电站循环流化床锅炉运行状态监测装置

摘要

一种电站循环流化床锅炉运行状态监测装置，它由炉膛差压传感器、回料阀回料室差压传感器、回料阀松动室差压传感器、数据采集模块和计算机组成，所述炉膛差压传感器、回料阀回料室差压传感器和回料阀松动室差压传感器的感压口分别经压力测管与炉膛布风板上的炉膛风帽、回料阀布风板上的回料阀回料室风帽和回料阀布风板上的回料阀松动室风帽的入口管内腔连通；它们的信号输出端分别接数据采集模块的不同输入通道；所述数据采集模块通过通讯接口与计算机连接。本发明将压力监测点布置在风帽的入口管内，压力测管不会被堵塞或磨损，大大提高了监测装置的可靠性和监测结果的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于监测循环流化床内气固两相流动状态，以便及时发现锅炉炉膛结渣、泄露故障的装置，属检测技术领域。

背景技术

循环流化床（CFB）燃烧是一项成熟的清洁煤燃烧技术,已在电站锅炉得到广泛的应用。近年来，循环流化床锅炉的容量和参数快速提高，超临界循环流化床锅炉成为循环流化床锅炉大型化的重要发展方向。然而，故障率高是CFB电站锅炉机组运行中最为突出的问题之一。CFB机组年利用小时数不到常规煤粉锅炉机组的2/3，致使其运行的经济性尚未达到设计要求，其中锅炉炉膛结渣、泄露故障是造成机组非计划停机的重要原因，而这些故障的产生与炉内气固两相流动状况有直接的关系。因此采用各种方法监测循环流化床内气固两相流动状态，及时发现并处理其异常工作状态，对于循环流化床锅炉的安全经济运行具有重要意义。

CFB床层压力波动包含了流化床内的综合动态信息，是颗粒特性、气泡特性、床的几何尺寸、操作条件等多种因素相互作用的外在动态反映。通过测量CFB炉内压力波动信号并提取分析相关特征参数可表征流化床内的气固两相流动状态。然而总结目前国内外对CFB床层压力波动特性研究发现,一个共同的特点是：尽管各研究者采取的信号分析处理方法可能不尽相同，但床压监测点均布置在炉内布风板以上的气固两相流动区域内和/或炉膛壁面上，存在床压检测装置被频繁堵塞、严重磨损的问题，降低了监测装置的可靠性，而且传统监测装置无法监测到炉内水平方向上不同位置的气固流动状态，影响了监测结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种运行可靠、监测结果准确的电站循环流化床锅炉运行状态监测装置。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种电站循环流化床锅炉运行状态监测装置，它由炉膛差压传感器、回料阀回料室差压传感器、回料阀松动室差压传感器、数据采集模块和计算机组成，所述炉膛差压传感器、回料阀回料室差压传感器和回料阀松动室差压传感器的感压口分别经压力测管与炉膛布风板上的炉膛风帽、回料阀布风板上的回料阀回料室风帽和回料阀布风板上的回料阀松动室风帽的入口管内腔连通；它们的信号输出端分别接数据采集模块的不同输入通道；所述数据采集模块通过通讯接口与计算机连接。

上述电站循环流化床锅炉运行状态监测装置，所述炉膛差压传感器设置多个，每个炉膛压差传感器对应两个炉膛风帽，在每个炉膛回料口、排渣口、给煤口和石灰石入口的下方以及炉膛中心位置、炉膛右半区域中心位置、炉膛左半区域中心位置均设置有与炉膛差压传感器通过压力测管相连接的炉膛风帽。

上述电站循环流化床锅炉运行状态监测装置，所述回料阀回料室差压传感器设置多个，每个回料阀回料室差压传感器对应两个回料阀回料室风帽，在回料阀布风板上靠近炉膛的回料室区域内，与回料阀回料室差压传感器通过压力测管相连接的回料阀回料室风帽沿回料方向和与回料方向垂直方向排列。

上述电站循环流化床锅炉运行状态监测装置，所述回料阀松动室差压传感器设置多个，每个回料阀松动室差压传感器对应两个回料阀松动室风帽，在回料阀布风板上与回料立管相连接的松动室区域内，与回料阀松动室差压传感器通过压力测管相连接的回料阀松动室风帽沿回料方向和与回料方向垂直方向排列。

上述电站循环流化床锅炉运行状态监测装置，所述压力测管的采样端固定在对应风帽入口管的外壁上，并通过风帽入口管壁上的气孔与风帽的入口管内腔连通。

本发明将压力监测点布置在炉膛风帽、回料阀回料室风帽和回料阀松动室风帽的入口管内，由于各风帽入口管内只有气流而无气固两相流，因而压力测管不会被堵塞或磨损，这样就大大提高了监测装置的可靠性。同时，本装置的监测点可根据需要布置在炉内水平方向上的任何位置，提高了监测结果的准确性。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图（以压力传感器为例）；

图2是炉膛风帽压力测点在炉膛布风板上的布置示意图；

图3是回料室区域压力测点和松动室区域压力测点在回料阀布风板上的布置示意图。

图中各标号为：1、炉膛布风板；2、炉膛；3、炉膛风帽； 4、回料阀回料室风帽；5、回料阀松动室风帽；6、回料立管； 7、回料阀；8、回料阀松动室差压传感器；9、压力测管；10、数据采集模块；11、计算机；12、回料阀布风板；13、回料阀回料室差压传感器；14、炉膛差压传感器；A～P、炉膛风帽压力测点；a～g、回料室区域压力测点；h～l、松动室区域压力测点。

具体实施方式

本发明利用现代信号处理方法提取炉膛、回料阀不同位置风帽压力波动信号的特征参数，从而判断炉膛与回料阀内水平方向上不同位置的气固两相流动状态，预测炉膛与回料阀内的结焦、泄漏、流化不畅及风帽堵塞等故障的发生。具体方法是在CFB炉膛2下方水冷风室内的炉膛风帽3的入口管壁上布置炉膛风帽压力测点（每个与压力测管9相连接的风帽入口管为一个压力测点），在回料阀7回料室下方风箱内的回料室风帽4的入口管壁上布置回料室风帽压力测点，在与回料立管6连接的松动室下方风箱内的松动室风帽5的入口管壁上布置松动室风帽压力测点，所有风帽压力测点通过压力测管与相应差压传感器的接头相连接，通过差压传感器将测得的压力或压差转换成电信号，再将电信号送到数据采集模块10进行信号的AD转换，最后存储至计算机11中。通过上述在电站CFB锅炉炉膛风帽以及回料阀回料室、松动室风帽入口布置压力测点，利用现代压力测量技术和信号处理方法，提取反映炉膛、回料阀内气固两相流动状态的相关压力特征参数，建立压力特征参数与炉膛内不同运行参数、气固两相流流型、回料阀回料状况、操作条件及典型故障等之间的模型关系，判断炉内的运行状态并预测炉内故障的发生。

本发明的压力测量方式为单测点、双测点相结合的测量方式，单测点压力信号特征参数能够反映测点所在风帽周围局部及整个系统的气固两相流动状况，还能反映送风系统结构及运行条件的影响；而双测点差压信号特征参数则能够反映两个测点所在风帽之间区域的气固两相流动状况。压力测量位置选择炉膛布风板和回料阀布风板不同位置风帽的入口管壁，通过不同位置风帽压力、差压信号特征参数的变化反映炉膛、回料阀内不同水平区域的运行参数、气固两相流型、操作条件等的变化，从而反映炉膛、回料阀的局部流化状况和整体流化均匀性，预测炉膛、回料阀内局部典型故障的发生。信号处理方法采用小波分析、Wigner谱分析实现压力、差压信号的局部化时频分析，得到不同频率段压力、差压信号随时间的变化趋势以及不同时刻压力、差压波动幅度的频率域分布，结合时域标准差，评估不同频率段的压力、差压波动幅度，结合局部频峰加权平均频率                                                来分析非平稳气固流化床压力波动信号的频率特征；利用AR模型谱估计法对不同压力、差压信号进行功率谱估计，获得信号的能量频率域分布，结合能量加权平均频率来评估压力、差压波动频率的整体性变化，根据功率谱图中不同频峰的出现、位置和大小，判断所测区域的气固两相流型。相关定义如下：

，

式中，分别为局部时刻的主频和相对应的幅值大小，分子对应于局部时刻主频幅度能量的频率加权之和，用幅值能量之和作为分母进行幅值归一化，以保证和压力波动信号的时域强度无关。

，

式中，分别为频域内局部频率和局部频率对应的幅值，分子对应于局部频率幅值能量的频率加权之和，用幅值能量之和作为分母以进行幅值归一化，以保证和压力波动信号的频域强度无关。

该监测系统根据不同风帽测点压力波动特征参数监测CFB炉内不同位置的气固两相流动状态，其原理是流化床内气固两相流动能够产生压力波动和压力传播：鼓泡流态化时的压力波动主要由布风板上气泡的产生、运动、合并、破裂所引起；湍动流态化时气体的湍动作用加剧了气泡的破碎，限制了气泡的聚并，使得压力波动频率增大，宏观压力波动幅度减小；快速流态化时气粒速度非常快，部分颗粒在气体-颗粒、颗粒-颗粒间的相互作用下聚集成团，作为一个整体流体团在两相流场中运动，压力波动主要反映的是颗粒团运动引起的波动现象。而单测点压力波动能够反映测点局部区域气固两相流动产生的压力波动以及系统内其它区域气固两相流动产生的压力波经过传播、衰减带来的测点局部区域附加压力波动；双测点差压波动则能够反映两测点间沿测点连线方向的气固两相流动所产生的压力波动。

图1为本发明的结构示意图。在图1中，数据采集模块10的型号为：USB7360BF，回料阀松动室差压传感器8、回料阀回料室差压传感器13和炉膛差压传感器14均仅画出了一个，具体实施时都应是多个。

本发明中的炉膛差压传感器14、回料阀回料室差压传感器13和回料阀松动室差压传感器8亦可替换为相应的压力传感器，并通过压力测管9与两个相应风帽压力测点相连接。

以某135MW等级CFB锅炉为例，其物料循环系统由单炉膛、两台旋风分离器以及各自下部的回料立管和回料阀组成，炉前布置有六个给煤口，炉前下部预留有三个石灰石入口，炉膛下部两侧墙各布置两个冷渣器回风口和两个炉膛排渣口，由旋风分离器分离下来的粗颗粒通过回料阀由炉膛后墙返回炉膛底部的密相区进行循环燃烧；其炉膛风帽压力测点在炉膛布风板上的布置示意图如图2所示，在炉膛后墙回料口下方、靠近后墙的两个风帽的入口管壁上分别布置压力测点A、B，在炉膛两侧墙排渣口下方、分别靠近两侧墙的四个风帽的入口管壁上分别布置压力测点C、D、I、J，在炉膛中心位置布置压力测点F、G，在炉膛右半区域中心位置布置压力测点E，在炉膛左半区域中心位置布置压力测点H，在给煤口和石灰石入口下方、靠近炉膛前墙的六个风帽的入口管壁上分别布置压力测点K～P。

测点F、G压力信号特征参数能够反映炉膛中心区域的压力波动变化趋势及其气固两相流动状况，测点E、H压力信号特征参数则能够分别反映炉膛右半区域和左半区域中心位置的压力波动变化趋势及其气固两相流动状况。测点A、B压力信号特征参数能够反映回料阀向炉膛内回送物料对炉膛局部区域压力波动及气固两相流动的影响，从而反映回料状况。测点C、D和I、J压力信号特征参数则分别能够反映炉膛右、左侧排渣量对炉膛两侧局部区域压力波动及气固两相流动的影响，从而反映排渣状况。测点K～P压力信号特征参数分别能够反映由炉膛前墙六个给煤口向炉内添加燃料量对炉膛前墙局部区域压力波动及气固两相流动的影响，从而反映不同给煤口给煤状况和整体给煤状况；测点L、M（或N）、O压力信号特征参数还能够反映由炉膛前墙三个石灰石入口向炉内添加石灰石对炉膛前墙局部区域压力波动及气固两相流动的影响，从而反映不同石灰石入口的石灰石供给状况和整体石灰石供给状况。另外，测点E、F差压信号特征参数与测点H、G差压信号特征参数分别能够反映炉膛中心区域右部和左部气固两相流沿左右方向上的流动特征；测点A、E差压信号特征参数与测点L、E差压信号特征参数分别能够反映炉膛后半区域和前半区域气固两相流沿前后方向上的流动特征。

回料阀的风帽测点布置以流动密封阀为例，其风帽测点在回料阀布风板上的布置示意图如图3所示，在靠近炉膛的回料室区域，沿回料方向排列的四个风帽入口管壁上布置压力测点b～e，沿与回料方向垂直方向排列的四个风帽入口管壁上布置压力测点a、c、f、g，其中测点c、d、f风帽位于回料室中心位置；在与回料立管连接的松动室区域，沿回料方向排列的两个风帽入口管壁上布置压力测点h、j，使两测点与测点b～e连成一线，沿与回料方向垂直方向排列的四个风帽入口管壁上布置压力测点i～l。

测点a、c、f、g压力信号特征参数能够反映回料阀回料室内与回料方向垂直方向上各位置的压力波动变化趋势及其气固两相流动状况，从而反映回料阀回料室的局部流化状况和整体流化均匀性。测点b～e压力信号特征参数能够反映回料阀回料室内回料方向上各位置的压力波动变化趋势及其气固两相流动状况，测点b、c、d、e、h中相临测点差压信号特征参数能够反映回料阀回料室内及松动室与回料室之间气固两相流沿回料方向上的流动特征。测点i、j、k、l压力信号特征参数能够反映回料阀松动室内与回料方向垂直方向上各位置的压力波动变化趋势及其气固两相流动状况，从而反映回料阀松动室的局部流化状况和整体流化均匀性。另外，测点c、a差压信号特征参数与测点f、g差压信号特征参数分别能够反映回料室右部和左部区域气固两相流沿与回料方向垂直方向的流动特征，测点j、i差压信号特征参数与测点k、l差压信号特征参数分别能够反映松动室右部和左部区域气固两相流沿与回料方向垂直方向的流动特征。