技术领域
[0001] 本
发明属于火
力发电技术领域，尤其涉及一种基于红外测温及数值计算的锅炉炉膛优化吹灰系统。
背景技术
[0002] 大型燃
煤电站锅炉炉膛作为
燃料煤的主要燃烧空间，中心区域
温度可以达到1500℃～1800℃，由于该温度下煤中灰的各个组分基本均处于熔融状态，在炉膛内燃烧组织较差的情况下，没有被充分降温的熔融状态下的灰颗粒，极易在温度较低的炉膛
水冷壁上粘附，从而造成炉膛水冷壁结渣现象的发生，并且会随着运行时间的增加形成越来越厚的渣层。清理不及时将导致锅炉炉膛水冷壁
传热性能下降吸热量减少，炉膛出口烟气温度升高，锅炉效率降低，严重时可能发生锅炉掉焦灭火现象的发生，从而引发锅炉安全事故造成较大经济损失。
[0003] 目前，国内煤炭价格居高不下，配煤掺烧甚至改烧劣质煤，是国内燃煤电厂提高经济效益的主要手段，这将加剧炉膛结渣现象的发生。现今大型燃煤电站锅炉一般采用对炉膛水冷壁进行
蒸汽吹扫的方式来避免严重的结渣。由于炉膛内烟气温度较高无法直接监测结渣情况，因此，只能凭借运行人员的经验来判断炉膛结渣情况，通常采用定时的吹灰操作方式，这将有可能造成炉膛结渣吹灰不及时排烟温度升高，排烟温度每升高10℃，锅炉效率降低约0.5％～0.7％，或者吹灰频繁蒸汽量增加，如吹灰蒸汽占蒸汽总量的1％左右，同时考虑蒸汽的
热损失和节流损失，吹灰器的运行将降低锅炉效率约0.7％左右，并且不适当的频繁吹灰会对受热面造成损坏，缩短受热面金属使用寿命。
[0004] 因此，在锅炉运行过程中，如何根据炉膛内结渣状况来制定优化的吹灰策略，既可以保持炉膛水冷壁具有较好的清洁度降低排烟温度，又可以减少吹灰频次节约吹灰蒸汽量，是炉膛吹灰急需解决的问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种基于红外测温及数值计算的锅炉炉膛优化吹灰系统，在炉膛不同区域
位置布置红外烟温测量
探头，以红外烟温测量探头的测量结果为边界条件，求解
辐射传递方程和
能量守恒方程重构炉膛内温度场，并以根据温度场结果建立的炉膛分区段热力计算模型为
基础，获得炉膛不同区段的水冷壁热有效系数，作为炉膛不同区段监测指标，从而帮助现场运行人员判断炉膛不同区域位置吹灰时机。
[0006] 本发明提供了一种基于红外测温及数值计算的锅炉炉膛优化吹灰系统，包括：
[0007] 炉膛烟气温度采集系统，用于实时采集不同灰污结渣状态下炉膛内烟气温度数据；
[0008] 中央处理系统，用于将所述温度数据输入到预先建立的炉膛温度场重构模型中，获得实时炉膛内三维温度分布场；根据获得的炉膛内三维温度场，通过炉膛分区段热力计算模型，计算得到炉膛内各个区段实时热有效系数；基于最大收益原则，输出各区段的吹灰
信号；
[0009] 吹灰器，用于接收所述中央处理系统输出的吹灰信号，执行相应的吹灰动作。
[0010] 进一步地，所述炉膛烟气温度采集系统包括：
[0011] 红外烟气温度测量探头，用于实时测量不同灰污结渣状态下炉膛内烟气温度信号；
[0012] 信息管理器，用于接收红外烟气温度测量探头的温度信号，并将所述温度信号发送给与之连接的分散
控制器进行信息共享；
[0013] 分散控制器，用于接收信息管理器分享的温度信号，并将该温度信号作相应的处理后存储到与之连接的SQL
数据库中，以配合子系统使用。
[0014] 进一步地，所述信息管理器包括：
[0015] 温度变送器，用于将红外烟气温度测量探头测量的电势转化为4-20mA的
电流信号；
[0016] 电流
电压变换器，用于将温度变送器输出的4-20mA的电流信号转
化成0-5V的电压信号；
[0017] 模数转化器，用于将电流电压变换器输出的0-5V的电压信号进行模数转化，从而变换成可读取的信息管理器数值信号。
[0018] 进一步地，所述红外烟气温度测量探头安装于水冷壁鳍片上，通过压缩空气进行冷却。
[0019] 进一步地，所述红外烟气温度测量探头沿炉膛高度方向上布置两层，一层布置在屏底区域，一层布置在最上层燃尽
风区域，每层交叉布置多个所述红外烟气温度测量探头。
[0020] 进一步地，所述中央处理系统以测量的炉膛四周处离散烟气温度为边界条件，采用离散坐标法求解辐射传递方程和能量守恒方程，获得炉膛内三维温度分布场。
[0021] 进一步地，所述中央处理系统将计算得到的各区段的炉膛内各个区段实时热有效系数与基于最大收益原则计算得出的最佳吹灰热有效系数相对比，若炉膛内各个区段实时热有效系数大于最佳吹灰热有效系数，则输出吹灰信号，否则不输出吹灰信号。
[0022] 借由上述方案，通过基于红外测温及数值计算的锅炉炉膛优化吹灰系统，具有如下技术效果：
[0023] 1)按照最大收益原则计算得出最佳吹灰热有效系数，只在积灰结渣达到最佳吹灰热有效系数时，才进行吹灰而非定时吹灰。
[0024] 2)根据监测结果只对达到最佳吹灰热有效系数的区域进行吹灰，避免吹灰时启动所有吹灰器。
[0025] 3)根据实时热有效系数数值决定吹扫时间，避免按照设定时间吹灰。
[0026] 4)可减少不合理吹灰造成的管壁减薄和蒸汽损耗，不仅可以带来较可观的经济效益，还可以保证锅炉安全运行。
[0027] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照
说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳
实施例并配合
附图详细说明如后。
附图说明
[0028] 图1是本发明一实施例的结构示意图；
[0029] 图2为本发明一实施例
中红外烟气温度测量探头测点位置示意图；
[0030] 图3为本发明一实施例中炉膛区段划分示意图；
[0031] 图4为本发明一实施例中炉膛分区段热力计算模型计算得到的热有效系数示意图。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0033] 本实施例提供了一种基于红外测温及数值计算的锅炉炉膛优化吹灰系统，包括：
[0034] 炉膛烟气温度采集系统，用于实时采集不同灰污结渣状态下炉膛内烟气温度数据；
[0035] 中央处理系统，用于将所述温度数据输入到预先建立的炉膛温度场重构模型中，获得实时炉膛内三维温度分布场；根据获得的炉膛内三维温度场，通过炉膛分区段热力计算模型，计算得到炉膛内各个区段实时热有效系数；基于最大收益原则，输出各区段的吹灰信号；
[0036] 吹灰器，用于接收所述中央处理系统输出的吹灰信号，执行相应的吹灰动作。
[0037] 炉膛温度场重构模型：
[0038] 以测量的炉膛四周处离散烟气温度为边界条件，采用离散坐标法求解辐射传递方程和能量守恒方程，获得炉膛内三维温度分布场。
[0039] 对于有吸收、发射、散射性介质参与的辐射换热，辐射传递方程可表示为：
[0040]
[0041] 其中，Iη为辐射强度，s为
波长，kη(η,φ)辐射系数，Ibη(T)同波长下
黑体辐射系数，ση(η,φ)散射系数， 为辐射源项。
[0042] 能量守恒方程：
[0043]
[0044] 其中，λ是有效导热系数，cpTS为单位体积中
流体相与颗粒相的由于变
质量所造成的能量源，qr为流体辐射热，ws为流体相中s组分反应率，wsQs为流体相单位体积中反应放热。
[0045] 离散坐标法的基本思路是，在4π立体
角内对辐射传递方程沿有限个坐标方向进行离散，以构成沿各个方向的有限差分方程组，在求得数值解之后，总辐射强度则可用各个方向辐射强度之和来近似。针对二维辐射换热问题，给出辐射传递方程的具体离散过程，一维的形式可由二维的简化得到。
[0046]
[0047] 离散坐标法，即将待测区域划分为一系列网格，求解得到每个网格的平均温度，再利用插值方法得到待测区域内任一点的温度值，从而得到整个温度场的分布情况。
[0048] 炉膛分区段热力计算模型：
[0049] 根据锅炉炉膛燃烧性质将炉膛沿高度方向分为主燃区、燃尽区以及辐射换热区，不同区段烟气平均
温度计算方法：
[0050] (1)主燃区烟气温度
[0051] 该区域为
燃烧器层，能量平衡方程式为：区段烟气吸热量+区段水冷壁吸热量+向相邻区段放热量＝区段
煤粉燃烧放热量，该区段出口烟气温度表达式：
[0052]
[0053] 式中：βcr为煤粉燃尽率；Qar,net为煤收到基低位发热量，kJ/kg；Qk为空气和再循环烟气入炉热量,kJ/kg；Qwr为外热源入炉热量，kJ/kg；Qhz为
排渣带走热量，kJ/kg；al为该区段的炉膛黑度；T〃为烟气出口温度，k；Bj1为送入该区段的燃料量，kg/h；VC〃为烟气
比热容，kJ/(kg·℃)；ψF为热有效系数和水冷壁区段面积乘积：ψF＝ψPJFPJ+ψC1FC1+ψC2FC2其中ψPJ、ψC1以及ψC2分别为水冷壁热有效系数和区段对上、下截面热有效系数；FPJ、FC1以及FC2分别为区段水冷壁面积和上下截面面积，m2。
[0054] (2)燃尽区烟气温度
[0055] 该区域为燃烧器层上部燃尽区域，能量平衡方程式为：区段烟气吸热量+区段水冷壁吸热量+区段向上区段辐射热量＝区段煤粉燃烧放热量+燃烧器区段向本区段辐射热量，该区段出口烟气温度表达式：
[0056]
[0057] 式中：△βcr为区段内煤粉燃烧率；VC'和VC〃温度为θ'和θ"下烟气的平均比
热容，kJ/(kg·℃)；Bj2为送入区段Ⅲ的燃料量，kg/h；TPJ为燃尽区内的烟气温度算术平均值，K；
[0058] (3)辐射换热区烟气温度
[0059] 区段内煤粉已基本燃尽，不在有明显煤粉燃烧放热，主要以烟气放热给水冷壁为主，该区段出口烟气温度表达式：
[0060]
[0061] 式中：APJ为该区段炉膛的平均截面积，
[0062] 最大原则：理论上来说，吹灰
频率越高，受热面越洁净，获得的吹灰直接受益越大，但是吹灰所消耗的蒸汽量也随之增加。其中，存在临界吹灰次数n1，此时消耗的蒸汽量与吹灰受益相抵。理论优化目标就是要在0～n1内寻找一个最佳吹灰频率，使得此时吹灰净收益Qnet最大。但是，实际运行还必须考虑吹灰次数吹灰对受热面的磨损，应该以Qnet最大(或接近最大)化，寻求最小的吹灰频率。
[0063] Qnet＝Qin-Qout (7)
[0064] 式中，Qin指吹灰带来的传热效率的改善节约煤量，Qout指吹灰损耗的蒸汽量带来多消耗的煤量。
[0065] 若该时段内吹灰器无动作，则这段时间内的换热量为：
[0066]
[0067] 其中，F为受热面传热面积，ΔT为对数平均温压。
[0068] 若进行了n次吹灰，则换热量为：
[0069]
[0070] 因此，n次吹灰的吹灰收益为：
[0071]
[0072] 而n次吹灰的吹灰支出为：
[0073] Qout＝n*τ1*m*(Hchou-H0)
[0074] 于是有：
[0075]
[0076] 求max(Qnet)，可得该受热面吹灰的最佳频率。
[0077] 下面对本发明作进一步详细说明。
[0078] 如图1所示，一种基于红外测温及数值计算的锅炉炉膛优化吹灰系统，包括炉膛烟气温度采集系统1、中央处理系统2以及吹灰器3。炉膛烟气温度采集系统1负责采集不同位置处的烟气温度信号，并将该信号转换成
数字信号传输到中央处理系统2。中央处理系统2负责根据采集的不同炉膛位置处的烟气温度，经过重构炉膛内三维温度场、炉膛分区段热力计算以及最大收益原则计算，输入吹灰信号至吹灰器3。吹灰器3为最终吹灰执行机构，接收中央处理系统2的吹灰信号，并同步投入运行。
[0079] 如图2所示，炉膛烟气温度采集系统，包括红外烟气温度测量探头4，信息管理器5，分散控制器6。红外烟气温度测量探头4通过在水冷壁鳍片上打孔，安装在水冷壁鳍片上，从而使得红外烟气温度测量探头4可以正对炉膛内高温烟气，同时为了避免红外烟气温度测量探头4被高温烟气烧坏，采用了压缩空气对红外烟气温度测量探头4进行冷却。红外烟气温度测量探头4采集到的温度信号采用
导线输送到信息管理器5；信息管理器5将红外烟气温度测量探头4采集到的温度信号发送给相连接的分散控制器6进行信息共享；分散控制器6将红外烟气温度测量探头4采集到的温度
信号处理后存储至相连接的SQL数据库中，供中央处理系统2读取。
[0080] 信息管理器5包括温度变送器、电流电压变送器和模数转化器，其中温度变送器将热电势转化为电流信号(4-20mA)，电流电压变换器将温度变送器输出的的电流信号(4-20mA)转换成电压信号(0-5V)，模数转化器将电流电压变换器输出的电压信号(0-5V)进行A/D变换和光
电隔离，转化成数字信号。
[0081] 分散控制器6为分布式集散控制系统，可获取锅炉实时运行参数。分散控制器6与信息管理器5共享文件，将
数据处理后存入MIS网络后台数据库中，供其它系统使用；
[0082] 炉膛烟气温度采集系统中的红外烟气温度测量探头4一般在沿炉膛高度方向上布置两层，一层布置在屏底区域，一层布置在最上层燃尽风区域。每层布置6个红外烟气温度测量探头4，采用交叉布置，从而可以显示不同灰污状态下的炉膛左右侧烟气温度水平。
[0083] 该基于红外测温及数值计算的锅炉炉膛优化吹灰系统的工作过程包括：
[0084] 步骤1，炉膛烟气温度采集系统1实时采集炉膛烟气温度信号，并将该信号转换成数字
信号传输到中央处理系统2。
[0085] 步骤2，中央处理系统2以步骤1采集到的炉膛烟气温度信号为边界条件，并根据方程(1)和(2)，构建炉膛不同截面的温度场。
[0086] 步骤3，中央处理系统2根据步骤2计算得到的炉膛不同截面的温度场，根据方程(4)和(5)，计算得到不同炉膛区段的热有效系数。如图3所示，图中，7为炉膛吹灰器；8为燃尽风OFA；9为燃烧器。
[0087] 步骤3中计算所需的相关数据包括锅炉炉膛设计参数和结构参数、常用煤质数据和相关运行参数。锅炉炉膛设计参数和结构参数包括炉膛宽度、深度、不同区段高度、各层燃烧器和燃尽风标高、炉膛出口面积。常用煤质数据包括煤的工业和元素分析以及热值。相关运行参数包括煤量、燃烧器投运情况、一次风、二次风和燃尽风风量、煤粉细度。
[0088] 步骤4，中央处理系统2将步骤3计算得到的各区段的热有效系数与预先建立的最大收益原则计算得出的最佳吹灰热有效系数相对比，若步骤3计算得到的热有效系数大于最佳吹灰热有效系数，则中央处理系统2输出吹灰信号至吹灰器3，否则不输出吹灰信号。
[0089] 步骤5，吹灰器3接受中央处理系统2的吹灰信号，并同步投入运行，实现闭环控制。
[0090] 本发明可较直观的显示各个区段水冷壁积灰和结渣程度，具有按需吹灰的显示特点，具体包括如下技术效果：
[0091] 1)按照最大收益原则计算得出最佳吹灰热有效系数，只在积灰结渣达到最佳吹灰热有效系数时，才进行吃灰而非定时吹灰。
[0092] 2)根据监测结果只对达到最佳吹灰热有效系数的区域进行吹灰，避免吹灰时启动所有吹灰器。
[0093] 3)根据实时热有效系数数值决定吹扫时间，避免按照设定时间吹灰；
[0094] 4)可减少不合理吹灰造成的管壁减薄和蒸汽损耗，不仅可以带来较可观的经济效益，还可以保证锅炉安全运行。
[0095] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
