CN104776420B - 基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断方法及系统，该方法通过振动加速度传感器实时获取电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，利用中央处理器提取并计算得到数字振动信号的特征参数，并结合相同工况条件下锅炉过热器受热面清洁状态下振动信号特征参数进行计算分析，通过与结渣阈值比较诊断过热器管屏结渣状态，实现了对于电站锅炉运行过程中过热器的结渣故障的监测和诊断，保证锅炉运行的安全性。

Description

基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断方法及系统

技术领域

本发明属于电站锅炉技术领域，尤其涉及一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断方法及系统。

背景技术

当前我国电力工业的主要装备仍然以燃煤火电机组为主，燃煤火电机组运行过程中，在电站锅炉的过热器等受热壁面上有时会发生结渣等故障现象。锅炉过热器的结渣轻则会降低炉内过热器的传热能力，致使锅炉性能变差、运行经济性下降，重则可能造成大块结渣掉落引发恶性事故。因此，及时准确的诊断电站锅炉过热器的结渣状态对于大型火电机组的安全运行，进而提高电网运行的稳定性具有重要意义。

电站锅炉在运行过程中，过热器等过热器管屏受多种诱因和激励会产生振动，包括：(1)烟气冲刷管束形成的脱落涡所构成激励振动；(2)管内蒸汽在包含多个弯头的炉管内流动所产生的流致振动；(3)风机风压波动造成的烟气流场波动而诱发的振动；(4)炉膛内的燃烧脉动诱发的振动等。而在炉管外壁形成结渣时，相对于没有结渣的正常状态，振动监测信号的特征将发生变化。

自上世纪六七十年代以来，国内外学者针对燃煤电站锅炉结渣问题开展了大量研究工作并致力于得到一种有效诊断锅炉过热器结渣状态的方法。但是由于电站锅炉过热器所处的超高温环境条件，难以在炉内布置精准的测量传感器，而分布于烟气空间内的众多管子和管组彼此遮挡，通过炉壁上开设的少数观察孔也难以全面、及时查看过热器的结渣状态，同时电站锅炉整体处于复杂多变的动态运行工况中，因此目前对于电站锅炉过热器结渣诊断的方法限于以下三种：

(1)基于热平衡原理的锅炉过热器积灰结渣诊断方法。即以热平衡计算为基础，从省煤器出口开始，逆烟气流程逐段对各过热器进行传热计算和热平衡计算，得到各过热器进口烟温和结渣清洁因子。该方法只能对受热面进行整体结渣状态计算，同时由于清洁因子参数反映结渣过程的敏感性较低，导致计算结果误差较大，可靠性较低。

(2)利用灰污热流计分析过热器结渣过程的结渣诊断方法。通过在过热器表面增加模拟结渣过程的灰污热流计，比较结渣前后过热器热流密度的变化实现对过热器结渣状态的诊断。该方法热流计的布置却比较麻烦，需要焊接在受热面上，改变原有结构并降低受热面强度。

(3)基于水冷壁背火侧鳍端温度的过热器结渣诊断方法。针对膜式水冷壁的特殊结构，以测量水冷壁背火侧鳍端温度差来监测其内侧的结渣状态。该方法仅针对膜式水冷壁进行结渣诊断，应用范围非常有限。

相较于传统电站锅炉受热面结渣诊断方法，管屏炉外连接管振动信号蕴含着与受热面结渣状态密切相关的信息且易于获取。当管屏中的炉管发生结渣时，渣层附着在炉管外壁将使管屏的固有频率发生改变，同时渣层或渣块的产生还使烟气冲刷管束的局部气流激励条件发生改变，这些都将反映为炉外管屏连接管上可测的振动信号发生改变。基于管屏振动信号分析的结渣诊断方法可以实现在不对锅炉过热器受热面进行结构改造的前提下准确诊断其当前结渣状态，并可较为明确的确定结渣的具体位置，有效降低设备的安装成本并提高结渣诊断的准确率。由于振动信号测量装置全部安装位于锅炉炉墙外侧，能够保证其长时间有效工作。

发明内容

针对电站锅炉过热器因燃用非设计煤种或运行方式不当而引起的过热器管屏的结渣问题及现有结渣诊断技术存在的不足，本发明提出一种基于振动信号特征分析的电站锅炉过热器结渣诊断方法及系统。采用该方法和系统，能够在不改变锅炉运行结构的前提下，通过对电站锅炉过热器炉墙保温层外管屏连接管部分的振动信号的测量和分析来准确判断过热器当前的结渣状态，保证锅炉运行的安全性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断方法，包括以下步骤：

(1)通过振动加速度传感器获取设定工况条件下锅炉过热器受热面清洁状态时的电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，中央处理器对数字振动信号进行分析，提取计算清洁状态下的数字振动信号的有效值特征量，记为X₁，其计算模型为：

$X_1=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

其中，X₁为清洁状态下过热器管屏数字振动信号的有效值特征量；N为数字振动信号计算点数；x_i为该段数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；

(2)通过锅炉运行试验使锅炉过热器管屏处于结渣状态，利用振动加速度传感器获取该工况条件下锅炉过热器管屏处于结渣状态时的电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，中央处理器对数字振动信号进行分析，提取计算管屏结渣状态下的数字振动信号的有效值特征量，记为X₂，其计算模型为：

$X_2=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

其中，X₂为结渣时过热器管屏数字振动信号的有效值特征量；N为数字振动信号计算点数；x_i为该段数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；

(3)计算该电站锅在设定工况条件下锅炉过热器管屏结渣诊断阈值，记为D，其计算模型为：

$D=\frac{|X_1-X_2|}{X_1};$

(4)锅炉运行过程中，通过振动加速度传感器获取设定工况条件下锅炉过热器管屏待诊断状态下的电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，中央处理器对数字振动信号进行分析，提取计算该状态下管屏振动信号的有效值特征量，记为X，其计算模型为：

$X=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

其中，X为当前状态下过热器管屏数字振动信号的有效值特征量；N为数字振动信号计算点数；x_i为该段数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；

(5)比较在锅炉运行过程中，待检测状态下与诊断阈值D的大小，当满足时表明该锅炉过热器管屏处于结渣状态，影响锅炉运行，需要对其进行清理。

进一步地，所述设定工况条件是指对于不同的锅炉对象，需要设定选取锅炉运行负荷、工质流量和送风量为其日常运行中维持时间较长且较稳定的工况条件；测量诊断时锅炉运行负荷、工质流量和送风量工况条件需保持一致。

一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断系统，该系统包括振动信号采集单元、振动信号数据转换单元、过热器结渣诊断单元、过热器结渣状态显示单元和数据存储单元，

所述振动信号采集单元：利用振动加速度传感器，实时采集电站锅炉过热器管屏穿出炉墙保温层后的连接管的振动信号；

所述振动信号数据转换单元：利用数据采集卡，将振动加速度传感器采集到的模拟振动信号转换成数字振动信号；

所述过热器结渣诊断单元：利用中央处理器提取计算设定工况下锅炉过热器管屏清洁状态和前期运行试验下管屏结渣状态的数字振动信号的有效值特征量X₁和X₂，得到结渣诊断阈值D，计算模型为：

$X_1=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

$X_2=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

$D=\frac{|X_1-X_2|}{X_1}$

其中，X₁为清洁状态下过热器管屏数字振动信号的有效值特征量，X₂为结渣时过热器管屏数字振动信号的有效值特征量，N为数字振动信号计算点数，x_i为数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；在系统运行中，中央处理器监测获取设定锅炉工况下的过热器管屏振动信号有效值特征量X，比较待检测状态下与结渣诊断阈值D的大小，实现管屏结渣状态的诊断；

所述过热器结渣状态显示单元：利用显示器查看和显示过热器结渣诊断单元计算所得到的相同设定工况条件下过热器结渣状态监测及诊断结果；

所述数据存储单元：记录存储过热器锅炉负荷、工质流量、送风量、数字振动信号及振动有效值特征量数据，用于比对在相同设定工况条件下数字振动信号有效值特征量的变化，获得锅炉受热面管屏结渣状态诊断结果。

进一步地，所述振动加速度传感器通过散热装置连接锅炉顶部顶棚保温层外侧过热器管屏与锅炉联箱相连的管段；所述散热装置包括紧固环栓、散热翅片、连接主体和螺钉；所述振动加速度传感器通过螺钉紧固在连接主体的一端，所述散热翅片焊接在连接主体上，所述连接主体的另一端通过紧固环栓固定连接锅炉顶部顶棚保温层外侧过热器管屏与锅炉联箱相连的管段；通过增加散热翅片能够减少管壁向振动加速度传感器的导热，确保振动加速度传感器长期有效工作。

本发明的有益效果是：本发明采用以管屏炉外连接管的振动信号为结渣诊断分析基础，相较于传统的结渣诊断方法，该方法可以实现在不对锅炉过热器受热面进行结构改造并保证测量装置寿命的前提下诊断其当前结渣状态，可以有效降低设备的安装成本并提高结渣诊断的准确率。

附图说明

图1基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断方法实现流程图；

图2结渣诊断系统结构单元图；

图3炉外连接管加速度传感器布置示意图；

图4系统设定工况下不同时间段的管屏结渣诊断曲线图；

图5加装散热翅片的加速度传感器结构图；

图中，悬吊钢杆1、集箱2、保温混凝土3、硅酸铝毡4、耐火混凝土5、顶棚管6、管屏7、振动加速度传感器8、紧固环栓9、散热翅片10、连接主体11、螺钉12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断方法，包括以下步骤：

(1)通过振动加速度传感器获取设定工况条件下锅炉过热器受热面清洁状态时的电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，中央处理器对数字振动信号进行分析，提取计算清洁状态下的数字振动信号的有效值特征量，记为X₁，其计算模型为：

$X_1=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

其中，X₁为清洁状态下过热器管屏数字振动信号的有效值特征量；N为数字振动信号计算点数；x_i为该段数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；

(2)通过锅炉运行试验使锅炉过热器管屏处于结渣状态，利用振动加速度传感器获取该工况条件下锅炉过热器管屏处于结渣状态时的电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，中央处理器对数字振动信号进行分析，提取计算管屏结渣状态下的数字振动信号的有效值特征量，记为X₂，其计算模型为：

$X_2=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

其中，X₂为结渣时过热器管屏数字振动信号的有效值特征量；N为数字振动信号计算点数；x_i为该段数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；

(3)计算该电站锅在设定工况条件下锅炉过热器管屏结渣诊断阈值，记为D，其计算模型为：

$D=\frac{|X_1-X_2|}{X_1};$

(4)锅炉运行过程中，通过振动加速度传感器获取设定工况条件下锅炉过热器管屏待诊断状态下的电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，中央处理器对数字振动信号进行分析，提取计算该状态下管屏振动信号的有效值特征量，记为X，其计算模型为：

$X=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

其中，X为当前状态下过热器管屏数字振动信号的有效值特征量；N为数字振动信号计算点数；x_i为该段数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；

(5)比较在锅炉运行过程中，待检测状态下与诊断阈值D的大小，当满足时表明该锅炉过热器管屏处于结渣状态，影响锅炉运行，需要对其进行清理。

所述设定工况条件是指对于不同的锅炉对象，需要设定选取锅炉运行负荷、工质流量和送风量为其日常运行中维持时间较长且较稳定的工况条件；测量诊断时锅炉运行负荷、工质流量和送风量工况条件需保持一致。

如图2所示，本发明一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断系统，该系统包括振动信号采集单元、振动信号数据转换单元、过热器结渣诊断单元、过热器结渣状态显示单元和数据存储单元，所述振动信号采集单元：利用振动加速度传感器，实时采集电站锅炉过热器管屏穿出炉墙保温层后的连接管的振动信号；

所述振动信号数据转换单元：利用数据采集卡，将振动加速度传感器采集到的模拟振动信号转换成数字振动信号；

所述过热器结渣诊断单元：利用中央处理器提取计算设定工况下锅炉过热器管屏清洁状态和前期运行试验下管屏结渣状态的数字振动信号的有效值特征量X₁和X₂，得到结渣诊断阈值D，计算模型为：

$X_1=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

$X_2=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}$

$D=\frac{|X_1-X_2|}{X_1}$

其中，X₁为清洁状态下过热器管屏数字振动信号的有效值特征量，X₂为结渣时过热器管屏数字振动信号的有效值特征量，N为数字振动信号计算点数，x_i为数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；在系统运行中，中央处理器监测获取设定锅炉工况下的过热器管屏振动信号有效值特征量X，比较待检测状态下与结渣诊断阈值D的大小，实现管屏结渣状态的诊断；

所述过热器结渣状态显示单元：利用显示器查看和显示过热器结渣诊断单元计算所得到的相同设定工况条件下过热器结渣状态监测及诊断结果；

所述数据存储单元：记录存储过热器锅炉负荷、工质流量、送风量、数字振动信号及振动有效值特征量数据，用于比对在相同设定工况条件下数字振动信号有效值特征量的变化，获得锅炉受热面管屏结渣状态诊断结果。

如图3所示为振动加速度传感器8的布置图。电站锅炉过热器整体结构包括：悬吊钢杆1、集箱2、保温混凝土3、硅酸铝毡4、耐火混凝土5、顶棚管6、管屏7。电站锅炉是一个由顶棚管屏和保温层包覆而成的相对密闭的复杂系统。锅炉过热器的炉管在超高温的烟道中与烟气进行热交换，然后穿出锅炉炉墙汇聚于联箱。由于炉墙保温层的作用，烟道内烟气向环境散热很少，因此锅炉炉墙外侧环境温度在振动加速度传感器8的有效工作范围内，故而将加速度传感器布置于过热器管屏穿出炉墙保温层后的管段可以有效测量其振动信号。

如图4所示，振动加速度传感器8可通过散热装置连接锅炉顶部顶棚保温层外侧过热器管屏与锅炉联箱相连的管段；所述散热装置包括紧固环栓9、散热翅片10、连接主体11和螺钉12；所述振动加速度传感器8通过螺钉12紧固在连接主体11的一端，所述散热翅片10焊接在连接主体11上，所述连接主体11的另一端通过紧固环栓9固定连接锅炉顶部顶棚保温层外侧过热器管屏与锅炉联箱相连的管段；通过增加散热翅片10能够减少管壁向振动加速度传感器8的导热，确保振动加速度传感器8长期有效工作。

本发明方法及装置已应用于杭州半山发电有限公司#5号135MW燃煤电站锅炉上，通过在其锅炉顶保温层外侧过热器管屏与联箱相连的管段上安装振动加速度传感器，设定系统采样频率为12800HZ，采样长度为40960个采样点，可有效测得管屏振动信号。系统设定诊断工况为：锅炉负荷80MW、工质流量268.7t/h、295.04km³/h。2014年6月半山电厂对该锅炉进行为期一个月的停炉维修，可以认定此时锅炉管屏处于清洁状态，因此在锅炉启动运行后采集该工况下管屏振动信号即为管屏清洁状态的振动信号，计算的有效值为0.319，通过锅炉运行试验设置锅炉过热器管屏结渣，得到试验结渣状态下管屏振动信号有效值为0.220，故而可知该锅炉结渣阈值为0.310。图5所示为锅炉运行过程中系统设定工况下不同时间段的管屏结渣诊断曲线图。图中11月时系统诊断值超出阈值，表明锅炉发生结渣影响运行，此时采取清理操作，在12月时测量该设定工况下系统诊断值已小于结渣诊断阈值，达到良好的诊断效果。由此可知该系统实现了对振动信号分析计算，有效判断过热器管屏结渣状态以保证锅炉安全运行。现场实验证明该系统能够实现对电站锅炉过热器管屏结渣诊断，且能长时间有效运行。

Claims (4)

1.一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过振动加速度传感器获取设定工况条件下锅炉过热器受热面清洁状态时的电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，中央处理器对数字振动信号进行分析，提取计算清洁状态下的数字振动信号的有效值特征量，记为X₁，其计算模型为：

$X_1=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^2}$

其中，X₁为清洁状态下过热器管屏数字振动信号的有效值特征量；N为数字振动信号计算点数；x_i为该段数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；

(2)通过锅炉运行试验使锅炉过热器管屏处于结渣状态，利用振动加速度传感器获取该工况条件下锅炉过热器管屏处于结渣状态时的电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，中央处理器对数字振动信号进行分析，提取计算管屏结渣状态下的数字振动信号的有效值特征量，记为X₂，其计算模型为：

$X_2=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^2}$

其中，X₂为结渣时过热器管屏数字振动信号的有效值特征量；N为数字振动信号计算点数；x_i为该段数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；

(3)计算该电站锅炉在设定工况条件下锅炉过热器管屏结渣诊断阈值，记为D，其计算模型为：

$D=\frac{|X_1-X_2|}{X_1};$

(4)锅炉运行过程中，通过振动加速度传感器获取设定工况条件下锅炉过热器管屏待诊断状态下的电站锅炉过热器管屏炉外连接管的振动信号，经过数据采集装置生成数字振动信号，中央处理器对数字振动信号进行分析，提取计算该状态下管屏振动信号的有效值特征量，记为X，其计算模型为：

$X=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^2}$

其中，X为当前状态下过热器管屏数字振动信号的有效值特征量；N为数字振动信号计算点数；x_i为该段数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；

(5)比较在锅炉运行过程中，待检测状态下与诊断阈值D的大小，当满足时表明该锅炉过热器管屏处于结渣状态，影响锅炉运行，需要对其进行清理。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断方法，其特征在于，所述设定工况条件是指对于不同的锅炉对象，需要设定选取锅炉运行负荷、工质流量和送风量为其日常运行中维持时间较长且较稳定的工况条件；测量诊断时锅炉运行负荷、工质流量和送风量工况条件需保持一致。

3.一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断系统，其特征在于，该系统包括振动信号采集单元、振动信号数据转换单元、过热器结渣诊断单元、过热器结渣状态显示单元和数据存储单元，

所述振动信号采集单元：利用振动加速度传感器，实时采集电站锅炉过热器管屏穿出炉墙保温层后的连接管的振动信号；

所述振动信号数据转换单元：利用数据采集卡，将振动加速度传感器采集到的模拟振动信号转换成数字振动信号；

所述过热器结渣诊断单元：利用中央处理器提取计算设定工况下锅炉过热器管屏清洁状态和前期运行试验下管屏结渣状态的数字振动信号的有效值特征量X₁和X₂，得到结渣诊断阈值D，计算模型为：

$X_1=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^2}$

$X_2=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i^2}$

$D=\frac{|X_1-X_2|}{X_1}$

其中，X₁为清洁状态下过热器管屏数字振动信号的有效值特征量，X₂为结渣时过热器管屏数字振动信号的有效值特征量，N为数字振动信号计算点数，x_i为数字振动信号中各采样点对应的振动加速度幅值；在系统运行中，中央处理器监测获取设定锅炉工况下的过热器管屏振动信号有效值特征量X，比较待检测状态下与结渣诊断阈值D的大小，实现管屏结渣状态的诊断；

所述过热器结渣状态显示单元：利用显示器查看和显示过热器结渣诊断单元计算所得到的相同设定工况条件下过热器结渣状态监测及诊断结果；

所述数据存储单元：记录存储过热器锅炉负荷、工质流量、送风量、数字振动信号及振动有效值特征量数据，用于比对在相同设定工况条件下数字振动信号有效值特征量的变化，获得锅炉受热面管屏结渣状态诊断结果。

4.根据权利要求3所述的一种基于振动信号特征分析的锅炉过热器结渣诊断系统，其特征在于，所述振动加速度传感器通过散热装置连接锅炉顶部顶棚保温层外侧过热器管屏与锅炉联箱相连的管段；所述散热装置包括紧固环栓、散热翅片、连接主体和螺钉；所述振动加速度传感器通过螺钉紧固在连接主体的一端，所述散热翅片焊接在连接主体上，所述连接主体的另一端通过紧固环栓固定连接锅炉顶部顶棚保温层外侧过热器管屏与锅炉联箱相连的管段；通过增加散热翅片能够减少管壁向振动加速度传感器的导热，确保振动加速度传感器长期有效工作。