CN113339781B - 屏式过热器外壁温度计算方法及装置、温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种屏式过热器外壁温度计算方法及装置、温度监测系统，其中，计算方法包括：对整个炉膛进行三维数值模拟计算，得到炉膛内烟气的温度场和速度场，并结合预设算法对锅炉各区域高温受热面的传热系数进行修正；计算出锅炉各区域高温受热面的吸热量，建立各管在不同负荷下的热流密度数据库；根据各壁温测点实际检测的温度值和从热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量，得出管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度。

Description

屏式过热器外壁温度计算方法及装置、温度监测系统

技术领域

本公开涉及锅炉技术领域，特别涉及一种屏式过热器外壁温度计算方法及装置、温度监测系统。

背景技术

随着我国火电机组不断向高参数、大容量方向发展，因煤质多变，严重偏离设计煤质，导致电站锅炉“四管”超温爆管事故频繁发生，已成为超临界机组面临的世界性难题，严重影响火电机组的安全经济运行。作为“四管”之一的屏式过热器，是锅炉设备中重要的高温受热面，由于处在炉膛上方高温恶劣的工作条件下，它既受到辐射换热，又受到对流换热，换热方式复杂，更容易发生超温爆管，所以监测屏式过热器的管壁温度，确定管壁危险部位，对预防管屏超温爆管具有重要意义。

屏式过热器因其所处环境的特殊性，目前现有的壁温测量手段很难实现炉内壁温的有效测量，如果采用直接测量方法，在炉内管屏上安装的壁温测点，壁温测点会经常受到炉内高温烟气的冲刷而使测点容易烧坏，而且不易更换，使得在线监测很困难；同时测点温度往往受炉内水冷壁辐射等多种因素影响，造成测量结果存在偏差；目前各个锅炉厂的计算则是以经验曲线进行选取，只能确定最大可能管壁温度，从而校核管壁材料许用应力，但不适用于详细的壁温分布计算。

发明内容

本公开提供了一种屏式过热器外壁温度计算方法及装置、温度监测系统，能够更加准确地获得屏式过热器的外壁温度。

根据本公开的第一方面，提供了一种屏式过热器外壁温度计算方法，包括：

对整个炉膛进行三维数值模拟计算，得到炉膛内烟气的温度场和速度场，并结合预设算法对锅炉各区域高温受热面的传热系数进行修正；

计算出锅炉各区域高温受热面的吸热量，建立各管在不同负荷下的热流密度数据库；

根据各壁温测点实际检测的温度值和从热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量，得出管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度。

在一些实施例中，在建立各管在不同负荷下的热流密度数据库之后，屏式过热器外壁温度计算方法还包括：

对每个高温受热面各处的热流密度值进行排序，确定出不同负荷下热流密度值超过第一预设阈值的位置，作为壁温测点。

在一些实施例中，屏式过热器外壁温度计算方法还包括：

获取计算截面处的管内工质温度、管的几何参数、热量分流系数、管内放热系数和管壁导热系数；

根据各壁温测点实际检测的温度值和从热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量，得出管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度包括：

根据各壁温测点实际检测的温度值、从热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量、计算截面处的管内工质温度、管的外径和内径比值、管壁厚、热量分流系数、管内放热系数和管壁导热系数，得出管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度。

在一些实施例中，计算截面处管外壁温度t_wbi的计算公式为：

式中，t_gzi为计算截面处管内工质温度，β为管外径和内径比值

d为管外径，δ为管壁厚，q_w为计算截面处管吸热量，μ为热量分流系数，α₂为管内放热系数，λ_M为管壁导热系数。

在一些实施例中，壁温测点设在管的出口处，获取计算截面处的管内工质温度包括：

获取进口截面处管内工质温度、出口截面处管内工质温度、从出口截面至计算截面的热通量、以及从进口截面至出口截面的热通量；其中，出口截面处管内工质温度用壁温测点实际检测的温度值代表；

根据进口截面出管内工质温度、出口截面内管内工质温度、从出口截面至计算截面的热通量、以及从进口截面至出口截面的热通量，计算计算截面处的管内工质温度。

在一些实施例中，壁温测点设在管的出口处，计算截面处的管内工质温度t_gzi的计算公式为：

式中，t_in为进口截面处管内工质温度，t_out为出口截面处管内工质温度，用壁温测点实际检测的温度值代表，∑q_gzi为从出口截面至计算截面的热通量，∑q_w为从进口截面至出口截面的热通量。

在一些实施例中，获取热量分流系数包括：

对于屏式过热器每个屏最外面一根管，热量分流系数为1；

对于屏式过热器每个屏除最外面一根管以外的其它管，热量分流系数根据毕渥数准则计算得出。

在一些实施例中，获取管内放热系数包括：

根据管壁温度对流体特性影响的温度修正系数、相对长度修正系数、受热面修正系数、雷诺准则数、普朗特准则数、工质导热系数和管内径，计算得出管内放热系数。

在一些实施例中，雷诺准则数根据计算截面处工质平均流速、管内径和工质运动粘性系数计算得出；

其中，计算截面处工质平均流速根据考虑不同屏不同管阻力系数修正后得出的流量系数、主蒸汽流量、减温水喷水流量、工质密度、屏式过热器的管数量和管内径计算得出。

在一些实施例中，对整个炉膛进行三维数值模拟计算，得到炉膛内烟气的温度场和速度场包括：

将整个锅炉分成多个区域进行几何建模，并划分网格构建出数值模拟计算域；

再次对燃烧器单独模拟并将结果输出为配置文件作为炉膛入口边界条件；

对炉膛先后进行冷态模拟和热态模拟，得到炉膛内烟气的温度场和速度场。

在一些实施例中，传热系数包括：对流传热系数和辐射传热系数，结合预设算法对锅炉各区域高温受热面的传热系数进行修正，计算出锅炉各区域高温受热面的吸热量包括：

计算烟气行程方向上管排数对应的第一修正系数，以及管束几何布置方式对应的第二修正系数；

根据第一修正系数、第二修正系数、雷诺准则数、普朗特准则数、管外径和平均温度下烟气的导热系数计算横向冲刷顺列管束的对流传热系数；

计算烟气黑度和管束黑度；

根据烟气黑度、管束黑度、烟气温度和通过温度场确定的管外壁温度，得出含灰燃烧产物的辐射传热系数；

根据修正后的辐射传热系数、对流传热系数、修正后受热管壁单位体积的平均管表面积、烟气温度和管外壁温度计算出受热管壁单位体积吸热量，以建立各管在不同负荷下的热流密度数据库。

根据本公开的第二方面，提供了一种屏式过热器外壁温度计算装置，用于执行上述实施例的屏式过热器外壁温度计算方法。

根据本公开的第三方面，提供了一种屏式过热器外壁温度监测系统，包括：

多个温度检测部件，被配置为一一对应地检测锅炉高温受热区各壁温测点处的温度；

锅炉控制装置，被配置为控制锅炉工作；和

上述实施例的屏式过热器外壁温度计算装置，外接于锅炉控制装置，被配置为接收多个温度检测部件的检测值，并从锅炉控制装置中获取计算所需参数。

本公开实施例的屏式过热器外壁温度计算方法，在三维数值模拟结果的基础上对高温受热面的传热系数进行修正，计算出锅炉各区域高温受热面的吸热量，建立各管在不同负荷下的热流密度数据库，由此可以实际测得的屏式换热器的外壁温度数据为基础，以热流密度数据库为支撑，准确方便地得出管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度，为运行人员提供准确的管屏超温情况，以保证锅炉的正常稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开屏式过热器外壁温度计算方法的一些实施例的流程示意图。

图2A和图2B分别为对整个锅炉和屏式过热器划分网格的示意图。

图3A和图3B分别为屏式过热器的俯视图和主视图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

在本公开的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。

在一些实施例中，如图1至图3所示，本公开提供了一种屏式过热器外壁温度计算方法，在一些实施例中，包括：

步骤110、对整个炉膛进行三维数值模拟计算，得到炉膛内烟气的温度场和速度场，并结合预设算法对锅炉各区域高温受热面的传热系数进行修正；

步骤120、计算出锅炉各区域高温受热面的吸热量，建立各管在不同负荷下的热流密度数据库；

步骤130、根据各壁温测点实际检测的温度值和从热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量，得出管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度。其中，壁温测点用于安装温度检测部件。

其中，步骤110至130顺序执行。其中：

步骤110是对炉膛通过三维数值模拟的方式得到烟气理论上的三维温度场和速度场，并根据预设算法对锅炉各区域高温受热面的传热系数进行修正，以使传热系数与实际运行情况相符合。

步骤120可准确地计算各区域高温受热面所有管沿工质流动方向的在任意截面的热流密度分布，据此建立锅炉在不同负荷下运行时的热流密度数据库。

其中，负荷为锅炉的发热量；预设算法可以为嵌入控制器的用户自定义功能(全称：“User Define Function”，简称UDF)，即为后续实施例中给出的计算公式。

步骤130中，由于专用于锅炉自动化控制的分布式集散控制系统(DCS)中的控制算法有限，可设置外接控制器，例如PLC客户端，能够灵活地嵌入本公开的预设算法，在计算出管任意截面的壁温分布后，再将数据传送至DCS端，DCS画面实现可视化，可以表格数据、折线图等形式显示屏式过热器各管外壁温度，以直观地呈现给现场操作人员。可选地，各壁温测点实际检测的温度值可通过智能前端进行采集，同时从DCS中读取计算管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度所需的各个参数，再发送至外接控制器。

本公开的实施例对数值模拟计算的结果进行修正，充分考虑了烟气侧吸热不均和蒸汽侧流量不均，以及高温受热面管壁温度沿工质流动方向换热量变化趋势，可以获得锅炉内部任意位置的烟气温度场和速度场的详细信息，保证了计算结果与现场实际运行情况相符合，进而准确计算出沿管全程不同位置的热流密度分布，为壁温测点布置提供依据。

而且，该实施例对不同负荷的热流密度并建立数据库，可用于确定壁温测点的布置，监测范围覆盖的更全面，同时减少不必要的测点安装，节约了大量成本。

由于实际中为了避免温度测量检测部件烧损，一般将壁温测点布置在管的出口处，该实施例能够以实际测得的屏式换热器的外壁温度数据为基础，以热流密度数据库为支撑，能够准确方便地得出管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度，还可避免在管屏过热器位于炉内温度较高的区域设置温度检测部件，从而提高温度检测部件的使用可靠性和寿命。

在一些实施例中，在步骤120中建立各管在不同负荷下的热流密度数据库之后，屏式过热器外壁温度计算方法还包括：

对每个高温受热面各处的热流密度值进行排序，确定出不同负荷下热流密度值超过第一预设阈值的位置；即将管内外壁热偏差较大的位置作为壁温测点。

该实施例能够将不同负荷下的超温位置作为壁温测点，将壁温测点设在容易发生爆管的位置，为壁温测点布置提供准确的依据，可准确预测锅炉超温点发生位置，为现场在线监测运行提供有效指导。

在一些实施例中，屏式过热器外壁温度计算方法还包括：

获取计算截面处的管内工质温度、管的几何参数、热量分流系数、管内放热系数和管壁导热系数；

其中，根据各壁温测点实际检测的温度值和从热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量，得出管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度包括：

根据各壁温测点实际检测的温度值、从热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量、计算截面处的管内工质温度、管的外径和内径比值、管壁厚、热量分流系数、管内放热系数和管壁导热系数，得出管在沿工质流动方向上任意计算截面的外壁温度。

该实施例能够根据各壁温测点实际检测的温度值、以数值模拟为基础得到的管在计算截面的吸热量、以及管和工质的参数，得出管在不同负荷下沿工质流动方向任意计算截面的外壁温度，可获得整个管上详细的壁温分布。

具体地，屏式过热器在计算截面处管外壁温度t_wbi的计算公式为：

式中，t_gzi为计算截面处管内工质温度，单位为K；β为管外径和内径比值

d为管外径，δ为管壁厚，单位为m；μ为热量分流系数；α₂为管内放热系数，单位为W/m²·K；λ_M为管壁导热系数，单位为kW/m·℃；q_w为计算截面处管吸热量，单位为kW/m²，可从数值模拟计算得出的热流密度数据库中调用，其中包含从20％-100％负荷沿工质流动方向各管子任意截面处热流密度值。

在一些实施例中，壁温测点设在管的出口处，获取计算截面处的管内工质温度包括：

获取进口截面处管内工质温度、出口截面处管内工质温度、从出口截面至计算截面的热通量、以及从进口截面至出口截面的热通量；其中，出口截面处管内工质温度用所述壁温测点实际检测的温度值代表；

根据进口截面出管内工质温度、出口截面内管内工质温度、从出口截面至计算截面的热通量、以及从进口截面至出口截面的热通量，计算计算截面处的管内工质温度。

具体地，壁温测点设在管的出口处，计算截面处的管内工质温度t_gzi的计算公式为：

式中，t_in为进口截面处管内工质温度，单位为K；t_out为出口截面处管内工质温度，用所述壁温测点实际检测的温度值代表，单位为K；∑q_gzi为从出口截面至计算截面的热通量，单位为kW；∑q_w为从进口截面至出口截面的热通量，单位为kW。

例如，进口截面处管内工质温度t_in通过屏式过热器入口集箱点温度获取，出口截面处管内工质温度通过在屏式过热器出口安装的热电偶获得。

在一些实施例中，获取热量分流系数包括：

对于屏式过热器每个屏最外面一根管，热量分流系数为1；

对于屏式过热器每个屏除最外面一根管以外的其它管，热量分流系数根据毕渥数准则计算得出。

具体地，对于屏式过热器每个屏最外面一根管，热量分流系数μ＝1；

对于屏式过热器每个屏除最外面一根管以外的其它管，热量分流系数μ＝0.46836+0.61671H，其中，H＝0.31702+0.23833Bi-0.03473Bi²，式中，

为毕渥数准则。

在一些实施例中，获取管内放热系数包括：

根据管壁温度对流体特性影响的温度修正系数、相对长度修正系数、受热面修正系数、雷诺准则数、普朗特准则数、工质导热系数和管内径，计算得出管内放热系数。

在一些实施例中，雷诺准则数根据计算截面处工质平均流速、管内径和工质运动粘性系数计算得出；

其中，计算截面处工质平均流速根据考虑不同屏不同管阻力系数修正后得出的流量系数、主蒸汽流量、减温水喷水流量、工质密度、屏式过热器的管数量和管内径计算得出。

具体地，管内放热系数α₂的计算方法包括：

(1)当工质为亚临界以下的水或Re>10⁶的过热蒸汽，以及超临界压力时工质焓值i<1000kJ/kg或i>2700kJ/kg的水和蒸汽时，放热系数α₂：

(2)当工质为Re<10⁶的过热蒸汽时，放热系数α₂：

式中c_t为考虑管壁温度对流体特性影响的温度修正系数，当管内为水蒸气和水且被加热时，c_t＝1；c_l为相对长度修正系数，当l/d≥50时，c_l＝1；c_k为受热面修正系数，当双面受热时c_k＝1；

雷诺准则数，v_m为计算截面处工质平均流速，单位为m/s；d_n为管内径，单位为m，ν为工质运动粘性系数，单位为m²/s；

普朗特准则数，C_p为工质的比定压比热容，单位为kJ/kg·℃；λ为工质导热系数，单位为kW/m·℃。

进一步地，截面处工质平均流速v_m的计算方法包括：

式中，Q为主蒸汽流量，单位为t/h，Q_jws为减温水喷水流量，单位为t/h，ξ为考虑不同屏不同管阻力系数修正后得出的流量系数，n为屏式过热器管屏数量。

进一步地，工质密度ρ的计算方法包括：

式中，P为计算截面处介质压力，单位为MPa；P＝1.02P_out，P_out为末级过热器出口压力，单位为MPa。

在一些实施例中，步骤110中对整个炉膛进行三维数值模拟计算，得到炉膛内烟气的温度场和速度场包括：

步骤111、将整个锅炉分成多个区域进行几何建模，并划分网格构建出数值模拟计算域。

其中，如图2A所示，整个锅炉分成的多个区域包括炉膛水冷壁主燃区、燃尽区、低再侧省煤器、高再侧省煤器、高温过热器、低温过热器、高温再热器、低温再热器和冷灰斗等。多个区域由于形状和体积不同，可独立划分网格，网格大小可与管外径尺寸接近。

步骤112、再次对燃烧器单独模拟并将结果输出为配置文件(profile文件)作为炉膛入口边界条件。

其中，可通过对燃烧器的单独模拟准确地得出炉膛入口边界条件，使后续对炉膛进行冷态和热态模拟时有更加真实准确的工作条件，以便提高数值模拟结果的准确性。

步骤113、对炉膛先后进行冷态模拟和热态模拟，得到炉膛内烟气的温度场和速度场。

其中，冷态模拟是在常温下开展的，可研究流场分布、流速分布和颗粒浓度场分布等，在冷态模拟的基础上开展热态模拟，热态模拟在高温下进行，模拟实际颗粒燃烧的真实环境，更有理论依据，且得出的数据对实践更有指导意义。

步骤111至113顺序执行，在图中未示出。该实施例通过对整个锅炉划分网格，并获取炉膛入口边界条件，在此基础上开展冷态模拟和热态模拟，能够更加准确的获得炉膛内三维温度场和速度场的数值模拟结果。

在此基础上，步骤120中对每个高温受热面各处的热流密度值进行排序包括：对每个高温受热面各网格节点处的热流密度值进行排序。

在一些实施例中，步骤113中对炉膛进行热态模拟包括：

待冷态模拟计算的动量方程收敛后，耦合煤粒热解模型、碳粒燃烧模型、锅炉传热计算模型进行热态模拟，直至各方程残差曲线稳定，模拟计算收敛。

在一些实施例中，传热系数包括：对流传热系数和辐射传热系数，步骤110中结合预设算法对锅炉各区域高温受热面的传热系数进行修正，计算出锅炉各区域高温受热面的吸热量包括：

计算烟气行程方向上管排数对应的第一修正系数C_z，以及管束几何布置方式对应的第二修正系数C_s；

根据第一修正系数C_z、第二修正系数C_s、雷诺准则数Re、普朗特准则数Pr、管外径d和平均温度下烟气的导热系数λ计算横向冲刷顺列管束的对流传热系数α_c；

计算烟气黑度a_y和管束黑度a_gs；

根据烟气黑度a_y、管束黑度a_gs、通过温度场确定的烟气温度T_y和管外壁温度K，得出含灰燃烧产物的辐射传热系数α_d；

根据修正后的辐射传热系数α_d、对流传热系数α_c、修正后受热管壁单位体积的平均管表面积A_UnitV、烟气温度T_y和管外壁温度T_s计算出受热管壁单位体积吸热量Q，以建立各管在不同负荷下的热流密度数据库。

该实施例能够通过预设算法和步骤110中确定的三维温度场对通过数值模拟得出的辐射传热系数根据实际工作情况进行修正，以使辐射传热系数更符合实际工作情况，从而更准确地确定出超温点。

在该实施例中，第一修正系数Cz通过如下公式计算：

当n₂＜10时，C_z＝0.91+0.0125(n₂-2)

当n₂≥10时，C_z＝1

式中：n₂为管排数；

其中，第二修正系数C_s通过如下公式计算：

当σ₂≥2或σ₁≤1.5时，C_s＝1

当σ₂＜2且σ₁>3时，

其他，

式中：σ₁为同一屏中相邻管中心线的距离；σ₂为相邻屏中管中心面的距离。

其中，对流传热系数α_c通过如下公式计算：

式中：

为雷诺准则数，v_m为烟气平均流速，单位为m/s，d为管外径，单位为m，μ为平均温度下烟气动力粘性系数，单位为Pa·s；

为普朗特准则数，Cp为平均温度下的比定压比热容，单位为kJ/kg·℃，λ为平均温度下烟气的导热系数，单位为kW/m·℃。

其中，烟气平均流速v_m的计算公式为：

式中：v_x为x方向速度m/s，v_y为y方向速度m/s，v_z为z方向速度，单位为m/s，Furl_d为炉膛深度，单位为m，n₁为横向管排数，β为管间速度调整系数，当β＝1时，速度取管间流速的最大值。其中，横向为x方向，纵向为y方向。

其中，烟气黑度a_y通过如下公式计算：

式中：k_r为燃烧产物气相(RO₂、H₂O)的辐射吸收系数，单位为1/(m·MPa)，k_aμ_a为灰粒子的辐射吸收系数，单位为1/(m·MPa)，k_cμ_c为焦炭粒子的辐射吸收系数，单位为1/(m·MPa)P为炉膛内压力MPa，s为有效辐射层厚度，单位为m。

其中，管束黑度a_gs通过如下公式计算：

式中：a_b为管壁黑度。管壁黑度a_b数值在0.8～0.9之间。

此处提到的“黑度”是物体向外的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，黑度是表征物体辐射特性的一个重要参数，取决于物体的性质、物体的温度、表面状态、射线波长和方向等。

其中，含灰燃烧产物的辐射放热系数α_d通过如下公式计算：

式中：T_y为烟气温度，单位K；T_s为管外壁温度，单位为K，这两项温度可通过步骤110模拟出的温度场获取。

其中，Q＝-(α_c+α_d)A_UnitV(T_y-T_s)

式中：A_UnitV为根据现场实际管屏结构对模拟的物理模型进行修正后，得到的受热管壁单位体积的平均管表面积，即比表面积m^-1。

根据本公开的第二方面，提供了一种屏式过热器外壁温度计算装置，用于执行上述实施例的屏式过热器外壁温度计算方法。

例如，该计算装置可以为控制器，控制器可以为用于执行本公开所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称：PLC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称：FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。

再次，本公开提出了一种屏式过热器外壁温度监测系统，在一些实施例中，包括：

多个温度检测部件，被配置为一一对应地检测所述锅炉高温受热区各壁温测点处的温度；

锅炉控制装置，被配置为控制锅炉工作，例如前述实施例中提到的DCS；和

上述实施例的屏式过热器外壁温度计算装置，例如前述实施例中提到的PLC控制端外接于所述锅炉控制装置，被配置为接收所述多个温度检测部件的检测值，并从所述锅炉控制装置中获取计算所需参数。

进一步地，锅炉控制装置包括可视化显示界面，被配置为显示屏式过热器各管外壁温度，例如以表格数据、折线图等形式显示。

下面给出一个具体的实施例来说明本公开屏式过热器外壁温度计算方法的具体实现方式。

如图2A和2B所示，本实施例选择某660MW超临界锅炉屏式过热器1的管屏进行说明，图3A为屏式过热器1的俯视图，上方和下方侧壁分别为炉膛左墙和炉膛右墙，左侧壁和右侧壁分别代表炉膛前墙和炉膛后墙，图3B为屏式过热器1的主视图。

其中，该屏式过热器1共有多片屏11，例如30片屏11，沿纵向(y方向)间隔设置，No.1表示屏编号，且从炉膛左墙至炉膛右墙依次为1号屏、2号屏、……30号屏，在炉膛左右墙所在的横向(x方向)上，在屏过热器的入口侧和出口侧设置两组屏11，分别为A和B，每组屏11从外侧至中间间隔设置多根管12，例如每组屏设有28根管12，No.2表示管编号，共计840根管。

步骤1、通过数值模拟计算得到整个炉膛烟气的三维温度场和速度场，并结合嵌入的预设算法对炉内辐射传热系数和对流传热系数进行修正，计算锅炉各区域高温受热面的吸热量，从而得到锅炉各区域高温受热面在不同负荷下所有管沿工质流动方向在任意截面的热流密度值，据此建立热流密度数据库；

步骤2、对屏式过热器各网格节点处的热流密度进行排序，筛选出不同负荷热流密度较大值，即管内外壁热偏差较大的位置，确定多个管中易发生爆管的位置，并将该管段工质出口位置作为壁温测点，壁温测点用于安装温度检测部件检测管壁温度；

步骤3、利用智能前端采集实际管屏出口处各壁温测点处的测温数据，同时从DCS中读取锅炉实时负荷、主蒸汽流量、减温水喷水流量、末级过热器出口压力、屏式过热器入口集箱测点温度等参数，传输到PLC客户端；其中，DCS是一个专用于锅炉自动化控制的分布式集散控制系统。

步骤4、以现场炉外壁温测量数据为基础，以数值模拟计算的热流密度数据库为支撑，计算出沿工质流动方向管任意截面的壁温分布，并将屏式过热器外壁面温度计算的预设算法嵌入PLC客户端，实时传输壁温到DCS端，实现数据的可视化呈现，以直观地呈现给现场操作人员。

其中，由于DCS中的控制算法有限，通过外接PLC客户端，能够灵活地嵌入本公开的预设算法，在计算出管任意截面的壁温分布后，再将数据传送至DCS端。

其中，步骤4中屏式过热器外壁面温度算法包括：

式中，t_wbi为计算截面处管外壁温度，单位为K；t_gzi为计算截面处管内工质温度，单位为K；β为管外径和内径比值

d为管外径，单位为m；δ为管壁厚，单位为m；q_w为计算截面处管吸热量，单位为kW/m²；μ为热量分流系数；α₂为管内放热系数，单位为W/m²·K；λ_M为管壁导热系数，单位为kW/m·℃。

进一步地，壁温测点设在管的出口处，计算截面处管内工质温度t_gzi，计算方法包括：

t_in为进口截面处管内工质温度，单位为K；t_out为出口截面处管内工质温度，用所述壁温测点实际检测的温度值代表，单位为K；∑q_gzi为从工质出口截面至计算截面处热通量，单位为kW；∑q_w为从工质进口截面至出口截面处热通量，单位为kW。

进一步地，进口截面处管内工质温度t_in，通过屏式过热器入口集箱设置的温度测点获取；出口截面处管内工质温度t_out，通过在屏式过热器出口安装的热电偶测点获取。

进一步地热量分流系数μ的计算方法包括：

(1)对于所有屏最外面的一根管来说，μ＝1；

(2)对于所有屏除了最外面以外的其它管，μ＝0.46836+0.61671H，

H＝0.31702+0.23833Bi-0.03473Bi²

式中，

为毕渥数准则。

进一步地，管内放热系数α₂的计算方法包括：

(1)当工质为亚临界以下的水或Re>10⁶的过热蒸汽，以及超临界压力时工质焓值i<1000kJ/kg或i>2700kJ/kg的水和蒸汽时，放热系数α₂：

(2)当工质为Re<10⁶的过热蒸汽时，放热系数α₂：

式中c_t为考虑管壁温度对流体特性影响的温度修正系数，当管内为水蒸气和水且被加热时，c_t＝1；c_l为相对长度修正系数，当l/d≥50时，c_l＝1；c_k为受热面修正系数，当双面受热时c_k＝1；

雷诺准则数，v_m为计算截面处工质平均流速，单位为m/s；d_n为管内径，单位为m，ν为工质运动粘性系数，单位为m²/s；

普朗特准则数，C_p为工质的比定压比热容，单位为kJ/kg·℃；λ为工质导热系数，单位为kW/m·℃。

进一步地，截面处工质平均流速v_m的计算方法包括：

式中，Q为主蒸汽流量，单位为t/h，Q_jws为减温水喷水流量，单位为t/h，ξ为考虑不同屏不同管阻力系数修正后得出的流量系数，n为屏式过热器管屏数量。

进一步地，工质密度ρ的计算方法包括：

式中，P为计算截面处介质压力，单位为MPa；P＝1.02P_out，P_out为末级过热器出口压力，单位为MPa。

进一步地，计算截面处管吸热量q_w，从数值模拟计算得出的热流密度数据库中调用，数值模拟计算的热流密度库包含从20％-100％负荷沿工质流动方向各管任意截面处热流密度值。

进一步地，DCS画面的可视化，可以表格数据、折线图等形式显示屏式过热器各管外壁温度。

本实施例的屏式过热器管屏布置形式如图3A所示，根据数值模拟计算的热流密度结果，统计出在每片屏的管1布置测温点，第17、18、19、20、21、22屏的管1、3、5、10、12、14、24、25、26、27布置测温点，发生材质由T91转变成TP347H第一根管即管16布置测温点，另外低负荷时热流密度较大屏包括4、5、6、7屏的管10、11、12、16、18布置测温点，包含容易发生堵塞的管，总计126个测点。

以屏1管1为例，通过本实施例一种屏式过热器外壁温度计算方法，计算出外壁面温度高温点位于管屏水平管段及上升管段转折角处，如图3B主视图中表示的三个点：D1、D2和D3，并通过PLC客户端可计算的外壁面温度传输到DCS端以数字化或图片形式呈现，以直观地呈现给现场操作人员。

与现有技术相比，本实施例通过嵌入预设算法对数值模拟计算进行修正，充分考虑了烟气侧吸热不均和蒸汽侧流量不均，以及屏过热器管壁温度沿工质流动方向换热量变化趋势，并建立不同负荷的热流密度数据库，用于判断壁温测点的布置，比现有技术中仅采用额定负荷计算结果确定壁温测点方法，监测范围覆盖的更全面。本发明能在不同负荷情况下提供准确的屏式过热器外壁面温度，为运行人员提供准确的管屏超温情况，有针对性的进行调控，避免高温点重复出现某一固定区域，避免因超温引发的爆管事故。

以上所述仅为本公开的示例性实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，包括：

对整个炉膛进行三维数值模拟计算，得到所述炉膛内烟气的温度场和速度场，并结合预设算法对锅炉各区域高温受热面的传热系数进行修正；

计算出锅炉各区域高温受热面的吸热量，建立各管在不同负荷下的热流密度数据库；

对每个高温受热面各处的热流密度值进行排序，确定出不同负荷下热流密度值超过第一预设阈值的位置，作为壁温测点；

根据各壁温测点实际检测的温度值和从所述热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量，得出管在沿工质流动方向上任意所述计算截面的外壁温度。

2.根据权利要求1所述的屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，还包括：

获取所述计算截面处的管内工质温度、管的几何参数、热量分流系数、管内放热系数和管壁导热系数；

根据各壁温测点实际检测的温度值和从所述热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量，得出管在沿工质流动方向上任意所述计算截面的外壁温度包括：

根据各壁温测点实际检测的温度值、从所述热流密度数据库获取的管在计算截面的吸热量、所述计算截面处的管内工质温度、管的外径和内径比值、管壁厚、热量分流系数、管内放热系数和管壁导热系数，得出管在沿工质流动方向上任意所述计算截面的外壁温度。

3.根据权利要求2所述的屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，所述计算截面处管外壁温度t_wbi的计算公式为：

式中，t_gzi为计算截面处管内工质温度，β为管外径和内径比值

d为管外径，δ为管壁厚，q_w为计算截面处管吸热量，μ为热量分流系数，α₂为管内放热系数，λ_M为管壁导热系数。

4.根据权利要求2所述的屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，所述壁温测点设在管的出口处，获取所述计算截面处的管内工质温度包括：

获取进口截面处管内工质温度、出口截面处管内工质温度、从所述出口截面至所述计算截面的热通量、以及从所述进口截面至所述出口截面的热通量；其中，出口截面处管内工质温度用所述壁温测点实际检测的温度值代表；

根据所述进口截面出管内工质温度、出口截面内管内工质温度、从所述出口截面至所述计算截面的热通量、以及从所述进口截面至所述出口截面的热通量，计算所述计算截面处的管内工质温度。

5.根据权利要求2～4任一所述的屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，所述壁温测点设在管的出口处，所述计算截面处的管内工质温度t_gzi的计算公式为：

式中，t_in为进口截面处管内工质温度，t_out为出口截面处管内工质温度，用所述壁温测点实际检测的温度值代表，∑q_gzi为从出口截面至计算截面的热通量，∑q_w为从进口截面至出口截面的热通量。

6.根据权利要求2～4任一所述的屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，获取所述热量分流系数包括：

对于所述屏式过热器每个屏最外面一根管，所述热量分流系数为1；

对于所述屏式过热器每个屏除最外面一根管以外的其它管，所述热量分流系数根据毕渥数准则计算得出。

7.根据权利要求2～4任一所述的屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，获取所述管内放热系数包括：

根据管壁温度对流体特性影响的温度修正系数、相对长度修正系数、受热面修正系数、雷诺准则数、普朗特准则数、工质导热系数和管内径，计算得出所述管内放热系数。

8.根据权利要求7所述的屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，所述雷诺准则数根据所述计算截面处工质平均流速、管内径和工质运动粘性系数计算得出；

其中，所述计算截面处工质平均流速根据考虑不同屏不同管阻力系数修正后得出的流量系数、主蒸汽流量、减温水喷水流量、工质密度、屏式过热器的管数量和管内径计算得出。

9.根据权利要求1所述的屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，对整个炉膛进行三维数值模拟计算，得到所述炉膛内烟气的温度场和速度场包括：

将整个锅炉分成多个区域进行几何建模，并划分网格构建出数值模拟计算域；

再次对燃烧器单独模拟并将结果输出为配置文件作为炉膛入口边界条件；

对炉膛先后进行冷态模拟和热态模拟，得到所述炉膛内烟气的温度场和速度场。

10.根据权利要求1所述的屏式过热器外壁温度计算方法，其特征在于，所述传热系数包括：对流传热系数和辐射传热系数，结合预设算法对锅炉各区域高温受热面的传热系数进行修正，计算出锅炉各区域高温受热面的吸热量包括：

计算烟气行程方向上管排数对应的第一修正系数，以及管束几何布置方式对应的第二修正系数；

根据所述第一修正系数、所述第二修正系数、雷诺准则数、普朗特准则数、管外径和平均温度下烟气的导热系数计算横向冲刷顺列管束的对流传热系数；

计算烟气黑度和管束黑度；

根据所述烟气黑度、所述管束黑度、烟气温度和通过所述温度场确定的管外壁温度，得出含灰燃烧产物的辐射传热系数；

根据修正后的辐射传热系数、对流传热系数、修正后受热管壁单位体积的平均管表面积、烟气温度和管外壁温度计算出受热管壁单位体积吸热量，以建立各管在不同负荷下的热流密度数据库。

11.一种屏式过热器外壁温度计算装置，其特征在于，用于执行权利要求1～10任一所述的屏式过热器外壁温度计算方法。

12.一种屏式过热器外壁温度监测系统，其特征在于，包括：

多个温度检测部件，被配置为一一对应地检测锅炉高温受热区各壁温测点处的温度；

锅炉控制装置，被配置为控制锅炉工作；和

权利要求11所述的屏式过热器外壁温度计算装置，外接于所述锅炉控制装置，被配置为接收所述多个温度检测部件的检测值，并从所述锅炉控制装置中获取计算所需参数。

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