锅炉水冷壁近壁区烟气分组在线监测系统的制作方法

技术领域

本申请涉及燃煤电厂锅炉水冷壁高温腐蚀监控与防治技术，具体涉及一种燃煤锅炉炉膛水冷壁近壁区烟气分组在线监测系统及装置，属于电力及动力工程技术领域。

背景技术：

近年来，伴随着燃煤电站锅炉大型化、高参数的发展，锅炉水冷壁高温腐蚀问题逐渐凸现。随着环保要求的日益严格，特别是火电厂NOx排放标准的不断提高，燃煤电站锅炉为了控制NOx排放均采用低氮燃烧技术。低氮燃烧技术组织形成的炉内强还原区虽可降低NOx的排放，但加剧了锅炉水冷壁高温腐蚀。水冷壁发生高温腐蚀后，壁厚减薄，强度降低，极易发生爆管，造成机组非停，已成为燃煤电站锅炉低氮改造后的一个顽疾，严重影响机组的安全稳定运行。

燃煤电站锅炉水冷壁高温腐蚀是典型的硫化物腐蚀，是煤粉在特定条件下燃烧形成的H₂S和自由态[S]与壁温350～500^oC的水冷壁发生反应造成的。水冷壁近壁区烟气中H₂S和自由态[S]的含量取决于主燃区煤粉燃烧过量空气系数。若煤粉在富氧条件下燃烧，煤中S元素转化为SO₂，对水冷壁基本没腐蚀作用。若煤粉在贫氧条件下燃烧，煤中S元素转化为SO₂的同时，生成部分H₂S和自由态[S]。一般而言，H₂S和自由态[S]的生成量随着烟气中氧含量的降低而升高。由此可知，水冷壁壁温及其近壁区烟气含氧量是影响高温腐蚀的两个关键因素。在壁温设定的条件下，提高近壁区烟气含氧量是缓解水冷壁高温腐蚀的有效途径。实时监测水冷壁近壁区烟气中O₂、CO及腐蚀性气体H₂S的浓度，是提高近壁区氧量的前提，也是开展高温腐蚀在线监测的基础。

综上分析可知，实时监测水冷壁近壁区烟气组分虽对预防和治理水冷壁高温腐蚀具有重要的意义和价值，但由于炉膛内部烟气温度高、组分复杂、含尘量大、水冷壁鳍片宽度小、取样困难等诸多原因，导致目前已有技术在应用中尚存在以下问题：

（1）烟气取样探头（枪、装置）烧损

由于炉膛温度高、辐射换热强、烟气取样流量小、冷却效果差等原因，安装在水冷壁上的烟气取样探头，特别是伸入炉膛内部的探头，极容易被烧损。烟气取样探头一旦烧损，会导致密封不严，出现泄露，致使测量结果失真。另外，烧损的探头前端发生熔融而变形，会导致前端取样管道堵塞，而此类堵塞采用常规的反吹等措施无法解决，致使系统无法正常工作。

（2）SO₂和H₂S测不准

H₂S气体是与水冷壁发生反应引发高温腐蚀的主要气体。准确监测H₂S对预测和监控水冷壁高温腐蚀具有重要的意义。由于SO₂和H₂S气体为酸性气体，易溶于水。若取样系统中出现水蒸气冷凝的现象，部分SO₂和H₂S会被吸收，从而影响测量结果的准确性。现有技术在烟气分析仪之前均采用多级过滤和冷凝的方式去除烟气中的水蒸气，以防其在管道内冷凝堵塞管道，损坏烟气分析仪。冷凝器虽将冷凝下的水通过蠕动泵排出，但是冷却在盘管上的水珠在未落入蠕动泵入口前对SO₂和H₂S还是有很强的吸收作用。因此，现有技术在测量H₂S和SO₂存在测不准的问题。

（3）烟气取样孔及取样管路堵塞

现有技术普遍采用鳍片开小孔抽取烟气的取样方式。由于水冷壁鳍片尺寸小（一般宽度<20mm），开得孔一般直径较小，极容易被炉膛中呈熔融态的未燃尽灰渣堵塞。

（4）单台仪器多点测量周期长

采用多管路切换取样系统虽可实现一套仪器多点取样测量的目的，但是存在测量时间长的问题。以一个布置30个测量点的截面为例，测量完一个截面至少需要90min（每个测点至少3min（主要为取样时间））。此种方式得到的测量结果无可比性，失去了“场”分布在线监测的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述不足，提供一种能够多点实时测量、防止取样管路堵塞的新型锅炉水冷壁近壁区烟气分组在线监测系统。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种锅炉水冷壁近壁区烟气分组在线监测系统，包括烟气取样单元、传输单元和检测单元，烟气取样单元通过传输单元与检测单元连接；烟气取样单元和传输单元设置在锅炉水冷壁背火侧保温层中，烟气取样单元设有若干个烟气取样装置，锅炉水冷壁鳍片上开对应每个烟气取样装置设有与烟气进口适配的取样口，每个烟气取样装置的烟气进口由水冷壁背火侧安装在相应取样口上；传输单元包括控制阀和取样管，每个烟气取样装置的烟气出口经一路取样管和控制阀与检测单元连通。

本发明的进一步设计还在于：

传输单元中各控制阀汇总集成两路输出分别与两路检测单元连接，每个检测单元中高温光学分析池、烟气冷凝器和烟气取样泵依次连接，两路的烟气取样泵均设有两支路，一个支路连接排空管，另一支路共同连接一台烟气分析仪。

在锅炉水冷壁管本邻或相间的多个鳍片上开设取样口，一组鳍片上开设一个或多个取样口，每个取样口对应安装一个烟气取样装置。

传输单元与检测单元高温光学分析池的连接管路上，伸出锅炉水冷壁保温层部分设有伴热带。

烟气取样装置设有壳体，壳体的内腔为烟气通道，烟气通道两侧分别设置烟气进口和烟气出口，烟气出口与传输单元的取样管相连，烟气进口采用矩形口并安装在取样口上与锅炉连通。

烟气通道内还设有烟尘过滤片，烟尘过滤片设置在烟气进口与烟气出口之间。烟尘过滤片为片状多孔滤芯。

烟气进口设置在壳体下部，烟气出口设置在与其相对侧壳体上部，壳体底面采用沿着烟气进口向上倾斜的斜面结构。（体底面与水冷壁鳍片夹角a可取135°~170°）

烟气通道下部与烟气进口连接部分采用渐扩式结构。壳体对应烟气通道下部与烟气进口连接部除底部的斜面结构外，其余部分采用弧形结构，该弧形结构与底部斜面共同形成烟气通道下部的渐扩式结构。

在烟气出口位置的上部设有压缩空气接口，对应该压缩空气接口相应在壳内设置均气结构，壳体底部与烟气进口位置相对侧设有反吹压缩空气接口；壳体上还设有检修口。该均气结构的空气出口正对烟尘过滤片，用于接入压缩空气时对烟尘过滤片进行吹扫；反吹缩空气接口沿着壳体底面斜坡方向延伸并连通烟气通道，用于接入压缩空气，对壳体底部斜坡面进行吹扫。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

1、本发明设计水冷壁近壁区烟气组分在线监测系统利于保持烟气温度，防止冷凝，并通过高温光学分析仪实现了H₂S和SO₂的准确在线监测。

2、本发明通过多组测量点，实现了多测点单台仪器短周期测量，与现有技术相比测量周期大大缩短。

3、系统中采用矩形烟气入口及焊接连接方式，并采用渐扩式结构，并通过压缩空气接口反吹清洁的方式，解决了烟气取样探头烧损、堵塞的问题，相比现有技术中的烟气取样探头使用寿命更长。

4、本发明中独特的取样管伴热方式、烟气除尘方式及烟气取样孔形状，提高了系统运行的稳定性。

附图说明

图1是本发明提出的水冷壁近壁区烟气组分在线监测系统构成示意图；

图2为本发明水冷壁鳍片上取样口的排布示意图；

图3是本发明提出的烟气取样装置安装示意图（侧视图）；

图4是本发明提出的烟气取样装置安装示意图（正视图）；

图5是烟气取样装置与水冷壁鳍片连接方式示意图。

图中：1.膜式水冷壁；1-1.膜式水冷壁管；1-2.膜式水冷壁鳍片；3.锅炉保温层；4.（矩形）取样口；5.烟气取样装置；5-1.壳体；5-2.（取样孔）反吹压缩空气接口；5-3.检修口；5-4.烟气出口；5-5.(滤片反吹)压缩空气接口；5-6.烟尘过滤片；6.高温三通电磁阀；7.烟气取样联箱；8.伴热带；9-1.（上侧气路H₂S和SO₂）高温光学池；9-2.（下侧气路H₂S和SO₂）高温光学池；10-1.（上侧气路烟气）冷凝器；10-2.（下侧气路烟气）冷凝器；11-1.（上侧气路烟气）采样泵；11-2.（下侧气路烟气）采样泵；12-1.（上侧气路烟气分析仪）电磁阀；12-2.（下侧气路烟气分析仪）电磁阀；13.（O₂和CO）烟气分析仪；14.与引风机入口连接的取样母管；15.与冷灰斗落渣口连接取样母管；16.（高温）取样管；17.常温取样管；19.排空管；20-1.上电磁阀；20-2.下电磁阀；21.取样母管流量调门；22.压缩空气母管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-图5所示，本发明的锅炉水冷壁近壁区分组在线监测系统包括烟气取样单元、传输单元和检测单元，烟气取样单元通过传输单元与检测单元连接。烟气取样单元包括9个烟气取样装置5（A、B、C、D、E、F、G、H、I）；传输单元包括若干取样管16、若干高温三通电磁阀6；检测单元包括2个高温光学分析池（9-1和9-2）、2个烟气冷凝器（10-1和10-2）和2个烟气取样泵（11-1和11-2）、1个O₂和CO烟气分析仪13。

如图2，9个烟气取样装置5安装在3组相邻的水冷壁鳍片上，每组鳍片由上至下布置3个，如此形成多测点采用。采用这种多测点的排布方式，可大大缩短采样周期。

烟气取样装置5主要由装置的壳体5-1、烟气入口、烟气通道、压缩空气接口、反吹压缩空气接口和烟气出口5-4组成，壳体5-1内设有烟气通道，烟气入口和烟气出口分别位于烟气通道两端，其中烟气入口为矩形口，设置在壳体5-1的下部，烟气出口5-4设置在壳体5-1的上部，并位于与烟气入口位置相对的另一侧。水冷壁鳍片为长条形，宽度极小（一般为7~12mm），取样口设计为圆形，会出现取样阻力大，易堵塞问题。烟气通道内设有烟尘过滤片，烟尘过滤片设置在烟气进口与烟气出口之间。烟尘过滤片为片状多孔滤芯。

为了保证大颗粒沉积物能从斜面滚落到炉腔中，壳体底面采用沿着烟气进口向上倾斜的斜面结构。壳体底面与水冷壁鳍片夹角a为135°~170°。

为保护采样通畅，烟气通道下部与烟气进口连接部分采用渐扩式结构。（通常烟气通道8垂直设置，烟气进口1与烟气出口4水平设置并垂直于鳍片，壳体对应烟气通道与烟气进口之间设有一过渡段，该过渡段除底部的斜面结构外，其余部分采用弧形结构，该弧形结构与底部斜面共同形成烟气通道下部的渐扩式结构。）

在烟气通道内的上端靠近烟气出口位置设有烟尘过滤片5-6，烟尘过滤片5-6的周向固定在壳体内壁上，且周围连接处保持密封。

取样口反吹压缩空气接口5-2沿着底面斜面方向设置，滤片反吹压缩空气接口5-5设置在壳体顶部并与烟气通道连通，壳体内设烟尘过滤片5-6。同时在壳体5-1侧面还设置有一个用于保养检修的检修口5-3，检修口5-3在装置使用时保持密封。

烟气取样装置的烟气入口与锅炉的水冷壁上的取样口4之间密封焊接，压缩空气接口集成连接压缩空气母管22，每一个烟气取样装置出口均通过取样管分别与一个高温三通电磁阀6的第一接口连接，每一个高温三通电磁阀6的第二接口均与烟气取样联箱7连接，烟气取样联箱7的烟气出口端与通向引风机入口烟道取样管14及冷灰斗排渣口的取样管15连接，并设有烟气流量调节阀21对烟气取样联箱内的气压进行调控。

所有高温三通电磁阀6的第三接口通过取样管汇总成两路，每一路分别依次连接高温光学分析池、烟气冷凝器和烟气取样泵，同时在两路的烟气取样泵烟气出口设有两支路，其中一路连接排空管，另一路与O₂和CO烟气分析仪13连接，并且在两支路上分别设置控制电磁阀对两支路进行控制。

为了保证烟气在进入高温光学分析池之前保持高温，不出现冷凝，影响检测精度，将烟气取样装置5、高温取样管16、高温三通电磁阀6、烟气取样联箱7均安装在锅炉炉墙保温层3内，借助锅炉水冷壁对外散出的热量保温。同时在高温光学分析池与锅炉墙保温层之间的取样管外包围设置伴热带8。

在实际应用中，首先依据炉膛水冷壁高温腐蚀的分布情况及燃烧的特点，在水冷壁腐蚀严重区域布置若干测点，并在腐蚀区域水冷壁的鳍片上呈九宫格形均匀的开九个矩形取样孔（4），取样孔的宽度依据为鳍片宽度的50~80%，取样孔的高度为50~200mm。

然后将9个烟气取样装置（5）分别与鳍片背火侧的烟气取样孔采用满焊的方式连接固定，分别编号A-I。上述的连接方式完成整个系统的连接安装。

实施例二：

本实例中，壳体底面采用平面结构，壳体对应烟气通道与烟气进口之间设有一过渡段，该过渡段采该过渡段除底部的平面结构外，其余部分采用弧形结构，该弧形结构与底部平面共同形成烟气通道下部的渐扩式结构。其余部分同实施例一。

实施例三：

本实例中，壳体底面采用平面结构，烟气进口与烟气出口水平设置，并直接设置在烟气通道两侧，未形成烟气通道下部的渐扩式结构。其余部分同实施例一。

实施例四：

本实例中，烟气取样单元包括12个烟气取样装置，12个烟气取样装置安装在12组水冷壁鳍片上，每组鳍片安装一个，由此形成多测点采用。其余部分同实施例一。

实施例五：

本发明上述锅炉水冷壁近壁区分组在线监测系统具体工作过程如下：

（1）系统各部件均连接完毕后，将各高温三通电磁阀6至烟气取样联箱7的通道打开，至烟气分析仪13方向通道关闭；

（2）开启伴热带8，设定伴热温度为105℃；

（3）调整烟气取样联箱的烟气出口端的取样管上烟气流量调节阀21，确保所有各测点烟气均可被抽取至烟气取样联箱7内；

（4）然后分别开启与测点A和I两组连接在取样管上高温三通电磁阀6通向烟气分析仪的通道和烟气取样泵，并关闭通向烟气取样联箱的通道，此时A测点的烟气通过上气路中的高温光学分析仪，对H₂S和SO₂的含量进行测量；

（5）先开启上侧气路中烟气分析仪的电磁阀12-1，关闭排空管19-1上电磁阀20-1，关闭下侧气路中烟气分析仪前电磁阀12-2，开启排空管19-2上电磁阀20-2，A测点的气体经过上侧气路中的烟气冷凝器后进入O₂和CO烟气分析仪13，完成测点A气体进行测量30S；

（6）待测点A测量结束后，将测点A对应高温三通电磁阀开启通道由至上侧气路的烟气分析仪9-1改为至烟气取样联箱7，同时将测点B对应高温三通电磁阀开启通道由至烟气取样联箱改为至烟气分析仪，同时开启上侧气路中的排空管19-1上电磁阀20-1，同时开启下侧气路烟气分析仪12-2，同时关闭上侧气路烟气分析仪电磁阀12-1，并关闭排空管19-2上电磁阀20-2，I测点的气体通过下侧气路中的烟气冷凝器后进入O₂和CO烟气分析仪13，完成对测点I进行测量30S。

（7）待I测点测量结束后，将测点I对应高温三通电磁阀开启通道由至烟气分析仪改为至烟气取样联箱，同时将测点H对应高温三通电磁阀开启通道由至烟气取样联箱改为至烟气分析仪，同时关闭上侧气路中的排空管19-1上电磁阀20-1，关闭下侧气路中烟气分析仪电磁阀12-2，同时开启烟气分析仪前电磁阀（12-1），并同时开启排空管19-2上电磁阀20-2，B测点的气体经过上侧气路中的烟气冷凝器后进入O₂和CO烟气分析仪13，完成测点B气体进行测量30S。

（8）依次类推，完成整个测量过程，测点测量顺序为A—I—B—H—C—G—D—F—E。

在测量过程中，锅炉水冷壁近壁区烟气通过烟气入口4进入烟气取样装置5，在烟气取样装置5内由于渐扩式烟道，烟气流速逐渐降低，烟气中的大颗粒自然沉降到烟气取样装置5底部，并通过烟气取样装置的底面斜坡重新滑落到锅炉炉膛内，细小粉尘则被烟气取样装置5内的烟气过滤片5-6捕捉；经除尘后的烟气由烟气出口5-4进入高温取样管16，然后经高温三通电磁阀6进入烟气取样联箱7，进入烟气取样联箱7的烟气经混合后由烟气取样母管进入引风机或进入炉膛下部冷灰斗出渣口。

当某一路高温三通电磁阀6通道由烟气取样联箱改为烟气分析仪时，该路烟气将不进入烟气取样联箱7，而由高温三通电磁阀6进入H₂S、SO₂高温光学池，然后进入烟气冷凝器将烟气温度降低至常温，将烟气中水蒸汽冷凝下来，然后经常温取样管道，依次进入烟气取样泵，最后在电磁阀的调整下流入烟气分析仪或经排空排空。

测量过程中，为了防止烟气取样孔4和片状多孔过滤芯5-6堵塞，应采用压缩空气对烟气取样装置5进行定期反吹。