CN105045196B - 一种锅炉水冷壁结渣在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锅炉水冷壁结渣在线监测系统，包括：热电偶器，实时测量灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片的温差信号；信息管理器，接收热电偶器测量的温差信号，并将所述温差信号发送给相连接的分散控制器进行信息共享；分散控制器，接收信息管理器获取的温差信号，并将该温差信号经过处理后存储至相连接的结渣监测系统的SQL数据库中，供其他相配合的子系统读取；中央处理器，接收上述实时温差信号，并将所述温差信号与预先建立的支持向量机预测模型得出的最佳温差值相对比，若所述温差信号与所述最佳温差值不相符，所述不相符包括不相等或超过预定范围，则输出吹灰信号至相连接的吹灰器；吹灰器，接收中央处理器的吹灰信号，并同步投入运行。

Description

一种锅炉水冷壁结渣在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及监测系统，具体来说，涉及一种锅炉水冷壁结渣在线监测系统及方法。

背景技术

大型电站锅炉中，由于炉膛内烟气温度最高，熔融状态下的飞灰颗粒没有得到充分冷却就撞击在水冷壁上，不断的附着粘附产生结渣。准东煤中高含量的碱金属会选择性沉积，形成低熔点的共融物，使受热表面变得粗糙，粘性增强，更容易吸附飞灰颗粒，加剧水冷壁的结渣。所以燃用新疆高碱煤的锅炉沾污结渣问题更为严重，以致乌鲁木齐地区电厂只能以掺烧方式燃用准东煤，掺烧成本较高，不利于准东煤的大规模开发。所以，准东地区燃煤发电机组单烧准东煤是最经济可行的方案。目前各发电集团及其它能源公司在新疆大力建设大容量燃煤发电机组，多以全烧准东煤为设计煤。如果不能及时获得解决锅炉炉膛发生严重结渣的方法，保证锅炉机组的安全运行，则将严重影响“疆电外送”、“疆煤入渝”战略的实施，对准东、哈密产业带的开发，以及新疆输煤输电并举、输电为主的能源运输体系产生巨大影响。但对于水冷壁结渣的问题，人们在实践中不断摸索解决办法。

所以，研制出一种可以解决水冷壁结渣的问题的监测系统，便成为业内人士亟需解决的问题。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种锅炉水冷壁结渣在线监测系统及方法，能够解决水冷壁结渣的问题。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种锅炉水冷壁结渣在线监测系统，包括：

热电偶器，用于实时测量灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片的温差信号；

信息管理器，用于接收热电偶器测量的温差信号，并将所述温差信号发送给相连接的分散控制器进行信息共享；

分散控制器，用于接收信息管理器获取的温差信号，并将该温差信号经过处理后存储至相连接的结渣监测系统的SQL数据库中，供其他相配合的子系统读取；

中央处理器，用于接收上述实时温差信号，并将所述温差信号与预先建立的支持向量机预测模型得出的最佳温差值相对比，若所述温差信号与所述最佳温差值不相符，所述不相符包括不相等或超过预定范围，则输出吹灰信号至相连接的吹灰器；

吹灰器，用于接收中央处理器的吹灰信号，并同步投入运行。

进一步的，所述中央处理器，还用于建立结渣监测模型，所述建立结渣监测模型包括：

对上述温差信号进行归一化处理，并将处理后的数据分为训练样本和验证样本，其中对训练样本进行线性回归求解，同时利用验证样本对求解数据进行验证。

进一步的，所述中央处理器，还用于将分散控制器采集的温差信号输入至持向量机预测模型中，并通过持向量机预测模型计算出最佳温差值。

进一步的，还包括：

温差变送器，用于将热电偶器测量的热电势转化为4-20mA的电流信号；

电流电压变换器，用于将温差变送器输出的4-20mA的电流信号转换成0-5V的电压信号；模数转换器，用于将电流电压变换器输出的0-5V的电压信号进行模数转换和光电隔离，进而转换成可供信息管理器读取温差数字信号；

一种锅炉水冷壁结渣在线监测方法，包括如下步骤：

步骤一：实时测量灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片的温差信号；

步骤二：接收热电偶器测量的温差信号，并将所述温差信号发送给相连接的分散控制器进行信息共享；

步骤三：接收信息管理器获取的温差信号，并将该温差信号经过处理后存储至相连接的结渣监测系统的SQL数据库中，供其他相配合的子系统读取；

步骤四：接收上述实时温差信号，并将所述温差信号与预先建立的支持向量机预测模型得出的最佳温差值相对比，若所述温差信号与所述最佳温差值不相符，所述不相符包括不相等或超过预定范围，则输出吹灰信号至相连接的吹灰器；

步骤五：接收中央处理器的吹灰信号，并同步投入运行。

本发明的有益效果：本发明提出温差比结渣系数，可以准确直观的反应水冷壁结渣程度，只需在水冷壁背火侧安装热电偶，安装简单，相比在炉内安装热流计的方法，成本较低；能够实时的监测水冷壁结渣状况，指导吹灰器的运行，可以减少以往因不合理吹灰造成的蒸汽损耗或者管壁磨损，为电厂带来直接的经济效益，保证锅炉的安全运行，同时还可以将温差灰污系数数据上传到电站分散控制器，为优化锅炉运行提供技术数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统的方法示意图；

图2是根据本发明实施例所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统结构示意图；

图3是根据本发明实施例所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统的连接示意图；

图4是根据本发明实施例所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统新增热电偶测点位置示意图；

图5是根据本发明实施例所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统的支持向量机预测结构图；

图6是根据本发明实施例所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统的支持向量预测机模型建立流程图。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，根据本发明实施例所述的一种锅炉水冷壁结渣在线监测系统，包括：热电偶器1，用于实时测量灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片的温差信号；

信息管理器2，用于接收热电偶器测量的温差信号，并将所述温差信号发送给相连接的分散控制器进行信息共享；

分散控制器3，用于接收信息管理器获取的温差信号，并将该温差信号经过处理后存储至相连接的结渣监测系统的SQL数据库中，供其他相配合的子系统读取；

中央处理器4，用于接收上述实时温差信号，并将所述温差信号与预先建立的支持向量机预测模型得出的最佳温差值相对比，若所述温差信号与所述最佳温差值不相符，所述不相符包括不相等或超过预定范围，则输出吹灰信号至相连接的吹灰器；

吹灰器5，用于接收中央处理器的吹灰信号，并同步投入运行。

在一个实施例中，所述中央处理器，还用于建立结渣监测模型，所述建立结渣监测模型包括：

对上述温差信号进行归一化处理，并将处理后的数据分为训练样本和验证样本，其中对训练样本进行线性回归求解，同时利用验证样本对求解数据进行验证。

在一个实施例中，所述中央处理器，还用于将分散控制器采集的温差信号输入至持向量机预测模型中，并通过持向量机预测模型计算出最佳温差值。

在一个实施例中，还包括：

温差变送器(未示出)，用于将热电偶器测量的热电势转化为4-20mA的电流信号；

电流电压变换器(未示出)，用于将温差变送器输出的4-20mA的电流信号转换成0-5V的电压信号；

模数转换器(未示出)，用于将电流电压变换器输出的0-5V的电压信号进行模数转换和光电隔离，进而转换成可供信息管理器读取温差数字信号；

一种锅炉水冷壁结渣在线监测方法，包括如下步骤：

S101步骤一：实时测量灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片的温差信号；

S102步骤二：接收热电偶器测量的温差信号，并将所述温差信号发送给相连接的分散控制器进行信息共享；

S103步骤三：接收信息管理器获取的温差信号，并将该温差信号经过处理后存储至相连接的结渣监测系统的SQL数据库中，供其他相配合的子系统读取；

S104步骤四：接收上述实时温差信号，并将所述温差信号与预先建立的支持向量机预测模型得出的最佳温差值相对比，若所述温差信号与所述最佳温差值不相符，所述不相符包括不相等或超过预定范围，则输出吹灰信号至相连接的吹灰器；

S105步骤五：接收中央处理器的吹灰信号，并同步投入运行。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统，包括如下步骤：

步骤一：测量灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片的温差，并与预测的吹灰清理后水冷壁背火侧鳍片的温差进行比较，通过公式

计算出水冷壁结渣温差比的结渣系数，其中，为灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片a b两点的温差；为吹灰清理后水冷壁背火侧鳍片a b两点的温差；

步骤二：通过傅里叶定律

计算出实际吸收热流，其中，为水冷壁沿a，b两点方向实际吸收的热流，为a，b间距离；

步骤三：将上述各项数据存储至结渣监测系统的SQL数据库中，累计大量数据后，通过所述数据建立结渣检测模型，计算出结渣系数，当结渣系数超过预定值后，便输出吹灰信号至中央处理器，中央处理器通过温差变送器、电流电压变换器、模数转换器将吹灰信号转换成数字信号发送至吹灰器进行吹灰操作；

步骤四：待吹灰操作完毕，重复步骤一，将实时水冷壁背火侧鳍片的温差值保存至所述SQL数据库中，同时通过分散控制器下的与之实时传输数据的信息管理器的数据库读取负荷(蒸发量)、蒸汽压力、进风量、进煤量、煤种和燃烧器投运方式的六个影响因素值，一并存储到所述SQL数据库中；

步骤五：通过公式

对SQL数据库中数据进行归一化处理，其中，其中为样本数据，分别为样本数据中的最大值和最小值，为归一化后的数据；

步骤六：将归一化后的数据分为两组，第一组作为训练样本，第二组作为验证样本，其中，通过训练样本建立支持向量机预测模型，输入负荷(蒸发量)、蒸汽压力、进风量、进煤量、煤种和燃烧器投运方式六个影响因素值至公式

计算出背火侧温差，其中，为参数，并通过cross validation的方法寻找惩罚因子和核函数参数，进而求解出最佳的线性回归模型；

步骤七：通过验证样本来验证支持向量机模型。

其中，具体的，在不停炉增加新的热流计情况下，使用较少的热电偶装置测量灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片的温差，并与预测出来的吹灰清理后的背火侧鳍片的温差做比较，来判断水冷壁的结渣程度，指导吹灰器的投运。

本实用新型中水冷壁结渣程度监测参数是温差比结渣系数：

其中：

为灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片a b两点的温差；

为吹灰清理后水冷壁背火侧鳍片a b两点的温差；

水冷壁吸收炉膛的火焰辐射能，通过管壁金属介质传递给管内工质。由于热流的存在，必然会在管壁金属中形成温度梯度。通过传热分析与计算，水冷壁结渣越严重，其表面的灰污热阻越大，水冷壁实际吸收的辐射热流越小，由傅里叶定律

其中q为水冷壁沿a，b两点方向实际吸收的热流，为a，b间距离。

a，b两点间温差也就越小，温差比结渣系数也越接近于0。反过来，温差比结渣系数越接近于1，表明水冷壁实际温差越接近于吹灰清洁后温差，水冷壁实际受到的辐射热流越接近吹灰清理后的辐射热流，其表面的清洁程度接近于吹灰清理后的清洁程度，无需投运吹灰器。所以根据温差比结渣系数在0-1之间的变化，就可以判断水冷壁任意时刻相对于吹灰清理后的结渣程度，若超过设定的标准，系统自动发出吹灰信号，保证及时有效的吹灰。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明提出温差比结渣系数，可以准确直观的反应水冷壁结渣程度，只需在水冷壁背火侧安装热电偶，安装简单，相比在炉内安装热流计的方法，成本较低；能够实时的监测水冷壁结渣状况，指导吹灰器的运行，可以减少以往因不合理吹灰造成的蒸汽损耗或者管壁磨损，为电厂带来直接的经济效益，保证锅炉的安全运行，同时还可以将温差灰污系数数据上传到电站分散控制器，为优化锅炉运行提供技术数据。

继续参考图3，水冷壁结渣监测系统包括铂铑10-铂热电偶，温差变送器，电流电压变换器，模数转换器，中央处理器，DAS系统，数据管理器，吹灰控制器，吹灰器，铂铑10-铂热电偶测量水冷壁背火侧温差，输出热电势；

温差变送器将热电势转化为4-20mA的电流信号，电流电压变换器将温差变送器输出的4-20mA的电流信号转换成0-5V的电压信号，模数转换器将电流电压变换器输出的0-5V的电压信号进行A/D变换和光电隔离，转换成数字信号。锅炉分散控制器是一个专用于锅炉自动化控制的分布式集散控制系统，可以实时获取锅炉的运行参数和状态。数据管理器与分散控制器共享文件，将DCS数据经过一定处理后存入MIS网后台数据库中，供其它子系统使用；中央处理器，接受经过热电偶，温差变送器，电流电压变换器，模数转换器温差信号和数据管理器输出的实时运行参数信号，建立结渣监测模型，输出结渣系数，结渣系数超过一定值后，输出吹灰信号；吹灰器，接受中央处理器的吹灰信号后投入运行，喷出蒸汽，吹扫炉膛水冷壁。

其中，两只铂铑10-铂铑型热电偶正极接在一起，两个负极接入DDZ-S系列SBW型温差变送器，这种连线方法使两只热电偶产生的热电势相互抵消，与分别测温然后相减的方法比，精度更高，而且引线和温差变送器的数量减少了一半。

理想清洁状态下背火侧温差的预测：经热力计算和fluent模拟验证，背火侧的温差与水冷壁受到的辐射热流成正比，也就是与炉膛的燃烧状况有关。影响炉膛燃烧状况的因素有负荷(蒸发量)、蒸汽压力、进风量、进煤量、煤种还有燃烧器的投运方式。每次吹灰结束后，按照上述测量温差的方法，将水冷壁背火侧鳍片的温差值保存到结渣监测系统的SQL数据库中，同时通过分散控制器下的与之实时传输数据的MIS的数据库读取上述六个影响因素的值，一并存储到监测系统的SQL数据库中，然后按照图三所示的流程，先进行归一化处理

其中X为样本数据

X，X分别为样本数据中的最大值和最小值

X为归一化后的数据

将归一化后的数据分为两组，一组作为训练样本，建立支持向量机预测模型，其中六个影响因素的值作为输入参数，背火侧温差作为输出参数。选择径向基函数作为核函数

其中为参数，通过cross validation的方法寻找惩罚因子和核函数参数，将六个参数变量映射到高维的线性空间中，如图6所示，求解出最佳的线性回归模型，另外一组作为验证样本，来检验支持向量机模型的泛化推广性能。所以在监测系统运行的早期，它还不足以输出灰污状况的信息，它需要不断的积累样本数据，达到一定量之后，预测模型建才可以成功建立，然后将从分散控制器中将采集的实时运行工况参数输入支持向量机模型，就可以获得任意工况下对应的水冷壁吹灰清理后背火侧鳍片的温差，也就是水冷壁可以达到的最佳的清洁状况。

继续参考图4，在炉膛前墙、左侧墙、右侧墙水冷壁背火侧各安装20对热电偶，在炉膛后墙水冷壁背火侧鳍片处安装16对热电偶，一共76对热电偶。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种锅炉水冷壁结渣在线监测系统，其特征在于，包括：

热电偶器，用于实时测量灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片的温差信号；

信息管理器，用于接收热电偶器测量的温差信号，并将所述温差信号发送给相连接的分散控制器进行信息共享；

分散控制器，用于接收信息管理器获取的温差信号，并将该温差信号经过处理后存储至相连接的结渣监测系统的SQL数据库中，供其他相配合的子系统读取；

中央处理器，用于接收上述实时温差信号，并将所述温差信号与预先建立的支持向量机预测模型得出的最佳温差值相对比，若所述温差信号与所述最佳温差值不相符，所述不相符包括不相等或超过预定范围，则输出吹灰信号至相连接的吹灰器；

吹灰器，用于接收中央处理器的吹灰信号，并同步投入运行。

2.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统，其特征在于，所述中央处理器，还用于建立结渣监测模型，所述建立结渣监测模型包括：

对上述温差信号进行归一化处理，并将处理后的数据分为训练样本和验证样本，其中对训练样本进行线性回归求解，同时利用验证样本对求解数据进行验证。

3.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统，其特征在于，所述中央处理器，还用于将分散控制器采集的温差信号输入至支持向量机预测模型中，并通过支持向量机预测模型计算出最佳温差值。

4.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁结渣在线监测系统，其特征在于，还包括：

温差变送器，用于将热电偶器测量的热电势转化为4-20mA的电流信号；

电流电压变换器，用于将温差变送器输出的4-20mA的电流信号转换成0-5V的电压信号；

模数转换器，用于将电流电压变换器输出的0-5V的电压信号进行模数转换和光电隔离，进而转换成可供信息管理器读取温差数字信号。

5.一种锅炉水冷壁结渣在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：实时测量灰污结渣状态下水冷壁背火侧鳍片的温差信号；

步骤二：接收热电偶器测量的温差信号，并将所述温差信号发送给相连接的分散控制器进行信息共享；

步骤三：接收信息管理器获取的温差信号，并将该温差信号经过处理后存储至相连接的结渣监测系统的SQL数据库中，供其他相配合的子系统读取；

步骤四：接收上述实时温差信号，并将所述温差信号与预先建立的支持向量机预测模型得出的最佳温差值相对比，若所述温差信号与所述最佳温差值不相符，所述不相符包括不相等或超过预定范围，则输出吹灰信号至相连接的吹灰器；

步骤五：接收中央处理器的吹灰信号，并同步投入运行。