[發明專利]一種電鍋爐電熱元件表面結垢厚度的在線監測方法

有效

• 申請號: 201711192065.0
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN108507521B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 曹興;曹麗華;趙金峰;王艷紅
• 申請（專利權）人: 吉林省電力科學研究院有限公司;東北電力大學;國網吉林省電力有限公司電力科學研究院
• 主分類號: G01B21/08
• 分類號: G01B21/08
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所 22102
• 代理人: 陳傳林

1.一種電鍋爐電熱元件表面結垢厚度的在線監測方法，其特征在于，它包括:

(a)數據采集環節：在線監測電鍋爐給水溫度、給水流量、電鍋爐出口蒸汽的溫度、電鍋爐水位，電鍋爐加熱原件表面的溫度，通過采集的電鍋爐給水溫度、給水流量、電鍋爐出口蒸汽的溫度、電鍋爐水位，電鍋爐加熱原件表面的溫度現場數據，來計算電鍋爐加熱元件無結垢時表面的溫度和結垢厚度，

(b)電鍋爐電熱元件無結垢表面溫度的計算環節

通過監測得到的電鍋爐給水溫度、給水流量、電鍋爐產生飽和蒸汽的溫度可得到電鍋爐單位時間的換熱量為

Q＝m_gzc_p(t_zq-t_gs)+r (1)

式中：Q為電鍋爐單位時間的換熱量，J/h；m_gz為電鍋爐的給水流量，kg/h；c_p為工質在溫度t_gs和t_zq之間的平均定壓比熱，計算時取的比熱容，J/(kg·K)；t_zq為電鍋爐出口工質的溫度，即電鍋爐出口飽和蒸汽溫度，℃；t_gs為電鍋爐進口工質的溫度，即電鍋爐給水溫度，℃；r為在溫度t_zq下由飽和水到飽和蒸汽吸收的汽化潛熱，kJ/kg，

電鍋爐的熱流量為

式中：Q為電鍋爐單位時間的換熱量，J/h；φ為電鍋爐的熱流量，W，

通過對電鍋爐水位的監測得到實際浸入水中電鍋爐電熱元件的長度為

L＝Kx (3)

式中：L為電鍋爐電熱元件浸入水中的實際長度，m；K為電鍋爐每單位水位高度的電熱元件的長度，m/m；x為電鍋爐水位高度，m，

由此可得到電鍋爐電熱元件運行中對水的實際受熱面積為

A＝Lπd (4)

式中：A為電鍋爐運行中的電熱元件的實際受熱面積，m²；L為電鍋爐電熱元件浸入水中的實際長度，m；π為圓周率，計算中取值為3.14；d為電鍋爐電熱元件的外徑，m；

電鍋爐運行中浸入水中電熱元件表面的熱流密度為

式中：φ為電鍋爐的熱流量，W；q為電鍋爐運行中浸入水中電熱元件的表面熱流密度，W/m²；A為電鍋爐運行中的實際受熱面積，m²；

將電鍋爐電熱元件加熱水的過程近似看作是大容器飽和核態沸騰，故依據傳熱學原理中Rohsenow整理得到的飽和核態沸騰的無量綱關聯式為

式中：Δt為電鍋爐加熱元件壁面溫度和工質之間的溫差，即電鍋爐電熱元件的壁面過熱度，℃；q為電鍋爐運行中浸入水中電熱元件的表面熱流密度，W/m²；σ為液體-蒸氣截面的表面張力，N/m；ρ_l為電鍋爐飽和液體的密度，kg/m³；ρ_v為電鍋爐飽和蒸氣的密度，kg/m³；η_l為飽和液體的動力粘度，Pa·s；r為汽化潛熱，J/kg；s為經驗指數，對于水，s＝1，對于其他液體，s＝1.7；C_wl取決于加熱表面-液體組合情況的經驗常數，對于機械拋光的不銹鋼表面和液體水的組合，依據傳熱學原理，該值取0.013；g為重力加速度，取值為9.8，m/s²；c_pl為飽和液體的比定壓熱容，J/(kg·K)；Pr_l^s為飽和液體的普朗特數，

將式(6)經過變形，整理成溫差的形式，即電鍋爐無結垢時電熱元件表面溫度和所加熱工質的溫度差為

式中：Δt為電鍋爐加熱元件壁面溫度和工質之間的溫差，℃；q為電鍋爐運行中浸入水中電熱元件的表面熱流密度，W/m²；σ為液體-蒸氣截面的表面張力，N/m；ρ_l為電鍋爐飽和液體的密度，kg/m³；ρ_v為電鍋爐飽和蒸氣的密度，kg/m³；η_l為飽和液體的動力粘度，Pa·s；r為汽化潛熱，J/kg；s為經驗指數，對于水，s＝1，對于其他液體，s＝1.7；C_wl取決于加熱表面-液體組合情況的經驗常數，對于機械拋光的不銹鋼表面和液體水的組合，依據傳熱學原理，該值取0.013；g為重力加速度，取值為9.8，m/s²；c_pl為飽和液體的比定壓熱容，J/(kg·K)；Pr_l^s為飽和液體的普朗特數，

電鍋爐加熱元件無結垢時表面的溫度為

t₁＝t_s+Δt (8)

式中：t₁為電鍋爐電熱元件無結垢時表面的溫度，t_s為液體水的飽和溫度；Δt為電鍋爐加熱元件無結垢壁面溫度和工質之間的溫差，℃；

(c)電鍋爐電熱元件結垢平均厚度的計算環節

將電鍋爐的結垢看作是均勻附著在電鍋爐電加熱原件上，由傳熱學導熱原理可知，由電鍋爐電熱元件無結垢表面到垢層外表面的熱流量為

式中：φ為電鍋爐的熱流量，也是由電鍋爐電熱元件無結垢表面到垢層外表面的熱流量W；π為圓周率，取值為3.14；λ為垢層的導熱系數，對于水垢取值為1.32，W/(m·K)；L為電鍋爐電熱元件浸入水中的實際長度，m；t₁為電鍋爐電熱元件無結垢時表面的溫度，℃；t₂為在線測量得到的電鍋爐電熱元件垢層表面的溫度，℃；r₁為電鍋爐電熱元件中心到電熱元件表面的距離，m；r₂為電鍋爐電熱元件中心到垢層表面的距離，m；

將式(9)進行變形可得到

r₂＝r₁+d_o

式中：φ為電鍋爐的熱流量，W；π為圓周率，取值為3.14；λ為電熱元件垢層的導熱系數，對于水垢取值為1.32，W/(m K)；L為電鍋爐電熱元件浸入水中的實際長度，m；t₁為電鍋爐電熱元件表面無結垢時的溫度，℃；t₂為在線測量得到的電鍋爐電熱元件垢層表面的溫度，℃；r₁為電鍋爐電熱元件中心到電熱元件表面的距離，m；r₂為電鍋爐電熱元件中心到垢層表面的距離，m；d_o為電鍋爐電熱元件結垢的平均厚度，m；

對式(10)進行整理變形得到電鍋爐電熱元件平均結垢厚度的計算式為

式中：φ為電鍋爐的熱流量，W；π為圓周率，取值為3.14；λ為電熱元件垢層的導熱系數，對于水垢取值為1.32，W/(m K)；L為電鍋爐電熱元件浸入水中的實際長度，m；t₁為電鍋爐電熱元件表面無結垢時的溫度，℃；t₂為在線測量得到的電鍋爐電熱元件垢層表面的溫度，℃；r₁為電鍋爐電熱元件中心到電熱元件表面的距離，m；r₂為電鍋爐電熱元件中心到垢層表面的距離，m；d_o為電鍋爐電熱元件結垢的平均厚度，m；

(d)電鍋爐電熱元件不同部位結垢厚度的確定環節

d_i＝d_oβ_i (12)

式中：d_i為電鍋爐電熱元件不同部位的結垢厚度，i代表電鍋爐的不同部位；d_o為電鍋爐電熱元件結垢的平均厚度，m；β_i為不同部位結垢厚度的修正系數，β_i通過電鍋爐運行中結垢試驗得到。