CN113484228A - 一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统及方法，包括并联设置在烟道上的烟气循环回路、数据采集单元、数据传输单元以及数据处理单元，烟气循环回路的下游段设置有至少一个换热测试单元，烟气循环回路的上游段还设置有用于控制烟温的烟温控制单元；监测方法通过获取换热测试单元的清洁状态传热系数并计算实时传热系数；根据清洁状态传热系数和实时传热系数计算用于表示污垢对传热影响程度的清洁因子，本发明可同时对真实烟气环境中多种换热表面材料的积灰及腐蚀相关数据进行实时存储、采集、计算，便于观察各换热表面材料积灰腐蚀性的动态连续变化过程，对于展开烟气环境下积灰腐蚀问题以及对换热表面材料的优选起到重要作用。

Description

一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电站燃煤锅炉技术领域，特别是一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统及方法。

背景技术

我国是一个能源结构以燃煤为主的国家，随着近年来国民经济建设的迅速发展，燃煤锅炉的使用量越来越大。目前我国的在用工业锅炉约62万台，其中燃煤工业锅炉约占工业锅炉总数的80％以上。其年消耗标准煤约4亿吨，约占全国煤炭消耗总量的1/4。燃煤产生的大量污染烟气被直接排放到大气中，对环境形成严重热污染并且烟气产生的余热也被浪费。原因一是由于烟气温度过低会产生露点腐蚀问题对设备造成损害，限制了燃煤锅炉的设计排烟温度；原因二是设备运行过程中，煤炭燃烧产生的烟气中含有大量的飞灰颗粒、粘性物质和酸性气体，会导致排烟温度升高、受热面腐蚀与结垢问题、引风机负荷大幅增加、经济成本上涨等对生产不利的影响。

目前，对于材料表面的积灰及腐蚀问题及材料性能的表征主要是通过一些实验室设备及静态手段，实验方法主要有：浸泡实验、盐雾实验、电化学测试、烟气仿真测试、现场运行实验等。浸泡实验、盐雾实验方法简单，有一定效用，但其腐蚀机理和实际烟气运行环境中的腐蚀机理有所不同；电化学测试相对来说较为准确，但对于试样的要求较高，数据结果分析较为复杂；烟气仿真实验是通过分析并模拟烟气各成分含量、调节烟气温度来研究积灰腐蚀问题。但烟气仿真实验无法长时间运行，且烟气成分复杂难以完全模拟，使得最终实验结果与预期有一定差距；现场运行实验一般安装在静电除尘器之后，烟气中的飞灰浓度较低且需要在机组停机时才可装取，消耗人力物力较多、实验周期长、可控性较差。

因此，对燃煤锅炉烟气环境下换热表面的积灰腐蚀状态进行同步在线监测是一项至关重要的工作，其对于防腐耐蚀表面材料的优选、积灰腐蚀严重的位置的观测、失效寿命的预测、更换材料周期的确定等都起到关键作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统及方法，以解决上述技术背景中所提出的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，包括并联设置在烟道上的烟气循环回路、数据采集单元、数据传输单元、以及数据处理单元，所述烟气循环回路的下游段拆卸式设置有至少一个换热测试单元，烟气循环回路的上游段还设置有用于控制烟温的烟温控制单元，所述数据采集单元与换热测试单元电性连接，所述数据处理单元通过数据传输单元与数据采集单元电性连接，所述换热测试单元包括多根测试管，每一根测试管均包括内套管和外测试管，所述外测试管套设在内套管上，每一根测试管的外测试管采用不同的材质制成。

进一步的，所述烟气循环回路上设有箱体，所述箱体的上表面和下表面相对位置处设置有圆孔，测试管自上而下穿过所述圆孔并通过垫片和薄螺母拆卸式设置在箱体的上表面和下表面之间，内套管采用高导热性材料制成，内套管和外测试管之间设有导热硅脂，烟气循环回路上还设有引风机，所述引风机通过变频器控制。

进一步的，所述在线监测系统还包括循环水系统，所述循环水系统包括上水箱、下水箱、上集水箱、下集水箱、水泵以及制冷机，所述下水箱通过水泵与下集水箱连通，下水箱通过管道与测试管下端连通，测试管的上端通过管道与上集水箱连通，上集水箱通过管道与上水箱连通，上水箱通过管道依次与制冷剂和下水箱连通。

进一步的，所述测试管的上下两端均螺纹连接有变径头，测试管通过所述变径头分别与上集水箱和下集水箱连通。

进一步的，所述箱体的左右两侧壁上均设有烟气扩散口。

进一步的，所述数据采集单元包括数据记录仪以及与所述数据记录仪电性连接的第二温度传感器组、第一温度传感器组、流量计组、第三温度传感器组，所述第三温度传感器组设置在箱体内，所述第一温度传感器组和流量计组设置在下集水箱与测试管之间的连接管道上，所述第二温度传感器组设置在测试管与上集水箱之间的连接管道上。

进一步的，所述数据处理单元为计算机，所述数据传输单元为RS-485转USB接口，所述数据记录仪通过RS-485转USB接口将收集到的模拟信号转换成数字信号并发送到计算机，计算机对数据进行实时存储、采集、计算，通过MCGS组态软件对所采集的数据进行实时分析并形成图表。

进一步的，所述烟温控制单元包括套设在烟气循环回路上的套管和设置在所述套管上的温度控制器，所述套管上还设有由出水管和进水管组成的冷却回路。

进一步的，所述箱体采用PC耐力板制成。

一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：

S1、获取每个换热测试单元中测试管的清洁状态传热系数，实时获取每根测试管内的流体状态数据以及烟气状态数据，其中，所述流体状态数据包括测试管的进口流体温度、出口流体温度以及流体流量，所述烟气状态数据包括烟气循环回路的烟气入口温度和烟气出口温度；

S2、根据所述流体状态数据和烟气状态数据计算实时传热系数，计算公式为：

式中，k为实时传热系数，Q_a为烟气与冷流体间换热量，A₀为总换热面积，ΔT_m为对数平均温差；

ΔT_m的计算公式为：

式中，ΔT_max为冷热流体温差最大值，ΔT_mim为冷热流体温差最小值；

Q_a的计算公式为：

式中，Q_g为烟气放热量，Q_w为流体吸热量；

Q_g的计算公式为：

Q_g＝ρ_gv_gsC_p,g(T₁-T₂)

式中，ρ_g为烟气密度，v_g为烟气流速，s为换热测试单元中测试管横截面积，C_p,g为烟气比热容，T₁为所述烟气入口温度，T₂为所述烟气出口温度；

Q_w的计算公式为：

Q_w＝ρ_wq_wC_p,w(t₂-t₁)

式中，ρ_w为流体密度，q_w为流体的体积流量，C_p,w为流体比热容，t₂、t₁分别为所述测试管(16)的出口流体温度和进口流体温度，其中流体的体积流量根据流体流量得到。

S3、根据所述清洁状态传热系数和实时传热系数计算用于表示污垢对传热影响程度的清洁因子，计算公式为：

式中，F为清洁因子，k为实时传热系数，k₀为清洁状态传热系数；

计算污垢热阻，所述污垢热阻的计算公式为：

式中，R_f为污垢热阻，k为实时传热系数，k₀为清洁状态传热系数。

S4、根据清洁因子计算表面材料性能化指标，计算公式为：

式中，

为表面材料性能化指标，F_c为测试后管清洁因子，F₀为初始管清洁因子。

本发明的有益效果是：本发明可同时对真实烟气环境中多种换热表面材料的积灰及腐蚀相关数据进行实时存储、采集、计算，通过MCGS(Monitor and Control GeneratedSystem)组态软件对所采集的数据进行实时分析并形成图表，便于研究人员观察各换热表面材料积灰腐蚀性的动态连续变化过程，对于相关研究人员展开烟气环境下积灰腐蚀问题以及对换热表面材料的优选起到重要作用，其次，监测系统在换热测试单元中设置多根不同换热表面材料的测试管，能对烟气换热器表面材料的积灰腐蚀情况进行多角度的研究，再有，测试管可以在相同运行工况中，同步评测多种换热表面材料，同时，测试管能够在不停机的情况下进行安装和拆卸，便于离线测量不同换热表面材料的积灰量及腐蚀速率。

附图说明

图1为本发明的监测系统的结构示意图；

图2为本发明测试管的安装结构示意图；

图3为本发明监测系统的监测流程图；

图4为本发明监测系统的数据传输结构示意图；

图5为本发明不同材质测试管的传热系数图。

图中，1、出水管，2、进水管，3、烟道，4、上水箱，5、引风机，6，制冷机，7、变频器，8、下水箱，9、上集水箱，10，第二温度传感器组，11、第一温度传感器组，12、流量计组，13、水泵，14,、下集水箱，15、第三温度传感器组，16、测试管，17、换热测试单元，18、数据采集单元，19、数据处理单元，20、锅炉，21、温度控制器，22、烟温控制单元，23、变径头，24、薄螺母，25、垫片，26、外测试管，27、导热硅脂，28、内套管。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1：

一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，请参阅附图1、附图2以及附图4所示，包括并联设置在烟道3上的烟气循环回路、数据采集单元18、数据传输单元、以及数据处理单元19，烟道3与锅炉20连接，烟气循环回路的下游段拆卸式设置有至少一个换热测试单元17，烟气循环回路的上游段还设置有用于控制烟温的烟温控制单元22，数据采集单元18与换热测试单元17电性连接，数据处理单元19通过数据传输单元与数据采集单元18电性连接；

换热测试单元包括多根测试管16，每一根测试管16均包括内套管28和外测试管26，外测试管26套设在内套管25上，每一根测试管16的外测试管26采用不同的材质制成。

烟气循环回路上设有箱体，箱体的上表面和下表面相对位置处设置有圆孔，测试管16自上而下穿过所述圆孔并通过垫片25和薄螺母24拆卸式设置在箱体的上表面和下表面之间，内套管28采用高导热性材料制成，内套管28和外测试管26之间设有导热硅脂27，烟气循环回路上还设有引风机5，引风机5通过变频器7控制。

循环水系统包括上水箱4、下水箱8、上集水箱9、下集水箱14、水泵13以及制冷机6，下水箱8通过水泵13与下集水箱14连通，下水箱通过管道与测试管下端16连通，测试管16的上端通过管道与上集水箱9连通，上集水箱9通过管道与上水箱4连通，上水箱4通过管道依次与制冷剂6和下水箱8连通，测试管16的上下两端均螺纹连接有变径头23，测试管16通过变径头2分别与上集水箱9和下集水箱14连通。

数据采集单元18包括数据记录仪以及与数据记录仪电性连接的第二温度传感器组10、第一温度传感器组11、流量计组12、第三温度传感器组15，第三温度传感器组15设置在箱体内，第一温度传感器组11和流量计组12设置在下集水箱14与测试管16之间的连接管道上，第二温度传感器组10设置在测试管16与上集水箱9之间的连接管道上。

数据处理单元19为计算机，数据传输单元为RS-485转USB接口，数据记录仪通过RS-485转USB接口将收集到的模拟信号转换成数字信号并发送到计算机，计算机对数据进行实时存储、采集、计算，通过MCGS组态软件对所采集的数据进行实时分析并形成图表。

烟温控制单元22包括套设在烟气循环回路上的套管和设置在所述套管上的温度控制器21，套管上还设有由出水管1和进水管2组成的冷却回路。

本监测系统具体在工作过程中，引风机5将烟气从烟道3中引入烟气循环回路，并流入箱体内与测试管16进行强制换热后流回烟道3，其中，箱体的左右两侧壁上均设有烟气扩散口，使烟气在箱体中均匀流动，箱体采用PC耐力板制成，便于监测测试管16表面积灰腐蚀情况，每根测试管16都有单独的进出水口，水泵13将冷却水由下水箱13抽出，通过下集水箱14分流到每一根测试管16中，与测试管16的内套管28换热后流入上集水箱9和上水箱4，制冷机6再将加热后的水冷却后排入下水箱8，形成水循环回路，烟温控制单元22通过温度传感器将温度信号传到温度控制器21，温度控制器21发出开关命令，控制出水管1和进水管2的进出水，使烟气温度保持在一定范围内，第二温度传感器组10、第一温度传感器组11、流量计组12、第三温度传感器组15采集每根测试管16的积灰腐蚀状态数据、冷流体状态数据及烟气状态数据并传送到数据记录仪，数据记录仪通过RS-485转USB接口将收集到的模拟信号转换成数字信号并发送到计算机，计算机对数据进行实时存储、采集、计算，通过MCGS组态软件对所采集的数据进行实时分析并形成图表，实时显示。

上述实施例中，内套管28尺寸为外径32mm，长度300mm，两端螺纹规格为M30*1.5，长度为50mm，外测试管26尺寸为外径38mm，长度40mm，共设置5根测试管16，在系统运行特定时间后，在不停机的状态下进行拆装、更换，用于进一步的离线测试。外测试管26套在内套管28上，为减小换热误差，外测试管26和内套管28中间涂抹高导热性导热硅脂27。

上述实施例中，第二温度传感器组10、第一温度传感器组11、第三温度传感器组15的型号为WZP-291热电阻，分度号PT100。

上述实施例中，流量计组12采用河南普飞特仪器仪表有限公司生产的L-mag电磁流量计，电磁流量计测得的为体积流量q_w。

上述实施例中，数据记录仪采用余姚市腾辉温控仪表厂生产的THTZ1608R无纸记录仪。

实施例2：

一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统的监测方法，参阅附图3所示，其监测方法包括以下步骤：

S1、获取换热测试单元17中每一根测试管16的清洁状态传热系数，实时获取每根测试管16内的流体状态数据以及烟气状态数据，其中，流体状态数据包括每根测试管16的进口流体温度、出口流体温度以及流体流量，烟气状态数据包括烟气循环回路的烟气入口温度和烟气出口温度；

S2、根据流体状态数据和烟气状态数据计算实时传热系数，计算公式为：

式中，k为实时传热系数，Q_a为烟气与冷流体间换热量，A₀为总换热面积，ΔT_m为对数平均温差；

ΔT_m的计算公式为：

式中，ΔT_max为冷热流体温差最大值，ΔT_mim为冷热流体温差最小值；

Q_a的计算公式为：

式中，Q_g为烟气放热量，Q_w为流体吸热量；

Q_g的计算公式为：

Q_g＝ρ_gv_gsC_p,g(T₁-T₂)

式中，ρ_g为烟气密度，v_g为烟气流速，s为换热测试单元中测试管横截面积，C_p,g为烟气比热容，T₁为所述烟气入口温度，T₂为所述烟气出口温度；

Q_w的计算公式为：

Q_w＝ρ_wq_wC_p,w(t₂-t₁)

式中，ρ_w为流体密度，q_w为流体的体积流量，C_p,w为流体比热容，t₂、t₁分别为所述测试管(16)的出口流体温度和进口流体温度，其中流体的体积流量根据流体流量得到。

S3、根据所述清洁状态传热系数和实时传热系数计算用于表示污垢对传热影响程度的清洁因子，计算公式为：

式中，F为清洁因子，k为实时传热系数，k₀为清洁状态传热系数；

计算污垢热阻，所述污垢热阻的计算公式为：

式中，R_f为污垢热阻，k为实时传热系数，k₀为清洁状态传热系数。

S4、根据清洁因子计算表面材料性能化指标，计算公式为：

式中，

为表面材料性能化指标，F_c为测试后管清洁因子，F₀为初始管清洁因子。

实验例：

本实验例中，对分别采用钛、316L不锈钢、ND钢、Ni-P镀层管、TiN镀层管、Cr镀层管、Ni-P-PTFE(5ml/L浓度)和Ni-P-PTFE(10ml/L浓度)等八种不同的材料制成外测试管26的测试管16进行了在线监测，其中八种不同测试管16的传热系数图如附图5所示。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，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。

Claims (10)

1.一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，其特征在于，包括并联设置在烟道(3)上的烟气循环回路、数据采集单元(18)、数据传输单元、以及数据处理单元(19)，所述烟气循环回路的下游段拆卸式设置有至少一个换热测试单元(17)，烟气循环回路的上游段还设置有用于控制烟温的烟温控制单元(22)，所述数据采集单元(18)与换热测试单元(17)电性连接，所述数据处理单元(19)通过数据传输单元与数据采集单元(18)电性连接；

所述换热测试单元包括多根测试管(16)，每一根测试管(16)均包括内套管(28)和外测试管(26)，所述外测试管(26)套设在内套管(25)上，每一根测试管(16)的外测试管(26)采用不同的材质制成。

2.根据权利要求1所述的一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，其特征在于，所述烟气循环回路上设有箱体，所述箱体的上表面和下表面相对位置处设置有圆孔，测试管(16)自上而下穿过所述圆孔并通过垫片(25)和薄螺母(24)拆卸式设置在箱体的上表面和下表面之间，内套管(28)采用高导热性材料制成，内套管(28)和外测试管(26)之间设有导热硅脂(27)，烟气循环回路上还设有引风机(5)，所述引风机(5)通过变频器(7)控制。

3.根据权利要求2所述的一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，其特征在于，所述在线监测系统还包括循环水系统，所述循环水系统包括上水箱(4)、下水箱(8)、上集水箱(9)、下集水箱(14)、水泵(13)以及制冷机(6)，所述下水箱(8)通过水泵(13)与下集水箱(14)连通，下水箱通过管道与测试管下端(16)连通，测试管(16)的上端通过管道与上集水箱(9)连通，上集水箱(9)通过管道与上水箱(4)连通，上水箱(4)通过管道依次与制冷剂(6)和下水箱(8)连通。

4.根据权利要求3所述的一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，其特征在于，其特征在于，所述测试管(16)的上下两端均螺纹连接有变径头(23)，测试管(16)通过所述变径头(23)分别与上集水箱(9)和下集水箱(14)连通。

5.根据权利要求4所述的一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，其特征在于，所述箱体的左右两侧壁上均设有烟气扩散口。

6.根据权利要求5所述的一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，其特征在于，所述数据采集单元(18)包括数据记录仪以及与所述数据记录仪电性连接的第二温度传感器组(10)、第一温度传感器组(11)、流量计组(12)、第三温度传感器组(15)，所述第三温度传感器组(15)设置在箱体内，所述第一温度传感器组(11)和流量计组(12)设置在下集水箱(14)与测试管(16)之间的连接管道上，所述第二温度传感器组(10)设置在测试管(16)与上集水箱(9)之间的连接管道上。

7.根据权利要求6所述的一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，其特征在于，所述数据处理单元(19)为计算机，所述数据传输单元为RS-485转USB接口，所述数据记录仪通过RS-485转USB接口将收集到的模拟信号转换成数字信号并发送到计算机，计算机对数据进行实时存储、采集、计算，通过MCGS组态软件对所采集的数据进行实时分析并形成图表。

8.根据权利要求7所述的一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，其特征在于，所述烟温控制单元(22)包括套设在烟气循环回路上的套管和设置在所述套管上的温度控制器(21)，所述套管上还设有由出水管(1)和进水管(2)组成的冷却回路。

9.根据权利要求8所述的一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统，其特征在于，所述箱体采用PC耐力板制成。

10.一种基于权利要求1所述的一种烟气环境下多材料积灰腐蚀状态在线监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取换热测试单元(17)中每根测试管(16)的清洁状态传热系数，实时获取每根测试管(16)内的流体状态数据以及烟气状态数据，其中，所述流体状态数据包括每根测试管(16)的进口流体温度、出口流体温度以及流体流量，所述烟气状态数据包括烟气循环回路的烟气入口温度和烟气出口温度；

S2、根据所述流体状态数据和烟气状态数据计算实时传热系数，计算公式为：

式中，k为实时传热系数，Q_a为烟气与冷流体间换热量，A₀为总换热面积，ΔT_m为对数平均温差；

ΔT_m的计算公式为：

式中，ΔT_max为冷热流体温差最大值，ΔT_mim为冷热流体温差最小值；

Q_a的计算公式为：

式中，Q_g为烟气放热量，Q_w为流体吸热量；

Q_g的计算公式为：

Q_g＝ρ_gv_gsC_p,g(T₁-T₂)

式中，ρ_g为烟气密度，v_g为烟气流速，s为换热测试单元中测试管横截面积，C_p,g为烟气比热容，T₁为所述烟气入口温度，T₂为所述烟气出口温度；

Q_w的计算公式为：

Q_w＝ρ_wq_wC_p,w(t₂-t₁)

式中，ρ_w为流体密度，q_w为流体的体积流量，C_p,w为流体比热容，t₂、t₁分别为所述测试管(16)的出口流体温度和进口流体温度，其中流体的体积流量根据流体流量得到。

S3、根据所述清洁状态传热系数和实时传热系数计算用于表示污垢对传热影响程度的清洁因子，计算公式为：

式中，F为清洁因子，k为实时传热系数，k₀为清洁状态传热系数；

计算污垢热阻，所述污垢热阻的计算公式为：

式中，R_f为污垢热阻，k为实时传热系数，k₀为清洁状态传热系数。

S4、根据清洁因子计算表面材料性能化指标，计算公式为：

式中，

为表面材料性能化指标，F_c为测试后管清洁因子，F₀为初始管清洁因子。

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