一种基于炉膛内壁温在线监测的电站锅炉炉膛智能吹灰系统及方法

技术领域

本发明属于电站锅炉技术领域，尤其是涉及一种基于炉膛内壁温在线监测的电站锅炉炉膛智能吹灰系统及方法。

背景技术

固体燃料在锅炉炉内燃烧过程中，部分灰渣形成熔化或半熔化的颗粒，在凝固前由烟气携带碰撞在炉墙、水冷壁或者高温段过热器上，并粘附于其表面，经冷却凝固而形成焦块。结渣而形成的渣块形态主要是粘稠或熔融的沉淀物，并主要出现在锅炉辐射受热面上，降低炉内受热面的传热能力。为了避免传热恶化，多采用吹灰器对受热面上的渣块进行吹扫，保持受热面清洁。

如公开号为CN213395373U的中国专利文献公开了一种锅炉组合吹灰结构，包括炉体，所述炉体的前侧壁与后侧壁均设有蒸汽吹灰器。公开号为CN212456914U的中国专利文献公开了一种消除吹扫盲区的精准吹灰系统，锅炉上配合现有蒸汽吹灰器安装风帽式蒸汽吹灰器构成能够精准吹扫盲区的蒸汽吹灰系统。但是，投用上述吹灰器时，虽然可以提高锅炉的换热效率，但也会消耗大量的高品质蒸汽，并增加吹灰设备以及受热面的损耗，因此有效的投用吹灰器可以提高经济性。由于锅炉运行过程中炉膛内固体燃料剧烈燃烧产生的高温高灰的恶劣环境，对炉膛水冷壁表面的结渣状态监测长期以来一直较为困难，难以在炉内大面积的水冷壁上进行局部区域的水冷壁结渣状态监测，只能通过炉膛出口烟温、炉膛出口蒸汽参数等间接反映整个炉膛总体的污染状况，因此当前的炉膛受热面吹灰往往是以炉膛作为一个整体进行周期性的吹灰，显然不能满足针对炉膛受热面局部结渣状况智能精准吹灰的要求。

发明内容

本发明提供了一种基于炉膛内壁温在线监测的电站锅炉炉膛智能吹灰系统及方法，可以实现每个炉膛墙式吹灰器的智能投用，提高锅炉运行的安全性和经济性。

一种基于炉膛内壁温在线监测的电站锅炉炉膛智能吹灰系统，包括：

电站锅炉炉膛受热面，由水冷壁管、鳍片和观火孔组成；

耐高温回转测枪，通过布置在电站锅炉炉膛受热面上的观火孔伸入炉膛内部，用于观测电站锅炉炉膛受热面上的沾污和结渣状况，作为炉膛内壁温测量模块测量得到的温度数据的验证；

炉膛内壁温测量模块，设置在炉膛受热面水冷壁管之间的鳍片上，用于对锅炉炉膛受热面内壁温进行连续测量；

温度采集转换模块，分别与炉膛内壁温测量模块和工控机连接，用于接收炉膛内壁温测量模块采集的温度信号，转换后传送给工控机；

工控机，分别与温度采集转换模块和各个炉膛墙式吹灰器连接，用于接收温度采集转换模块的信号，以及给各个炉膛墙式吹灰器发送控制指令；

炉膛墙式吹灰器，与工控机连接，用于在接收工控机的控制指令后吹掉受热面上结的渣块。

进一步地，所述的炉膛内壁温测量模块包括炉内集热块、炉外固定块和铠装热电偶；所述的炉内集热块固定在电站锅炉相邻2根炉膛水冷壁之间的鳍片炉膛内侧表面上，炉内集热块内设有热电偶安装测点；所述的炉外固定块固定在与炉内集热块相同位置的鳍片炉膛外侧表面上，所述的鳍片和炉外固定块上设有贯穿的热电偶安装孔，所述的铠装热电偶的测量端通过热电偶安装孔插入炉内集热块的热电偶安装测点内。

为了获得炉膛内壁温测量模块附近炉膛受热面的结渣状况，耐高温回转视测枪通过炉膛上的观火孔伸入炉膛内部，旋转观测炉膛内壁温测量模块附近炉膛受热面上的结渣状况，拍摄获得炉膛受热面上的结渣状况图像。

进一步地，为了对炉膛受热面上的结渣状况图像进行定量，对拍摄的图像进行图像处理，利用炉膛内部水冷壁上受热面金属与结渣颜色的不同，对图像每个像素的颜色值进行识别，获得图像结渣比例的定量数据。

在锅炉炉膛辐射换热及水冷壁管内工质流动换热的共同作用下，锅炉炉膛受热面上的温度处于相对平衡，锅炉炉膛受热面上积灰或结渣后，由于传热热阻增加，炉膛内壁温监测模块的温度随结渣厚度的增加而降低，因此，本发明根据耐高温回转式测枪监测的炉膛内壁温测量模块附近受热面的结渣比例定量数据和炉膛内壁温测量模块的测量温度，构建结渣程度和内壁温的数学模型，作为后续吹灰器投用的依据。

为了降低炉膛壁温测量模块中热电偶的工作温度，优选地，所述炉内集热块和炉外固定块的两侧均设有与两侧水冷壁管外表面相同的弧形接触面，通过弧形接触面与水冷壁管外表面紧密贴合。

为了在安装时保证炉内集热块和两侧水冷壁管外表面弧度的贴合度，在炉内集热块上设置内螺纹，安装时先将螺栓通过鳍片上贯穿的铠装热电偶安装孔伸入炉内，与炉内集热块上设置的内螺纹连接，从炉外用螺纹配合将炉内集热块拉紧。通过增加炉内集热块与水冷壁管的接触面积，利用水冷壁内部工质流动降低集热块及铠装热电偶的温度，延长使用寿命。

进一步地，所述的炉内集热块在热电偶安装测点和弧形接触面之间设有供炉内集热块受热膨胀的狭缝，一方面提高炉内集热块和水冷壁的贴合度，另一方面为炉内集热块的受热膨胀提供余量。

为了避免直接在承压的水冷壁管上进行焊接，所述的炉内集热块通过设置在炉内集热块下端的焊接块与鳍片的内侧焊接固定，所述的炉外固定块通过设置在炉外固定块上端的焊接块与鳍片的外侧焊接固定。

为了便于铠装热电偶的后期更换，所述的炉外固定块的热电偶安装孔内设置有内螺纹，与热电偶固定套管的外螺纹连接，通过热电偶固定套管对铠装热电偶进行可拆卸固定。

所述的热电偶固定套管螺纹固定在炉外固定块上的热电偶安装孔内，铠装热电偶从炉外通过固定套管通孔、炉外集热块的热电偶安装孔、鳍片上的热电偶安装孔，插入炉内集热块的热电偶安装测点内，并通过热电偶固定套管实现铠装热电偶的可拆卸固定。当铠装热电偶损坏时，在锅炉热态运行状态下，即可拆卸热电偶固定套管完成铠装热电偶的更换。

布置温度采集转换模块，将电站锅炉炉膛上安装的每个炉内壁温测量模块的的模拟信号转成数字信号，传输到电厂控制室的工控机上。

为了实现炉膛墙式吹灰器针对结渣程度的按需智能吹灰，优选的，工控机根据每个炉膛墙式吹灰器附近炉膛内壁温测量模块的温度控制炉膛墙式吹灰器的投用。当炉膛内壁温测量模块的温度低于设定阈值后，自动投用对应的炉膛墙式吹灰器。

本发明还提供了一种基于炉膛内壁温在线监测的电站锅炉炉膛智能吹灰方法，使用上述锅炉智能吹灰系统，包括以下步骤：

(1)在电站锅炉炉内不同位置的炉膛受热面上安装炉膛内壁温测量模块，连续采集各测量模块处的炉膛内壁温；；

(2)将耐高温回转式测枪通过炉膛上的观火孔伸入炉膛内部，对不同位置的炉膛受热面表面积灰及结渣状况进行观测，对拍摄的图像进行图像处理，获得炉膛受热面的积灰或结渣比例的定量数据；

(4)根据耐高温回转式测枪获得的炉膛受热面的积灰或结渣比例的定量数据和炉膛内壁温测量模块连续采集的炉膛内壁温，构建炉膛受热面结渣程度与炉膛内壁温的数学模型；

(5)基于构建的数学模型，建立炉膛受热面吹灰需求的算法，设定墙式吹灰器投运的温度阈值，工控机根据炉膛内壁温实时监测数据控制对应炉膛墙式吹灰器的投运；

(6)通过对每个炉膛墙式吹灰器进行耐高温回转式测枪的监测和炉膛内壁温的测量，建立每个炉膛墙式吹灰器的数学模型，可对每个炉膛墙式吹灰器根据其局部区域受热面实际的结渣状况进行按需智能吹灰。

为了实现智能吹灰系统的自动投用，步骤(4)中，多次统计构建炉膛受热面结渣程度与炉膛内壁温的数学模型，用于判断炉膛墙式吹灰器是否投用。

步骤(5)中，当炉膛受热面积灰或结渣后，由于热阻的增加，炉膛内壁温测量模块处测得的炉膛内壁温降低，工控机在监测到某个炉膛内壁温低于设定阈值后，自动投用对应位置的炉膛墙式吹灰器。

本发明的装置和方法，可以构建炉膛受热面结渣程度和炉膛内壁温的数学模型，从而能够根据实时监测位于炉膛不同位置的炉膛内壁温数据，反衍得到炉膛不同位置局部受热面的结渣厚度，从而通过控制对应位置的炉膛墙式吹灰器的吹灰动作，实现每一个炉膛墙式吹灰器的智能投用，实现炉膛墙式吹灰器的按需、精准吹灰。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于炉膛内壁温在线监测的电站锅炉炉膛智能吹灰系统的布置图；

图2为本发明实施例中炉膛内壁温测量模块的结构图。

图3为本发明炉膛内壁温测量模块测得的炉膛内壁温变化。

图4为本发明的耐高温回转式测枪观测到的炉膛受热面表面图像。

图5为本发明的耐高温回转式测枪得到的局部位置结渣比例与炉膛内壁温测量模块温度的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1和图2所示，一种基于炉膛内壁温在线监测的电站锅炉炉膛智能吹灰系统，包括锅炉炉膛受热面、耐高温回转式测枪3、炉膛内壁温测量模块4、炉膛墙式吹灰器5、温度采集转换模块6和工控机7。锅炉炉膛受热面包括水冷壁管101、鳍片102和观火孔103。受热面上结有结渣2，由锅炉炉内固体燃料燃烧时产生的高温熔融灰颗粒粘附在受热面上产生，导致传热恶化。

具体的，锅炉炉膛受热面，用于接收炉内燃烧释放的热量；耐高温回转式测枪3，用于观测锅炉热态运行过程中炉膛受热面的结渣状况；炉膛内壁温测量模块4，用于对炉膛受热面内壁温的长时间连续监测；炉膛墙式吹灰器5，间歇式运行，用于清除炉膛受热面上的结渣；温度采集转换模块6，用于将铠装热电偶的模拟信号转成数字信号远传；工控机7，根据每个炉膛受热面壁温测量模块的温度计算分析炉膛受热面不同局部位置的结渣状况，远程控制炉膛墙式吹灰器的投用。

为了获得炉膛内壁温测量模块附近炉膛受热面的结渣状况，耐高温回转式测枪3从炉膛的观火孔103伸入，监测壁温测量模块4附近炉膛水冷壁上的结渣状况，拍摄获得结渣状况的图像，并通过图像处理，利用炉膛内部水冷壁上受热面金属与结渣颜色的不同，对图像每个像素的颜色值进行识别，获得图像结渣比例的定量数据。

锅炉炉膛受热面上结渣后，由于传热热阻增加，炉膛内壁温监测模块4的温度随结渣厚度的增加而降低。采用耐高温回转式测枪3和炉膛内壁温测量模块4进行连续监测，根据耐高温回转式测枪3监测炉膛水冷壁的结渣比例定量数据和炉膛内壁温测量模块4的温度，构建结渣程度和内壁温的数学模型，作为后续炉膛墙式吹灰器5投用的依据。

如图2所示，炉膛内壁温测量模块4包括炉内集热块401、炉外固定块402、热电偶固定套管407和铠装热电偶408。炉内集热块401固定在电站锅炉相邻2根炉膛水冷壁之间的鳍片102炉膛内侧表面上，炉内集热块401内设有热电偶安装测点404；炉外固定块402固定在与炉内集热块相同位置的鳍片102炉膛外侧表面上。鳍片102和炉外固定块402上设有贯穿的热电偶安装孔，热电偶安装孔内通过螺纹固定热电偶固定套管407，铠装热电偶408可拆卸的固定在热电偶固定套管407内，铠装热电偶408的测量端位于炉内集热块401的热电偶安装测点404内。当铠装热电偶408损坏时，在锅炉运行状态下，即可通过拆卸热电偶固定套管完成对铠装热电偶的更换。

炉内集热块401和炉外固定块402的两侧均设有于两侧水冷壁管101外表面一致弧形接触面403，通过弧形接触面403与水冷壁管101外表面紧密贴合。增加炉内集热块401与水冷壁管101的接触面积，利用水冷壁管内工质流动降低集热块的温度。

在炉内集热块401上还设置狭缝405，使得弧形接触面403具有一定的形变，进一步提高炉内集热块401和水冷壁管101的贴合度，同时提供炉内集热块401在锅炉燃烧高温下的热膨胀余量。

为了避免炉内集热块401、炉外固定块402与承压部件水冷壁管101焊接，在炉内集热块401和炉外固定块靠近鳍片102一侧设置凸起的焊接块406，炉内集热块401和炉外固定块402通过焊接块406与鳍片102焊接。

为了在安装时保证炉内集热块401和水冷壁管101的贴合度，在炉内集热块401上设置内螺纹，安装时先通过螺栓穿过炉外固定块402和鳍片102上的贯穿的热电偶安装孔，与集热块401上的内螺纹固定，在炉外通过螺纹配合拉紧炉内集热块401，使其尽可能的和鳍片102贴紧，然后再进行焊接。

由于炉膛受热面上安装的炉膛内壁温测量模块4数量多，为了减少铠装热电偶补偿导线的数量，在就地布置温度采集转换模块6，将所有铠装热电偶408的模拟信号转成数字信号远传到控制室的工控机7。

具体的，一种基于炉膛内壁温在线监测的电站锅炉炉膛智能吹灰方法，包括以下步骤：

(1)在电站锅炉炉内不同位置的炉膛受热面上安装炉膛内壁温测量模块4，连续采集各炉膛内壁温测量模块4处的炉膛内壁温。

如图3所示，炉膛内壁温测点温度随炉膛墙式吹灰器5的吹灰呈现周期性波动，在炉膛墙式吹灰器5吹灰后，由于炉膛受热面表面结渣2被清除，炉膛与炉膛受热面之间传热热阻消失，炉膛内壁温测量模块4的温度迅速升高，随着锅炉的持续运行，固体燃料的熔融颗粒逐渐粘附在受热面上再次形成结渣2，炉膛与炉膛受热面之间传热热阻逐渐增大，炉膛内壁温测量模块4的温度缓慢下降。

(2)将耐高温回转式测枪3通过炉膛上的观火孔103伸入炉膛内部，对不同位置的炉膛受热面表面积灰及结渣状况进行观测，对拍摄的图像进行图像处理，获得炉膛受热面的结渣比例的定量数据。

图4为耐高温回转式测枪3观测得到的炉膛受热面表面图像成像后的炉膛受热面的积灰或结渣比例的定量数据，随着炉膛受热面表面积灰或结渣的增加，图像处理得到的炉膛受热面的积灰或结渣比例也逐渐上升。

(4)根据耐高温回转式测枪3连续多次测量获得的炉膛受热面的积灰或结渣比例定量数据和炉膛内壁温测量模块4连续采集的炉膛内壁温，构建炉膛受热面结渣比例与炉膛内壁温的数学模型。

图5为在某台330MW燃煤锅炉上采用耐高温回转式测枪3获得炉膛受热面某一局部位置结渣比例定量数据与该位置安装的炉膛内壁温测量模块4测得的炉膛内壁温数据的关系，拟合得到该炉膛内壁温测点温度Y与炉膛受热面结渣比例X的拟合关系式为：

(5)基于上述数学模型，建立炉膛受热面吹灰需求的算法，设定墙式吹灰器5的投运温度阈值，如以炉膛受热面结渣比例达到80％为炉膛吹灰的判断条件，根据上述数学模型计算可得对应的炉膛内壁温为432.9℃。当炉膛受热结渣后，工控机7根据炉膛内壁温实时监测数据，当其降低至阈值温度432.9℃时，启动对应炉膛墙式吹灰器5的投运。

(6)通过对每个炉膛墙式吹灰器5进行耐高温回转式测枪3的监测和炉膛内壁温测量模块4的测量，建立每个炉膛墙式吹灰器5的数学模型，根据计算得到各自的温度阈值，可对每个炉膛墙式吹灰器根据其局部区域受热面实际的结渣状况进行按需智能吹灰。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。