CN116735021A - 一种测量锅炉蒸汽管道壁温结构及安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量锅炉蒸汽管道壁温结构及安装方法，包括待测蒸汽管道、热电偶、半套管、异型管箍和内壁槽。其特征在于，在蒸汽管道外周加装一层半套管，蒸汽管道与半套管之间采用过盈配合，两个异型管箍通过螺栓紧固连接，半套管的厚度根据具体的应用场景进行计算，半套管内侧开内壁槽并敷设热电偶，使热电偶与蒸汽管道外壁紧密接触。此结构的优点是蒸汽管道、半套管作为一个整体构成双层圆筒壁结构，通过传热学关系式推导可以精准测量蒸汽管道壁温；当半套管的外径和导热系数满足关系式时，热电偶的示数即等于安装测温结构前蒸汽管道的管壁中间点处温度，数据获取直观，测温结构简单，装拆操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量锅炉蒸汽管道壁温的结构及安装方法，尤其涉及到火电厂机组再热器的管壁温度测量结构，仅适用管内工质为蒸汽的情况。
背景技术
基于我国的能源结构特点，火力发电是我国现代社会电力发展中不可或缺的一部分。锅炉作为火力发电机组的重要组成设备，实现了对循环工质水的加热、汽化、过热和再热等过程。为了提高平均吸热温度，进一步提高朗肯循环效率，火电厂机组普遍设置了过热器、再热器等设备，由于此类设备长时间与高温的蒸汽、烟气接触，所以需要对此类蒸汽管道的壁温进行测量监控，以保证机组的安全稳定运行，避免由于管壁温度过高而造成爆管等安全事故。根据规定，管壁温度的测点应取在沿径向管壁中间处，但在实际操作中若要直接测量管壁中间处的温度，则需要在管壁上开孔，将热电偶伸入管壁中间位置进行测量，但操作难度较大，测点位置的深度不好控制。此外在管壁上开孔会造成管道外形尺寸的突然变化，产生局部应力，进而影响管壁的强度，带来不安全隐患而且缩短管道的使用寿命。综上，为了精确而且便捷地测量蒸汽管道的壁温，同时不影响蒸汽管道的强度，需要新型的壁温测量结构。
发明内容
本发明的目的是解决实际测量方法中的不足，提供一种新型的锅炉蒸汽管道壁温测量结构及安装方法，该测温结构易于搭建，便于操作，可拆卸，而且能够较精准地测量蒸汽管道的壁温。
所述的壁温测量结构包括蒸汽管道(1)、半套管(2)、热电偶(3)、异型管箍(4)和内壁槽(5)：半套管(2)的内壁沿轴向开内壁槽(5)，热电偶(3)敷设于半套管(2)的内壁槽(5)中并紧贴在蒸汽管道(1)的外壁面上。
所述的蒸汽管道(1)与半套管(2)构成双层圆筒壁结构，而且由于烟气温度较高，会带来管件的热膨胀，所以蒸汽管道(1)与半套管(2)之间采用的过盈配合以保证在实际工况下蒸汽管道(1)与半套管(2)的紧密贴合，内壁槽(5)与热电偶(3)采用/>的过渡配合以保证在实际工况下内壁槽(5)与热电偶(3)的紧密贴合。
所述的蒸汽管道(1)与半套管(2)通过两副异型管箍(4)固定，两副异型管箍(4)均通过螺栓紧固连接。
所述的热电偶(3)的测点位于蒸汽管道(1)与半套管(2)接触面的内壁槽(5)中。
所述的半套管(2)的导热系数λ2不低于10W/(m2·K)，不高于83W/(m2·K)。
所述的半套管(2)的外径D3、导热系数λ2满足如下关系式：
u+Ae-u＝B
lnA-B+1≤0
其中，T2为蒸汽管道(1)的外壁温度(℃)，T4为蒸汽管道(1)外侧烟气的温度(℃)，D1、D2分别为蒸汽管道(1)的内径和外径(mm)，D3为半套管(2)的外径(mm)，λ1、λ2分别为蒸汽管道(1)和半套管(2)的导热系数[W/(m2·K)]，α为蒸汽对蒸汽管道(1)内壁面的放热系数[W/(m2·K)]，q为蒸汽管道(1)内壁面的热流密度(W/m2)，h为换热系数[W/(m2·K)]。
所述的热电偶(3)的测得温度T0在数值上等于安装测温结构前蒸汽管道(1)的管壁中间点处温度Tx，这一特点由如下的等式推导过程所决定：本测量结构将蒸汽管道(1)与半套管(2)的传热过程看作双层圆筒壁一维稳态导热模型，运用串联热阻叠加原理，首先列出了关于半套管(2)的外径D3、导热系数λ2的双层圆筒壁等式，此时等式中含有热电偶(3)测得温度T0这一未知量；接着将安装测温结构前蒸汽管道(1)的传热过程看作单层圆筒壁一维稳态导热模型，运用单层圆筒壁导热的原理，列出了安装测温结构前蒸汽管道(1)沿径向的温度变化函数，由此得到了管壁中间点处温度Tx的表达式；最后令T0＝Tx，将Tx的表达式代入双层圆筒壁的等式中，便可消去T0。当半套管(2)的导热系数λ2事先选定时，双层圆筒壁等式中的变量就仅剩半套管(2)的外径D3这一个变量，最后再通过迭代计算即可得到D3。由于在建立等式的过程中使用了T0＝Tx这一条件，所以通过双层圆筒壁等式求出的D3必然满足T0＝Tx这一条件，即热电偶(3)的测得温度T0在数值上等于安装测温结构前蒸汽管道(1)的管壁中间点处温度Tx。
所述的一种测量锅炉蒸汽管道壁温结构的安装方法，包括以下步骤：
步骤1：对蒸汽管道(1)安装部位及周围20mm范围内的管外壁进行清洁除锈；
步骤2：测量蒸汽管道(1)外壁面温度T2；
步骤3：选定半套管(2)的导热系数λ2，根据关系式迭代计算半套管(2)的外径D3；
步骤4：在半套管(2)的内壁面上开内壁槽(5)，将热电偶(3)敷设于内壁槽(5)中；
步骤5：用两副异型管箍(4)将半套管(2)固定在蒸汽管道(1)上，并用螺栓将异型管箍(4)紧固。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明中，将热电偶(3)敷设在半套管(2)的内壁槽(5)中，蒸汽管道(1)外壁面与半套管(2)采用过盈配合，构成双层圆筒壁结构，在半套管(2)两端用异型管箍(4)固定，两副异型管箍(4)均通过螺栓紧固连接，结构简单，拆卸方便，避免了在蒸汽管道(1)上开孔从而导致管壁强度的降低，更为安全可靠。
另一方面，本发明将蒸汽管道(1)与半套管(2)看作一个整体，其传热过程可看作双层圆筒壁的一维稳态导热模型，运用串联热阻叠加原理可以得到双层圆筒壁的等式(含有T0未知量)；接着将安装测温结构前的蒸汽管道(1)看作单层圆筒壁，运用单层圆筒壁一维稳态导热模型的知识，可得到安装测温结构前蒸汽管道(1)管壁中间点处温度Tx的表达式；最后为使热电偶(3)的测得温度T0在数值上等于安装测温结构前蒸汽管道(1)的管壁中间点处温度Tx，直接令T0＝Tx，将Tx的表达式代入双层圆筒壁的等式中，便可消去T0，得到一个仅关于半套管(2)外径D3的迭代方程，通过迭代可求出D3。由于在建立等式的过程中使用了T0＝Tx这一条件，所以通过双层圆筒壁等式求出的D3必然满足T0＝Tx这一条件，即热电偶(3)的测得温度T0在数值上等于安装测温结构前蒸汽管道(1)的管壁中间点处温度Tx。这也是本发明的一个显著特点。
综上，本发明提出的测温结构能准确而且便捷地测量出蒸汽管道(1)管壁中间点处温度，且该测温结构的安装方法易操作、可拆卸，针对管壁中间点处温度的测量问题提供了一种简单、准确、实用的测量方法。
附图说明
图1为本发明的蒸汽管道测温结构的外观图；
图2为本发明的蒸汽管道测温结构的透视图；
图3为本发明的蒸汽管道测温结构的右视图；
图4为本发明的蒸汽管道测温结构的主视图；
图5为本发明的蒸汽管道测温结构的左视图；
图6为本发明的蒸汽管道测温结构的俯视图；
图7为本发明的蒸汽管道测温结构沿径向的剖面图；
图8为本发明的蒸汽管道测温结构沿轴向的剖面图；
附图标记说明：1-蒸汽管道；2-半套管；3-热电偶；4-异型管箍；5-内壁槽；T0-热电偶测得温度；T1-蒸汽管道的内壁温度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
本发明的思想是通过蒸汽管道(1)与半套管(2)组成双层圆筒壁结构，在半套管(2)的内壁上开内壁槽(5)，将热电偶(3)敷设于半套管(2)的内壁槽(5)中，半套管(2)的导热系数λ2不低于10W/(m2·K)，不高于83W/(m2·K)，半套管(2)的外径可以根据实际情况具体计算。具体计算方法如下：
首先将安装测温结构前蒸汽管道(1)看作单层圆筒壁，运用单层圆筒壁一维稳态导热模型的知识，可以得到安装测温结构前蒸汽管道(1)管壁中间点处温度Tx的表达式：
其中T1、T2分别为安装测温结构前蒸汽管道(1)的内壁、外壁温度(℃)；D1、D2分别为蒸汽管道(1)的内径和外径(mm)。
接着将蒸汽管道(1)与半套管(2)看作一个整体，其传热过程可以看作双层圆筒壁一维稳态导热模型，运用串联热阻叠加原理，可以得到双层圆筒壁的等式：
其中，T0为热电偶(3)测量温度(℃)，T1为蒸汽管道(1)内壁温度(℃)，T4为蒸汽管道(1)外侧烟气的温度(℃)，D1、D2分别为蒸汽管道(1)的内径和外径(mm)，D3为半套管(2)的外径(mm)，λ1、λ2分别为蒸汽管道(1)和半套管(2)的导热系数[W/(m2·K)]，h为换热系数[W/(m2·K)]。
注意到此时双层圆筒壁的等式中包含T0这一未知量，为了消去T0，令T0＝Tx，将Tx的表达式代入双层圆筒壁的等式中，同时对方程中的各项进行代换以化简表达式，最后可以得到迭代方程：
u+Ae-u＝B
其中T2为蒸汽管道(1)的外壁温度(℃)，T4为蒸汽管道(1)外侧烟气的温度(℃)，D1、D2分别为蒸汽管道(1)的内径和外径(mm)，D3为半套管(2)的外径(mm)，λ1、λ2分别为蒸汽管道(1)和半套管(2)的导热系数[W/(m2·K)]，α为蒸汽对蒸汽管道(1)内壁面的放热系数[W/(m2·K)]，q为蒸汽管道(1)内壁面的热流密度(W/m2)，h为换热系数[W/(m2·K)]。
可以看到，事先确定λ2之后，该迭代方程中仅含D3一个未知量，此时便可对该方程进行迭代求解，求出半套管(2)的外径D3。
这一推导过程使用了T0＝Tx这一条件，一方面消去了双层圆筒壁等式中的未知量T0，使得等式中仅含D3一个未知量；另一方面，由于D3的求解过程使用了T0＝Tx这一条件，所以基于上述求解过程来搭建测温结构，热电偶(3)测得温度T0必然等于安装测温结构前蒸汽管道(1)的管壁中间点处温度Tx，这样一来便能直观地测量管壁中间点的温度Tx，此测温结构简单，实际操作方便。
参见图1-图8，本发明包括蒸汽管道(1)、半套管(2)、热电偶(3)、异型管箍(4)和内壁槽(5)，其中半套管(2)的内壁上开有内壁槽(5)，热电偶(3)敷设于半套管(2)的内壁槽(5)中；两副异型管箍(4)位于半套管(2)的两端，均通过螺栓紧固连接。
为了抵消管件受热膨胀带来的变形，半套管(2)与蒸汽管道(1)之间采用过盈配合，内壁槽(5)与热电偶(3)之间采用/>的过渡配合。例如对于半套管(2)与蒸汽管道(1)，当基本尺寸为60.3mm时，蒸汽管道(1)外径尺寸为/>半套管(2)的内径尺寸为其中最大过盈Ymax为-0.051mm，最小过盈Ymin为-0.002mm；对于内壁槽(5)与热电偶(3)，当基本尺寸为5mm时，内壁槽(5)的内径尺寸为/>热电偶(3)的外径尺寸为其中最大间隙Xmax为0.011mm，最大过盈Ymax为-0.009mm。
半套管(2)的外径D3、导热系数λ2则要求满足如下关系式：
u+Ae-u＝B
lnA-B+1≤0
其中，T2为蒸汽管道(1)的外壁温度(℃)，T4为蒸汽管道(1)外侧烟气的温度(℃)，D1、D2分别为蒸汽管道(1)的内径和外径(mm)，D3为半套管(2)的外径(mm)，λ1、λ2分别为蒸汽管道(1)和半套管(2)的导热系数[W/(m2·K)]，α为蒸汽对蒸汽管道(1)内壁面的放热系数[W/(m2·K)]，q为蒸汽管道(1)内壁面的热流密度(W/m2)，h为换热系数[W/(m2·K)]。如前文所述，此关系式由传热学经典模型出发经严格推导得到，故可以精确测量蒸汽管道(1)管壁中间点处温度Tx；此外由于此关系式推导过程中使用了T0＝Tx这一条件，所以热电偶(3)测得温度T0等于安装测温结构前蒸汽管道(1)的管壁中间点处温度Tx，保证了本发明测量结果的准确性、便捷性、直观性。
本发明的工作过程和设计原理为：
首先要根据蒸汽管道(1)的参数以及此处的烟气温度计算半套管(2)的外径，使得双层圆筒壁结构中蒸汽管道(1)外壁与半套管(2)内壁接触点的温度(即热电偶(3)测得温度T0)等于安装测温结构前蒸汽管道(1)的管壁中间点处温度Tx。确定半套管(2)的外径之后，在半套管(2)的内壁上开内壁槽(5)，将热电偶(3)敷设到半套管(2)的内壁槽(5)中，最后用异型管箍(4)进行紧固，这样就构成了一个测量蒸汽管道(1)壁温的测温结构。
下面对本发明的设计原理进行进一步说明：
根据传热学的知识，对于单层圆筒壁而言，其传热过程可看作一维稳态导热问题，该导热问题的数学描述为：
边界条件为：
T＝T1
T＝T2
对微分方程进行求解，带入对应边界条件，可得单层圆筒壁沿径向的温度分布函数：
令r＝(D1+D2)/4，便可得到安装测温结构前蒸汽管道(1)的管壁中间点处温度Tx的表达式：
其中T2为安装测温结构前蒸汽管道(1)的外壁温度(℃)，可直接测得；T1为蒸汽管道(1)的内壁温度(℃)，可由下式求得：
α(Tg-T1)＝q
其中，Tg为管内蒸汽温度(℃)，α为蒸汽对管内壁的放热系数[W/(m2·K)]，q为管内壁热流(W/m2)，这三个数据均可由具体应用场景得到。
接着对半套管(2)的外径建立方程，根据传热学中的串联热阻叠加原理，可以得到如下等式：
其中，T0为热电偶(3)测量温度(℃)，T1为蒸汽管道(1)的内壁温度(℃)，T4为蒸汽管道(1)外侧烟气的温度(℃)，D1、D2分别为蒸汽管道(1)的内径和外径(mm)，D3为半套管(2)的外径(mm)，λ1、λ2分别为蒸汽管道(1)和半套管(2)的导热系数[W/(m2·K)]，h为换热系数[W/(m2·K)]。
为消去上式中的未知量T0，并使热电偶(3)的示数更直观，令T0＝Tx，将Tx的表达式代入上式方程中。同时为方便计算，将方程中的各项进行代换，令 对方程进行整理，有：
u+Ae-u＝B
其中，A，B均为大于0的数。
通过导数与极限等数学工具研究该方程的有解情况，可得上述方程有解的充要条件为：
lnA-B+1≤0
即仅当A，B满足lnA-B+1≤0时，对u进行迭代才有意义。
根据具体的应用场景，代入具体的数值，找到满足上式方程的半套管(2)外径D3，即可方便而精准地测量蒸汽管道(1)的管壁中间点的温度。
下面以具体实例来进行说明。
实施例一：
某煤粉锅炉，蒸汽管道外侧烟气温度T4为784℃，管道出口处蒸汽温度Tg为452℃，事前测量蒸汽管道的外壁温度T2为568℃，蒸汽管道的内径D1为51.9mm，外径D2为60.3mm，蒸汽管道导热系数λ1为52W/(m2·K)，换热系数h为56.68W/(m2·K)，蒸汽对管内壁的放热系数α为1485.28W/(m2·K)，管内壁热流密度q为15456W/m2。
测温结构的安装步骤如下：
步骤1：对蒸汽管道(1)安装部位及周围20mm范围内的管外壁进行清洁除锈；
步骤2：测量蒸汽管道(1)外壁面温度T2＝568℃；
步骤3：选定半套管(2)的导热系数λ2为32W/(m2·K)，根据关系式迭代计算半套管(2)的外径D3，计算的详细过程为：
将所有数据带入计算，可得迭代方程：
u＝3.796-0.5646e-u
接着进行解的判断：A为0.5646，B为3.796，系数A、B满足lnA-B+1≤0，故该方程有解。
最后任取一个u初始值，迭代上式直至收敛，求得u为3.783，D3＝2eu＝87.90mm；此时半套管(2)壁厚为13.8mm，实际操作可行，证明半套管(2)的导热系数λ2选取合适。
步骤4：在半套管(2)的内壁面上开内壁槽(5)，将热电偶(3)敷设于内壁槽(5)中；
步骤5：用两副异型管箍(4)将半套管(2)固定在蒸汽管道(1)上，并用螺栓将异型管箍(4)紧固。
实施例二：
某燃煤电站锅炉，蒸汽管道外侧烟气温度T4为727℃，管道出口处蒸汽温度Tg为418℃，事前测量蒸汽管道的外壁温度T2为543℃，蒸汽管道的内径D1为50mm，外径D2为63mm，蒸汽管道导热系数λ1为56W/(m2·K)，换热系数h为51.46W/(m2·K)，蒸汽对管内壁的放热系数α为1361.49W/(m2·K)，管内壁热流密度q为14830W/m2。
本实施例的安装步骤与实施例一的安装步骤完全相同，故此处不过多赘述，只呈现半套管(2)外径的计算过程：
首先取半套管(2)的导热系数λ2为34W/(m2·K)，将所有数据带入计算，可得迭代方程：
u＝3.843-0.6607e-u
接着进行解的判断：A为0.6607，B为3.843，系数A、B满足lnA-B+1≤0，故该方程有解。
最后任取一个u初始值，迭代上式直至收敛，求得u为3.829，D3＝2eu＝92.03mm；此时半套管(2)壁厚为14.5mm，实际操作可行，证明半套管(2)的导热系数λ2选取合适。
综上，选取导热系数为λ2为34W/(m2·K)，外径D3为92.03mm的半套管(2)搭建测温结构即为所求。
实施例三：
某燃煤锅炉，蒸汽管道外侧烟气温度T4为771℃，管道出口处蒸汽温度Tg为489℃，事前测量蒸汽管道的外壁温度T2为594℃，蒸汽管道的内径D1为4mm，外径D2为63.5mm，蒸汽管道导热系数λ1为57W/(mg·K)，换热系数h为58.35W/(m2·K)，蒸汽对管内壁的放热系数α为1428.14W/(m2·K)，管内壁热流密度q为15270W/m2。
本实施例的安装步骤与实施例一的安装步骤完全相同，故此处不过多赘述，只呈现半套管(2)外径的计算过程：
首先取半套管(2)的导热系数λ2为34W/(m2·K)，将所有数据带入计算，可得迭代方程：
u＝3.809-0.5827e-u
接着进行解的判断：A为0.5827，B为3.809，系数A、B满足lnA-B+1≤0，故该方程有解。
最后任取一个u初始值，迭代上式直至收敛，求得u为3.796，D3＝2eu＝89.00mm；此时半套管(2)壁厚为12.75mm，实际操作可行，证明半套管(2)的导热系数λ2选取合适。
综上，选取导热系数为λ2为34W/(m2·K)，外径D3为89.00mm的半套管(2)搭建测温结构即为所求。
Claims (7)
1.一种测量锅炉蒸汽管道壁温结构，其特征在于，包括：蒸汽管道(1)、半套管(2)、热电偶(3)、异型管箍(4)和内壁槽(5)，所述蒸汽管道(1)的外壁面与半套管(2)的内壁面采用的过盈配合；所述半套管(2)的截面为半圆环，包覆蒸汽管道(1)的部分外壁面，而且半套管(2)在内壁上开内壁槽(5)；所述热电偶(3)敷设于半套管(2)的内壁槽(5)中并紧贴在蒸汽管道(1)的外壁面上；所述异型管箍(4)数量为两副，分别位于半套管(2)的两端；所述内壁槽(5)的尺寸根据热电偶(3)的直径确定，采用/>的过渡配合。
2.根据权利要求1所述的测量锅炉蒸汽管道壁温结构，其特征在于：所述的蒸汽管道(1)与半套管(2)构成双层圆筒壁结构，其中内侧为蒸汽管道(1)，外侧为半套管(2)。
3.根据权利要求1所述的测量锅炉蒸汽管道壁温结构，其特征在于：所述的热电偶(3)的测点位于蒸汽管道(1)与半套管(2)接触面的内壁槽(5)中。
4.根据权利要求1所描述的测量锅炉蒸汽管道壁温结构，其特征在于：所述的蒸汽管道(1)与半套管(2)通过两副异型管箍(4)固定，两副异型管箍(4)均通过螺栓紧固连接。
5.根据权利要求1所描述的测量锅炉蒸汽管道壁温结构，其特征在于：所述的半套管(2)的导热系数λ2不低于10W/(m2·K)，不高于83W/(m2·K)。
6.根据权利要求1所描述的测量锅炉蒸汽管道壁温结构，其特征在于：所述的半套管(2)的外径D3、导热系数λ2应满足等式u+Ae-u＝B、不等式lnA-B+1≤0，其中 T2为蒸汽管道(1)的外壁温度(℃)，T4为蒸汽管道(1)外侧烟气的温度(℃)，D1、D2分别为蒸汽管道(1)的内径和外径(mm)，D3为半套管(2)的外径(mm)，λ1、λ2分别为蒸汽管道(1)和半套管(2)的导热系数[W/(m2·K)]，α为蒸汽对蒸汽管道(1)内壁面的放热系数[W/(m2·K)]，q为蒸汽管道(1)内壁面的热流密度(W/m2)，h为换热系数[W/(m2·K)]。
7.一种安装权利要求1～6任一所述的测量锅炉蒸汽管道壁温结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：对蒸汽管道(1)的安装部位及周围20mm范围内的管外壁进行清洁除锈；
步骤2：测量蒸汽管道(1)的外壁面温度T2；
步骤3：选定半套管(2)的导热系数λ2，根据关系式迭代计算半套管(2)的外径D3；
步骤4：在半套管(2)的内壁面上开内壁槽(5)，将热电偶(3)敷设于内壁槽(5)中；
步骤5：用两副异型管箍(4)将半套管(2)固定在蒸汽管道(1)上，并用螺栓将异型管箍(4)紧固。
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| CN202310705381.2A CN116735021A (zh) | 2023-06-14 | 2023-06-14 | 一种测量锅炉蒸汽管道壁温结构及安装方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117072952A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-17 | 四川鑫业纸业有限公司 | 外接式温度检测组件 |
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