CN103914615A - 一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，具体包括：步骤1，根据锅炉运行设计规程获得空预器结构参数；步骤2，从DCS控制系统实时数据库里读取当前时刻之前的N组运行数据，采用单纯形参数辨识法得到N组空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子并进行算术平均得到平均修正因子；步骤3，从DCS控制系统的实时数据库里读取当前时刻运行数据，根据步骤2得到的两个平均修正因子和空预器温度场计算模型计算各分仓三维温度分布并输出，计算其均值，用于步骤4；步骤4，确定返回步骤2的条件。本发明用于在线监测空预器运行状况，指导清污操作，有利于火电机组的能效优化和安全生产。

Description

一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法

技术领域

本发明涉及火电控制领域，具体地，涉及一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法。

背景技术

回转式空气预热器被广泛用于火力电站中提高锅炉热效率，其利用锅炉尾烟气加热一次风和二次风，是锅炉尾部重要受热面。在实际运行中，由于自身结构和工作环境，空预器存在低温腐蚀、积灰污染、漏风等问题，以上问题都与空预器传热过程有关：金属温度场的准确计算可量化径向隔板热弹性变形，进而帮助优化转子径向密封设计；流体温度场的准确计算可监控排烟温度是否低于露点，防止空预器腐蚀积灰程度扩大。

目前常规的技术都是在空预器入口和出口安放传感器，无法探知空预器内部流体和金属温度分布。若在空预器内部安装红外传感器，成本较高，而且空预器内部是温度变化范围大，粉尘浓度高，且伴随有震动的环境，很容易造成传感器失灵甚至损坏。故亟需一种不在空预器内部添加新测点的实时空预器温度场分布测量技术。

经过对现有技术的检索，中国专利申请号200810231772.0，公开日2009-03-11，记载了一种基于转子温度场模拟计算的电站锅炉空预器热点检测方法。该方法首先采集各种空预器参数输入到计算模型，初始化边界温度，然后得到空预器各段温度进行迭代，若前后两次温度差符合要求，停止迭代。这种方法需要实时采集流速、密度、比热、热传导率、换热系数等参数，这些参数有些无法直接采集，有些采集精度不高，而且需要额外安装传感器。

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带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，该方法充分利用DCS（DCS-Distributed Control System)控制系统实时数据，结合回转式空预器机理模型获得空预器温度场分布；利用温度场分布监控空预器漏风、积灰、腐蚀情况，显然有助于火电机组的安全平稳生产和热效率优化，同时对空预器的优化改装设计有指导作用。

为实现以上目的，本发明提供一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、根据锅炉运行设计规程，获得空预器以下结构参数：空预器各烟气分仓所占转子角度，转子自由流通面积，转子各段高度，传热波纹板板型，各段孔隙比、换热面积；

步骤二、从DCS控制系统实时数据库里读取当前时刻之前的N组运行数据，具体包括：空预器各分仓出入口温度、出入口表压力、引风机入口烟气体积流量、送风机出口二次风体积流量、各磨煤机处一次风体积流量，然后采用单纯形参数辨识法得到N组空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子，分别对N个空气对流换热系数修正因子和N个金属壁转动携带热量增量修正因子进行算术平均，得到用于步骤三的平均修正因子；

步骤三、从DCS控制系统的实时数据库里读取当前时刻运行数据，具体包括：空预器各分仓出入口温度、出入口表压力、引风机入口烟气体积流量、送风机出口二次风体积流量、各磨煤机处一次风体积流量，然后根据空预器温度场计算模型计算各分仓三维温度分布并输出，上述计算模型将每一分仓的横截面离散化为若干个微小的扇形区域，在出口截面每个微小扇形温度是不同的，计算其均值，用于步骤四；

步骤四、确定返回步骤二的条件，比较各分仓出口平均温度的模型计算值与实测值之差，若误差大于事先给定的阈值，则进入下一轮三维温度计算，返回步骤二更新空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子，否则直接进入下一轮三维温度计算，即返回步骤三。

优选地，所述方法可以自动寻优初始化值，并根据运行状况，自主修正待辨识的参数：空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子。

优选地，步骤二所述修正因子的单纯形参数辨识法，目标函数为：

式中，N表示烟气分仓数目，表示各分仓气体出口温度实测值，T表示模型计算值；k₁、k₂分别表示空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子。

优选地，步骤三中，所述空预器温度场计算模型，包括气体物性参数计算模型、金属壁物性参数计算模型、空预器换热迭代计算模型。

更优选地，所述气体物性参数计算模型包括计算运动黏度、导热系数、普朗特数的工程插值拟合多项式和气体物性参数库，其中：所述气体物性参数库是指通过烟气压力和温度实时数据在线计算烟气的比热和密度的物性数据库，可参考文献：蔡惟，火电锅炉排烟热损失的在线估计，控制工程，2011；18:149-151；所述工程插值拟合多项式可参考文献：冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌，锅炉原理及计算，科学出版社，2003。

优选地，所述气体物性参数计算模型，具体地：

气体流速计算：

$u=\frac{F}{\mathrm{As}\×e}---\left(2\right)$

气体雷诺数Re的计算：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{Hd}\×u}{v}---\left(3\right)$

式中，F代表气体体积流量，As代表气体所通过空预器该分仓的流通面积，e代表该分仓该段导热波纹板的孔隙比，Hd代表该波纹板当量直径，v代表气体运动黏度；

气体对流放热系数计算：

$\mathrm{\α}=k_1\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Hd}}\×{\mathrm{Re}}^{0.83}\×{\mathrm{Pr}}^{0.4}---\left(4\right)$

式中，k₁代表待辨识气体对流放热系数修正因子，λ代表气体导热系数，Pr代表普朗特数。

优选地，所述金属壁物性参数计算模型，具体地：

金属导热系数和比热在0-800℃范围内和金属温度呈线性关系，计算时，采用线性插值方法。

优选地，所述空预器换热迭代计算模型，具体地：

将空预器各分仓按轴向和周向微元化生成传热微元，分别得到空预器金属壁矩阵和空预器流体矩阵，每个传热微元基本传热方程如下：

$F\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\×c_p\×(t_{\mathrm{in}}-t_{\mathrm{out}})=\mathrm{\α}\×S\×(\frac{t_{\mathrm{in}}+t_{\mathrm{out}}}{2}-\frac{T_{i,j}+T_{i,j+1}}{2})---\left(5\right)$

$\begin{array}{c}F\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\×c_p\×(t_{\mathrm{in}}-t_{\mathrm{out}})+k_{i-1,j}\×\mathrm{As}\×(1-e)\×\frac{N_i}{H_i}\×(\frac{T_{i-1,j}+T_{i-1,j+1}}{2}-\frac{T_{i,j}+T_{i,j+1}}{2})\\ -k_{i,j}\×\mathrm{As}\×(1-e)\×\frac{N_i}{H_i}\×(\frac{T_{i,j}+T_{i,j+1}}{2}-\frac{T_{i+1,j}+T_{i+1,j+1}}{2})=\\ \frac{k_2\×\mathrm{As}\×H_i\×(1-e)\×{\mathrm{\ρ}}_m\×c_m\×(T_{i,j+1}-T_{i,j})}{N_i\×n\×60}\end{array}---\left(6\right)$

式中，S表示微元体对流传热面积，N_i表示该段微元轴向所分段数，H_i表示该段长度，k_i,j表示该微元体金属壁热传导系数，n表示空预器转速，k₂表示待辨识的气体对流放热系数修正因子，依据以上方程可分别得到金属侧推导流体侧温度的矩阵方程和流体侧推导金属侧温度的矩阵方程；

根据空预器出入口温度，采用线性分布初始化空预器各分仓各段温度场，生成空预器金属壁温度矩阵和空预器流体温度矩阵，再通过气体物性参数计算模型和金属壁物性参数计算模型得到流体各物性参数矩阵和金属壁各物性参数矩阵；利用（5）式和（6）式得到的矩阵计算方程按从上至下从左至右交替计算烟气仓、空气仓流体温度和金属壁温度；当计算出的金属壁最后一列温度与第一列温度满足下式小于阈值则停止计算：

$T_{\mathrm{dev}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-T_i^{\′})}^2}{N}}---\left(7\right)$

若不满足，则用该温度矩阵替代旧的温度矩阵重新计算流体各物性参数矩阵和金属壁各物性参数矩阵，以此计算新的温度矩阵直至达到收敛。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明实现了对回转式空预器实时在线温度场分布计算，计算速度快（计算时间为秒级），精度高，附加成本低，系统适应性强，可用于各种工况平稳和非平稳状态，鲁棒性高，可随系统参数变化自行实时更新。基于本发明可以监控空预器运行状态，评估预测空预器积灰、腐蚀、漏风状况，对火电流程的平稳生产、热效率优化和节能减排有重大现实意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例容克式三分仓回转式空气预热器结构图；

图2为本发明一实施例空预器（热端、中温端、冷端）微元划分示意图；

图3为本发明一实施例单个烟气侧传热微元传热过程示意图；

图4为本发明一实施例某时刻金属壁温度分布图；

图5为本发明一实施例流体温度分布。

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。

以某容克式三分仓空气预热器在线温度场分布计算为例，如图1所示，空预器型号28.5-VI（T）-1780-SMR型，预热器轴立式布置，烟气流向从上向下，空气流向从下向上，传热元件总高1780mm，转子采用半模块设计结构，常规圆形外壳，密封形式为柔性接触式密封。

本实施例提供一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、根据锅炉运行设计规程，获得空预器以下结构参数：转子隔仓数36，转速1rpm，直径9970mm，总重量210t，传热元件总高1994mm；热端高度1079mm，传热波纹板板型为0.5mm碳钢FNC板型，孔隙率0.8935，当量直径0.0086m，总换热面积32102m²；中温端高度559mm，传热波纹板板型为0.5mm碳钢FNC板型，孔隙率0.8935，当量直径0.0086m，总换热面积16815m²；冷端高度356mm，传热波纹板板型为0.8mmSPCC-SD钢（搪瓷）NF6板型，孔隙率0.8639，当量直径0.01012m，总换热面积8280m²。

步骤二、从DCS控制系统实时数据库里读取当前时刻之前的10组运行数据，具体包括：空预器各分仓出入口温度、出入口表压力、引风机入口烟气体积流量、送风机出口二次风体积流量、各磨煤机处一次风体积流量，然后采用单纯形参数辨识法得到10组空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子，分别对10个空气对流换热系数修正因子和10个金属壁转动携带热量增量修正因子进行算术平均，得到用于步骤三的平均修正因子。

现以其中一组说明单纯形法和空预器温度场计算模型：空预器烟气仓出口温度109℃，127℃、平均入口温度373℃、出口表压力-2.00kPa、入口表压力-0.67kPa，二次风仓出口温度317℃，334℃、平均入口温度14℃、出口表压力0.94kPa、入口表压力2.05kPa，一次风仓平均出口温度315℃、平均入口温度19℃、出口表压力6.73kPa、入口表压力7.40kPa，引风机入口烟气体积流量773m³/h、送风机出口二次风体积流量506m³/h、磨煤机处一次风体积流量124m³/h，初始k₁k₂均设为1。

将空预器各分仓各端按轴向和周向微元化生成传热微元，如图2所示，分别得到空预器金属壁矩阵和空预器流体矩阵，其中：烟气仓沿周向等分成30份，二次风仓沿周向20份，一次风仓7份；热端、中温端、冷端分别沿轴向分为10份。每一端流体入口温度皆等于上一端流体出口温度；每一分仓金属最左侧温度皆等于上一分仓金属最右侧温度。故最终空预器金属壁温度矩阵为30×60矩阵，空预器流体温度矩阵为33×57矩阵。图3所示为每个传热微元传热过程。按线性分布初始化温度矩阵并由此计算各物性参数矩阵，从烟气仓热端开始计算，由烟气仓热端最左侧金属壁温度和入口烟气温度，算出第一列热端传热微元烟气温度分布，再由烟气温度分布算出第一列热端传热微元右侧金属温度分布，如此向右滚动算出整个烟气仓热端温度分布；同理算出烟气仓中温端和冷端烟气温度和金属壁温度分布；待烟气仓所有传热微元计算完毕，再依次计算二次风仓和一次风仓传热微元温度分布。当计算出的金属壁最后一列温度与第一列温度使下式小于0.5℃则停止计算：

$T_{\mathrm{dev}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-T_i^{\′})}^2}{N}}---\left(7\right)$

若不满足，则用该温度矩阵替代旧的温度矩阵重新计算流体各物性参数矩阵和金属壁各物性参数矩阵，以此计算新的温度矩阵直至达到收敛。

第一次收敛计算得到烟气出口温度范围为79℃～134℃，二次风仓出口温度范围324℃～358℃，一次风仓出口温度范围为319℃～324℃。按单纯形法调整k₁k₂重复计算使之达到最优解，最终k₁为0.7，k₂为2。如图4所示是该时刻金属壁温度分布图，如图5所示是流体温度分布。

步骤三、从DCS控制系统的实时数据库里读取当前时刻运行数据，具体包括：空预器各分仓出入口温度、出入口表压力、引风机入口烟气体积流量、送风机出口二次风体积流量、各磨煤机处一次风体积流量，然后根据空预器温度场计算模型计算各分仓三维温度分布并输出。目前国内最广泛使用的是三分仓空预器，上述计算模型将每一分仓的横截面离散化为57个微小的扇形区域，在出口截面每个微小扇形温度是不同的，计算其均值，用于步骤四。

步骤四、确定返回步骤二的条件。比较各分仓出口平均温度的模型计算值与实测值之差，若误差大于事先给定的阈值5℃，则进入下一轮三维温度计算，转步骤二更新空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子；否则，直接进入下一轮三维温度计算，即返回步骤三。

本发明实现了对回转式空预器实时在线温度场分布计算，计算速度快（计算时间为秒级），精度高，附加成本低，系统适应性强，可用于各种工况平稳和非平稳状态，鲁棒性高，可随系统参数变化自行实时更新。基于本发明可以监控空预器运行状态，评估预测空预器积灰、腐蚀、漏风状况，对火电流程的平稳生产、热效率优化和节能减排有重大现实意义。

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)

1.一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，其特征在于，所述方法具体步骤包括：

步骤一、根据锅炉运行设计规程，获得空预器以下结构参数：空预器各烟气分仓所占转子角度，转子自由流通面积，转子各段高度，传热波纹板板型，各段孔隙比、换热面积；

步骤二、从DCS控制系统实时数据库里读取当前时刻之前的N组运行数据，具体包括：空预器各分仓出入口温度、出入口表压力、引风机入口烟气体积流量、送风机出口二次风体积流量、各磨煤机处一次风体积流量，然后采用单纯形参数辨识法得到N组空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子，分别对N个空气对流换热系数修正因子和N个金属壁转动携带热量增量修正因子进行算术平均，得到用于步骤三的平均修正因子；

步骤三、从DCS控制系统的实时数据库里读取当前时刻运行数据，具体包括：空预器各分仓出入口温度、出入口表压力、引风机入口烟气体积流量、送风机出口二次风体积流量、各磨煤机处一次风体积流量，然后根据空预器温度场计算模型计算各分仓三维温度分布并输出，上述计算模型将每一分仓的横截面离散化为若干个微小的扇形区域，在出口截面每个微小扇形温度是不同的，计算其均值，用于步骤四；

步骤四、确定返回步骤二的条件，比较各分仓出口平均温度的模型计算值与实测值之差，若误差大于事先给定的阈值，则进入下一轮三维温度计算，返回步骤二更新空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子，否则直接进入下一轮三维温度计算，即返回步骤三。

2.根据权利要求1所述的一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，其特征在于，步骤二所述修正因子的单纯形参数辨识法，目标函数为：

式中，N表示烟气分仓数目，表示各分仓气体出口温度实测值，T表示模型计算值；k₁、k₂分别表示空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子。

3.根据权利要求1所述的一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，其特征在于，步骤三所述的空预器温度场计算模型，包括：气体物性参数计算模型、金属壁物性参数计算模型、空预器换热迭代计算模型。

4.根据权利要求3所述的一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，其特征在于，所述气体物性参数计算模型，具体地：

气体流速计算：

$u=\frac{F}{\mathrm{As}\×e}---\left(2\right)$

气体雷诺数Re的计算：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{Hd}\×u}{v}---\left(3\right)$

式中，F代表气体体积流量，As代表气体所通过空预器该分仓的流通面积，e代表该分仓该段导热波纹板的孔隙比，Hd代表该波纹板当量直径，v代表气体运动黏度；

气体对流放热系数计算：

$\mathrm{\α}=k_1\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Hd}}\×{\mathrm{Re}}^{0.83}\×{\mathrm{Pr}}^{0.4}---\left(4\right)$

式中，k₁代表待辨识气体对流放热系数修正因子，λ代表气体导热系数，Pr代表普朗特数。

5.根据权利要求3所述的一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，其特征在于，所述金属壁物性参数计算模型，具体地：

金属导热系数和比热在0-800℃范围内和金属温度呈线性关系，计算时，采用线性插值方法。

6.根据权利要求3所述的一种带自校正功能的回转式空预器温度场在线估计方法，其特征在于，所述空预器换热迭代计算模型，具体地：

将空预器各分仓按轴向和周向微元化生成传热微元，分别得到空预器金属壁矩阵和空预器流体矩阵，每个传热微元基本传热方程如下：

$F\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\×c_p\×(t_{\mathrm{in}}-t_{\mathrm{out}})=\mathrm{\α}\×S\×(\frac{t_{\mathrm{in}}+t_{\mathrm{out}}}{2}-\frac{T_{i,j}+T_{i,j+1}}{2})---\left(5\right)$

$\begin{array}{c}F\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}\×c_p\×(t_{\mathrm{in}}-t_{\mathrm{out}})+k_{i-1,j}\×\mathrm{As}\×(1-e)\×\frac{N_i}{H_i}\×(\frac{T_{i-1,j}+T_{i-1,j+1}}{2}-\frac{T_{i,j}+T_{i,j+1}}{2})\\ -k_{i,j}\×\mathrm{As}\×(1-e)\×\frac{N_i}{H_i}\×(\frac{T_{i,j}+T_{i,j+1}}{2}-\frac{T_{i+1,j}+T_{i+1,j+1}}{2})=\\ \frac{k_2\×\mathrm{As}\×H_i\×(1-e)\×{\mathrm{\ρ}}_m\×c_m\×(T_{i,j+1}-T_{i,j})}{N_i\×n\×60}\end{array}---\left(6\right)$

式中，S表示微元体对流传热面积，N_i表示该段微元轴向所分段数，H_i表示该段长度，k_i,j表示该微元体金属壁热传导系数，n表示空预器转速，k₂表示待辨识的气体对流放热系数修正因子，依据以上方程可分别得到金属侧推导流体侧温度的矩阵方程和流体侧推导金属侧温度的矩阵方程；

根据空预器出入口温度，采用线性分布初始化空预器各分仓各段温度场，生成空预器金属壁温度矩阵和空预器流体温度矩阵，再通过气体物性参数计算模型和金属壁物性参数计算模型得到流体各物性参数矩阵和金属壁各物性参数矩阵；利用（5）式和（6）式得到的矩阵计算方程按从上至下从左至右交替计算烟气仓、空气仓流体温度和金属壁温度；当计算出的金属壁最后一列温度与第一列温度满足下式小于阈值则停止计算：

$T_{\mathrm{dev}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i-T_i^{\′})}^2}{N}}---\left(7\right)$

若不满足，则用该温度矩阵替代旧的温度矩阵重新计算流体各物性参数矩阵和金属壁各物性参数矩阵，以此计算新的温度矩阵直至达到收敛。