CN112066353A - 一种采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，包括导热块、压缩气体管、热电偶和锅炉换热管；在锅炉换热管的外壁面设置有导热块，导热块上方固定有压缩气体管，热电偶穿过压缩气体管并插入导热块；压缩气体管和导热块外表面均涂覆有一层氧化锆热障层；导热块采用与锅炉换热管相同的金属材料制作，其宽度为锅炉换热管直径的50％‑85％，高度与宽度之比为1‑1.5，厚度为5mm‑12mm。本发明的有益效果是：本发明的导热块和热电偶安装在锅炉换热管外壁，在热电偶与锅炉换热管之间的热阻非常小，而由于导热块外表面涂覆了氧化锆热障层，热电偶与高温烟气之间的热阻较大，因此热电偶能够准确反映锅炉换热管管壁温度，测量准确度高。

Description

一种采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置及 方法
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，特别涉及一种能够在炉内对锅炉换热管进行监测的装置及方法。
背景技术
电站锅炉在我国电厂生产领域广泛使用，为了得到驱动汽轮机做功的高温高压蒸汽，需要在炉膛内布置大量受热面，包括屏式过热器、高温过热器及再热器等。以超超临界燃煤锅炉为例，过热器管组内高温高压蒸汽温度高达500℃-600℃，而管组外的高温烟气温度高达800℃-1000℃。锅炉换热管工作条件恶劣，局部管壁温度已接近金属材料耐受温度的上限，在运行操作不当或内部异物堵塞等情况下，容易发生过热超温甚至爆管事故。因此，对电站锅炉的锅炉换热管的壁面温度进行监控和测量从而提高锅炉安全性，是十分必要的。
由于锅炉换热管及外部烟气温度非常高，因此对炉内锅炉换热管直接进行温度测量并不容易，常规热电偶的导线在高温下容易发生氧化、变形甚至断裂，使测温元件损坏。目前，电厂普遍采用的壁温监测方法是将热电偶布置在炉顶的换热管进出口段，由于该位置在炉膛外，没有高温烟气冲刷，热电偶的寿命得到大幅提高，但是这种测量方法并不能反映换热管在炉内部分的实际壁温。
综上，为了确保锅炉安全运行、防止受热面爆管，亟需开发对炉内锅炉换热管壁温进行长期有效监测的装置及方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置及方法。
这种采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，包括导热块、压缩气体管、热电偶和锅炉换热管；在锅炉换热管的外壁面设置有导热块，导热块上方固定有压缩气体管，热电偶穿过压缩气体管并插入导热块；压缩气体管和导热块外表面均涂覆有一层氧化锆热障层。
作为优选：导热块采用与锅炉换热管相同的金属材料制作，其宽度为锅炉换热管直径的50％-85％，高度与宽度之比为1-1.5，厚度为5mm-12mm。
作为优选：导热块通过四周满焊的方式与锅炉换热管相连。
作为优选：导热块上端设有小孔，小孔内插入热电偶，热电偶通过紧固螺栓固定在导热块内。
作为优选：压缩气体管采用耐热不锈钢材质，管径为20mm-35mm，并在压缩气体管下部设置有压缩气体排气口。
作为优选：氧化锆热障层的厚度为0.1mm-0.3mm。
作为优选：热电偶采用K型镍铬-镍硅热电偶或S型热电偶。
作为优选：压缩气体管上端接压缩空气或压缩氮气。
作为优选：压缩气体管的上部管体与锅炉换热管平行设置，压缩气体管的底部管体向锅炉换热管倾斜并与导热块相连。
这种采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置的安装使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将导热块与锅炉换热管通过焊接相连，将带有压缩气体排气口的压缩气体管固定于导热块上方，热电偶通过紧固螺栓固定于导热块内部；
S2、在压缩气体管和导热块外表面均涂覆一层厚度为0.1mm-0.3mm的氧化锆热障层；
S3、压缩气体从压缩气体管上端接入，初始压力为0.3MPa-0.6MPa，气体自上而下流动，对热电偶的导线进行冷却，然后从压缩气体排气口排出；
S4、热电偶处在700℃以下的安全温度范围内，对炉内锅炉换热管壁温进行连续监测。
本发明的有益效果是：
1、本发明的导热块和热电偶安装在锅炉换热管外壁，在热电偶与锅炉换热管之间的热阻非常小，而由于导热块外表面涂覆了氧化锆热障层，热电偶与高温烟气之间的热阻较大，因此热电偶能够准确反映锅炉换热管管壁温度，测量准确度高。
2、本发明的热电偶采用压缩气体冷却，而压缩气体管外涂覆了具有隔热作用的氧化锆热障层，热电偶导线温度控制在安全范围内，测量装置寿命延长，可以实现长期在线测量，保障锅炉安全可靠运行。
3、本发明的装置结构简单合理，可以使用廉价的K型热电偶，且压缩气体成本不高并可就地获取，因此具有较低的运行费用和较好的可操作性。
附图说明
图1为采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置的结构示意图；
图2为采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置的正视图；
图3为采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置的侧视图；
图4为采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置的俯视图；
图5为图2的A-A剖面图；
图6为图4的B-B剖面图；
图7为该装置数值模拟得到图4的B-B剖面温度场分布图；
图8为该装置数值模拟得到图2的A-A剖面温度场分布图。
附图标记说明：1-导热块；2-压缩气体管；3-压缩气体排气口；4-热电偶；5-锅炉换热管；6-紧固螺栓。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
所述采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，包括导热块1、压缩气体管2、压缩气体排气口3、热电偶4和锅炉换热管5。在锅炉换热管5的外壁面设置导热块1，导热块1上方固定压缩气体管2，热电偶4穿过压缩气体管2后插入导热块1。
导热块1采用与锅炉换热管相同的金属材料制作，其宽度为锅炉换热管直径的50％-85％，高度与宽度之比为1-1.5，厚度为5mm-12mm；导热块1通过四周满焊的方式与锅炉换热管5相连；导热块1上端设有小孔，用于插入热电偶4，并利用紧固螺栓6将热电偶4进行固定。
压缩气体管2采用耐热不锈钢材质，管径为20mm-35mm，其底部与导热块1相连，并在压缩气体管2下部设置压缩气体排气口3，压缩气体排气口3排出的压缩空气不会吹扫到导热块。
压缩气体管2和导热块1外表面均涂覆一层厚度约为0.1mm-0.3mm的氧化锆热障层。
用于测量壁温的热电偶4既可采用普通K型镍铬-镍硅热电偶，也可以使用S型等其他类型的热电偶。
压缩气体管2上端接压缩空气或压缩氮气，压力为0.3MPa-0.6MPa。
工作时，压缩气体从压缩气体管上端流入，对热电偶的导线进行冷却，加上氧化锆热障层隔热，确保热电偶的全部导线都受到热屏蔽，工作在安全温度范围内，不会被烧损。该装置可以长期可靠运行，实现对炉内锅炉换热管壁温的连续监测。
实施例二
所述采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其安装使用方法为：导热块1与锅炉换热管5通过焊接相连，而热电偶4被紧固螺栓6固定于导热块1内部，确保了热电偶4与锅炉换热管5之间的接触热阻降至最低。同时，由于压缩气体管2和导热块1外表面涂覆氧化锆热障层，使高温烟气对锅炉换热管5的对流、导热及辐射影响降低，因此热电偶4非常接近锅炉换热管5的壁温。压缩气体从压缩气体管2上端接入，初始压力为0.3MPa-0.6MPa，气体自上而下流动，对热电偶4的导线进行冷却，然后从压缩气体排气口3排出。由于压缩气体管2外表面涂覆氧化锆热障层，减少了管外高温烟气对压缩气体管2内气体的加热，确保热电偶4处在700℃以下的安全温度范围内，因此该装置可以长期可靠运行，实现对炉内锅炉换热管壁温的连续监测。
采用ANSYS Fluent对一种采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置进行流动和传热数值模拟实验，对比分析导热块内测量温度和锅炉换热管1/2壁厚处温度：
1)计算边界条件
模拟实际锅炉内的流动及传热过程，来流烟气速度为10m/s，温度为900℃，受热器管(锅炉换热管)内蒸汽速度为13m/s，温度为600℃，冷却管(压缩气体管)内空气流速为20m/s，温度为25℃；
2)计算模型
湍流模型为Realizable k-ε，辐射模型采用P1模型；
经计算，本实施例锅炉换热管1/2壁厚处温度为641℃，导热块内温度为662℃，两者相差仅为21℃，能够满足锅炉受热面测量要求。

Claims (10)

1.一种采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其特征在于：包括导热块(1)、压缩气体管(2)、热电偶(4)和锅炉换热管(5)；在锅炉换热管(5)的外壁面设置有导热块(1)，导热块(1)上方固定有压缩气体管(2)，热电偶(4)穿过压缩气体管(2)并插入导热块(1)；压缩气体管(2)和导热块(1)外表面均涂覆有一层氧化锆热障层。
2.根据权利要求1所述的采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其特征在于：导热块(1)采用与锅炉换热管相同的金属材料制作，其宽度为锅炉换热管直径的50％-85％，高度与宽度之比为1-1.5，厚度为5mm-12mm。
3.根据权利要求1所述的采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其特征在于：导热块(1)通过四周满焊的方式与锅炉换热管(5)相连。
4.根据权利要求1所述的采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其特征在于：导热块(1)上端设有小孔，小孔内插入热电偶(4)，热电偶(4)通过紧固螺栓(6)固定在导热块(1)内。
5.根据权利要求1所述的采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其特征在于：压缩气体管(2)采用耐热不锈钢材质，管径为20mm-35mm，并在压缩气体管(2)下部设置有压缩气体排气口(3)。
6.根据权利要求1所述的采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其特征在于：氧化锆热障层的厚度为0.1mm-0.3mm。
7.根据权利要求1所述的采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其特征在于：热电偶(4)采用K型镍铬-镍硅热电偶或S型热电偶。
8.根据权利要求1所述的采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其特征在于：压缩气体管(2)上端接压缩空气或压缩氮气。
9.根据权利要求1所述的采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置，其特征在于：压缩气体管(2)的上部管体与锅炉换热管(5)平行设置，压缩气体管(2)的底部管体向锅炉换热管(5)倾斜并与导热块(1)相连。
10.一种如权利要求1所述的采用压缩空气冷却保护的炉内换热管壁温监测的装置的安装使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将导热块(1)与锅炉换热管(5)通过焊接相连，将带有压缩气体排气口(3)的压缩气体管(2)固定于导热块(1)上方，热电偶(4)通过紧固螺栓(6)固定于导热块(1)内部；
S2、在压缩气体管(2)和导热块(1)外表面均涂覆一层厚度为0.1mm-0.3mm的氧化锆热障层；
S3、压缩气体从压缩气体管(2)上端接入，初始压力为0.3MPa-0.6MPa，气体自上而下流动，对热电偶(4)的导线进行冷却，然后从压缩气体排气口(3)排出；
S4、热电偶(4)处在700℃以下的安全温度范围内，对炉内锅炉换热管壁温进行连续监测。
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