一种监测空预器堵塞程度的方法

摘要

本发明涉及一种监测空预器堵塞程度的方法，属于燃煤电厂安全经济生产领域。本发明中监测空预器堵塞程度的方法，如下：（一）、在空预器冷端表面下方距离H处设置位移传感器，空预器旋转时位移传感器测量空预器冷端表面各点与空预器旋之间的距离d(x)，x为空预器相对于位移传感器在空预器冷端表面上的投影点的运动距离，定义z(x)=H‑d(x)，z(x)的物理意义是空预器冷端表面某点x在空预器旋转轴轴向上相对于空预器冷端表面的距离；（二）、根据z～x的曲线特征识别流通区、堵塞区；（三）、识别堵塞区与流通区后，可按下式计算名义堵塞比率：（四）、位移传感器的响应时间不宜超过下式所给数值。

权利要求

1.一种监测空预器堵塞程度的方法，其特征在于：所述方法如下：(一)、在空预器冷端表面下方距离H处设置位移传感器，空预器旋转时位移传感器测量空预器冷端表面各点与位移传感器之间的距离d(x)，x为空预器相对于位移传感器在空预器冷端表面上的投影点的运动距离，定义z(x)＝H‑d(x)，z(x)的物理意义是空预器冷端表面某点x在空预器旋转轴轴向上相对于空预器冷端表面的距离；

(二)、根据z～x的曲线特征识别流通区、堵塞区；

(三)、识别堵塞区与流通区后，按下式计算名义堵塞比率：*

η＝堵塞区面积÷(堵塞区面积+流通区面积)扣除换热元件本身对名义堵塞比率的贡献得到实际堵塞比率，即有：其中 为空预器换热元件完全未发生堵塞时的名义堵塞比率；

(四)、位移传感器的响应时间不超过下式所给数值：其中w是未堵塞时换热元件间气流通道的宽度，单位：m，ω是空预器的旋转角速度，单位：rad/s，r是传感器相对空预器圆心的径向坐标，单位：m，Ns是在w距离内的取样点数，Ns≥5。

2.根据权利要求1所述的监测空预器堵塞程度的方法，其特征在于：所述(一)中，位移传感器位于空预器的一次风侧或二次风侧的冷端风道内。

3.根据权利要求1所述的监测空预器堵塞程度的方法，其特征在于：所述(二)中，识别流通区、堵塞区的方法如下：z小于某一阈值zmin的位置即属于流通区，否则属于堵塞区。

4.根据权利要求1所述的监测空预器堵塞程度的方法，其特征在于：所述(二)中，识别流通区、堵塞区的方法如下：z～x曲线各处的斜率的绝对值大于某一阈值的位置属于流通区，否则属于堵塞区。

5.根据权利要求1所述的监测空预器堵塞程度的方法，其特征在于：所述(二)中，识别*

流通区、堵塞区的方法如下：对z～x数据，将z值线性变换至[0,255]范围的灰度值z ，变换*

后的z ～x数据看做一维灰度图像，利用较成熟的图像识别算法库进行边缘识别从而区分出堵塞区和流通区。

6.根据权利要求1所述的监测空预器堵塞程度的方法，其特征在于：所述位移传感器为激光式位移传感器。

7.根据权利要求1所述的监测空预器堵塞程度的方法，其特征在于：为更全面掌握空预器冷端各处的堵塞状况，在多个不同的径向位置各布置一个位移传感器。

8.根据权利要求7述的监测空预器堵塞程度的方法，其特征在于：为扩大位移传感器的扫描范围，将位移传感器安装于电动直线导轨上，带动位移传感器沿空预器径向运动。

说明书

一种监测空预器堵塞程度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种监测空预器堵塞程度的方法，属于燃煤电厂安全经济生产领域。

背景技术

[0002] 燃煤发电在我国电力供应格局中占主导地位的状况短期内不会改变。选择性催化还原(SCR)脱硝技术因其效率高、选择性好等优点广泛应用于国内燃煤电厂。但加装SCR脱
硝装置后，空预器堵塞问题凸显。一方面，为控制NOx排放浓度满足超低排放标准要求，脱硝
催化剂用量增大，更多的SO2被氧化成SO3，烟气中SO3的体积分数增大，烟气酸露点随之提
高，空预器冷端低温腐蚀加剧；另一方面，由于SCR的脱硝效率一般需达到90％左右才能满
足超低排放标准要求，氨氮摩尔比的均匀性难以保证，极易出现局部氨氮摩尔比超过1.0的
情况，导致氨逃逸率大的现象普遍存在，逃逸的NH3与烟气中的水蒸气和SO3进一步生成硫
酸氢铵(NH4HSO4)，其在温度为146℃～207℃范围内呈熔融状，易吸附在飞灰表面，最终黏
附在空预器冷端蓄热元件表面。由于以上两点因素，空预器堵塞成为燃煤电厂的共性问题。

[0003] 空预器堵灰导致三大风机电耗显著上升，其换热效率也显著下降，排烟温度随之上升，锅炉效率下降。堵塞严重时时还可能造成三大风机失速或喘振、炉膛负压波动、机组
限负荷甚至被迫停机等恶劣影响。因此，实时、准确监测空预器堵塞状态，从而根据堵塞状
况的变化趋势及时采取清灰措施(如在线蒸汽吹灰)，对燃煤机组的安全、经济运行是十分
必要的。

[0004] 现有监测空预器堵塞状况主要依据其入口、出口(一般利用烟气侧)的差压的数值大小和随时间的增长速率。空预器差压增长是其换热元件堵塞反映在流体流动阻力(压降)
上的结果，具有直接的物理意义。但空预器差压的测量数值随机波动大，且易受煤质(烟气
量)变化的影响，亦不够直观，存在其自身的局限性。

[0005] 大多数电厂采用回转式空预器，其堵塞主要发生在冷端，硫酸氢铵在温度较低的冷端换热元件表面凝结并粘付烟气中的飞灰，导致气体流道变窄，流动阻力增加(即反映为
空预器差压增大)。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的监测空预器堵塞程度的方法。

[0007] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该监测空预器堵塞程度的方法，其特点在于：所述方法如下：

[0008] (一)、在空预器冷端表面下方距离H处设置位移传感器，空预器旋转时位移传感器测量空预器冷端表面各点与位移传感器之间的距离d(x)，x为空预器相对于位移传感器在
空预器冷端表面上的投影点的运动距离，定义z(x)＝H‑d(x)，z(x)的物理意义是空预器冷
端表面某点x在空预器旋转轴轴向上相对于空预器冷端表面的距离；

[0009] (二)、根据z～x的曲线特征识别流通区、堵塞区；

[0010] (三)、识别堵塞区与流通区后，可按下式计算名义堵塞比率：

[0011] η*＝堵塞区面积÷(堵塞区面积+流通区面积)

[0012] 扣除换热元件本身对名义堵塞比率的贡献可得到实际堵塞比率，即有：

[0013]

[0014] 其中 为空预器换热元件完全未发生堵塞时的名义堵塞比率；

[0015] (四)、位移传感器的响应时间不宜超过下式所给数值：

[0016]

[0017] 其中w是未堵塞时换热元件间气流通道的宽度(单位：m)，

[0018] ω是空预器的旋转角速度(单位：rad/s)，

[0019] r是传感器相对空预器圆心的径向坐标(单位：m)，

[0020] Ns是在w距离内的取样点数，一般应Ns≥5。

[0021] 进一步地，所述(一)中，位移传感器位于空预器的一次风侧或二次风侧的冷端风道内。

[0022] 进一步地，所述(二)中，识别流通区、堵塞区的方法如下：z小于某一阈值zmin的位置即属于流通区，否则属于堵塞区。

[0023] 进一步地，所述(二)中，识别流通区、堵塞区的方法如下：z～x曲线各处的斜率的绝对值大于某一阈值的位置属于流通区，否则属于堵塞区。

[0024] 进一步地，所述(二)中，识别流通区、堵塞区的方法如下：对z～x数据，将z值线性* *
变换至[0,255]范围的灰度值z ，变换后的z～x数据可看做一维灰度图像，利用较成熟的图
像识别算法库进行边缘识别从而区分出堵塞区和流通区。

[0025] 进一步地，所述位移传感器为激光式位移传感器。

[0026] 进一步地，为更全面掌握空预器冷端各处的堵塞状况，在多个不同的径向位置各布置一个位移传感器。

[0027] 进一步地，为进一步扩大位移传感器的扫描范围，将位移传感器安装于电动直线导轨或类似装置上，带动位移传感器沿空预器径向运动。

[0028] 相比现有技术，本发明具有以下优点：该监测空预器堵塞程度的方法，测量和量化空预器冷端流道的堵塞程度是更为直观、直接的监测手段。

附图说明

[0029] 图1是本发明实施例的位移传感器布置示意图。

[0030] 图2是本发明实施例的空预器换热元件(波形板)形貌三维示意图。

[0031] 图3是本发明实施例的空预器换热元件(波形板)的横截面几何结构示意图。

[0032] 图4是本发明实施例的空预器换热元件(波形板)的横截面部分结垢堵塞示意图。

[0033] 图5是本发明实施例的位移传感器检测的空预器冷端表面形貌x～z曲线、空预器换热元件部分结垢示意图。

[0034] 图6是本发明实施例的位移传感器检测的空预器冷端表面形貌x～z曲线、空预器换热元件未结垢时的示意图。

[0035] 图7是本发明实施例的存在结垢物时根据z～x曲线甄别流通区与堵塞区的两种方法(正文所提的方法一A及方法二)

[0036] 图8是本发明实施例的存在结垢物时根据z～x曲线甄别流通区与堵塞区的一种方法(正文所提的方法一B)

具体实施方式

[0037] 下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

[0038] 实施例

[0039] 参见图1至图8所示，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可
实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调
整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技
术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中若有引用如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及
“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的
改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

[0040] 本实施例中的监测空预器堵塞程度的方法，如下：

[0041] 在空预器的一次风侧或二次风侧的冷端(即空预器的下部)风道内，空预器冷端表面下方一定距离H处设置位移传感器(优选成熟的激光式位移传感器工业产品)，位移传感
器测量端竖直向上朝向空预器冷端表面(燃煤电厂回转式空预器为水平布置，冷端表面呈
水平状态)。

[0042] 以激光位移传感器为例，位移传感器测量目标物体表面的距离的原理如下：位移传感器朝向空预器冷端发射激光，激光遇到固体表面形成较强的反射和散射信号，位移传
感器利用光路元件将信号会聚于信号接收元件CMOS上，信号聚焦在CMOS上的位置取决于被
测对象的距离远近，进一步基于位移原理(常采用三角原理)即可计算获得其相对于位移传
感器的距离d。

[0043] 若传感器发射的激光射入了换热元件的间隙即气流通道内，则位移传感器获得显著偏大的d值，或者亦可能接收不到反射信号(反射和散射光因换热元件边壁阻挡而无法被
位移传感器接收到)，此时位移传感器给出的数值d不具有物理意义，在数据记录和分析时
可按一极大值处理。

[0044] 燃煤发电机组正常运行时，空预器本身匀速旋转。因此，位移传感器可以被动地循环“扫描”空预器冷端表面圆周方向上各位置与其的距离d，当位移传感器固定不动时，位移
传感器扫描获得的是半径坐标r处的空预器圆周方向的一维信息，即其采样是一维的。

[0045] 若位移传感器在受控下沿径向在[r1,r2]范围内往复运动，则虽然每一时刻获得的仍然是单点信息，但在空预器持续旋转多圈后，则累计获得的单点信息即相当于对半径
范围[r1,r2]内的空预器冷端表面进行了扫描。

[0046] 至此获得了空预器冷端表面的形貌信息，接下来将通过数学方法、图像分析算法对其进行分析、处理，甄别堵塞区和非堵塞区，最终计算堵塞区的占比，即可作为衡量空预
器堵塞程度的定量指标。

[0047] 位移传感器扫描得到的原始数据可用二维曲线描述，横坐标(x轴)为位移传感器在空预器冷端表面上的测量点的移动距离，纵坐标数值为z(＝H‑d)，(如图5所示)。直观地，
这可看做一维的地形的高低起伏(形貌)，识别固体表面(堵塞区)与气流通道(流通区)的界
面是接下来的关键。

[0048] 定性地看，换热元件的本体以及冷端表面的堵塞区域，其z值在0附近的小范围波动(冷端表面结垢主要是沿换热元件之间的横向方向上增长，而不会明显地向冷端表面外
部凸出)，且变化是较为平缓的，但在其与气流通道的界面上，则形成类似于“断崖”的突变。

[0049] 识别上述堵塞区与流通区的方法至少包括如下几种。

[0050] 方法一：z小于某一阈值zmin的位置即属于流通区。

[0051] 确定zmin的方法至少包括：

[0052] 方法A，根据对空预器堵塞状况的实际勘察经验指定zmin，例如可定为‑30mm～‑50mm。

[0053] 方法B，对z值进行频率分布统计得到PDF(概率密度分布)曲线，PDF曲线将呈现“双峰”分布特征，曲线在z＝0附近存在一个峰值(对应于冷端表面附近位置)，在z显著不为零
的数值附近也将存在密集分布(对应于流通区)，通过(例如)机器学习的聚类算法、支持向
量机方法可将上述两个密集分布区识别出来，并获得二者的边界z值，该z值即为zmin。

[0054] 方法A的优点是简单直接，无需进行较多的数据分析，缺点是人为因素较多，引入了更多的不确定性。

[0055] 方法B虽涉及较多数据分析和计算机算法，但方法和结果的一致性好，且可自动化完成而无需人工干预。

[0056] 方法二：计算曲线各处的斜率(在将曲线进行局部适度平滑后进行，以避免曲线波动过大导致误识别)，斜率的绝对值大于某一阈值的位置属于流通区。

[0057] 斜率阈值的确定方法类似于方法一对zmin的确定方法，既可经验指定，也同样可以对斜率进行基于概率分布的聚类分析。对后者，这里只对其与方法一的差异做简要描述：对
于“山顶”区(冷端表面附近)和“山谷”区(流通区)，其“地形”平缓，斜率值的绝对值均较小，
主要分布在零值附近，但在二者的界面上斜率绝对值显著大于零，故仍可通过聚类算法、支
持向量机等方法将二者的边界识别出来，边界处的数值即为前述的斜率阈值。

[0058] 方法三：本方法借鉴较为成熟的图像识别算法中的边缘识别算法，对前述z～x数据，可将z值线性变换至[0,255]范围的灰度值，变换后的数据即可看做一维灰度图像(图片
通常是二维的，一维图像可看做二维图像的某一行像素)，之后便可利用较成熟的图像识别
算法库(如OpenCV)进行边缘识别从而区分出堵塞区和流通区。

[0059] 方法三相对于方法二的优点是充分利用了图像识别领域已有的知识和算法，方法更成熟、鲁棒。

[0060] 识别上述堵塞区与流通区后，即可计算名义堵塞比率，即：

[0061] η*＝堵塞区面积÷(堵塞区面积+流通区面积)

[0062] 由于换热元件本身也占据一定面积，故需扣除其对名义堵塞比率的贡献方可得到实际堵塞比率，即有：

[0063]

[0064] 其中 为空预器换热元件完全未发生堵塞时的名义堵塞比率。

[0065] 为更全面掌握空预器冷端各处的堵塞状况，在多个不同的径向位置各布置一个位移传感器。更优地，为进一步扩大位移传感器的扫描范围，将位移传感器安装于电动直线导
轨或类似装置上，带动位移传感器沿空预器径向运动，其运动可以包括以下方式：

[0066] 方式a，间断运动，即停‑走‑停，每个停顿点至少停留空预器旋转周期的时长，到达装置运动的极限位置后再折返。

[0067] 方式b，连续运动，到达极限位置后折返；方式c，以方式a、b的组合或混合模式运动。

[0068] 因位移传感器和空预器冷端表面存在相对速度，为保证测量的准确性，位移传感器的响应时间必须足够短，上限不宜超过下式所给数值：

[0069]

[0070] 其中w是未堵塞时换热元件间气流通道的宽度(单位：m)，

[0071] ω是空预器的旋转角速度(单位：rad/s)，

[0072] r是位移传感器相对空预器圆心的径向坐标(单位：m)，

[0073] Ns是在w距离内的取样点数，一般应≥5。

[0074] 以下案例是通过监测空预器堵塞程度的方法实现的。

[0075] 某600MW燃煤发电机组空预器直径14m，换热元件间气流通道宽度w为0.01m。空预器转速2转/分钟，相应的旋转周期T为30s，角速度ω等于0.21rad/s。在空预器冷端二次风
风道内，ri＝1.5,3,4.5,6.0m(i＝1,2,...4)处共布置4个激光位移传感器，激光位移传感
器距冷端表面H＝0.4m。激光位移传感器的量程为0.3m～0.5m，测量精度优于0.2mm。

[0076] 各激光位移传感器安装于电动直线导轨上，各电动直线导轨均可带动激光位移传感器在径向[ri‑0.5,ri+0.5]范围内运动，控制逻辑为每隔2T移动0.1m后停止，达到极限位
置后折返。每个气流通道宽度内测量点数Ns取为5，传感器的响应时间：

[0077]

[0078] 相应地，各传感器(r从内向外)的响应时间选定为6.3ms,3.2ms,2.1ms,1.6ms。

[0079] 图5和图6给出了某个局部区域扫描得到的z～x曲线(图中黑色粗实线)，在气流通道区，因激光只是穿过而未被任何固体表面阻挡，故激光位移传感器无法获得反射信号，此
时z取一显著的非零负值(此处取约‑273mm)，而在换热元件堵塞区(本体表面、灰垢表面)，z
仅在±15mm以内波动。显然，堵塞区和流通区的界限十分分明。依照前文所述方法一的子方
法A，可取zmin＝‑25mm，凡z小于该值的点都属于流通区，否则为堵塞区，相应算得(图5所示)
*
检测区间内的名义堵塞率η≈78％。在未结垢状态下(图6所示)，换热元件本体对应的堵塞
* * *
率η0≈15％，因此结垢导致的实际堵塞比率η＝η‑η0＝63％。

[0080] 此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依
据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发
明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种
各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求
书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。