电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置和监测方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，具体地涉及一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置和一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测方法。

背景技术

提高发电机组的运行参数成为燃煤发电机组的必然趋势，而高运行参数对机组高温承压的金属部件的服役安全提出了更高要求。随着可再生能源发电技术的大规模应用，以风、光为主的可再生能源对电力供应造成的波动性影响愈加明显，燃煤发电机组将更加深度的参与调峰，但变负荷运行也将对机组金属部件的安全和服役寿命产生负面影响。在发电机组高参数运行和深度调峰运行的条件下，对于电站锅炉金属技术监督提出了全新的挑战，复杂工况运行容易造成电站锅炉的炉膛内燃烧不稳定，出现电站锅炉水冷管向火侧的受热面出现超温运行、低周疲劳损伤和氧化皮加速生成与脱落等金属损伤问题，众所周知，引起电站金属构件损伤的主要因素是温度、应力与应变以及运行时间，因此，需要对引起电站金属构件损伤的因素进行监控，尤其是温度因素，通常电站锅炉水冷管内流动的水汽混合物靠炉膛内燃烧火焰和高温烟气经过过辐射、对流等方式进行加热，一般情况下炉膛内的高温烟气温度在1200度左右，受热面管内温度在450-650度之间，通常的水冷管受热面的温度监测方法是在电站锅炉的炉膛外大包内集箱的管座附近加装热电偶，然后根据经验公式进行推算炉内水冷管向火侧的管壁温度。炉膛内管壁测温还可以采用贵金属合金铠装热电偶，但是这种监测设备价格昂贵且不适应炉膛内特别是水冷管所处的高温、高风速、飞灰炉渣磨损等环境，一般在2个月内贵金属合金铠装热电偶失效，而更换贵金属合金铠装热电偶只能在停炉工况下完成(一般停炉检修周期1年)，这样在时间上造成了监控盲区，使锅炉安全运行无依托。

因此，亟需一种监测电站锅炉水冷壁的温度监测装置和方法以解决上述至少一种问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置和一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测方法，用于解决现有技术中电站锅炉内因温度过高造成的热电偶监测设备容易失效的问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置，用于检测多个水冷管朝向炉膛的向火侧的管壁温度，其中多个水冷管互相平行设置且围合形成所述炉膛，相邻的两个水冷管之间通过鳍片连接，所述监测装置包括：

多个集热块，设置在多个待测水冷管的向火侧的管壁上，每一集热块上开设有穿线通孔，其中，一个集热块上还开设有与该集热块上的穿线通孔连通的探测盲孔，所述探测盲孔的开口端设置在集热块与对应的待测水冷管管壁接触的一面上；

测温光纤，穿设于每一集热块上的穿线通孔内，其中，在所述测温光纤穿设于每一集热块的穿线通孔内的部分开设有测温光栅，所述测温光栅用于检测每一对应的待测水冷管的向火侧的管壁温度并将检测到的管壁温度转换为第一光信号；所述测温光纤用于传送所述第一光信号；

感温探头，设置在所述探测盲孔内，用于检测对应集热块所在的待测水冷管的向火侧的管壁温度并将检测到的管壁温度转换为第二光信号，所述感温探头与所述测温光纤连接，所述测温光纤还用于传送所述第二光信号；

处理器，用于接收所述第一光信号和所述第二光信号，并过滤、转换和解调所述第一光信号和所述第二光信号以获取对应的温度值。

具体地，在一片鳍片上开设有进出孔，所述测温光纤经所述进出孔进入所述炉膛并穿设于每一集热块上的穿线通孔内。

具体地，所述进出孔的设置高度高于所述测温光纤穿设的第一个穿线通孔所在的集热块的安装高度。

具体地，所述监测装置还包括：在所述测温光纤位于所述炉膛内且裸露在穿线通孔之外的部分包覆保护层。

具体地，所述保护层由双层热电偶保护管制成。

具体地，每一集热块焊接设置在对应的待测水冷管的向火侧的管壁上。

具体地，每一集热块上开设的穿线通孔的延伸方向与水冷管的延伸方向相同。

具体地，所述处理器包括：光电探测器、模数转换器、计算机和两个滤光片光路，每一滤光片光路上设置有一个窄带干涉滤光片；

每一滤光片光路通过设置的窄带干涉滤光片过滤所述第一光信号和所述第二光信号对应的波长光；

所述光电探测器与两个滤光片光路连接，用于将过滤后的第一光信号和第二光信号对应的波长光转换成对应的电压信号；

所述模数转换器与所述光电探测器连接，用于将电压信号转换成对应的数字信号并传送给计算机；

计算机，进行解调获取对应的温度值。

具体地，所述集热块与所述鳍片采用相同材质制成。

本发明另提供一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测方法，多个水冷管互相平行设置且围合形成炉膛，相邻的两个水冷管之间通过鳍片连接，所述监测方法包括：

S1)选择电站锅炉的多个水冷管作为待测水冷管；

S2)在每一待测水冷管的向火侧的管壁上设置一个集热块，每一集热块上开设有穿线通孔，其中，其中，一个集热块上还开设有与该集热块上的穿线通孔连通的探测盲孔，所述探测盲孔的开口端设置在集热块与对应的待测水冷管管壁接触的一面上；

S3)设置测温光纤穿设于每一集热块上的穿线通孔内，通过开设于所述测温光纤上穿设于每一集热块的穿线通孔内部分的测温光栅检测每一对应的待测水冷管的向火侧的管壁温度并将检测到的管壁温度转换为第一光信号，通过所述测温光纤传送所述第一光信号；

S4)通过感温探头检测对应集热块所在的待测水冷管的向火侧的管壁温度并将检测到的管壁温度转换为第二光信号，所述感温探头与所述测温光纤连接，通过所述测温光纤传送所述第二光信号；

S5)基于第一光信号和所述第二光信号获取对应的温度值。

本发明提供的电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置，根据光纤的耐高温特性设置测温光纤，使测温光纤一端进入炉膛内并依次穿设于每一集热块上的穿线通孔，通过测温光纤上开设的测温光栅检测水冷管的向火侧的管壁温度，为了精准的检测水冷管向火侧的管壁温度，在选定的待测水冷管上设置集热块，通过集热块将测温光纤上的测温光栅限定在距离待测水冷管较近的位置，从而确保测温光栅能够精准的监测水冷管向火侧的管壁温度而非炉膛的温度，而为了确保测温光栅的检测准确性，在其中一个集热块上开设的探测盲孔内设置感温探头以检测对应的待测水冷管的管壁温度，感温探头与测温光纤连接，感温探头检测的管壁温度转换为第二光信号通过测温光纤送出，测温光栅检测的管壁温度转换为第一光信号通过测温光纤送出，处理器在接收到第一光信号和第二光信号后对第一光信号和第二光信号进行过滤、转换以及解调处理再次转换成对应的温度值，从而方便工作人员根据获得的温度值获知水冷管的向火侧的管壁温度，进而能够判断水冷管内流动的水汽混合物的温度，便于工作人员根据所获知的温度值指导发电机组进行参数调整。本发明还提供了一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测方法。

本发明提供的电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置和监测方法，通过集热块将耐高温的测温光纤上的测温光栅限定在距离待测水冷管较近的位置，确保检测所得温度为待测水冷管的管壁温度，解决了现有技术中电站锅炉内因温度过高造成的热电偶监测设备容易失效的问题，便于工作人员根据所获知的温度值指导发电机组进行参数调整。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明提供的电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置的安装结构示意图；

图2是本发明提供的电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置的局部示意图；

图3是本发明提供的电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置中开设有穿线通孔和探测盲孔的集热块的剖视图；

图4是本发明提供的电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置中开设有穿线通孔的集热块的剖视图。

附图标记说明

1-水冷管；2-鳍片；3-集热块；4-测温光纤；5-感温探头；10-炉膛；11-待测水冷管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1是电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置的安装结构示意图；图2是电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置的局部示意图；图3是电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置中开设有穿线通孔和探测盲孔的集热块的剖视图；图4是电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置中开设有穿线通孔的集热块的剖视图，如图1-图4所示，本发明提供一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置，用于检测多个水冷管1朝向炉膛10的向火侧的管壁温度，其中多个水冷管1互相平行设置且围合形成所述炉膛10，相邻的两个水冷管1之间通过鳍片2连接，所述监测装置包括：

多个集热块3，设置在多个待测水冷管11的向火侧的管壁上，每一集热块3上开设有穿线通孔，其中，一个集热块3上还开设有与该集热块3上的穿线通孔连通的探测盲孔，所述探测盲孔的开口端设置在集热块3与对应的待测水冷管11管壁接触的一面上；

测温光纤4，穿设于每一集热块3上的穿线通孔内，其中，在所述测温光纤4穿设于每一集热块3的穿线通孔内的部分开设有测温光栅，所述测温光栅用于检测每一对应的待测水冷管11的向火侧的管壁温度并将检测到的管壁温度转换为第一光信号；所述测温光纤4用于传送所述第一光信号；

感温探头5，设置在所述探测盲孔内，用于检测对应集热块3所在的待测水冷管11的向火侧的管壁温度并将检测到的管壁温度转换为第二光信号，所述感温探头5与所述测温光纤4连接，所述测温光纤4还用于传送所述第二光信号；

处理器，用于接收所述第一光信号和所述第二光信号，并过滤、转换和解调所述第一光信号和所述第二光信号以获取对应的温度值。

本发明提供的电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置，选择多根水冷管1作为待测水冷管11，在每一待测水冷管11向火侧的管壁上设置集热块3，并且在每一集热块3上开设穿线通孔，如图4所示，每一集热块3上开设的穿线通孔的延伸方向与水冷管1的延伸方向相同，测温光纤4一端进入炉膛10后依次穿过每一集热块3的穿线通孔并在穿入最后一块集热块3的穿线通孔后嵌入到该穿线通孔内，测温光纤4为石英光纤，在测温光纤4上位于穿线通孔内的位置处采用飞秒激光刻录形成测温光栅，将测温光栅作为温度传感器以检测对应待测水冷管11的管壁温度，测温光栅被穿线通孔包裹在对应的集热块3内，从而通过集热块3将测温光纤4固定在炉膛10内；在应用中，光栅受热后，光栅槽的尺寸会发生变化，使得在光纤中传播的光信号对应的光的波长不同，对应的光信号解调后获得对应的温度值，但光栅槽的尺寸变化不仅受温度影响同时也受应力影响，因此，本申请中，为了进一步的核实测温光纤4上的测温光栅检测的温度准确性，如图3所示，在其中一个集热块3上开设与该集热块3上的穿线通孔连通的探测盲孔，穿线通孔和探测盲孔互相垂直设置在集热块3的中间位置，在探测盲孔内设置与测温光纤4连接的感温探头5，感温探头5为光纤黑体腔感温探头，该感温探头5仅仅用于检测温度，将感温探头5检测到的待测水冷管11的管壁温度与测温光栅检测到的管壁温度进行对应即可获知测温光栅的检测结果是否精准，感温探头5检测到的管壁温度转换为第二光信号经测温光纤4传送给处理器，测温光栅检测到的待测水冷管11的管壁温度转换为第一光信号后经测温光纤4传送给处理器，处理器经过过滤、转换和解调处理后再次将第一光信号和第二光信号转换成对应的温度值，工作人员根据获得的温度值了解水冷管1的管壁温度，同时若测温光栅检测的温度与感温探头5检测的温度相同，则说明测温光栅检测所得的温度准确，否则，说明测温光栅检测的温度存在误差，方便工作人员根据感温探头5检测到的温度对测温光栅检测到的温度进行校准，也方便工作人员根据水冷管1的向火侧的管壁温度能够更好的推测得出水冷管1内水汽混合物的温度，从而为发电机组提供准确的工作参数，通过测温光纤4在高温环境中能够长时间工作的特性和测温光栅以及感温探头5能够准确的检测水冷管1的管壁温度，解决了现有技术中电站锅炉内因温度过高造成的热电偶监测设备容易失效的问题。

在一个实施例中，根据鳍片2能够在高温环境中正常工作，因此为了确保集热块3正常工作，所述集热块3与所述鳍片2采用相同材质制成。制作集热块3时，选取与鳍片2材质相同的钢板制作集热块，将钢板裁切成长度为500mm、宽度为6mm、厚度为5mm的矩形板块作为集热块3，在集热块3的中间位置开设穿线通孔和探测盲孔。

为了方便测温光纤4进出炉膛10以检测水冷管1向火侧的管壁温度，具体地，在一片鳍片2上开设有进出孔，所述测温光纤4经所述进出孔进入所述炉膛10穿设于每一集热块3上的穿线通孔内。测温光纤4一端从进出孔进入炉膛10并穿过每一集热块3上的穿线通孔并嵌入到测温光纤4穿入的最后一个穿线通孔内，通过设置在穿线通孔内的测温光纤4上的测温光栅进行温度检测，避免外界环境对测温光纤4上开设的测温光栅的检测结果的影响。为了穿设测温光纤4，所述进出孔的设置高度高于所述测温光纤4进入炉膛10内穿设的第一个穿线通孔对应的集热块3的安装高度，从而减少测温光纤4的弯折。

测温光纤4为石英光纤，具有耐高温、耐酸碱的良好特性，但耐冲击性能极差，炉膛10内火焰、烟气和飞灰环境恶劣，因此为了更好的保护测温光纤4，提高测温光纤4的综合性能，所述监测装置还包括：在所述测温光纤4位于所述炉膛内且裸露在穿线通孔之外的部分包覆保护层。所述保护层由双层热电偶保护管制成。采用双同心的非金属热电偶保护管包裹在测温光纤4裸露在炉膛10的部分，贴合测温光纤4的一层保护管为氧化铝管，在氧化铝管外再包裹一层碳化硅管或陶瓷保护管，双层保护，使得测温光纤4获得了良好的综合性能，具有抗切割火焰、抗热冲击或防止机械损伤的作用，确保测温正常使用。

为了通过集热块3更好的固定测温光纤4，每一集热块3焊接设置在对应的待测水冷管11的向火侧的管壁上。测温光纤4通过满焊的方式焊接在对应的待测水冷管11上，焊角为3mm，焊接时，每一集热块3与对应的待测水冷管11之间的焊缝走向与对应的待测水冷管11的延伸方向相同。为了避免集热块3与待测水冷管11的管壁之间在有空隙存在的情况下，因空隙内的空气受热膨胀撕裂焊缝，集热块3与焊缝走向垂直的两端不进行焊接，从而确保在有空隙的情况下，空隙中的空气受热后能够通过集热块3未焊接的两端与待测水冷管11之间的间隙排出，避免焊缝被撕裂。

通过测温光栅和感温探头5一同检测水冷管1的管壁温度，检测所得的温度值分别转换为第一光信号和第二光信号通过测温光纤4传送给处理器，所述处理器包括：光电探测器、模数转换器、计算机和两个滤光片光路，每一滤光片光路上设置有一个窄带干涉滤光片；

每一滤光片光路通过设置的窄带干涉滤光片过滤所述第一光信号和所述第二光信号对应的波长光；

所述光电探测器与两个滤光片光路连接，用于将过滤后的第一光信号和第二光信号对应的波长光转换成对应的电压信号；

通过所述模数转换器将电压信号转换成对应的数字信号并传送给计算机；

计算机，进行解调获取对应的温度值。

处理器的两个滤光片光路上的窄带干涉滤光片可分别选取中心波长为850nm和950nm的窄带干涉滤光片，通过设置在两个滤光片光路上不同中心波长的窄带干涉滤光片对第一光信号和第二光信号对应的波长光进行过滤，过滤后的第一光信号和第二光信号对应的波长光传送给光电探测器进行光电转换，转换为对应的电压信号，对应的电压信号经放大后通过模数转换器将电压信号转换成对应的数字信号，对应的数字信号传送到计算机进行数据比色处理，最后在Labview虚拟仪器界面中显示温度，从而获得对应温度值。设置两个不同中心波长的窄带干涉滤光片使得感温探头5和测温光栅所测温度对应的第一光信号和第二光信号发射率近似相等，可得到与发射率无关的真实温度。

本发明另一方面提供一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测方法，多个水冷管1互相平行设置且围合形成炉膛10，相邻的两个水冷管1之间通过鳍片2连接，所述监测方法包括：

S1)选择电站锅炉的多个水冷管1作为待测水冷管11；

S2)在每一待测水冷管11的向火侧的管壁上设置一个集热块3，每一集热块3上开设有互相连通的穿线通孔，其中，一个集热块3上还开设有与该集热块3上的穿线通孔连通的探测盲孔，所述探测盲孔的开口端设置在集热块3与对应的待测水冷管11管壁接触的一面上；

S3)设置测温光纤4穿设于每一集热块3上的穿线通孔内，通过开设于所述测温光纤4上穿设于每一集热块3的穿线通孔内部分的测温光栅检测每一对应的待测水冷管11的向火侧的管壁温度并将检测到的管壁温度转换为第一光信号，通过所述测温光纤4传送所述第一光信号；

S4)通过感温探头5检测对应集热块3所在的待测水冷管11的向火侧的管壁温度并将检测到的管壁温度转换为第二光信号，所述感温探头5与所述测温光纤4连接，通过所述测温光纤4传送所述第二光信号；

S5)基于第一光信号和所述第二光信号获取对应的温度值。

本发明提供的电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置，根据光纤的耐高温特性设置测温光纤，使测温光纤一端进入炉膛内并依次穿设于每一集热块上的穿线通孔，通过测温光纤上开设的测温光栅检测水冷管的向火侧的管壁温度，为了精准的检测水冷管向火侧的管壁温度，在选定的待测水冷管上设置集热块，通过集热块将测温光纤上的测温光栅限定在距离待测水冷管较近的位置，从而确保测温光栅能够精准的监测水冷管向火侧的管壁温度而非炉膛的温度，而为了确保测温光栅的检测准确性，在其中一个集热块上开设的探测盲孔内设置感温探头以检测对应的待测水冷管的管壁温度，感温探头与测温光纤连接，感温探头检测的管壁温度转换为第二光信号通过测温光纤送出，测温光栅检测的管壁温度转换为第一光信号通过测温光纤送出，处理器在接收到第一光信号和第二光信号后对第一光信号和第二光信号进行过滤、转换以及解调处理再次转换成对应的温度值，从而方便工作人员根据获得的温度值获知水冷管的向火侧的管壁温度，进而能够判断水冷管内流动的水汽混合物的温度，便于工作人员根据所获知的温度值指导发电机组进行参数调整。本发明还提供了一种电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测方法。

本发明提供的电站锅炉水冷壁向火侧温度的监测装置和监测方法，通过集热块将耐高温的测温光纤上的测温光栅限定在距离待测水冷管较近的位置，确保检测所得温度为待测水冷管的管壁温度，解决了现有技术中电站锅炉内因温度过高造成的热电偶监测设备容易失效的问题，便于工作人员根据所获知的温度值指导发电机组进行参数调整。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。