者包括涡轮叶片、传动轴以及从动轴，所述涡轮叶片与传动轴转动连接；所述涡轮叶片由给水管喷出的水带动旋转；所述清洗装置包括套筒、毛刷接头以及清洗刷，所述清洗装置安装在传动轴上，所述套筒套在传动轴上，所述毛刷接头固定在套筒的端部上，所述清洗刷安装在毛刷接头上；或者所述清洗装置安装在从动轴上，所述从动轴通过齿轮与传动轴连接；所述套筒套于从动轴上，所述毛刷接头固定在套筒的端部上，所述清洗刷安装在毛刷接头上。
作为优选的技术方案，套筒内安装有弹簧，弹簧一端与毛刷接头连接，另一端与传动轴的端部连接，所述套筒内壁面对称设有两条长条形槽，所述传动轴上设有销钉，所述销钉可在长条形槽内滑动。
作为优选的技术方案，所述涡轮装置安装在给水管外部，给水管上套设有一对U型螺栓，U型螺栓开口处固定有一底板，底板上安装有第一轴承板，第一轴承板上安装有第一轴承，所述传动轴穿过所述第一轴承。
作为优选的技术方案，套筒内安装有弹簧，弹簧一端与毛刷接头连接，另一端与从动轴的端部连接，所述套筒内壁面设有两条长条形槽，所述从动轴上设有销钉，所述销钉可在长条形槽内滑动。
作为优选的技术方案，所述涡轮装置安装在给水管外部，给水管上套设有一对U型螺栓，U型螺栓开口处固定有一底板，底板上安装有第一轴承板，第一轴承板上安装有第一轴承，底板上还安装有第二轴承板，第二轴承板上设有第二轴承，所述传动轴穿过第二轴承，所述从动轴穿过所述第一轴承。
作为优选的技术方案，所述涡轮叶片安装在给水管内，所述传动轴穿过给水管并与设于给水管管壁上的第一轴承连接；给水管上焊接有第三轴承板，所述第三轴承板上设有第三轴承，所述从动轴穿过所述第三轴承。
本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：锅炉水垢厚度监测方法，包括如下步骤：在锅炉内安装除垢装置；在除垢装置对应除垢点的外壁面上安装第一温度传感器，在除垢点附近的外壁面上安装第二温度传感器；将第一温度传感器、第二温度传感器与控制装置连接，控制装置根据以下公式计算第二温度传感器所对应的锅炉内水垢厚度δ垢：
Figure BDA0002444349040000031
其中，t测1为第一温度传感器测量的锅炉外壁面温度，t测2为第二温度传感器测量的锅炉外壁面温度，t空为空气温度，λ垢为水垢导热系数，R水、R钢、R空分别为饱和水热阻、锅炉钢板热阻、空气热阻。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明的水垢厚度监测装置，在锅炉外壁面上设置温度传感器，同时采集除垢点与非除垢点的温度传感器的信号，计算锅炉内水垢厚度。结构简单，测量精度高。
2.本发明的除垢装置利用给水管进水的水动能带动涡轮装置的叶片旋转，从而带动清洗装置摩擦锅炉内壁面，达到除垢目的。除垢装置能够耐高温高压，无需外给动力，安装简单，易于维修更换。
3.本发明的水垢厚度监测装置，可以对水垢厚度进行实时监测，当水垢厚度大于预设值时，控制装置可发出报警。
附图说明
图1是本发明实施例一中锅炉水垢厚度监测装置结构示意图；
图2是本发明实施例一中除垢装置结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明实施例一中涡轮叶片的结构示意图；
图5是图2的A-A截面图；
图6是本发明实施例一中锅炉水垢控制装置结构示意图；
图7是本发明实施例一中锅炉水垢厚度与第二温度传感器温度数值对应图；
图8是本发明实施例二中除垢装置的结构示意图；
图9是图8的左视图；
图10是本发明实施例三中除垢装置的结构示意图；
图11是图10的俯视图。
其中：10：给水管，11：喷水小孔，12：U型螺栓，13：底板，14：第一轴承板，15：第一轴承，16：第二轴承板，17：第二轴承，18：第三轴承板，19：第三轴承，20：叶片，21：外环，22：内环，23：顶板，24：传动轴，25：齿轮，26：从动轴，30：套筒，31：毛刷连头，32：清洗刷，33：弹簧，4：第一温度传感器，5：第二温度传感器，6：锅炉，61：炉胆，62：锅炉内壁面，63：锅炉外壁面。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图1所示，锅炉水垢监测装置包括温度传感器、除垢装置以及控制装置。除垢装置安装于锅炉内部，用于去除锅炉内某一位置处的水垢，除垢面积应略大于该处锅炉的壁厚。锅炉内设有炉胆，锅炉壁面分为内壁面和外壁面。温度传感器安装于锅炉外壁面，包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器安装于除垢装置除垢位置所对应的外壁面上，第二温度传感器安装于除垢位置附近的外壁面上。第二温度传感器应与第一温度传感器相隔一定的距离，保证第二温度传感器所对应的锅炉内水垢不会被除垢装置影响而导致水垢脱落。控制装置与温度传感器连接，控制装置用于接收第一温度传感器、第二温度传感器的温度测量信号，并计算获得第二温度传感器所对应锅炉内水垢厚度。由于锅炉内壁面结水垢后，结水垢处的外壁面温度与没有结水垢处的外壁面温度不同，通过监测这两处的外壁面温差即可计算获得锅炉内水垢厚度。
如图2至5所示，本实施例中，采用利用水动能除垢的装置，该装置包括给水管、涡轮装置以及清洗装置。涡轮装置安装于给水管上，清洗装置安装在涡轮装置上。清洗装置位于锅炉内的水空间，且易结水垢位置，用于清除锅炉内的水垢。给水管是锅炉原有的，用于给锅炉内加水。给水管上设有多个喷水小孔，用于喷出给水管内的水。
如图2、4所示，涡轮装置包括涡轮叶片以及传动轴。涡轮叶片由内环和外环限定，叶片形状为弯曲叶片。给水管的喷水小孔喷出的水，可带动涡轮叶片旋转。内环上设有四个顶板，顶板用于连接传动轴。当涡轮叶片旋转时，可带动内环转动，从而带动传动轴转动。本实施例中，涡轮装置安装在给水管外部，给水管上套设有一对U型螺栓，U型螺栓开口处用螺母固定有一底板，底板上安装有第一轴承板，第一轴承板上安装有第一轴承，传动轴穿过第一轴承。第一轴承采用深沟球轴承。
清洗装置包括套筒、毛刷接头以及清洗刷，套筒套在传动轴上，毛刷接头固定在套筒的端部上，清洗刷安装在毛刷接头上，与锅炉内壁面接触。当传动轴随着涡轮叶片转动时，传动轴带动清洗刷转动，清洗刷不断磨擦锅炉内壁，使之不能结垢。为了使清洗刷与锅炉内壁紧密接触，提高清洗效率，可以在套筒内安装一弹簧，弹簧一端与毛刷接头连接，另一端与传动轴的端部连接。且套筒内壁面对称设有两条长条形槽，传动轴上设有销钉，销钉可在长条形槽内滑动。当锅炉壁面不平整，挤压清洗刷时，弹簧受到压缩，套筒在传动轴上滑动，从而保证清洗刷与锅炉内壁面紧密接触。
除垢装置用于去除锅炉内水空间某一处的水垢，即第一温度传感器所对应的位置，该除垢装置无需大面积除垢，仅在第一温度传感器位置处除垢，目的在于与第二温度传感器所在位置处形成温度差。
如图6所示，本实施例中的控制装置包括微处理器、ADC(模/数转换器)、基准电压产生电路、电源模块以及报警器。采用PT1000作为温度传感器，温度传感器的输入端与基准电压产生电路的输出端连接，输出端与模/数转换器的输入端连接。微处理器的输出端与的基准电压产生电路的输入端连接，微处理器与模/数转换器双向连接。电源模块与微处理器连接，用于提供电力。报警器与微处理器连接，用于在水垢超过预设值时发出报警音。本控制装置的工作原理为：基准电压产生电路的工作电压由基准电压VREF提供，工作电流流入四个测量通道之一的PT1000，产生温度差动测量信号，然后由两个4：1的模拟多路复用器选择跟随，把差动测量信号变为单端对地测量信号，最后送ADC(模/数转换器)进行采集。ADC(模/数转换器)传输到微处理器进行运算，获得水垢厚度值。本实施例中的测量通道为四个，每两个为一个测量计算点，防止外界干扰，提高测量精度。
根据清除水垢处和有水垢处的锅炉热流密度的公式：
Figure BDA0002444349040000061
Figure BDA0002444349040000062
其中，q1为清除水垢处的锅炉热流密度，q2为有水垢处的锅炉热流密度。t测1为第一温度传感器所测量的锅炉外壁面温度，t测2为第二温度传感器所测量的锅炉外壁面温度，t空为空气温度，R垢为水垢的热阻，R水、R钢、R空分别为饱和水热阻、锅炉钢板热阻、空气热阻。
综合上述两式可得，
Figure BDA0002444349040000063
Figure BDA0002444349040000071
其中，δ垢水垢厚度，λ垢为水垢导热系数。R水+R钢+R空相同环境下为不变量，可定义为系数K，并通过已知水垢厚度进行实验，计算出该系数，用于测量未知厚度的水垢。根据水垢状态成分选取水垢的导热系数λ垢，并测量第一温度传感器和第二温度传感器的温度值，即可计算出水垢厚度。
不同水垢的热负荷和热膨胀系数等参数不同，水垢种类不同它的经验数据不同，可综合大数据，把常见的水垢经验数据表，存储在微处理器中，水垢厚度可根据经验公式和常见水垢经验数据表计算得知。不同种类水垢的参数不同，安全阈值也不同，不同种类的水垢的安全阈值可存储在微处理器中，这些值可以程控设置，当种类不同的水垢达到其相应的安全阈值，微处理器就会自动控制报警器报警。
以水垢导热系数为2(W/(m·K)为例，图7为第二温度传感器温度值与水垢厚度的关系图，可以看出，随着水垢厚度的增加，第二温度传感器所测量的锅炉外壁面温度逐渐降低。当水垢厚度超过1.5mm时，控制装置将发出报警。
实施例二
如图8-9所示，本实施例的除垢装置包括给水管、涡轮装置以及清洗装置。涡轮装置安装于给水管上，清洗装置安装在涡轮装置上。本实施例中涡轮装置包括涡轮叶片、传动轴以及从动轴。涡轮叶片为平直叶型，传动轴一端与涡轮叶片连接，另一端安装有齿轮。从动轴一端安装有齿轮，该齿轮与传动轴上的齿轮垂直传动。从动轴的另一端安装有清洗装置，本实施例中的清洗装置与实施例一中相同，在此不重复叙述。为了保证涡轮装置平稳安装在给水管上，给水管上套设有一对U型螺栓，U型螺栓开口处用螺母固定有一底板，底板上安装有第一轴承板，第一轴承板上安装有第一轴承，从动轴穿过所述第一轴承。底板上还安装有第二轴承板，第二轴承板上设有第二轴承，传动轴穿过第二轴承。第一轴承和第二轴承都为深沟球轴承。
本实施例未提及部分同实施例一。本实施例与实施例一的区别在于，清洗装置安装在从动轴上，从动轴通过齿轮与传动轴连接。从动轴与传动轴垂直连接，目的在于使给水管上的喷水小孔正对涡轮叶片，从而提高涡轮叶片的旋转速度，提高清洗效率。
实施例三
如图10-11所示，本实施例的除垢装置包括给水管、涡轮装置以及清洗装置。涡轮装置包括涡轮叶片、传动轴以及从动轴。涡轮叶片安装在给水管内部，叶片为直叶片。为了将涡轮叶片安装到给水管内，需要对锅炉原有的给水管进行改造，形成能容纳涡轮叶片的空腔。当给水管内进水时，水流直接冲刷涡轮叶片，带动涡轮叶片转动。传动轴穿过给水管并与设于给水管管壁上的第一轴承连接。传动轴与从动轴垂直连接，并通过齿轮传动。给水管外管壁面上焊接有两根第三轴承板，在第二轴承板上设置两个第三轴承，第三轴承为深沟球轴承，从动轴穿过第三轴承。从动轴上安装有清洗装置，本实施例中的清洗装置与实施例一中相同，在此不重复叙述。
本实施例未提及部分同实施例一。本实施例与实施例一、二的区别在于，将涡轮叶片直接安装在给水管内部，给水管内的进水直接推动叶片转动。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.锅炉水垢厚度监测装置，其特征在于，包括温度传感器、除垢装置以及控制装置，所述除垢装置安装于锅炉内部，用于去除锅炉内某一位置处的水垢；
所述温度传感器安装于锅炉外壁面，包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器安装于除垢装置除垢位置所对应的外壁面上，所述第二温度传感器安装于除垢位置附近的外壁面上；
所述控制装置与温度传感器连接，所述控制装置用于接收第一温度传感器、第二温度传感器的温度测量信号，并计算获得第二温度传感器所对应锅炉内水垢厚度。
2.根据权利要求1所述的锅炉水垢厚度监测装置，其特征在于，所述控制装置包括微处理器、模/数转换器、基准电压产生电路以及电源模块；所述温度传感器的输入端与基准电压产生电路的输出端连接，输出端与模/数转换器的输入端连接；微处理器的输出端与的基准电压产生电路的输入端连接，微处理器与模/数转换器双向连接，所述电源模块与微处理器连接。
3.根据权利要求2所述的锅炉水垢厚度监测装置，其特征在于，所述控制装置还包括报警器，所述报警器与所述微处理器连接。
4.根据权利要求1所述的锅炉水垢厚度监测装置，其特征在于，所述除垢装置包括给水管、涡轮装置以及清洗装置；所述给水管上设有多个喷水小孔；
所述涡轮装置安装于给水管，包括涡轮叶片、传动轴或者包括涡轮叶片、传动轴以及从动轴；所述涡轮叶片与传动轴转动连接；所述涡轮叶片由给水管喷出的水带动旋转；
所述清洗装置包括套筒、毛刷接头以及清洗刷，所述清洗装置安装在传动轴上，所述套筒套在传动轴上，所述毛刷接头固定在套筒的端部上，所述清洗刷安装在毛刷接头上；
或者所述清洗装置安装在从动轴上，所述从动轴通过齿轮与传动轴连接；所述套筒套于从动轴上，所述毛刷接头固定在套筒的端部上，所述清洗刷安装在毛刷接头上。
5.根据权利要求4所述的锅炉水垢厚度监测装置，其特征在于，套筒内安装有弹簧，弹簧一端与毛刷接头连接，另一端与传动轴的端部连接，所述套筒内壁面对称设有两条长条形槽，所述传动轴上设有销钉，所述销钉可在长条形槽内滑动。
6.根据权利要求5所述的锅炉水垢厚度监测装置，其特征在于，所述涡轮装置安装在给水管外部，给水管上套设有一对U型螺栓，U型螺栓开口处固定有一底板，底板上安装有第一轴承板，第一轴承板上安装有第一轴承，所述传动轴穿过所述第一轴承。
7.根据权利要求4所述的锅炉水垢厚度监测装置，其特征在于，套筒内安装有弹簧，弹簧一端与毛刷接头连接，另一端与从动轴的端部连接，所述套筒内壁面设有两条长条形槽，所述从动轴上设有销钉，所述销钉可在长条形槽内滑动。
8.根据权利要求7所述的锅炉水垢厚度监测装置，其特征在于，所述涡轮装置安装在给水管外部，给水管上套设有一对U型螺栓，U型螺栓开口处固定有一底板，底板上安装有第一轴承板，第一轴承板上安装有第一轴承，底板上还安装有第二轴承板，第二轴承板上设有第二轴承，所述传动轴穿过第二轴承，所述从动轴穿过所述第一轴承。
9.根据权利要求7所述的锅炉水垢厚度监测装置，其特征在于，所述涡轮叶片安装在给水管内，所述传动轴穿过给水管并与设于给水管管壁上的第一轴承连接；给水管上焊接有第三轴承板，所述第三轴承板上设有第三轴承，所述从动轴穿过所述第三轴承。
10.锅炉水垢厚度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
在锅炉内安装除垢装置；
在除垢装置对应除垢点的外壁面上安装第一温度传感器，在除垢点附近的外壁面上安装第二温度传感器；
将第一温度传感器、第二温度传感器与控制装置连接，控制装置根据以下公式计算第二温度传感器所对应的锅炉内水垢厚度δ垢：
Figure FDA0002444349030000031
其中，t测1为第一温度传感器测量的锅炉外壁面温度，t测2为第二温度传感器测量的锅炉外壁面温度，t空为空气温度，λ垢为水垢导热系数，R水、R钢、R空分别为饱和水热阻、锅炉钢板热阻、空气热阻。
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