一种在线监测的电站锅炉水冷壁及其监测方法
阅读说明：本技术 一种在线监测的电站锅炉水冷壁及其监测方法 (On-line monitoring water cooled wall of power station boiler and monitoring method thereof ) 是由 王洋 汪华剑 房凡 马翔 吴庆龙 陈煜� 刘笑 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明一种在线监测的电站锅炉水冷壁及其监测方法,水冷壁包括水冷壁管、水冷壁侧管、温度感应器组、水冷壁近壁面烟气取样管、数据传输系统和上位机；水冷壁管相互之间通过设置的鳍片依次连接形成电站锅炉水冷壁；水冷壁侧管垂直设于一个水冷壁管外侧；沿水冷壁侧管轴线方向设有伸入水冷壁管管内的堵头；温度感应器组中的水冷壁向火侧壁温度感应器设在连接水冷壁侧管的水冷壁管上；温度感应器组中的水冷壁管内工质温度感应器沿堵头轴线设在堵头内；水冷壁近壁面烟气取样管入口穿过鳍片设置,出口连接烟气成分分析仪器输入端；水冷壁向火侧壁温度感应器、水冷壁管内工质温度感应器和烟气成分分析仪器输出端通过数据传输系统连接上位机。(The invention relates to a power station boiler water-cooled wall for on-line monitoring and a monitoring method thereof, wherein the water-cooled wall comprises a water-cooled wall pipe, a water-cooled wall side pipe, a temperature sensor group, a water-cooled wall near-wall surface flue gas sampling pipe, a data transmission system and an upper computer; the water wall pipes are connected in sequence through the arranged fins to form a water wall of the utility boiler; the water wall side pipe is vertically arranged on the outer side of one water wall pipe; a plug extending into the water wall pipe is arranged along the axis direction of the water wall side pipe; the water wall fire facing side wall temperature sensor in the temperature sensor group is arranged on a water wall pipe connected with the water wall side pipe; working medium temperature sensors in water-cooled wall tubes in the temperature sensor group are arranged in the plugs along the axis of the plugs; an inlet of a water-cooled wall near-wall flue gas sampling tube penetrates through the fins, and an outlet of the water-cooled wall near-wall flue gas sampling tube is connected with an input end of a flue gas component analysis instrument; the water-cooled wall fire-facing side wall temperature sensor, the working medium temperature sensor in the water-cooled wall tube and the output end of the flue gas component analysis instrument are connected with an upper computer through a data transmission system.)
技术领域
本发明涉及燃煤发电技术领域，具体为一种在线监测的电站锅炉水冷壁及其监测方法。
背景技术
水冷壁是锅炉的主要受热部分，它由数排钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周，通常垂直铺设在炉墙内壁面上。它的内部为流动的水或蒸汽，外界接受锅炉炉膛的火焰的热量。主要吸收炉膛中高温燃烧产物的辐射热量，工质在其中作上升运动，受热蒸发。水冷壁是吸收炉内火焰和高温烟气所放出辐射热的锅炉受热面，是各种现代锅炉蒸发受热面的主要型式，亦为锅炉水循环回路中的基本部件，兼有冷却和保护炉墙的作用。
水冷壁近壁面高温腐蚀现象导致管壁减薄甚至超温爆管，严重影响电站锅炉运行的安全性。为适应超低排放要求，当前电站锅炉普遍采用空气分级燃烧等低氮燃烧技术，主燃区处于还原性气氛运行，同时，燃煤硫分的增加将加剧水冷壁高温腐蚀的风险。
研究表明，高温腐蚀的发生主要取决于水冷壁管壁温度和近壁面还原性气氛浓度，高温条件下H2S等腐蚀性气体与水冷壁管材发生化学反应，导致管壁减薄甚至爆管。但目前水冷壁管高温腐蚀情况暂无成熟的在线监测方法，试验测试调整的方法存在明显的滞后性，同时，当运行方式或者燃煤成分发生变化后，试验调整的研究结果多不再适用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种在线监测的电站锅炉水冷壁及其监测方法，设计合理，结构简单，有效保障了水冷壁高温腐蚀监控的准确性和及时性，提升水冷壁运行的安全性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种在线监测的电站锅炉水冷壁，包括水冷壁管、水冷壁侧管、温度感应器组、水冷壁近壁面烟气取样管、数据传输系统和上位机；
所述水冷壁管相互之间通过设置的鳍片依次连接形成电站锅炉水冷壁；
所述水冷壁侧管垂直设置于一个水冷壁管的外侧；沿水冷壁侧管轴线方向还设置有伸入水冷壁管管内的堵头；
所述温度感应器组包括水冷壁向火侧壁温度感应器和水冷壁管内工质温度感应器；所述水冷壁向火侧壁温度感应器设置在连接水冷壁侧管的水冷壁管上；所述水冷壁管内工质温度感应器沿堵头轴线设置在堵头内；
所述水冷壁近壁面烟气取样管的入口穿过鳍片设置，出口连接烟气成分分析仪器的输入端；所述水冷壁向火侧壁温度感应器、水冷壁管内工质温度感应器和烟气成分分析仪器的输出端通过数据传输系统连接上位机。
进一步的，所述水冷壁侧管与水冷壁管一体锻制；所述水冷壁侧管在鳍片处向着向火侧方向设置有第一测温孔，第一测温孔内壁与水冷壁管内壁之间的厚度满足最小安全壁厚，且第一测温孔内安装水冷壁向火侧壁温度感应器。
进一步的，所述堵头呈T型，其长端沿水冷壁侧管轴线设置，伸入水冷壁管内的一端设置有尖端。
更进一步的，所述堵头从短端端部垂直向长端尖端处设置有第二测温孔，第二测温孔深度深入水冷壁管内壁，且第二测温孔内安装水冷壁管内工质温度感应器。
进一步的，所述堵头与水冷壁管材质相同，且与水冷壁侧管焊接固定。
进一步的，所述水冷壁近壁面烟气取样管与烟气成分分析仪器之间还设置有烟气过滤器和烟气冷却器。
更进一步的，所述烟气过滤器与水冷壁近壁面烟气取样管通过柔性密封接头相连。
进一步的，所述烟气成分分析仪器的烟气出口处设置有烟气尾气处理装置。
一种在线监测的电站锅炉水冷壁的监测方法，包括如下，
通过上位机监测并储存由数据传输系统输入的水冷壁向火侧壁温度感应器和水冷壁管内工质温度感应器采集的水冷壁温度数据，以及水冷壁近壁面烟气取样管处的HS浓度数据；
当监测的水冷壁向火侧壁温度感应器的温度超过预设的限值时，上位机发出报警信号；
当烟气成分分析仪器传输的HS浓度超过预设的限值时，上位机发出报警信号。
进一步的，当在水冷壁金属壁温异常升高工况下时，水冷壁管内工质温度感应器监测并储存水冷壁管内工质的温度数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明水冷壁结合水冷壁高温腐蚀的产生与水冷壁管壁金属温度和近壁面还原性气体浓度(CO、H2S等)直接相关的理论基础，通过设置水冷壁侧管，将水冷壁向火侧壁温度感应器布设在水冷壁管内，而且还设置了水冷壁近壁面烟气取样管，能同时测试并记录水冷壁向火侧金属壁温和水冷壁近壁面还原性气氛浓度，通过数据传输系统、上位机和烟气成分分析仪器，实时监控水冷壁高温腐蚀发生的风险；当系统报警时，运行人员可及时采取有效的燃烧调整或水动力调整措施，降低水冷壁区域的金属壁温或还原性气氛，有助于及时发现并消除水冷壁高温腐蚀的发生，从而缓解或消除水冷壁管高温腐蚀的发生，实现对锅炉水冷壁管高温腐蚀发生状态的实时、准确在线监测和预警的功能；同时还可通过水冷壁管内工质温度感应器在线监测，能及时进行壁温突升原因的分析，为保障水冷壁的安全运行调整提供可靠的数据支持，对电站锅炉水冷壁的安全运行具有重要意义。
进一步，本发明水冷壁通过将水冷壁侧管采用与水冷壁管相同的材质一体锻制，有效保证了系统稳定可靠性，从而进一步提高了数据的准确性；同时，水冷壁侧管在鳍片处向着向火侧方向设置第一测温孔，并保证第一测温孔内壁与管内壁之间的厚度满足最小安全壁厚，安全可靠。
进一步，本发明水冷壁采用堵头从短端端部垂直向长端尖端设置第二测温孔的方式，并使第二测温孔深度深入水冷壁管内壁，能在确保整个水冷壁管密封安全的情况进行管内精确测量，可靠性强。
进一步，本发明水冷壁通过将堵头采用与水冷壁管相同的材质精加工，且将水冷壁侧管与堵头通过焊接连接固定，能有效增强整个系统的安全稳定性。
进一步，本发明水冷壁采用设置烟气过滤器和烟气冷却器的方式，能有效避免杂质进入烟气分析仪器中和降低进入气体的温度，保证测量准确性，同时能确保烟气分析仪器安全可靠，进一步提高其使用寿命。
进一步，本发明水冷壁通过柔性密封接头连接烟气过滤器和水冷壁近壁面烟气取样管，灵活便捷，密封性能好，能有效保证系统运行的安全可靠性。
进一步，本发明水冷壁采用烟气尾气处理装置对烟气成分分析仪器出口烟气进行处理，环保经济，合理安全。
本发明水冷壁监测方法从高温腐蚀发生的原理和重点监测参数入手，形成同时监测水冷壁向火侧壁温、水冷壁管内工质温度、水冷壁近壁面还原性气体浓度以及上位机在内的在线监测系统，旨在通过实时准确监测锅炉水冷壁向火侧金属壁温和水冷壁近壁面还原性气体浓度，为及时调整消除高温腐蚀现象提供准确、及时的数据支持，有效保障了水冷壁高温腐蚀监控的准确性和及时性，提升水冷壁运行的安全性；同时，监测并存储水冷壁管内工质温度感应器温度，为水冷壁金属壁温突升等异常工况分析与调整提供数据支持，实现锅炉水冷壁长周期安全运行的目标。
附图说明
图1为本发明实施例中所述水冷壁的结构示意图。
图中：1为鳍片，2为水冷壁管，3为水冷壁向火侧壁温度感应器，4为上位机，5为水冷壁侧管，6为焊接缝，7为堵头，8为水冷壁管内工质温度感应器，9为数据传输系统，10为水冷壁近壁面烟气取样管，11为柔性密封接头，12为烟气过滤器，13为烟气冷却器，14为烟气成分分析仪器，15为烟气尾气处理装置。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种在线监测的电站锅炉水冷壁，参见图1，包括水冷壁管2、鳍片1、水冷壁向火侧壁温度感应器3和水冷壁管内工质温度感应器8组成的温度感应器组、水冷壁侧管5、堵头7、水冷壁近壁面烟气取样管10、烟气过滤器12、烟气冷却器13、烟气成分分析仪器14、烟气尾气处理装置15、数据传输系统9和上位机4；
所述的水冷壁管2有若干个，各个水冷壁管2之间通过鳍片1依次连接形成电站锅炉水冷壁；
所述水冷壁侧管5采用与水冷壁管2相同的材质一体锻制，垂直设置在一个水冷壁管2的外侧；所述堵头7采用与水冷壁管2相同的材质精加工，堵头7呈T型，其长端沿水冷壁侧管5轴线设置，伸入水冷壁管2内的一端设置有尖端；水冷壁侧管5与堵头7通过焊接固定，焊接处形成焊接缝6；
所述水冷壁侧管5壁厚加厚锻制，水冷壁侧管5在鳍片1处向着向火侧方向设置第一测温孔，第一测温孔内壁与水冷壁管2内壁之间的厚度满足最小安全壁厚；所述堵头7从短端端部垂直向长端尖端处设置第二测温孔，第二测温孔深度深入水冷壁管2内壁；所述水冷壁向火侧壁温度感应器3安装于第一测温孔内；所述水冷壁管内工质温度感应器8安装于第二测温孔内；
所述水冷壁近壁面烟气取样管10深入水冷壁管2间的鳍片1中，通过柔性密封接头11与烟气过滤器12相连，烟气过滤系统12的出口连接烟气冷却器13；
所述水冷壁向火侧壁温度感应器3、水冷壁管内工质温度感应器8以及烟气成分分析仪器14测试的温度以及烟气成分数据通过数据传输系统9实时传输入上位机4，实现对水冷壁近壁面高温腐蚀状态的在线监测。
优选的，所述上位机4具有温度、CO浓度及H2S浓度数据显示和存储功能，并具有判断模块和报警功能。当监测的水冷壁向火侧壁温度感应器3温度和烟气成分分析仪器14传输的H2S浓度超过预定的限值时，上位机4发出报警信号。
优选的，所述上位机4同时监测并存储水冷壁向火侧壁温度感应器3温度和水冷壁管内工质温度感应器8温度，用于分析和研究水冷壁管2管壁超温发生的原因，以便从工质侧和烟气侧采取更针对有效的控制措施。
优选的，所述烟气成分分析仪器14的烟气出口还设置有烟气尾气处理装置15，用于处理烟气中有害物质。
为了对本发明系统进一步了解，现对其工作原理做一说明：
本发明系统突破传统定工况试验测试调整优化的技术思路，提出在线监测水冷壁管2的水冷壁金属壁温、管内工质温度和近壁面还原性气氛的在线监测水冷壁，根据实际运行状态下通过水冷壁向火侧壁温度感应器3和水冷壁近壁面烟气取样管10得到水冷壁金属壁温和近壁面还原性气体浓度实时监测结果，采用上位机4判别并预警测点附近水冷壁高温腐蚀发生的风险，以指导实际运行优化调整。同时，通过水冷壁管内工质温度感应器8得到水冷壁金属壁温异常升高工况下的水冷壁管内工质温度监测结果，可更准确的进行壁温突升原因的分析并制定针对性更强的缓解或消除措施，最终实现锅炉水冷壁长周期安全稳定运行。
基于上述任意一项所述系统，本发明还提供一种在线监测的电站锅炉水冷壁的监测方法，包括如下，
通过上位机4监测并储存由数据传输系统9输入的水冷壁向火侧壁温度感应器3和水冷壁管内工质温度感应器8采集的水冷壁温度数据，以及水冷壁近壁面烟气取样管10处的H2S浓度数据；
当监测的水冷壁向火侧壁温度感应器3的温度超过预设的限值时，上位机4发出报警信号；
当烟气成分分析仪器14传输的H2S浓度超过预设的限值时，上位机4发出报警信号。
当在水冷壁金属壁温异常升高工况下时，水冷壁管内工质温度感应器8监测采集水冷壁管2内工质的温度数据。
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