CN103886188A - 一种基于压差的回转式空预器漏风率的实时估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于压差的回转式空预器漏风率的实时估计方法，步骤：1.从DCS的实时数据库里读取给定时刻下的空气预热器烟气、一二次风出入口的相关压力、温度、流量测点数据；2.基于气体物性参数库，计算烟气、一二次风出入口的比热和密度；3.根据烟气侧与空气侧能量衡算计算瞬时总漏风质量流量，进而得到瞬时漏风面积，并以堆栈方式存储；4.在每天的固定时刻，计算最近24小时的日平均漏风面积，并用最近若干天的日平均漏风面积的加权平均值更新平均漏风面积；5.基于压差和平均漏风面积，得到瞬时总漏风质量流量修正值以及漏风率。本发明可用于在线监测空预器漏风状况，有助于确定空预器的维修周期以及校核尾烟气能量估计。

Description

一种基于压差的回转式空预器漏风率的实时估计方法

技术领域

本发明涉及火力发电控制领域中的一种空气预热器漏风率的实时估计技术，具体地说，是一种基于烟气侧和空气侧的压差的回转式空气预热器漏风率的实时估计方法。

背景技术

火力电站锅炉侧的高温烟气经各级过热器、再热器、省煤器等换热设备向工质传热后温度仍然较高，为了进一步利用烟气余热能量，工程上普遍在省煤器和脱硝装置之后安装空气预热器预热进炉空气，被预热的进炉空气，还能起到干燥煤粉、稳定燃烧等作用。根据传热方式的不同，可将空气预热器(其余部分简称为空预器)分为两类：传热式，如管式空预器；蓄热式，如回转式空预器。其中回转式空预器因结构紧凑、布置灵活、便于清洁、换热效率高等优点得到了广泛应用。回转式空预器(以下论述中空预器特指回转式空预器)由外围风罩和蓄热转子组成，转子部件由数以万计的蓄热元件组成，烟气和空气之间用密封隔板分隔为独立仓室。当空预器缓慢旋转时，烟气和空气沿各自仓室逆向交替流经空气预热器蓄热元件。蓄热元件在烟气侧吸热，空气侧放热，从而实现烟气向空气的传热。目前绝大多数锅炉均采用三分仓容克回转式空气预热器(三分仓即烟气侧烟气仓、空气侧一次风仓和二次风仓)。由于空气预热器属于动静连接结构，加上空气侧与烟气侧之间密封度有限，不可避免地会出现漏风(空气侧漏入烟气侧)。空气预热器的漏风主要有两种方式：携带漏风与直接漏风。携带漏风指在蓄热转子转动到烟气空气分隔板位置时，留在扇形仓格中的空气从空气侧进入烟气侧，携带漏风仅占总漏风量的1%左右，故本发明不计携带漏风。直接漏风指由于空气侧为正压，烟气侧为负压，使得空气通过缝隙漏入烟气侧，由此可见，直接漏风是漏风的主要方式，包括一次风漏风和二次风漏风。空预器漏风会造成以下不利后果：(1)送风机、引风机电耗相对增大；(2)进风量减少，燃烧不稳定，锅炉出力下降；(3)增大排烟热损，降低锅炉热效率。因此，空预器的漏风率是机组运行的一项重要监控指标。

目前多采用氧化锆氧量计测量空预器出入口氧量，然后根据经验公式粗略估计漏风率，方法相对简单(GB10184-88附录K)。但由于烟道飞灰颗粒的长期冲蚀，使氧化锆氧量计的使用寿命和可靠性大打折扣，加之氧化锆氧量计维护成本高，故亟需一种不依赖氧量测点的漏风率实时估计方法，以实现对漏风率的在线监控。

经过对现有技术的检索，中国专利申请号201110088424.4，公开号102213708A，公开日2011-10-12，记载了一种依据排烟温度计算空预器漏风率的测试方法，首先确定额定负荷下运行的工况为基本工况并估计此时的漏风率，根据漏入烟气侧的部分空气对烟气排烟温度的影响，反推得到无漏风时的理论排烟温度，然后在需要进行测试空预器漏风率时，再将机组运行到上述的基本工况，根据排烟温度、入口空气温度计算此时的空预器漏风率。这种方法需要事先测定一个基准漏风率，得到理论排烟温度，并且只能得到同一工况下的漏风率，无法进行在线实时的估计。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于压差的回转式空气预热器漏风率的实时估计方法。该方法不依赖于氧量计数据，而是根据烟气侧和空气侧的实时运行数据，基于压差的方法并结合滚动更新的漏风面积，实时估计空预器漏风率。

本发明提供了一种基于压差的回转式空气预热器漏风率实时估计方法，该方法考虑到空预器平均漏风面积是随着空预器运行时间缓慢增加的，平均漏风面积采用逐天更新；瞬时漏风面积、漏风率计算周期为一个采样周期。具体包括以下步骤：

步骤一、从DCS（分布式控制系统）的实时数据库里读取给定时刻下的空预器烟气入口温度、压力，烟气出口温度、压力，引风机处烟气体积流量；空预器一次风入口温度、压力，一次风出口温度、压力，进入磨煤机的一次风体积流量；空预器二次风入口温度、压力，二次风出口温度、压力，送风机处二次风体积流量；

步骤二、基于气体物性参数库和步骤一中的DCS测点数据，计算空预器烟气出入口的比热和密度、一次风出入口的比热和密度及二次风出入口的比和密度，据此可获得空预器烟气出口质量流量、一次风出口质量流量、二次风入口质量流量；

步骤三、根据烟气侧与空气侧能量衡算计算瞬时总漏风质量流量（不计携带漏风，只考虑直接漏风，包括一次风漏风和二次风漏风），进而得到瞬时漏风面积，并以堆栈方式存储；

步骤四、确定平均漏风面积，具体为：在每天的固定时刻，计算最近24小时的日平均漏风面积，用最近若干天的日平均漏风面积的加权平均值更新平均漏风面积；在其他时刻，平均漏风面积则不进行更新；

步骤五、基于步骤三计算的烟气侧与空气侧的平均压差和步骤四计算的平均漏风面积，得到瞬时总漏风质量流量修正值以及漏风率。瞬时总漏风质量流量修正值，用以代替瞬时总漏风质量流量表征真实的漏风情况。

优选地，步骤三中，所述烟气侧与空气侧能量衡算，是指基于烟气侧放热量与空气侧吸热量能量平衡，且假定一次风与二次风漏入烟气的量保持一定的比

例。瞬时总漏风质量流量x由下述方程的解确定：

(D_{out_yq}-x)h_{in_yq}+(D_{out_pa}+α·x)h_{in_pa}+D_{in_sa}h_{in_sa}＝  （1）

D_{out_yq}h_{out_yq}+D_{out_pa}h_{out_pa}+(D_{in_sa}-(1-α)·x)h_{out_sa}

上式中，D表示质量流量，h表示比焓，α表示瞬时一次风漏风质量流量占瞬时总漏风质量流量x的比例，相应地，（1-α）表示瞬时二次风漏风质量流量占瞬时总漏风质量流量x的比例；下标yq表示烟气，pa表示一次风，sa表示二次风，in表示空预器入口位置，out表示空预器出口位置。

优选地，步骤三中，所述瞬时漏风面积A的确定方法：

$\frac{x}{\sqrt{\mathrm{\Δp}\·\mathrm{\ρ}(p\′,T\′)}}---\left(2\right)$

其中：

$p\′=\mathrm{\α}\frac{p_{\mathrm{in}\_\mathrm{pa}}+p_{\mathrm{out}\_\mathrm{pa}}}{2}+(1-\mathrm{\α})\·\frac{p_{\mathrm{in}\_\mathrm{sa}}+p_{\mathrm{out}\_\mathrm{sa}}}{2}---\left(3\right)$

$T\′=\mathrm{\α}\·\frac{T_{\mathrm{in}\_\mathrm{pa}}+T_{\mathrm{out}\_\mathrm{pa}}}{2}+(1-\mathrm{\α})\·\frac{T_{\mathrm{in}\_\mathrm{sa}}+T_{\mathrm{out}\_\mathrm{sa}}}{2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δp}=p\′-\frac{p_{\mathrm{in}\_\mathrm{yq}}+p_{\mathrm{out}\_\mathrm{yq}}}{2}---\left(5\right)$

上式中，ρ表示漏风的平均密度，△p表示烟气侧与空气侧平均压差，p'、T'表示漏风的平均温度与平均压力。

优选地，步骤三中，所述瞬时漏风面积的存储方法，具体为：用向量AS记录最近24小时的瞬时漏风面积，存储采用堆栈方式。

优选地，步骤四中所述平均漏风面积的确定方法，具体为：

用向量AS_mean记录最近m天的平均漏风面积，AS_mean的维数为m，m根据空预器漏风面积随运行时间增加的经验规律确定，步骤为：

(a)在每天的固定时刻，计算向量AS中元素的算术平均值，并以堆栈方式储存到向量AS_mean中，然后对向量AS_mean中元素进行加权平均，实现平均漏风面积A'的更新：

$A\′=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}k\left(i\right){\mathrm{AS}}_{\mathrm{mean}}\left(i\right)---\left(6\right)$

上式中，k(i)表示加权系数，i=1,…m，i=1表示当日，i=2表示前一日，以此类推。

更优选地，加权系数k(i)采用指数型权重系数，k(i)的确定方法为：

$\left(i\right)=\frac{e^{0.1i}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{0.1i}}---\left(7\right)$

(b)在当日的其它时刻，平均漏风面积A'保持不变，不进行更新。

优选地，步骤五中，所述基于压差和平均漏风面积的瞬时总漏风质量流量修正值x'和漏风率R_leak的确定方法为：

$\′=A\′\sqrt{\mathrm{\Δp}\·\mathrm{\ρ}(p\′,T\′)}---\left(8\right)$

$R_{\mathrm{leak}}=\frac{x\′}{D_{\mathrm{out}\_\mathrm{yq}}-x\′}\·100\%---\left(9\right)$

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明能进行在线实时的估计，所需的各测点数据均从DCS控制系统的实时数据库直接读取，现场不需要额外增加测点、探头或昂贵的仪表，只需在已有的控制系统中增加相应的软件模块即可，成本低。该方法可用于监测空预器漏风状况，确定空预器的维修周期以及用于尾烟气能量估计的校核。

附图说明

图1为本发明一实施例空预器烟气、空气流向示意图；

图2为本发明一实施例空预器漏风率计算流程示意图；

图3为本发明一实施例A、B侧空预器漏风率与对应负荷(48h)示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施例涉及某亚临界300MW火力电站回转式空预器漏风率实时估计，锅炉型号HG-1025/17.3-WM18，为自然循环、一次中间再热、“W”火焰燃烧方式、双拱单炉膛、平衡通风、尾部双烟道、烟气挡板调温、固态排渣、露天布置、全钢架悬吊式汽包炉。该锅炉配备两台空预器，均为三分仓容克回转式空预器，型号28.5-FI(T)-1780-SMR，转速1转/min。

两侧空预器估计方法相同，下面以A侧空预器为例描述，具体步骤如下：

步骤一、从DCS控制系统的实时数据库里读取给定时刻下的空预器烟气入口温度411℃、压力-0.69kPa，空预器烟气出口温度134.53℃、压力-3.32kPa，引风机流量850km³/h；空预器一次风入口温度40.4℃、压力7.27kPa，空预器出口一次风温度344.7℃、压力6.51kPa，进入A、B、C、D4台磨煤机的一次风流量分别为30.23km³/h、30.12km³/h、32.39km³/h、32.13km³/h；空预器二次风入口温度33.41℃、压力2.22kPa，空预器出口二次风温度355.83℃、压力0.96kPa，送风机流量542.67km³/h。

步骤二、基于气体物性参数库和步骤一中的DCS测点数据，计算空预器烟气出入口的比热c_{in_yq}、h_{out_yq}和密度ρ_{in_yq}、ρ_{out_yq}、一次风出入口的比热c_{in_pa}、h_{out_pa}和密度ρ_{in_pa}、ρ_{out_pa}、二次风出入口的比热c_{in_sa}、h_{out_sa}和密度ρ_{in_sa}、ρ_{out_sa。}并分别计算空预器烟气出口质量流量D_{out_yq}、一次风出口质量流量D_{out_pa}、二次风进口质量流量D_{in_sa}：

所述气体物性参数库，是指通过气体压力和温度实时数据在线计算气体的比热和密度的物性数据库。可参考文献：蔡惟，于彤，惠兆宇，袁景淇，张锐峰，陈宇，火电锅炉排烟热损失的在线估计，控制工程，2011；18:149-151。

步骤三、通过烟气侧与空气侧能量衡算计算得到瞬时总漏风质量流量x：

(D_{out_yq}-x)h_{in_yq}+(D_{out_pa}+α·x)h_{in_pa}+D_{in_sa}h_{in_sa}＝  （1）

D_{out_yq}h_{out_yq}+D_{out_pa}h_{out_pa}+(D_{in_sa}-(1-α)·x)h_{out_sa}

上式中，D表示质量流量，h表示比焓，α表示瞬时一次风漏风质量流量占瞬时总漏风质量流量x的比例，相应地，（1-α）表示瞬时二次风漏风质量流量占瞬时总漏风质量流量x的比例；下标yq表示烟气，pa表示一次风，sa表示二次风，in表示空预器入口位置，out表示空预器出口位置，本实施例中α=0.8。

进而得到瞬时漏风面积；

$\frac{x}{\sqrt{\mathrm{\Δp}\·\mathrm{\ρ}(p\′,T\′)}}---\left(2\right)$

其中：

$p\′=\mathrm{\α}\frac{p_{\mathrm{in}\_\mathrm{pa}}+p_{\mathrm{out}\_\mathrm{pa}}}{2}+(1-\mathrm{\α})\·\frac{p_{\mathrm{in}\_\mathrm{sa}}+p_{\mathrm{out}\_\mathrm{sa}}}{2}---\left(3\right)$

$T\′=\mathrm{\α}\·\frac{T_{\mathrm{in}\_\mathrm{pa}}+T_{\mathrm{out}\_\mathrm{pa}}}{2}+(1-\mathrm{\α})\·\frac{T_{\mathrm{in}\_\mathrm{sa}}+T_{\mathrm{out}\_\mathrm{sa}}}{2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δp}=p\′-\frac{p_{\mathrm{in}\_\mathrm{yq}}+p_{\mathrm{out}\_\mathrm{yq}}}{2}---\left(5\right)$

上式中，ρ表示漏风的平均密度，△p表示烟气侧与空气侧平均压差，p'、T'表示漏风的平均温度与平均压力。

然后，用向量AS记录最近24小时的瞬时漏风面积，采样周期为5秒，AS的维数为17280维，存储采用堆栈方式，即加入最新的采样数据的同时，剔除最早的数据，从而保持AS的维数不变。

步骤四、用向量AS_mean记录最近15天的平均漏风面积，AS_mean的维数为15，(a)在每天的0:00，计算向量AS中元素的算术平均值，并以堆栈方式储存到向量AS_mean中，然后对向量AS_mean中元素进行指数型加权平均，实现平均漏风面积A'的更新：

$A\′=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}k\left(i\right){\mathrm{AS}}_{\mathrm{mean}}\left(i\right)---\left(6\right)$

上式中，k(i)表示加权系数，i=1,…15，i=1表示当日，i=2表示前一日，以此类推。

指数型权重系数k(i)为：

$\left(i\right)=\frac{e^{0.1i}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{0.1i}}---\left(7\right)$

(b)在当日的其它时刻，平均漏风面积A'保持不变，不进行更新。

步骤五、基于步骤三计算的烟气侧与空气侧的平均压差和步骤四计算的平均漏风面积计算瞬时总漏风质量流量修正值：

$\′=A\′\sqrt{\mathrm{\Δp}\·\mathrm{\ρ}(p\′,T\′)}---\left(8\right)$

结合漏风率的定义，计算该给定时刻的漏风率：

$R_{\mathrm{leak}}=\frac{x\′}{D_{\mathrm{out}\_\mathrm{yq}}-x\′}\·100\%---\left(9\right)$

上述方法已在现场DCS控制系统中组态实现，图3是连续运行48h后得出的A侧空预器、B侧空预器的漏风率计算结果，为便于对照，该图同时给出了对应的负荷的估计值。

本发明能进行在线实时的估计，可用于在线监测空预器漏风状况，有助于确定空预器的维修周期以及校核尾烟气能量估计。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于压差的回转式空气预热器漏风率实时估计方法，其特征在于，回转式空气预热器平均漏风面积是随着空预器运行时间缓慢增加的，平均漏风面积采用逐天更新；瞬时漏风面积、漏风率计算周期为一个采样周期；所述方法包括如下步骤：

步骤一、从机组DCS分布式控制系统的实时数据库里读取给定时刻下的空预器烟气入口温度、压力，烟气出口温度、压力，引风机处烟气体积流量；空预器一次风入口温度、压力，一次风出口温度、压力，进入磨煤机的一次风体积流量；空预器二次风入口温度、压力，二次风出口温度、压力，送风机处二次风体积流量；

步骤二、基于气体物性参数库和步骤一中的DCS测点数据，计算空预器烟气出入口的比热和密度、一次风出入口的比热和密度及二次风出入口的比和密度，据此获得空预器烟气出口质量流量、一次风出口质量流量、二次风入口质量流量；

步骤三、根据烟气侧与空气侧能量衡算计算瞬时总漏风质量流量，不计携带漏风，只考虑直接漏风，包括一次风漏风和二次风漏风，进而得到瞬时漏风面积，并以堆栈方式存储；

步骤四、确定平均漏风面积：在每天的固定时刻，计算最近24小时的日平均漏风面积，用最近若干天的日平均漏风面积的加权平均值更新平均漏风面积；在其他时刻，平均漏风面积则不进行更新；

步骤五、基于步骤三计算的烟气侧与空气侧的平均压差和步骤四计算的平均漏风面积，得到瞬时总漏风质量流量修正值以及漏风率；瞬时总漏风质量流量修正值，用以代替瞬时总漏风质量流量表征真实的漏风情况。

2.根据权利要求1所述一种基于压差的回转式空气预热器漏风率实时估计方法，其特征在于，步骤三中，所述瞬时总漏风质量流量x由下述方程的解确定：

(D_{out_yg}-x)h_{in_yq}+(D_{out_pa}+α·x)h_{in_pa}+D_{in_sa}h_{in_sa}＝(1）

D_{out_yq}h_{out_yq}+D_out__pah_{out_pa}+(D_{in_sa}-(1-α)·x)h_{out_sa}

上式中，D表示质量流量，h表示比焓，α表示瞬时一次风漏风质量流量占瞬时总漏风质量流量x的比例，相应地，（1-α）表示瞬时二次风漏风质量流量占瞬时总漏风质量流量x的比例；下标yq表示烟气，pa表示一次风，sa表示二次风，in表示空预器入口位置，out表示空预器出口位置。

3.根据权利要求2所述一种基于压差的回转式空气预热器漏风率的实时估计方法，其特征在于，步骤三中，所述瞬时漏风面积A的确定方法：

$\frac{x}{\sqrt{\mathrm{\Δp}\·\mathrm{\ρ}(p\′,T\′)}}---\left(2\right)$

其中：

$p\′=\mathrm{\α}\frac{p_{\mathrm{in}\_\mathrm{pa}}+p_{\mathrm{out}\_\mathrm{pa}}}{2}+(1-\mathrm{\α})\·\frac{p_{\mathrm{in}\_\mathrm{sa}}+p_{\mathrm{out}\_\mathrm{sa}}}{2}---\left(3\right)$

$T\′=\mathrm{\α}\·\frac{T_{\mathrm{in}\_\mathrm{pa}}+T_{\mathrm{out}\_\mathrm{pa}}}{2}+(1-\mathrm{\α})\·\frac{T_{\mathrm{in}\_\mathrm{sa}}+T_{\mathrm{out}\_\mathrm{sa}}}{2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δp}=p\′-\frac{p_{\mathrm{in}\_\mathrm{yq}}+p_{\mathrm{out}\_\mathrm{yq}}}{2}---\left(5\right)$

上式中，ρ表示漏风的平均密度，△p表示烟气侧与空气侧平均压差，p'、T'表示漏风的平均温度与平均压力。

4.根据权利要求3所述一种基于压差的回转式空气预热器漏风率实时估计方法，其特征在于，步骤三中，所述瞬时漏风面积的存储方法，具体为：

用向量AS记录最近24小时的瞬时漏风面积，若采样周期为5秒，则AS的维数为17280维，存储采用堆栈方式。

5.根据权利要求1所述一种基于压差的回转式空气预热器漏风率实时估计方法，其特征在于，步骤四中，所述平均漏风面积的确定方法，具体为：

用向量AS_mean记录最近m天的平均漏风面积，AS_mean的维数为m，m根据空预器漏风面积随运行时间增加的经验规律确定，步骤为：

(a)在每天的固定时刻，计算向量AS中元素的算术平均值，并以堆栈方式储存到向量AS_mean中，然后对向量AS_mean中元素进行指数型加权平均，实现平均漏风面积A'的更新：

$A\′=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}k\left(i\right){\mathrm{AS}}_{\mathrm{mean}}\left(i\right)---\left(6\right)$

上式中，k(i)表示加权系数，i=1,…m，i=1表示当日，i=2表示前一日，以此类推；

指数型权重系数k(i)的确定方法为：

$\left(i\right)=\frac{e^{0.1i}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{0.1i}}---\left(7\right)$

(b)在当日的其它时刻，平均漏风面积A'保持不变，不进行更新。

6.根据权利要求1所述一种基于压差的回转式空气预热器漏风率的实时估计方法，其特征在于，步骤五中，所述基于压差的瞬时总漏风质量流量修正值x'和漏风率R_leak的确定方法为：

$\′=A\′\sqrt{\mathrm{\Δp}\·\mathrm{\ρ}(p\′,T\′)}---\left(8\right)$

$R_{\mathrm{leak}}=\frac{x\′}{D_{\mathrm{out}\_\mathrm{yq}}-x\′}\·100\%---\left(9\right)$

上式中，ρ表示漏风的平均密度，△p表示烟气侧与空气侧压差，p'、T'表示漏风的平均温度与平均压力。

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