基於爐膛出口溫度的鍋爐結渣狀況監測和控制方法與流程
2023-07-15 16:49:06
本發明涉及鍋爐燃燒
技術領域：
，特別涉及基於爐膛出口溫度的鍋爐結渣狀況監測和控制方法。
背景技術：
：當鍋爐燃用固體或者含有灰份的液體燃料時，鍋爐各部分受熱面都不同程度地伴隨有礦物質的沉積現象。當煙氣溫度較高，在燃燒過程中軟化或熔融狀的灰顆粒沾結在受熱面上，不斷生長、積累，造成結渣，導致傳熱惡化，受熱面腐蝕，影響設備的安全運行。鍋爐結渣是一個非常複雜的過程，涉及因素很多，它不僅與燃用煤種的成分和物理、化學特性有關，而且還與鍋爐的設計參數有關(如燃燒器的布置方式、爐膛熱負荷、爐內空氣動力結構、爐膛出口煙溫、過熱器的布置位置、各部分的煙氣流速和煙溫、鍋爐的蒸汽參數和管壁溫度、受熱面的排列間距和布置形式等)，同時還受鍋爐運行工況的影響(如負荷的變化、過量空氣係數、煤粉細度、爐膛溫度、配風方式以及爐內燃燒空氣動力場等)。目前，我國大機組燃用煤種約50％屬於易結渣和積灰煤，加之我國電廠燃用煤質多變，經常較大偏離設計值，幾乎都存在不同程度的結渣。在各種避免嚴重結渣的技術措施中，運行中對受熱面進行蒸汽或空氣吹掃是一種有效的且普遍採用的手段。但是，無論是空氣或蒸汽吹灰，一方面要消耗大量的能量，如蒸汽吹灰所耗汽量佔蒸汽總量的1％，加之蒸汽的熱損失及其節流損失和排煙損失的增加，吹灰器的運行要消耗鍋爐效率的0.7％左右；另一方面，不適當的頻繁吹灰會因磨蝕和熱應力對受熱面造成損壞，縮短受熱面金屬壽命，同時也增加吹灰裝置的維修費用。在鍋爐運行中，如何準確監測爐內結渣的程度和發展趨勢，並根據結渣的狀況和運行需要，制定有效的吹灰清渣措施，即維持受熱面的正常狀況，又節約吹灰介質和降低煙塵排放顯得十分重要。因此，為大型電廠鍋爐研究和開發基於運行參數監測、直接或間接反映爐內結渣狀況的診斷技術，指導優化清渣吹灰是十分必要的。我國近年來投產的大型鍋爐基本都安裝了受熱面蒸汽吹灰和清渣系統，針對受熱面沾汙狀況的監測方法主要有以下幾種。熱流計：利用熱流計作為診斷傳感器的爐膛水冷壁結渣監測系統包括直接安裝在水冷壁上的「沾汙」熱流計和裝在觀察門孔的「潔淨」熱流計。「沾汙」熱流計焊在水冷壁表面上，測量水冷壁管實際所吸收的熱流量，並且它也會像爐膛水冷壁一樣受到沾汙。「潔淨」熱流計裝有相同的傳感裝置，但是清掃空氣使它保持乾淨。「潔淨」熱流計顯示出在這個位置所具有的潛在或可以利用的熱流量。比較實際熱流量(沾汙熱流計的信號)和可用熱流量(潔淨熱流計信號)，就可獲得沾汙程度的度量。採用熱流計可較準確地診斷不同位置的結渣，簡單可靠而實用，原理也比較簡單。主要缺點有：1)熱流計的布置比較麻煩，需要焊接在水冷壁上，改變了水冷壁的結構，也降低了水冷壁的強度；2)對於已經投入運行的電站鍋爐來說是很困難的，要停爐安裝，而且測點維護也有難度；3)熱流計的價格一般較貴，如果推廣在爐膛中多處使用，有一定的難度。直接觀察診斷：採用照相和圖象處理技術，直接觀察受熱面的結渣沾汙狀況。通過在受熱面不同位置處布置圖像採集系統，利用CCD拍攝受熱面圖像，經過圖像分析可得到灰渣的生成過程。主要缺點有：1)由於相機鏡頭伸入爐膛內部，要在鏡頭外部安裝使用水冷卻的保護套管，保護相機鏡頭在高溫下不受損壞；2)為了保證鏡頭在拍攝結渣圖像過程中不被爐內飛灰汙染，需通過壓縮空氣在鏡頭前端形成保護氣模；3)CCD相機一般布置在爐膛外，需要複雜的光路系統確保成像質量。爐膛出口煙溫：爐膛沾汙狀況直接影響爐膛傳熱，爐膛出口煙溫反映了結渣的整體情況。國外幾乎所有的結渣監控系統都採用爐膛出口煙溫作為主要或重要的輔助診斷手段。爐膛出口煙溫可以由鍋爐熱平衡推算，也可以由光學高溫計或聲學高溫計測量，所得數據準確性，將直接影響結渣沾汙的診斷結果。技術實現要素：本發明提供了一種基於爐膛出口溫度的鍋爐結渣狀況監測方法，通過測量爐膛出口溫度的變化速率，得到爐膛出口溫度分布和爐膛結渣狀況，從而得到較好的燃燒方案，同時為吹灰器的合理投用提供數據支撐。一種基於爐膛出口溫度的鍋爐結渣狀況監測方法，包括以下步驟：(1)檢測爐膛出口的溫度；(2)根據步驟(1)的檢測結果計算爐膛出口吹灰前後的溫度變化以及吹灰後的溫升速率；(3)溫度變化大於50℃，同時溫升速率大於5℃/h，判定燃燒煤種易於結渣；溫度變化大於80℃，同時溫升速率大於10℃/h，判定燃燒煤種不適合長期燃燒使用，應該調整煤種。通過爐膛出口溫度變化以及溫度變化速率(溫升速率)，可以有效反映水冷壁的清潔程度以及煤種的結渣特性，從而對所用煤種的優劣進行判定，進而對煤種進行優選，改善燃燒狀態。為了提高溫度數據的準確性，優選的，步驟(1)中，檢測爐膛出口各觀火孔上的溫度，得到爐膛出口的溫度矩陣。爐膛出口一般設有四個觀火孔，從而得到溫度矩陣，使數據更準確。實現某一時刻對爐膛出口溫度矩陣的測量，得到爐膛出口煙溫偏差，為消除鍋爐的左右煙溫偏差提供指導，使爐膛溫度場均勻。為了提高溫升速率以及溫度變化的準確性，優選的，步驟(1)中，採用CCD技術獲取各觀火孔處的火焰輻射圖像來檢測溫度，步驟(3)中還可以通過比較各觀火孔的溫度差來判斷爐膛溫度場的均勻性。CCD記錄各個觀火孔處的火焰輻射圖像，通過計算機實現圖像的分割提取，溫度計算，從而得到爐膛出口溫度矩陣以及各個CCD對應測點的溫度變化速率，有效提高計算的準確性。本發明還提供了一種基於爐膛出口溫度的鍋爐結渣狀況控制方法，包括以下步驟：(1)檢測爐膛出口的溫度；(2)根據步驟(1)的檢測計算吹灰器吹灰後的溫升速率；(3)通過升溫速率可以計算吹灰器的投用時間t，計算方法如下：其中，ST為灰的軟化溫度，單位為℃；δT均為溫升速率的平均值，單位為℃；Tb最近為最近時刻點用於計算溫升速率δT的末端時刻所對應的溫度，單位為℃；A為吹灰提前時間。本發明的控制方法通過調節吹灰器的投用時間實現，吹灰器的投用時間根據反應鍋爐結渣狀況的吹灰後的溫升速率計算得到，從而有效提高吹灰器的使用效果，改善鍋爐的結渣狀況。考慮到鍋爐系統的熱慣性較大，設置A為吹灰提前時間，在達到最高溫度之前開始吹灰。為了提高溫度數據的準確性，優選的，步驟(1)中，檢測爐體各觀火孔上的溫度，得到爐膛出口的溫度矩陣。爐膛出口一般設有四個觀火孔，分布在爐膛出口的四個角，矩陣排布，從而得到溫度矩陣，使數據更準確，溫度矩陣B定義如下：B=T4T3T1T2]]>式中，T1為CCD1測點的溫度，℃；T2為CCD2測點的溫度，℃；T3為CCD3測點的溫度，℃；T4為CCD4測點的溫度，℃。為了提高溫度檢測的準確性，優選的，步驟(1)中採用CCD技術獲取各觀火孔處的火焰輻射圖像來檢測溫度；優選的，步驟(3)中，計算得到各個觀火孔處的投用時間，取最小值作為最終的投用時間。提早進行吹灰，有效改善各個部位的燃燒效果。考慮到鍋爐系統的熱慣性較大，設置A為吹灰提前時間，在達到最高溫度之前開始吹灰，優選的，A＝0.25～0.5h。為了快速得到準確的計算結果，優選的，步驟(2)中，溫升速率的計算公式如下：δT=Tb-TaΔt]]>其中，Ta為初始時刻(以下簡稱時刻1)的測量溫度，單位為℃；Tb為末端時刻(以下簡稱時刻2)的測量溫度，單位為℃；Δt為時刻1和時刻2之間的時間間隔，單位為min。。為了進一步提高準確性，實施計算過程如下：爐膛吹灰結束，作為記錄的起始點，時刻1，Δt後作為時刻2，計算溫度變化速率δT，然後每間隔5～10min，根據記錄數據計算一次溫度變化速率δT，計算δT的前一時間點為時刻1，後一時刻點為時刻2；也就是說，爐膛吹灰結束，作為記錄的起始點，60min後每間隔5～10min(可以設定)計算一次溫度變化速率，用於計算吹灰時間的溫升速率為計算時刻點之前溫升速率的平均值，而計算吹灰時間所用的Tb最近為最近時刻點用於計算溫升速率的時刻2所對應的溫度。考慮到爐膛出口溫度變化比較緩慢，優選的，Δt＝30～90min。同時爐膛火焰是不斷閃爍的，其溫度也有一定的波動，為保證計算的溫度變化速率具有代表性，優選的，Ta和Tb都為取值時刻點前1～5min的平均值。舉例說明溫度變化速率δT和溫度變化速率δT均的計算方法：在爐膛吹灰結束時測量溫度T1，取△t＝30min，35min測量溫度T2(35min這裡的5min是為了取5min內的平均值)，計算溫升速率δT，此時的Tb＝T2，Ta＝T1；以此類推，過5min，也就是40min時第二次計算溫升速率δT，此時Tb為35～40min測量的平均值(時刻2)，而Ta＝5～10min測量的平均值(時刻1)然後每隔5min計算一次δT，而計算吹灰器投用時間的δT均為吹灰結束到此刻所有δT的平均值。本發明的有益效果：本發明的監測方法和控制方法有效表徵水冷壁的清潔程度，指導吹灰器的科學投用，連續記錄爐膛出口溫度，計算得到爐膛吹灰前、後的溫度變化和吹灰後的溫升速率，進一步得到吹灰器的投用時間，反映水冷壁的清潔程度以及煤種的結渣特性。附圖說明圖1為本發明的監測和控制方法中CCD的安裝和連接示意圖。圖2為某摻燒方案下的爐膛溫度特性。圖3不同摻燒方案下爐膛吹灰前後的溫度變化。圖4不同摻燒方案下爐膛出口溫升速率。圖5不同摻燒方案下通過本發明方法計算得到的爐膛吹灰的時間間隔。圖6為使用本發明方法計算得到的時間間隔與現有的方法控制吹灰器的結渣情況的對比圖。具體實施方式為了使本發明的技術手段、創作特徵、工作流程、使用方法易於了解，下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。圖1是本實施例方法的爐膛出口溫度矩陣測量安裝示意圖，包括CCD1，CCD2，CCD3，CCD4和可攜式計算機5。爐膛6上部為後牆8，下部為前牆7，各CCD安裝在爐膛6上用於記錄各個觀火孔處的火焰輻射圖像，通過計算機實現圖像的分割提取，溫度計算，從而得到爐膛出口溫度矩陣以及各個CCD對應測點的溫度變化速率，進而預測吹灰器的投用時間，反映水冷壁的清潔程度以及煤種的結渣特性。利用本實施例方法對某電廠660MW超超臨界機組鍋爐不同摻燒方案下鍋爐的實際結渣情況進行監測和控制。圖2是某摻燒方案下的爐膛溫度變化特性，試驗時每10s記錄一次數據，可以看出爐膛出口溫度是在不斷波動的，爐膛吹灰過程中，爐膛出口溫度緩慢下降，而在吹灰結束後，呈上升趨勢。統計不同摻燒方案下爐膛吹灰前後的爐膛出口溫度變化，可估算爐膛吹灰對爐膛出口溫度的影響，溫度下降越多，表明爐膛結渣越嚴重。圖3是不同摻燒方案下爐膛吹灰前後的溫度變化，爐膛吹灰後，方案1、方案2、方案3爐膛出口溫度降低約15～30℃，方案4爐膛出口溫度降低約68℃，方案5爐膛出口溫度降低約40℃，可以得到方案4及方案5的爐膛結渣狀況比方案1～方案3較嚴重。進一步根據溫度變化速率δT(℃/min)的計算方法：δT=Tb-TaΔt]]>式中，Ta為時刻1時的測量溫度，℃；Tb為時刻2時的測量溫度，℃；Δt為時刻1和時刻2之間的時間間隔，min，考慮到爐膛出口溫度變化比較緩慢，Δt設為60min。實施過程：爐膛吹灰結束，作為記錄的起始點，時刻1，Δt設為60min，60min後作為時刻2，計算溫度變化速率δT，然後每間隔5min，根據記錄數據計算一次溫度變化速率δT，計算δT的前一時間點為時刻1，後一時刻點為時刻2；也就是說，爐膛吹灰結束，作為記錄的起始點，60min後每間隔5min(可以設定)計算一次溫度變化速率，用於計算吹灰時間的溫升速率為計算時刻點之前溫升速率的平均值而計算吹灰時間所用的Tb為最近時刻點用於計算溫升速率的時刻2所對應的溫度。計算吹灰時間中的溫升速率用平均值的優點在於消除了爐膛溫度波動帶來溫升速率的波動，使得吹灰時間的計算更準確。同時爐膛火焰是不斷閃爍的，其溫度也有一定的波動，為保證計算的溫度變化速率具有代表性，用於計算溫度變化速率的溫度為該時刻點前2min的平均值。圖4是不同摻燒方案下爐膛出口溫升速率，按鍋爐爐膛出口溫度的溫升速率左右兩側取高值進行比較，鍋爐穩定運行時，方案1的爐膛出口溫度溫升速率僅約為1.4℃/h，方案2及方案3的爐膛出口溫度溫升速率均約為4℃/h左右，方案4的爐膛出口溫度溫升速率約17.4℃/h，方案5的爐膛出口溫度溫升速率約10.2℃/h。通過升溫速率可以計算吹灰器的投用時間t(h)，計算方法如下：式中，ST為灰的軟化溫度，℃；Tb最近為最近時刻點用於計算溫升速率δT的時刻2所對應的溫度，℃；δT均為溫升速率的平均值，單位為℃。考慮到鍋爐系統的熱慣性較大，在達到最高溫度之前的半小時開始吹灰，吹灰提前時間A＝0.5。根據實驗室試驗數據可估算方案1～方案5對應煤種組合的低溫灰化灰熔融溫度ST分別為1251℃、1231℃、1203℃、1206℃、1191℃，計算不同摻燒情況下爐膛吹灰最長間隔時間如圖5所示，其中：方案1的爐膛吹灰最長間隔時間約為78h，明顯大於其它方案；方案2、方案3的爐膛吹灰最長間隔時間分別約為22h和15h；方案4、方案5的爐膛吹灰最長間隔時間分別約為3h和5h，明顯低於方案1～方案3。綜合分析不同摻燒方案下的爐膛吹灰前後溫度變化以及吹灰後的溫升速率，說明：高鈉煤摻燒比例較高的方案4、方案5爐膛內結渣嚴重，而方案1爐膛幾乎無結渣狀況，方案2和方案3爐膛結渣狀況比方案1略為嚴重。採用方案4、方案5的摻燒方案，爐膛結渣嚴重，使得吹灰器的投用頻率很高，蒸汽吹灰耗汽量上升，排煙損失增加，同時受熱面會因頻繁吹灰而磨損，縮短了受熱面金屬壽命，所以方案4、方案5的摻燒方案是不可取的。該鍋爐結渣狀況監測方法的實現過程如下：爐膛火焰輻射光被CCD1，CCD2，CCD3，CCD4記錄，通過計算機實現圖像的分割提取，溫度計算，從而得到爐膛出口溫度矩陣以及各個CCD對應測點的溫度變化速率，進而預測並控制吹灰器的投用時間，反映水冷壁的清潔程度以及煤種的結渣特性。如圖6所示，目前，電廠的吹灰時間基本定為全負荷運行12h吹一次，是固定的，使用本發明方法後，可以根據不同煤種預測吹灰時間，減少吹灰器的不必要投用，節約蒸汽，延長水冷壁的使用壽命，提高了鍋爐效率。當前第1頁1 2 3