锅炉过热器/再热器受热面壁温与氧化皮厚度的监测方法

摘要

本发明公开了一种锅炉过热器/再热器受热面金属壁温与氧化皮(垢层)厚度定量在线监测的方法。该方法根据锅炉运行参数，利用神经网络预测监测管前各分区段的烟气温度与速度，在此基础上，根据受热面传热数学模型，得到过热器、再热器受热面壁温的分布及氧化皮(垢层)厚度。具有简单快速、可连续进行和定期自动学的优点，可用于在实际煤粉锅炉运行中进行受热面壁温、氧化皮厚度的定量监测，为锅炉通过优化调整控制热偏差防止爆管及为受热面寿命管理提供定量依据。

主权项

1.一种锅炉过热器/再热器受热面壁温及氧化皮厚度的监测方法，其特征是：包括以下步骤：S1根据受热面入口烟气分布特点将监测管沿高度方向分段设过热器、再热器最外层第一根管为监测管，根据锅炉的布置与过热器、再热器的布置，通过实测或数值计算的方法，弄清过热器、再热器入口处烟温与烟速沿高度及宽度方向的变化情况；然后沿高度方向将过热器、再热器划分为n个区段，n=1～5；S2布置神经网络训练用烟气温度速度测点在每个区段的中间布置烟温与烟速测点，测量该区段入口烟温、烟速及出口烟温；监测参数有：顶棚上监测管外壁温度Ttop、各区段入口烟气平均烟速与烟温ui、ti；入口联箱、出口联箱的压力和温度Pin、Tin、Pout、Tout由DCS数据库获得；S3监测段入口烟温与烟速预测神经网络的确定及训练根据对过热器/再热器入口烟速与烟温的影响，选择神经网络的输入为：总燃料量、各台磨煤机燃料量占总燃料量比率、总风量、一次风率、各一次风门开度、各二次风门开度、煤的收到基水含量、挥发分含量、发热量、灰污状况；神经网络的输出为：各监测段入口烟速ui，各监测入口烟温ti；在工况稳定，即在一定时间内参数随时间变化幅度小于一定数值时，自动读取前述参数，输入、输出参数均经过归一化处理后用于神经网络训练，或利用数值计算结果进行神经训练；S4监测管无氧化皮时热阻预测神经网络的确定及训练根据对无氧化皮时监测管传热热阻的影响因素，选择神经网络的输入为：总燃料量、各台磨煤机燃料量占总燃料量比率、总风量、一次风率、各一次风门开度、各二次风门开度、煤的收到基水含量、挥发分含量、发热量、灰污状况、过热器出口蒸汽压力、蒸汽流量、各级减温水量；选择神经网络的输出为：监测管蒸汽温升有关参数ΔT_s，监测管传热平均温差Δt，监测管传热热阻(无氧化皮时)R；其中：Δt为无氧化皮时监测管整体传热平均温差；R=HΔt/[ρ_svAC_ps(T_top-T_in)-Q_f]；在无氧化皮(或氧化皮厚度已知)的工况下，当参数达到稳定，即在一定时间内参数随时间变化幅度小于一定数值时，读取相关参数，输入、输出参数均经过归一化处理后用于神经网络的训练，或利用数值计算结果进行神经训练；S5监测管中的蒸汽流速计算对于多进多出型的进出口联箱，认为联箱压力分布均匀，每根并列管的压差相等；进口联箱、出口联箱压力和温度分别为P_in、T_in、P_out、T_out；根据数值计算或设计数据可以确定各并列管的阻力系数；由此可得每一根管子的压差均为：ΔP=P_in-P_out   (1)式中P_in，P_out分别为进口联箱和出口联箱的压力，Pa，可以由DCS监测数据得到；对于监测管，出口端顶棚上监测壁温T_top近似等于出口端汽温θ₀，即：T_top=θ₀；采用θ₀作为定性温度，根据IAPWS—IF97公式计算监测管子内部蒸汽的密度ρ和动力粘度μ，即：监测管的压差根据阻力计算为：$\mathrm{\Delta P}=(\lambda ·\frac{l}{d}+\xi )\rho \frac{V^2}{2}---\left(2\right)$λ=0.0032+0.221Re^-0.237   (3)Re=ρvd/μ   (4)；式中，λ—监测管的沿程阻力系数；l_i—监测管的长度，m；D_i、d_i—分别为监测管的外径与内径，m；ξ--监测管的局部阻力系数，可以根据数值计算或设计资料计算得到；v₀—监测管的出口段蒸汽流速，m/s；Re—监测管出口段的雷诺数；联立求解方程(1)～(4)，得出监测管第1段的蒸汽流速v₀；监测管第i段的蒸汽流速v_i按质量守恒计算：$v_i=\frac{{\rho }_0{v}_0{A}_0}{{\rho }_i{A}_i}---\left(5\right);$S6监测管各段的传热计算监测管各段的传热计算按炉顶壁温测点与炉/烟道内监测点所处的蒸汽流程关系，从第1段开始，依次根据对流传热原理进行传热计算；蒸汽在管内纵向冲刷，R_e>10⁴，0.6<p_r<160，流动与传热充分发展l/d>50，对流放热系数：${\alpha }_{\mathrm{si}}=0.023\frac{{\lambda }_{\mathrm{si}}}{d_i}{\left(\frac{d_i{v}_i{\rho }_{\mathrm{si}}}{{\mu }_{\mathrm{si}}}\right)}^{0.8}{\left(\frac{c_{\mathrm{psi}}{\mu }_{\mathrm{si}}}{{\lambda }_{\mathrm{si}}}\right)}^{0.4}---\left(6\right);$烟气在顺列管束外横向冲刷的对流放热系数：${\alpha }_{\mathrm{gi}}=C_s{C}_n\frac{{\lambda }_{\mathrm{gi}}}{D_i}{\left(\frac{D_i{u}_i{\rho }_{\mathrm{gi}}}{{\mu }_{\mathrm{gi}}}\right)}^{0.65}{\left(\frac{c_{\mathrm{pgi}}{\mu }_{\mathrm{gi}}}{{\lambda }_{\mathrm{gi}}}\right)}^{0.33}---\left(7\right);$式中，C_s和C_n—管束节距和排数有关的修正系数；传热系数：式中：ε--灰污系数，ε=δ_h/λ_h；δ_m、δ_y、δ_h--分别为管子金属、管子内壁氧化皮、管子外壁积灰层的厚度，m；λ_m、λ_y、λ_h--分别为管子金属、管子内壁氧化皮、管子外壁积灰层的导热系数，W/(m·℃)；α_g、α_s--分别为烟气侧和蒸汽侧对流放热系数，W/(m²·℃)；对监测管，烟气与蒸汽一次交叉，传热温压：式中，Δt_max=t₁-θ₁，Δt_min=t₁-θ₀；第i段对流传热量：Q_d=KΔtH   (10)；第i段总传热量：Q=Q_d+Q_f=ρ_svAC_ps(θ_i-θ_i-1)   (11)；式中：H—管子外表面积，m²；A-管内流通面积，m²；由(6)～(11)，可以求得第i段入口汽温θ_i；${\theta }_i={\theta }_{i-1}-\frac{Q}{{\rho }_{s}v{\mathrm{AC}}_{\mathrm{ps}}};---\left(12\right)$S7监测管各区段最高壁面温度计算以第i段为例，第i段的总传热量为Q_i，由对流传热规律，可以计算出：Q_i=Q_di+Q_fi=ρ_siv_iA_iC_psi(θ_i-1-θ_i)，i=1,2…n   (13)由多层圆筒导热公式，可以得到第i段管子外壁平均热负荷：$q_i=\frac{Q_i}{{\mathrm{\pi Dl}}_i}=\frac{2}{D[\ln \beta /\lambda -\ln (1-2{\delta }_y/d)/{\lambda }_y]}{\mathrm{\Delta T}}_{\mathrm{tb}}---\left(14\right)$式中：ΔT_tb为最外层与最内层金属壁温差；β=D/d，对于薄壁管，有lnβ≈2(β-1)/(β+1)；δ_y为氧化皮厚度；λ_y为氧化皮导热系数；考虑到对流换热可以得到管子外壁温度与工质温度的关系：$T_{i-1}={\theta }_{i-1}+q_i(\frac{1}{{\alpha }_{\mathrm{si}}}+\frac{{2\delta }_i}{{\lambda }_i({\beta }_i+1)}\frac{{\delta }_y}{{\lambda }_y})---\left(15\right)$最高壁温：T_max=max{T₀，T₁…T_n-1}S8氧化皮厚度计算模型假定受热面内氧化皮是均匀的，忽略局部温度对氧化皮厚度的影响；烟气出口平均温度t_out由测量或由蒸汽热量平衡计算出来；不计散热情况下，蒸汽吸热量等于烟气放热量：对于某监测管，当管内无氧化皮时，蒸汽吸收的热量等于对流传热量与炉膛直接辐射传热量之和：${\rho }_s{\mathrm{vAC}}_{\mathrm{ps}}(T_{\mathrm{top}}-T_{\mathrm{in}})=\frac{1}{R}\mathrm{H\Delta t}+Q_f---\left(16\right);$式中，R为无氧化皮时对流传热热阻：R=1/α_g+ε+δ_m/λ_m+1/α_s；Δt为无氧化皮时监测管整体传热平均温差；对于某监测管，当管内有氧化皮(垢层)时，蒸汽吸收的热量仍然等于对流传热量与炉膛直接辐射传热量之和：${\rho }_s^{\prime }{v}^{\prime }{\mathrm{AC}}_{\mathrm{ps}}^{\prime }(T_{\mathrm{top}}^{\prime }-T_{\mathrm{in}}^{\prime })=\frac{1}{R^{\prime }}{\mathrm{H\Delta t}}^{\prime }+Q_f^{\prime }---(17;)$式中，上标’均指有氧化皮时的工况参数；由于氧化皮极薄，因此，有氧化皮时，此项热阻基本不变，但要加上氧化皮的热阻，因此有氧化皮时热阻为：R′=R+δ_y/λ_y生成氧化皮前后，同等条件下，进、出口联箱压差ΔP相等，因此，有：$\frac{\mathrm{\Delta P}}{{\mathrm{\Delta P}}^{\prime }}=\frac{{\mathrm{\rho v}}^2}{{\rho }^{\prime }{v^{\prime }}^2}=1---\left(18\right)$由(16)/(17)，并将(18)式代入，可得，$\frac{\sqrt{{\rho }_s}{C}_{\mathrm{ps}}(T_{\mathrm{top}}-T_{\mathrm{in}})}{\sqrt{{\rho }_s^{\prime }}{C}_{\mathrm{ps}}^{\prime }(T_{\mathrm{top}}^{\prime }-T_{\mathrm{in}}^{\prime })}=\frac{\mathrm{\Delta t}/R+Q_f}{{\mathrm{\Delta t}}^{\prime }/R^{\prime }+{Q^{\prime }}_f}---\left(19\right)$由(19)式求解可得到氧化皮厚度δ_y；当炉膛对监测段直接辐射传热很弱时，(19)式得到简化，可得：${\delta }_y=\mathrm{R\lambda }(\frac{\sqrt{{\rho }_s}{C}_{\mathrm{ps}}(T_{\mathrm{top}}-T_{\mathrm{in}}){\mathrm{\Delta t}}^{\prime }}{\sqrt{{\rho }_s^{\prime }}{C}_{\mathrm{ps}}^{\prime }(T_{\mathrm{top}}^{\prime }-T_{\mathrm{in}}^{\prime })\mathrm{\Delta t}}-1)---\left(20\right).$