一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法及装置与流程

1.本发明涉及锅炉技术领域，尤其涉及一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法及装置。

背景技术：

2.大型锅炉的受热面管屏上的灰沉积主要分为两类：结渣和沾污。结渣和沾污是常见现象，尤其在辐射受热面上，由于烟气温度和受热面管屏壁温均较高，灰渣颗粒极易附着在受热面管屏表面，导致灰沉积问题，进而引起一系列的安全隐患。
3.辐射受热面上的灰沉积问题较难解决，主要原因是：
4.1、灰渣以熔融态形式粘附在管屏上，形貌极为致密，在水冷壁上类似岩浆一样流至冷灰斗，导致冷灰斗受热不均局部管子爆管或者堵塞捞渣机。当水冷壁上沉积的灰渣增多后，其吸热量减少，导致烟气升高，会加强分隔屏、末级过热器的灰沉积程度。而且分隔屏处的烟温极高，难以布置吹灰器，通常只能依靠机组降负荷使得附着的灰渣掉落。
5.2、末级过热器上沉积的灰渣有一部分是熔融态致密物，即便吹灰器产生作用吹落这些灰渣，部分灰渣会堆积在折焰角上方，减少烟气的通流面积，严重的时候甚至卡涩末级过热器，使得其热膨胀和正常的摆动受阻，带来更大的安全隐患。
6.当前，关于锅炉防结焦沾污的监控方法较多，但是存在一些难以实际操作的问题：
7.1、将受热面灰沉积程度和吹灰的控制相结合，仅通过吹灰来解决。但是由于辐射受热面上的沉积灰多为熔融态致密物，在机组高负荷运行时很难有效的清理。
8.2、采用先进的神经网络算法来预测灰沉积程度，但是在机组实际运行过程难以实现。首先，人工神经网络需要输入层的数据，这些数据来自机组dcs相关运行参数，在数据的通讯和处理上，必须采用电脑或者服务器来处理复杂的算法，dcs难以实现复杂的运算；其次，即便采用通讯模块将dcs相关运行参数接入电脑后，电脑再基于事先建立的模型进行训练，最后输出计算结果至dcs，这个过程需要一定的时间，而有效吹灰的热工逻辑大多含有前馈控制，也就是说，即便先进算法的输出和热工逻辑需要前馈控制的实时结合得到解决，吹灰效果也有可能难以得到保障，因为输入的数据本身就是前一刻的数据，吹灰的执行始终是下一刻的动作。
9.3、采用入炉煤灰熔点参数以及炉膛出口烟温来建立模型监控受热面积灰情况，但是这里存在两个问题：1)当前火电机组多采用混煤燃烧，但是混煤的灰熔点并不是不同煤质灰熔点的简单加权计算，当灰成分中的ca、fe含量达到一定比例时，煤灰存在低温共融现象，真实的灰熔点将比实验室测试的灰熔点低100～200℃，此时入炉煤灰熔点参数已失去了期初预想的作用；2)大型锅炉的炉膛出口烟窗一般是折焰角顶端垂直线延申到顶棚的断面，一般是末级过热器的入口。但是在末级过热器上游的辐射受热面还有：分隔屏过热器以及水冷壁，所以仅利用炉膛出口烟温并不合理。
10.因此，开发一种新的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法及装置用以实时监控辐射受热面的灰沉积程度，作为锅炉运行过程吹灰优化的指导手段具有重要意义。

技术实现要素：

11.鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法及装置，通过对辐射受热面进行分区监控，更加准确合理的获得不同区域的灰沉积情况，进而指导锅炉安全运行。
12.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
13.第一方面，本发明提供一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法，所述在线监控方法将炉膛辐射受热面划分为水冷壁区、分隔屏区、末级过热器区和组合区，并分别建立每个区的传热计算方程，得出每个区的热有效系数，结合每个区的角系数，进而获得每个区受热面的灰污系数，用来实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度。
14.本发明所述的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法通过炉膛辐射受热面的水冷壁区、分隔屏区、末级过热器区和组合区的热有效系数，得出锅炉运行中每个区受热面的实时灰污系数，从而实现对炉膛辐射受热面的灰沉积程度的实时、有效监控，确保锅炉安全稳定运行。
15.优选地，所述在线监控方法包括如下步骤：
16.(1)假设炉膛出口烟温初值θ，根据热力计算标准公式，得出炉膛平均热有效系数ψ
pj
；
17.(2)建立水冷壁区的传热计算方程，设定分隔屏屏底为分界面，利用声波测温装置测定的烟温，得出水冷壁区的热有效系数ψ1；
18.(3)建立分隔屏区的传热计算方程，利用声波测温装置测定的烟温和分隔屏区出口烟温，得出分隔屏区的热有效系数ψ2；
19.(4)建立末级过热器区的传热计算方程，利用末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温，得出末级过热器区的热有效系数ψ3；
20.(5)通过热力计算标准公式，得出组合区的热有效系数ψ4；
21.(6)将步骤(2)所述水冷壁区的热有效系数ψ1、步骤(3)所述分隔屏区的热有效系数ψ2、步骤(4)所述末级过热器区的热有效系数ψ3和步骤(5)所述组合区的热有效系数ψ4按照各自的受热面的面积进行加权平均，得出炉膛加权平均热有效系数ψ’pj
，根据热力计算标准公式，得出炉膛出口烟温计算值θ’；通过迭代计算，直到前后两次计算所得的θ’(n+1)-θ’(n)《105，则θ’(n+1)为真实的炉膛出口烟温，其中n为迭代计算的次数；
22.(7)根据步骤(6)所述真实的炉膛出口烟温θ’(n+1)，重新计算得出真实的水冷壁区的热有效系数ψ
’1、真实的分隔屏区的热有效系数ψ
’2、真实的末级过热器区的热有效系数ψ
’3和真实的组合区的热有效系数ψ
’4，结合每个区的角系数，得到每个区的灰污系数，用来实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度。
23.本发明中设定分隔屏屏底为分界面并利用声波测温装置测定的烟温进行计算，是因为分隔屏屏底处烟温极高，锅炉额定负荷下一般高于1300℃，甚至更高，而声波测温装置可以满足高温测量的量程和精度，这样得到的分隔屏区的热有效系数ψ2更加准确，更加合理。
24.本发明中利用末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温进行计算，使用红外测温装置来测定末级过热器出口的烟温，而不使用声波测温装置，是因为末级过热器出口的烟温较低，额定负荷下一般低于950℃，随锅炉负荷降低，该值会进一步降低，红外测温
装置即可满足测量的量程和精度，这样得到的末级过热器区的热有效系数ψ3能够真实反映出末级过热器区的灰污情况。
25.优选地，步骤(1)所述热力计算标准公式为：
[0026][0027]
式中：ψ
pj
是炉膛平均热有效系数；θ是炉膛出口烟温℃；ta是理论燃烧温度k；m是火焰中心位置用系数；af是炉膛火焰黑度；f1是炉膛辐射换热面积m2；是保热系数；bj是燃料消耗量kg/s；v
cp
是燃烧产物的平均比热容kj/kg
·
k。
[0028]
优选地，所述火焰中心位置用系数m通过下式计算得到：
[0029]
m＝0.59-0.5(xr+δx)
[0030]
式中：xr为燃烧器的相对标高；δx为燃烧器摆角的修正量，当燃烧器向上倾斜20
°
时，δx＝+0.1，当燃烧器向下倾斜20
°
时，δx＝-0.1，当摆角较小时，δx值用插入法确定。
[0031]
优选地，所述燃烧器的相对标高xr通过下式计算得到：
[0032][0033]
式中：hr为燃烧器轴线高度的加权值；hh为炉膛高度。
[0034]
优选地，所述燃烧器轴线高度的加权值hr通过下式计算得到：
[0035][0036]
优选地，所述炉膛火焰黑度af通过下式计算得到：
[0037][0038]
式中：ah为火焰黑度。
[0039]
优选地，所述火焰黑度ah通过下式计算得到：
[0040][0041]
式中：ka为火焰黑度/吸收减弱系数，由三原子气体、灰分颗粒、焦炭颗粒三部分组成。
[0042]
优选地，所述燃烧产物的平均比热容v
cp
通过下式计算得到：
[0043][0044]
式中，qf是炉内有效放热量kj/kg，根据标准，燃料发热量还需加上送入炉膛的热风等的显热；i
θ
是炉膛出口烟焓kj/kg。
[0045]
优选地，步骤(2)所述水冷壁区的热有效系数ψ1是通过水冷壁区传热方程与水冷壁区黑度公式联立求得；
[0046]
优选地，所述水冷壁区传热方程为：
[0047][0048]
式中，t
″
θ
是分隔屏屏底的声波测温数据k；f
cb6
是炉膛自由容积对应的面积，该面积含和分隔屏的交界面，m2；α
′f是水冷壁区的黑度；ψ1是水冷壁区的热有效系数，v
′
cp
是水冷壁区的烟气平均烟焓。
[0049]
优选地，所述水冷壁区黑度公式为：
[0050][0051]
式中，α'h是火焰黑度。
[0052]
优选地，步骤(3)所述分隔屏区出口烟温采用步骤(1)所述炉膛出口烟温初值θ。
[0053]
优选地，步骤(4)所述末级过热器入口烟温采用步骤(1)所述炉膛出口烟温初值θ。
[0054]
优选地，步骤(3)所述分隔屏区的热有效系数ψ2和步骤(4)所述末级过热器区的热有效系数ψ3是通过下面的方程联立求得：
[0055][0056][0057]
式中，tb是屏灰污壁温k；t
p
是受热面进出口的平均烟温，其中分隔屏区是声波测温装置测定的烟温和分隔屏的出口烟温的平均值，末级过热器区是末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温的平均值；α
′
是屏区烟气黑度；α
″
是屏的壁面黑度；ψ
p
是屏的热有效系数，其中分隔屏区是ψ2，末级过热器区是ψ3；q
pf
是屏吸收烟气的辐射热量kj/kg；q
pd
是屏吸收烟气的对流热量kj/kg；h
p
是屏区受热面面积m2；αd是对流放热系数kw/m2k；。
[0058]
优选地，所述屏吸收烟气的对流热量q
pd
通过下式计算得到：
[0059][0060]
式中，q
pd
是屏吸收烟气的对流热量kj/kg；是屏区受热面的保热系数；i
′y和i
″y分别是烟气进、出口的焓kj/kg；q
pfj
是屏区周围管壁受热面吸收烟气的对流热量kj/kg。
[0061]
优选地，所述屏吸收烟气的辐射热量q
pf
通过下式计算得到：
[0062][0063]
式中，q
pf
是屏吸收烟气的辐射热量kj/kg；q
′f是炉膛火焰辐射到屏入口窗的热量kj/kg；q
″f是炉膛辐射热流透过屏区的热量kj/kg；q
ph
是屏区高温烟气辐射到屏后受热面的热量kj/kg；h
p
是屏区受热面面积m2；h
fj
是屏区周围管壁受热面面积m2。
[0064]
优选地，所述炉膛火焰辐射到屏入口窗的热量q
′f通过下式计算得到：
[0065][0066]
式中，qh是炉膛壁面平均辐射热负荷kw/m2；h
′
p
是屏入口烟窗的面积m2；ηh是屏入口烟窗在炉膛高度方向上的热负荷不均系数。
[0067]
优选地，所述炉膛辐射热流透过屏区的热量q
″f通过下式计算得到：
[0068][0069]
式中，α
′
是屏区烟气黑度；x
′
p
是屏进口烟窗对出口烟窗的角系数；β是屏与炉膛相互换热影响的系数。
[0070]
优选地，所述屏进口烟窗对出口烟窗的角系数x
′
p
通过下式计算得到：
[0071]
x
′
p
＝1-x
p
[0072]
式中，x
p
是屏的角系数。
[0073]
优选地，所述屏的角系数x
p
通过下式计算得到：
[0074][0075]
式中，s1是两片屏之间的宽度(横向节距)m；b是两片屏之间的深度m。
[0076]
优选地，所述屏区高温烟气辐射到屏后受热面的热量q
ph
通过下式计算得到：
[0077][0078]
式中，h
ph
是屏后的受热面进口烟窗面积m2；t
p
是屏区烟气平均温度k；ξ
t
是燃料种类的修正系数，取0.5。
[0079]
优选地，步骤(5)所述组合区包括包覆墙和顶棚过热器。
[0080]
本发明所述组合区的热有效系数ψ4根据经验取值为0.85。
[0081]
优选地，步骤(6)所述加权平均的计算公式为：
[0082][0083]
式中，ψ’pj
是炉膛加权平均热有效系数；f
yc
是炉膛出口烟窗受热面的面积m2。
[0084]
优选地，步骤(7)所述每个区的灰污系数均通过下式计算得到：
[0085][0086]
式中，ψ
‘f是每个区真实的热有效系数；x是每个区的角系数。
[0087]
作为本发明优选的技术方案，所述在线监控方法包括如下步骤：
[0088]
(1)假设炉膛出口烟温初值θ，根据热力计算标准公式，得出炉膛平均热有效系数ψ
pj
；所述热力计算标准公式为：
[0089][0090]
式中：ψ
pj
是炉膛平均热有效系数；θ是炉膛出口烟温℃；ta是理论燃烧温度k；m是火焰中心位置用系数；af是炉膛火焰黑度；f1是炉膛辐射换热面积m2；是保热系数；bj是燃料消耗量kg/s；v
cp
是燃烧产物的平均比热容kj/kg
·
k；
[0091]
火焰中心位置用系数m通过下式计算得到：
[0092]
m＝0.59-0.5(xr+δx)
[0093]
式中：xr为燃烧器的相对标高；δx为燃烧器摆角的修正量，当燃烧器向上倾斜20
°
时，δx＝+0.1，当燃烧器向下倾斜20
°
时，δx＝-0.1，当摆角较小时，δx值用插入法确定；
[0094]
燃烧器的相对标高xr通过下式计算得到：
[0095][0096]
式中：hr为燃烧器轴线高度的加权值；hh为炉膛高度；
[0097]
燃烧器轴线高度的加权值hr通过下式计算得到：
[0098][0099]
炉膛火焰黑度af通过下式计算得到：
[0100][0101]
式中：ah为火焰黑度；
[0102]
火焰黑度ah通过下式计算得到：
[0103][0104]
式中：ka为火焰黑度/吸收减弱系数，由三原子气体、灰分颗粒、焦炭颗粒三部分组成；
[0105]
燃烧产物的平均比热容v
cp
通过下式计算得到：
[0106][0107]
式中，qf是炉内有效放热量kj/kg，根据标准，燃料发热量还需加上送入炉膛的热风等的显热；i
θ
是炉膛出口烟焓kj/kg；
[0108]
(2)建立水冷壁区的传热计算方程，设定分隔屏屏底为分界面，利用声波测温装置测定的烟温，得出水冷壁区的热有效系数ψ1；所述水冷壁区的热有效系数ψ1是通过水冷壁区传热方程与水冷壁区黑度公式联立求得；
[0109]
所述水冷壁区传热方程为：
[0110][0111]
式中，t
″
θ
是分隔屏屏底的声波测温数据k；f
cb6
是炉膛自由容积对应的面积，该面积含和分隔屏的交界面，m2；α
′f是水冷壁区的黑度；ψ1是水冷壁区的热有效系数，v
′
cp
是水冷壁区的烟气平均烟焓；
[0112]
所述水冷壁区黑度公式为：
[0113][0114]
式中，α'h是火焰黑度；
[0115]
(3)建立分隔屏区的传热计算方程，利用声波测温装置测定的烟温和分隔屏区出口烟温，得出分隔屏区的热有效系数ψ2；所述分隔屏区出口烟温采用步骤(1)所述炉膛出口烟温初值θ；
[0116]
(4)建立末级过热器区的传热计算方程，利用末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温，得出末级过热器区的热有效系数ψ3；所述末级过热器入口烟温采用步骤(1)所述炉膛出口烟温初值θ；
[0117]
步骤(3)所述分隔屏区的热有效系数ψ2和步骤(4)所述末级过热器区的热有效系数ψ3是通过下面的方程联立求得：
[0118][0119][0120]
式中，tb是屏灰污壁温k；t
p
是受热面进出口的平均烟温，其中分隔屏区是声波测温装置测定的烟温和分隔屏的出口烟温的平均值，末级过热器区是末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温的平均值；α
′
是屏区烟气黑度；α
″
是屏的壁面黑度；ψ
p
是屏的热有效系数，其中分隔屏区是ψ2，末级过热器区是ψ3；q
pf
是屏吸收烟气的辐射热量kj/kg；q
pd
是屏吸收烟气的对流热量kj/kg；h
p
是屏区受热面面积m2；αd是对流放热系数kw/m2k；
[0121]
屏吸收烟气的对流热量q
pd
通过下式计算得到：
[0122][0123]
式中，q
pd
是屏吸收烟气的对流热量kj/kg；是屏区受热面的保热系数；i
′y和i
″y分别是烟气进、出口的焓kj/kg；q
pfj
是屏区周围管壁受热面吸收烟气的对流热量kj/kg；
[0124]
屏吸收烟气的辐射热量q
pf
通过下式计算得到：
[0125][0126]
式中，q
pf
是屏吸收烟气的辐射热量kj/kg；q
′f是炉膛火焰辐射到屏入口窗的热量kj/kg；q
″f是炉膛辐射热流透过屏区的热量kj/kg；q
ph
是屏区高温烟气辐射到屏后受热面的
热量kj/kg；h
p
是屏区受热面面积m2；h
fj
是屏区周围管壁受热面面积m2；
[0127]
炉膛火焰辐射到屏入口窗的热量q
′f通过下式计算得到：
[0128][0129]
式中，qh是炉膛壁面平均辐射热负荷kw/m2；h
′
p
是屏入口烟窗的面积m2；ηh是屏入口烟窗在炉膛高度方向上的热负荷不均系数；
[0130]
炉膛辐射热流透过屏区的热量q
″f通过下式计算得到：
[0131][0132]
式中，α
′
是屏区烟气黑度；x
′
p
是屏进口烟窗对出口烟窗的角系数；β是屏与炉膛相互换热影响的系数；
[0133]
屏进口烟窗对出口烟窗的角系数x
′
p
通过下式计算得到：
[0134]
x
′
p
＝1-x
p
[0135]
式中，x
p
是屏的角系数；
[0136]
屏的角系数x
p
通过下式计算得到：
[0137][0138]
式中，s1是两片屏之间的宽度(横向节距)m；b是两片屏之间的深度m；
[0139]
屏区高温烟气辐射到屏后受热面的热量q
ph
通过下式计算得到：
[0140][0141]
式中，h
ph
是屏后的受热面进口烟窗面积m2；t
p
是屏区烟气平均温度k；ξ
t
是燃料种类的修正系数，取0.5；
[0142]
(5)通过热力计算标准公式，得出组合区的热有效系数ψ4；所述组合区包括包覆墙和顶棚过热器；
[0143]
(6)将步骤(2)所述水冷壁区的热有效系数ψ1、步骤(3)所述分隔屏区的热有效系数ψ2、步骤(4)所述末级过热器区的热有效系数ψ3和步骤(5)所述组合区的热有效系数ψ4按照各自的受热面的面积进行加权平均，得出炉膛加权平均热有效系数ψ’pj
，根据热力计算标准公式，得出炉膛出口烟温计算值θ’；通过迭代计算，直到前后两次计算所得的θ’(n+1)-θ’(n)《105，则θ’(n+1)为真实的炉膛出口烟温，其中n为迭代计算的次数；
[0144]
所述加权平均的计算公式为：
[0145][0146]
式中，ψ’pj
是炉膛加权平均热有效系数；f
yc
是炉膛出口烟窗受热面的面积m2；
[0147]
(7)根据步骤(6)所述真实的炉膛出口烟温θ’(n+1)，重新计算得出真实的水冷壁区的热有效系数ψ
’1、真实的分隔屏区的热有效系数ψ
’2、真实的末级过热器区的热有效系数
ψ
’3和真实的组合区的热有效系数ψ
’4，结合每个区的角系数，得到每个区的灰污系数，用来实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度；
[0148]
所述每个区的灰污系数均通过下式计算得到：
[0149][0150]
式中，ψ
‘f是每个区真实的热有效系数；x是每个区的角系数。
[0151]
第二方面，本发明还提供一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控装置系统，所述在线监控装置系统用于进行第一方面所述的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法。
[0152]
优选地，所述在线监控装置系统包括红外测温装置、声波测温装置、通讯模块、dcs系统模块和服务器模块。
[0153]
优选地，所述红外测温装置设置于末级过热器出口。
[0154]
优选地，所述声波测温装置设置于分隔屏屏底。
[0155]
优选地，所述红外测温装置和声波测温装置测得的数据传输至dcs系统模块。
[0156]
优选地，所述通讯模块将dcs系统模块与服务器模块连接。
[0157]
本发明所述的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控装置系统通过在分隔屏屏底安装声波测温装置、在末级过热器出口安装红外测温装置分别将水冷壁区、分隔屏区的烟温和末级过热器入口烟温进行准确测量，并传输至dcs系统模块，实时获取锅炉运行期间的温度数据；之后通过数学模型获得炉膛辐射受热面不同区域的灰污系数，用来实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度。
[0158]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0159]
本发明提供的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法通过对辐射受热面进行分区处理，利用数学模型获得了不同区域的灰污系数，结果准确、合理，可实时监控炉膛辐射受热面真实的灰沉积程度，并指导锅炉安全运行，适合进行大规模推广应用。
附图说明
[0160]
图1是炉膛辐射受热面各区域的示意图。
[0161]
图2是本发明提供的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法的流程图。
[0162]
图中：1-水冷壁区；2-组合区；3-分隔屏区；4-末级过热器区；5-声波测温装置；6-红外测温装置。
具体实施方式
[0163]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0164]
本发明提供一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法，所述在线监控方法将炉膛辐射受热面划分为水冷壁区、分隔屏区、末级过热器区和组合区，其示意图如图1所示，并分别建立每个区的传热计算方程，得出每个区的热有效系数，结合每个区的角系数，进而获得每个区受热面的灰污系数，用来实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度。
[0165]
本发明提供的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法，其流程图如图2所示，所述在线监控方法包括如下步骤：
[0166]
(1)假设炉膛出口烟温初值θ，根据热力计算标准公式，得出炉膛平均热有效系数ψ
pj
；
[0167]
(2)建立水冷壁区的传热计算方程，设定分隔屏屏底为分界面，利用声波测温装置测定的烟温，得出水冷壁区的热有效系数ψ1；
[0168]
(3)建立分隔屏区的传热计算方程，利用声波测温装置测定的烟温和分隔屏区出口烟温，得出分隔屏区的热有效系数ψ2；
[0169]
(4)建立末级过热器区的传热计算方程，利用末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温，得出末级过热器区的热有效系数ψ3；
[0170]
(5)通过热力计算标准公式，得出组合区的热有效系数ψ4；
[0171]
(6)将步骤(2)所述水冷壁区的热有效系数ψ1、步骤(3)所述分隔屏区的热有效系数ψ2、步骤(4)所述末级过热器区的热有效系数ψ3和步骤(5)所述组合区的热有效系数ψ4按照各自的受热面的面积进行加权平均，得出炉膛加权平均热有效系数ψ’pj
，根据热力计算标准公式，得出炉膛出口烟温计算值θ’；通过迭代计算，直到前后两次计算所得的θ’(n+1)-θ’(n)《105，则θ’(n+1)为真实的炉膛出口烟温，其中n为迭代计算的次数；
[0172]
(7)根据步骤(6)所述真实的炉膛出口烟温θ’(n+1)，重新计算得出真实的水冷壁区的热有效系数ψ
’1、真实的分隔屏区的热有效系数ψ
’2、真实的末级过热器区的热有效系数ψ
’3和真实的组合区的热有效系数ψ
’4，结合每个区的角系数，得到每个区的灰污系数，用来实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度。
[0173]
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
[0174]
作为本发明的一个具体实施方式，提供一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法，所述在线监控方法包括如下步骤：
[0175]
(1)假设炉膛出口烟温初值θ为950℃，根据热力计算标准公式，得出炉膛平均热有效系数ψ
pj
为0.35；所述热力计算标准公式为：
[0176][0177]
式中：ψ
pj
是炉膛平均热有效系数；θ是炉膛出口烟温℃；ta是理论燃烧温度k；m是火焰中心位置用系数；af是炉膛火焰黑度；f1是炉膛辐射换热面积m2；是保热系数；bj是燃料消耗量kg/s；v
cp
是燃烧产物的平均比热容kj/kg
·
k；
[0178]
火焰中心位置用系数m通过下式计算得到：
[0179]
m＝0.59-0.5(xr+δx)
[0180]
式中：xr为燃烧器的相对标高；δx为燃烧器摆角的修正量，当燃烧器向上倾斜20
°
时，δx＝+0.1，当燃烧器向下倾斜20
°
时，δx＝-0.1，当摆角较小时，δx值用插入法确定；
[0181]
燃烧器的相对标高xr通过下式计算得到：
[0182][0183]
式中：hr为燃烧器轴线高度的加权值；hh为炉膛高度；
[0184]
燃烧器轴线高度的加权值hr通过下式计算得到：
[0185][0186]
炉膛火焰黑度af通过下式计算得到：
[0187][0188]
式中：ah为火焰黑度；
[0189]
火焰黑度ah通过下式计算得到：
[0190][0191]
式中：ka为火焰黑度/吸收减弱系数，由三原子气体、灰分颗粒、焦炭颗粒三部分组成；
[0192]
燃烧产物的平均比热容v
cp
通过下式计算得到：
[0193][0194]
式中，qf是炉内有效放热量kj/kg，根据标准，燃料发热量还需加上送入炉膛的热风等的显热；i
θ
是炉膛出口烟焓kj/kg；
[0195]
(2)建立水冷壁区的传热计算方程，设定分隔屏屏底为分界面，利用声波测温装置测定的烟温，得出水冷壁区的热有效系数ψ1为0.41；所述水冷壁区的热有效系数ψ1是通过水冷壁区传热方程与水冷壁区黑度公式联立求得；
[0196]
所述水冷壁区传热方程为：
[0197][0198]
式中，t
″
θ
是分隔屏屏底的声波测温数据k；f
cb6
是炉膛自由容积对应的面积，该面积含和分隔屏的交界面，m2；α
′f是水冷壁区的黑度；ψ1是水冷壁区的热有效系数，v
′
cp
是水冷壁区的烟气平均烟焓；
[0199]
所述水冷壁区黑度公式为：
[0200][0201]
式中，α'h是火焰黑度；
[0202]
(3)建立分隔屏区的传热计算方程，利用声波测温装置测定的烟温和分隔屏区出口烟温，得出分隔屏区的热有效系数ψ2为0.36；所述分隔屏区出口烟温采用步骤(1)所述炉膛出口烟温初值θ；
[0203]
(4)建立末级过热器区的传热计算方程，利用末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温，得出末级过热器区的热有效系数ψ3为0.33；所述末级过热器入口烟温采用步骤(1)所述炉膛出口烟温初值θ；
[0204]
其中，步骤(3)所述分隔屏区的热有效系数ψ2和步骤(4)所述末级过热器区的热有效系数ψ3是通过下面的方程联立求得：
[0205][0206][0207]
式中，tb是屏灰污壁温k；t
p
是受热面进出口的平均烟温，其中分隔屏区是声波测温装置测定的烟温和分隔屏的出口烟温的平均值，末级过热器区是末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温的平均值；α
′
是屏区烟气黑度；α
″
是屏的壁面黑度；ψ
p
是屏的热有效系数，其中分隔屏区是ψ2，末级过热器区是ψ3；q
pf
是屏吸收烟气的辐射热量kj/kg；q
pd
是屏吸收烟气的对流热量kj/kg；h
p
是屏区受热面面积m2；αd是对流放热系数kw/m2k；
[0208]
屏吸收烟气的对流热量q
pd
通过下式计算得到：
[0209][0210]
式中，q
pd
是屏吸收烟气的对流热量kj/kg；是屏区受热面的保热系数；i
′y和i
″y分别是烟气进、出口的焓kj/kg；q
pfj
是屏区周围管壁受热面吸收烟气的对流热量kj/kg；
[0211]
屏吸收烟气的辐射热量q
pf
通过下式计算得到：
[0212][0213]
式中，q
pf
是屏吸收烟气的辐射热量kj/kg；q
′f是炉膛火焰辐射到屏入口窗的热量kj/kg；q
″f是炉膛辐射热流透过屏区的热量kj/kg；q
ph
是屏区高温烟气辐射到屏后受热面的热量kj/kg；h
p
是屏区受热面面积m2；h
fj
是屏区周围管壁受热面面积m2；
[0214]
炉膛火焰辐射到屏入口窗的热量q
′f通过下式计算得到：
[0215][0216]
式中，qh是炉膛壁面平均辐射热负荷kw/m2；h
′
p
是屏入口烟窗的面积m2；ηh是屏入口烟窗在炉膛高度方向上的热负荷不均系数；
[0217]
炉膛辐射热流透过屏区的热量q
″f通过下式计算得到：
[0218][0219]
式中，α
′
是屏区烟气黑度；x
′
p
是屏进口烟窗对出口烟窗的角系数；β是屏与炉膛相互换热影响的系数；
[0220]
屏进口烟窗对出口烟窗的角系数x
′
p
通过下式计算得到：
[0221]
x
′
p
＝1-x
p
[0222]
式中，x
p
是屏的角系数；
[0223]
屏的角系数x
p
通过下式计算得到：
[0224][0225]
式中，s1是两片屏之间的宽度(横向节距)m；b是两片屏之间的深度m；
[0226]
屏区高温烟气辐射到屏后受热面的热量q
ph
通过下式计算得到：
[0227][0228]
式中，h
ph
是屏后的受热面进口烟窗面积m2；t
p
是屏区烟气平均温度k；ξ
t
是燃料种类的修正系数，取0.5；
[0229]
(5)通过热力计算标准公式，得出组合区的热有效系数ψ4为0.85；所述组合区包括包覆墙和顶棚过热器；
[0230]
(6)将步骤(2)所述水冷壁区的热有效系数ψ1、步骤(3)所述分隔屏区的热有效系数ψ2、步骤(4)所述末级过热器区的热有效系数ψ3和步骤(5)所述组合区的热有效系数ψ4按照各自的受热面的面积进行加权平均，得出炉膛加权平均热有效系数ψ’pj
为0.28，根据热力计算标准公式，得出炉膛出口烟温计算值θ’；通过迭代计算，直到前后两次计算所得的θ’(n+1)-θ’(n)《105，则θ’(n+1)为真实的炉膛出口烟温，其中n为迭代计算的次数；
[0231]
所述加权平均的计算公式为：
[0232][0233]
式中，ψ’pj
是炉膛加权平均热有效系数；f
yc
是炉膛出口烟窗受热面的面积m2；
[0234]
(7)根据步骤(6)所述真实的炉膛出口烟温θ’(n+1)为918.6℃，重新计算得出真实的水冷壁区的热有效系数ψ
’1、真实的分隔屏区的热有效系数ψ
’2、真实的末级过热器区的热有效系数ψ
’3和真实的组合区的热有效系数ψ
’4，结合每个区的角系数，得到每个区的灰污系数，可实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度；
[0235]
所述每个区的灰污系数均通过下式计算得到：
[0236][0237]
式中，ψ
‘f是每个区真实的热有效系数；x是每个区的角系数。
[0238]
作为本发明的一个具体实施方式，还提供一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控装置系统，所述在线监控装置系统用于进行上述的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法。
[0239]
所述在线监控装置系统包括红外测温装置、声波测温装置、通讯模块、dcs系统模块和服务器模块。
[0240]
所述红外测温装置设置于末级过热器出口。所述声波测温装置设置于分隔屏屏底。所述红外测温装置和声波测温装置测得的数据传输至dcs系统模块。所述通讯模块将
dcs系统模块与服务器模块连接。
[0241]
上述的具体实施方式中，得出水冷壁区的灰污系数为0.41、分隔屏区的灰污系数为0.40、末级过热器区的灰污系数为0.362和组合区的灰污系数为0.85，利用各灰污系数可以监控辐射受热面的受污染程度。
[0242]
综上所述，本发明提供的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法通过对辐射受热面进行分区处理，利用数学模型获得了不同区域的灰污系数，可实时监控炉膛辐射受热面真实的灰沉积程度，并指导锅炉安全运行。
[0243]
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：

1.一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法，其特征在于，所述在线监控方法将炉膛辐射受热面划分为水冷壁区、分隔屏区、末级过热器区和组合区，并分别建立每个区的传热计算方程，得出每个区的热有效系数，结合每个区的角系数，进而获得每个区受热面的灰污系数，用来实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度。2.根据权利要求1所述的监控方法，其特征在于，所述在线监控方法包括如下步骤：(1)假设炉膛出口烟温初值θ，根据热力计算标准公式，得出炉膛平均热有效系数ψ
pj
；(2)建立水冷壁区的传热计算方程，设定分隔屏屏底为分界面，利用声波测温装置测定的烟温，得出水冷壁区的热有效系数ψ1；(3)建立分隔屏区的传热计算方程，利用声波测温装置测定的烟温和分隔屏区出口烟温，得出分隔屏区的热有效系数ψ2；(4)建立末级过热器区的传热计算方程，利用末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温，得出末级过热器区的热有效系数ψ3；(5)通过热力计算标准公式，得出组合区的热有效系数ψ4；(6)将步骤(2)所述水冷壁区的热有效系数ψ1、步骤(3)所述分隔屏区的热有效系数ψ2、步骤(4)所述末级过热器区的热有效系数ψ3和步骤(5)所述组合区的热有效系数ψ4按照各自的受热面的面积进行加权平均，得出炉膛加权平均热有效系数ψ’pj
，根据热力计算标准公式，得出炉膛出口烟温计算值θ’；通过迭代计算，直到前后两次计算所得的θ’(n+1)-θ’(n)<105，则θ’(n+1)为真实的炉膛出口烟温，其中n为迭代计算的次数；(7)根据步骤(6)所述真实的炉膛出口烟温θ’(n+1)，重新计算得出真实的水冷壁区的热有效系数ψ
’1、真实的分隔屏区的热有效系数ψ
’2、真实的末级过热器区的热有效系数ψ
’3和真实的组合区的热有效系数ψ
’4，结合每个区的角系数，得到每个区的灰污系数，用来实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度。3.根据权利要求2所述的在线监控方法，其特征在于，步骤(1)所述热力计算标准公式为：式中：ψ
pj
是炉膛平均热有效系数；θ是炉膛出口烟温℃；t
a
是理论燃烧温度k；m是火焰中心位置用系数；a
f
是炉膛火焰黑度；f1是炉膛辐射换热面积m2；是保热系数；b
j
是燃料消耗量kg/s；v
cp
是燃烧产物的平均比热容kj/kg
·
k。4.根据权利要求2或3所述的监控方法，其特征在于，步骤(2)所述水冷壁区的热有效系数ψ1是通过水冷壁区传热方程与水冷壁区黑度公式联立求得；优选地，所述水冷壁区传热方程为：
式中，t
″
θ
是分隔屏屏底的声波测温数据k；f
cb6
是炉膛自由容积对应的面积，该面积含和分隔屏的交界面，m2；α
′
f
是水冷壁区的黑度；ψ1是水冷壁区的热有效系数，v
′
cp
是水冷壁区的烟气平均烟焓；优选地，所述水冷壁区黑度公式为：式中，α'
h
是火焰黑度。5.根据权利要求2～4任一项所述的在线监控方法，其特征在于，步骤(3)所述分隔屏区出口烟温采用步骤(1)所述炉膛出口烟温初值θ；优选地，步骤(4)所述末级过热器入口烟温采用步骤(1)所述炉膛出口烟温初值θ；优选地，步骤(3)所述分隔屏区的热有效系数ψ2和步骤(4)所述末级过热器区的热有效系数ψ3是通过下面的方程联立求得：是通过下面的方程联立求得：式中，t
b
是屏灰污壁温k；t
p
是受热面进出口的平均烟温，其中分隔屏区是声波测温装置测定的烟温和分隔屏的出口烟温的平均值，末级过热器区是末级过热器入口烟温和红外测温装置测定的烟温的平均值；α
′
是屏区烟气黑度；α
″
是屏的壁面黑度；ψ
p
是屏的热有效系数，其中分隔屏区是ψ2，末级过热器区是ψ3；q
pf
是屏吸收烟气的辐射热量kj/kg；q
pd
是屏吸收烟气的对流热量kj/kg；h
p
是屏区受热面面积m2；α
d
是对流放热系数kw/m2k。6.根据权利要求2～5任一项所述的在线监控方法，其特征在于，步骤(5)所述组合区包括包覆墙和顶棚过热器。7.根据权利要求2～6任一项所述的在线监控方法，其特征在于，步骤(6)所述加权平均的计算公式为：式中，ψ’pj
是炉膛加权平均热有效系数；f
yc
是炉膛出口烟窗受热面的面积m2。8.根据权利要求2～7任一项所述的监控方法，其特征在于，步骤(7)所述每个区的灰污系数均通过下式计算得到：式中，ψ
‘
f
是每个区真实的热有效系数；x是每个区的角系数。9.一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控装置系统，其特征在于，所述在线监控装置系统用于进行权利要求1～8任一项所述的锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法。10.根据权利要求9所述的在线监控装置系统，其特征在于，所述在线监控装置系统包
括红外测温装置、声波测温装置、通讯模块、dcs系统模块和服务器模块；优选地，所述红外测温装置设置于末级过热器出口；优选地，所述声波测温装置设置于分隔屏屏底；优选地，所述红外测温装置和声波测温装置测得的数据传输至dcs系统模块；优选地，所述通讯模块将dcs系统模块与服务器模块连接。

技术总结

本发明提供了一种锅炉辐射受热面灰沉积程度的在线监控方法及装置，所述在线监控方法将炉膛辐射受热面划分为水冷壁区、分隔屏区、末级过热器区和组合区，并分别建立每个区的传热计算方程，得出每个区的热有效系数，结合每个区的角系数，进而获得每个区受热面的灰污系数，用来实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度；所述装置系统在原本的锅炉中安装声波测温装置和红外测温装置即可实时测量水冷壁区、分隔屏区和末级过热器区的烟温，之后通过数学模型获得炉膛辐射受热面不同区域的灰污系数，实时监控炉膛辐射受热面的灰沉积程度，适合大规模推广应用。模推广应用。模推广应用。