PL B1. Wstawka termometryczna do pomiaru lokalnego obciążenia cieplnego ekranu komory paleniskowej kotła

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (13) B1 (51) Int.Cl. G01K 1/14 ( ) G01K 17/00 ( ) F22B 37/38 ( ) (54) Wstawka termometryczna do pomiaru lokalnego obciążenia cieplnego ekranu komory paleniskowej kotła (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA KRAKOWSKA IM. TADEUSZA KOŚCIUSZKI, Kraków, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/12 (72) Twórca(y) wynalazku: JAN TALER, Kraków, PL BOHDAN WĘGLOWSKI, Kraków, PL PIOTR DUDA, Jasło, PL WIESŁAW ZIMA, Brzezinka, PL SŁAWOMIR GRĄDZIEL, Kraków, PL TOMASZ SOBOTA, Jędrzejów, PL ARTUR CEBULA, Kraków, PL DAWID TALER, Kraków, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Zbigniew Korzeniowski PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest wstawka termometryczna do pomiaru lokalnego obciążenia cieplnego ekranu komory paleniskowej kotła. Kilka takich wstawek zainstalowanych na różnych poziomach rury ekranowej może służyć do wyznaczania gęstości strumienia ciepła przejmowanego wzdłuż wysokości komory paleniskowej kotła. Rozkład obciążenia cieplnego opromieniowanych ekranów kotłów ma duże znaczenie zarówno dla parownika kotła jak i komory spalania. Rozkład temperatury spalin, a zatem i rozkład gęstości strumienia ciepła (obciążenia cieplnego) przejmowanego przez ekrany, wpływa na emisję tlenków azotu, zawartości części palnych w żużlu i lotnym popiele oraz na procesy zanieczyszczania przegrzewaczy i ścian komory paleniskowej. Znane są mierniki gęstości strumienia ciepła typu ścianka pomocnicza stosowane w badaniach laboratoryjnych, jak i przemysłowych, głównie w paleniskach pieców i kotłów. Zasada działania tego typu mierników polega na pomiarze różnicy temperatury w dwóch różnych punktach płaskiego czujnika. Cechą charakterystyczną jest również to, że spadek temperatury w czujniku występuje w kierunku równoległym do kierunku padającego strumienia cieplnego. W miernikach typu ścianka pomocnicza czujniki temperatury usytuowane są najczęściej na czołowej i tylnej powierzchni płytki, tak, aby spadek temperatury był jak największy. W miernikach tych występują na grubości czujników duże różnice temperatury, tak ze do pomiaru spadku temperatury wystarczy zastosować dwa oddzielne termoelementy płaszczowe lub jeden termoelement różnicowy. Głównym problemem jest zapewnienie dobrego kontaktu między miernikiem a powierzchnią, na której jest on zamocowany. Gdy kontakt jest niewłaściwy, wówczas powierzchnia zewnętrzna miernika osiąga znacznie wyższe temperatury od danej powierzchni ogrzewalnej, przez co wskazywane przez miernik gęstości strumienia ciepła są znacznie mniejsze od rzeczywistych. Nawet przy dobrym kontakcie dokładność tego typu czujników jest niska, gdyż wystając ponad powierzchnię rury stanowią one miejsce odkładania się żużla. Z uwagi na wyższą temperaturę żużla, gęstość strumienia ciepła przejmowanego przez miernik jest znacznie mniejsza od gęstości strumienia ciepła przejmowanego przez ekrany (tj. obciążenia cieplnego ekranu). Pomiar odbywa się przy założeniu, że pole temperatury w czujniku jest jednowymiarowe, podczas gdy w rzeczywistości jest to złożone pole temperatury. Celem wynalazku jest zwiększenie trwałości i dokładności pomiaru dokonywanego przy wysokiej temperaturze spalin. Wstawka charakteryzuje się tym, że jest konstrukcją spawaną posiadającą korpus w kształcie rury mimośrodowej, o ustalonej długości oraz średnicy zewnętrznej i wewnętrznej. Wstawka ma króćce spawne ukształtowane na zakończeniach korpusu, mające średnicę króćca o wymiarze tożsamym ze średnicą rury ekranowej oraz ma zewnętrzny rowek pomiarowy utworzonym w jednej połówce korpusu, w ustalonej odległości od jego zakończenia. Ponadto wstawka ma nakładkę pierścieniową osłaniającą rowek pomiarowy oraz rurkę do odprowadzania przewodów elektrycznych od termoelementów zabudowanych w korpusie. W czołowej, najgrubszej części korpusu wykonane są cztery otwory równoległe do osi wstawki, otwarte od strony rowka pomiarowego, rozmieszczone na dwóch promieniach w osi symetrii wstawki i na osiach symetrycznie odchylonych od osi symetrii o ustalony kąt, w których osadzone są termoelementy Ni-NiCr. Na tylnej powierzchni rowka pomiarowego zamocowany jest kolejny termoelement Ni-NiCr do pomiaru temperatury zewnętrznej powierzchni wstawki, odpowiadającej temperaturze czynnika przepływającego przez rurę ekranową. Korpus może być wykonany z dwóch części, przy czym płaszczyzna podziału tych części przebiega przez rowek pomiarowy. Przedstawiona nowa konstrukcja wstawki do pomiaru lokalnego obciążenia cieplnego odznacza się niską ceną i wysoką trwałością oraz wysoką dokładnością pomiaru. Dzięki zastosowaniu rury mimośrodowej odległości między termoelementami usytuowanymi w ściance wstawki od strony paleniska są duże. Zapewnia to dużą dokładność pomiaru. Metoda pomiaru lokalnego obciążenia cieplnego ekranów kotłów jest prosta i dokładna. Wstawki o prezentowanej konstrukcji mogą znaleźć zastosowanie do ciągłego monitorowania rozkładu obciążenia cieplnego ekranów komory paleniskowej kotłów. Umożliwia to ciągłą kontrolę ilości ciepła wywiązującego się wzdłuż wysokości komory paleniskowej kotła, a tym samym kontrolę przebiegu procesu spalania i temperatury spalin. Wyniki pomiarów mogą być również wykorzystywane do kontroli pracy parownika kotła, między innymi do kontroli cyrkulacji mieszaniny parowo-wodnej i odkładania się osadów na wewnętrznej powierzchni rur ekranowych. Mogą również służyć do weryfikacji eksperymentalnej obliczeń komór paleniskowych kotłów

3 PL B1 3 za pomocą programów numerycznych. Wstawka pozwala na wyznaczanie w trybie on-line lokalnego oporu cieplnego osadów na wewnętrznej powierzchni rur ścian komory paleniskowej kotła. P r z y k ł a d Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny wstawki wpawanej w płaszcz ekranowy, fig. 2 - półwidok-półprzekrój wzdłużny wstawki, fig. 3 - przebieg zmierzonych temperatur wstawki oraz obliczonego na ich podstawie obciążenia cieplnego q ekranu przedniego komory paleniskowej kotła parowego OP-210 na poziomie 15,4 m, a fig. 4 rozkład obciążenia cieplnego w środku ekranu przedniego, wzdłuż wysokości komory paleniskowej dla wydajności masowej kotła m = 212 Mg/h. Wstawka jest konstrukcją spawaną wykonaną ze stali węglowej przystosowaną do wpawania w miejsce wyciętego na długości L4 odcinka rury ekranowej 1 o średnicy d4. Korpus 2 wstawki o długości L2 stanowi rura mimośrodowa o średnicy d5 z ukształtowanymi króćcami spawnymi na zakończeniach o średnicy d4 i zewnętrznym rowkiem pomiarowym wykonanym w jednej połówce korpusu 2 w odległości L5. Rowek pomiarowy o szerokości 20 mm osłonięty jest nakładką pierścieniową 3 wykonaną ze stali żaroodpornej z blachy o grubości 3 mm, która zabezpiecza osadzone w niej termoelementy T przed przepaleniem. Z tylnej strony wstawki nakładka 3 zakończona jest rurką 4 do odprowadzania na zewnątrz rury ekranowej 1 przewodów elektrycznych od termoelementów. Temperatura mierzona jest za pomocą termoelementów T wykonanych z Ni-NiCr, o zewnętrznej średnicy płaszcza równej 1 mm, umieszczonych w otworach równoległych do osi wstawki, wykonanych w czołowej, najgrubszej części wstawki. Takie rozmieszczenie termoelementów T pozwala uniknąć błędów spowodowanych przewodzeniem ciepła wzdłuż osi termoelementów T. Przy takim położeniu otworów temperatura termoelementu T na całej długości otworu jest stała i ciepło nie dopływa ani nie odpływa od punktu, w którym mierzona jest temperatura. Obciążenie cieplne wyznaczane jest na podstawie pomiaru temperatury wstawki w czterech punktach usytuowanych w czołowej jej części na dwóch promieniach r1 i r2 w osi symetrii i na osiach symetrycznie odchylonych od osi symetrii o kąt ϕ (punkty T1-T4 na fig.1). Ponadto mierzona jest temperatura zewnętrznej powierzchni wstawki, odpowiadająca temperaturze czynnika, za pomocą termoelementu T5, umieszczonego na tylnej powierzchni wstawki (ϕ = 180 ). Sposób wyznaczania obciążenia cieplnego Wzór do wyznaczenia obciążenia cieplnego ekranu, na podstawie pomiaru temperatury wstawki w czterech punktach, wyprowadzony został w oparciu o obszerne obliczenia pola temperatury za pomocą programu Fluent z uwzględnieniem rzeczywistego kształtu wstawki oraz zależnego od temperatury współczynnika przewodzenia ciepła materiału wstawki. W celu wyznaczenia zależności q = q (ΔT) pozwalającej obliczać obciążenie cieplne ekranu na podstawie temperatur: T1 = T(r1, 0 ), T2 = T(r1, ϕ), T3 = T(r2, 0 ) i T4 = T(r2, ϕ) mierzonych w czołowej części wstawki, przeprowadzono obliczenia rozkładu temperatury za pomocą metody objętości skończonej z użyciem programu FLUENT. Symbol ΔT oznacza średnią różnicę temperatur między punktami zewnętrznymi (r1, 0 ) i (r1, ϕ) oraz punktami (r2, 0 ) i (r2, ϕ) określoną wzorem: ΔT = (T1 +T2)/2 - (T3 +T4)/2. Symbol r1 oznacza promień powierzchni, na której usytuowane są termoelementy T1 i T2, a r2 promień powierzchni, na której zamocowane są termoelementy T3 i T4. Obciążenie cieplne w funkcji mierzonej różnicy temperatury wyraża się następującą funkcją: q = a + b ΔT, gdzie stałe a i b we wzorze są zależne od współczynnika wnikania ciepła α na wewnętrznej powierzchni wstawki. Przykładowe wyniki pomiarów Wykonane zostały cztery wstawki pomiarowe i zainstalowane na jednej rurze ekranowej w środku przedniego ekranu komory paleniskowej kotła OP-210 w jednej z krajowych elektrowni. Kocioł OP-210 jest kotłem jednowalczakowym z naturalną cyrkulacją wody. Przeznaczony jest do wytwarzania pary przegrzanej o wysokim ciśnieniu, podawanej w przewód główny elektrowni. Znamionowa wydajność kotła wynosi 210 Mg/h przy ciśnieniu pary na wylocie 9,8 MPa oraz temperaturze C. Wstawki zamontowano na czterech różnych wysokościach: 12,6 m; 15,4 m; 19,2 m i 23 m, co oznaczono na fig. 4 numerami wstawek 1 4, przy czym dwa rzędy palników usytuowane były na poziomach 10,4 m oraz 12,6 m, co oznaczono numerami palników I i II. W celu sprawdzenia, czy wstawka będzie bezpiecznie pracować, przeprowadzone zostały obliczenia metodą elementów skończonych. Obliczenia przeprowadzono zakładając ciśnienie czynnika

4 4 PL B1 wynoszące p cz = 11 MPa i temperaturę całego elementu T obl = 370 C. Temperaturę T obl określono zgodnie z przepisami UDT, dodając do temperatury pary nasyconej o ciśnieniu 11 MPa wartość 50 C. W celu wyznaczenia rozkładu naprężeń w opracowanej wstawce pomiarowej, stworzono w programie ANSYS jej model, który posłużył następnie do obliczenia tego rozkładu. Naprężenia dopuszczalne wynoszą: 177/1,5 = 118 MPa, podczas gdy maksymalne naprężenie przy założonym obciążeniu wynosiło 73 MPa. Widać więc, że naprężenia maksymalne są mniejsze od naprężeń dopuszczalnych. Obciążenie cieplne q wyznaczano w trybie on-line i wyświetlano na monitorze komputera. Przykładowe przebiegi zmierzonych temperatur wstawek oraz obliczone wartości obciążenia cieplnego przedstawiono na fig. 3. Wyznaczone w dyskretnych punktach wartości obciążenia cieplnego przybliżono funkcją ciągłą pokazaną na fig. 4. Analiza tych przebiegów wskazuje, że maksymalne wartości obciążenia cieplnego występują w niewielkiej odległości powyżej palników. Zmiany obciążenia cieplnego wyznaczane są w sposób ciągły w czasie. Przebieg obciążenia cieplnego w dłuższym przedziale czasowym pokazany został na przykładzie wstawki najbardziej obciążonej cieplnie, usytuowanej na poziomie 15,4 m. Pomiary obciążenia cieplnego obejmowały okres około s przy wydajności masowej kotła równej: m p = 212 Mg/h. Dla warunków temperatury i ciśnienia panujących w rurach ekranowych komory paleniskowej kotła OP-210 wyprowadzono, z wykorzystaniem metody najmniejszych kwadratów, następującą zależność pozwalającą na wyznaczanie lokalnego obciążenia cieplnego ekranu komory paleniskowej tego kotła: q = 6800, ,89 ΔT Zastrzeżenia patentowe 1. Wstawka termometryczna do pomiaru lokalnego obciążenia cieplnego ekranu komory paleniskowej kotła z zamocowanymi w niej czujnikami temperatury, znamienna tym, że jest konstrukcją spawaną posiadającą-korpus (2) w kształcie rury mimośrodowej, o ustalonej długości (L2) i średnicy zewnętrznej (d5) i wewnętrznej (d3), z króćcami spawnymi ukształtowanymi na zakończeniach korpusu (2), mającymi średnicę (d4) króćca o wymiarze tożsamym ze średnicą rury ekranowej (1), i z zewnętrznym rowkiem pomiarowym utworzonym w jednej połówce korpusu (2), w ustalonej odległości (L5) od jego zakończenia, nakładkę pierścieniową (3) osłaniającą rowek pomiarowy oraz rurkę (4) do odprowadzania przewodów elektrycznych od termoelementów (T) zabudowanych w korpusie, przy czym w czołowej, najgrubszej części korpusu (2) wykonane są cztery otwory równoległe do osi wstawki, otwarte od strony rowka pomiarowego, rozmieszczone na dwóch promieniach (r1 i r2) w osi symetrii wstawki i na osiach symetrycznie odchylonych od osi symetrii o kąt (ϕ), w których osadzone są termoelementy (T1-T4 ), natomiast na tylnej powierzchni rowka pomiarowego zamocowany jest kolejny termoelement (T5) do pomiaru temperatury zewnętrznej powierzchni wstawki, odpowiadającej temperaturze czynnika przepływającego przez rurę ekranową (1). 2. Wstawka według zastrz. 1, znamienna tym, że korpus (2) wykonywany jest z dwóch części, przy czym płaszczyzna podziału tych części przebiega przez rowek pomiarowy.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)