CN106642059A - 一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法，包括数据采集与预处理模块、锅炉稳态运行工况识别模块、锅炉高温受热面壁温计算模块以及高温受热面壁温安全预警模块。计算步骤为：由数据采集与预处理模块采集DCS或SIS系统中的数据并进行预处理；由锅炉稳态运行工况识别模块判断锅炉当前运行状态；当锅炉处于稳态运行工况时，由锅炉高温受热面壁温计算模块根据锅炉各高温受热面进出口烟温、汽温，计算各高温受热面金属壁温，由高温受热面壁温安全预警模块对各高温受热面的金属壁温进行在线安全预警分析，当发现壁温异常时输出壁温安全告警。本发明实现了电站锅炉高温受热面安全性的在线监测，为电站锅炉安全稳定运行提供了重要依据。

Description

一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种安全监测方法，具体涉及一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法。

背景技术

锅炉作为火电机组最重要的主机之一，保证其安全稳定运行至关重要。目前，锅炉事故中最多的是“四管爆破”，由于过再热器长期工作在恶劣环境中，其超温和爆管次数所占的比例最大。据统计，锅炉高温受热面爆管事故占锅炉事故的百分之六十以上。

发生爆管事故，将会降低设备的可用率，增加发电成本。若1台300MW锅炉爆管1次，按每次停炉抢修耗时3天，负荷率60％计算，将减少发电约1300万kWh，加上机组启停损失，爆管造成的直接经济损失是相当大的。因此，对锅炉高温受热面金属壁温进行在线安全性监测，对异常情况进行安全预警，从而提醒运行人员及时调整运行工况，是相关技术人员一直关心的问题。

中国专利CN 102494325B公布了一种电站锅炉高温管系炉内动态壁温监测的方法，通过建立高温受热面壁温的稳态计算模型，实现了高温管段壁温的在线计算，然而该方法没有区分锅炉稳态与非稳态运行状态，当锅炉处于非稳态运行工况时，其所建立的壁温稳态计算模型并不能适用，若在非稳态条件下使用稳态计算模型，将导致较大的计算结果偏差，从而造成锅炉高温受热面安全在线监测系统的失效；

中国专利CN 103672846B公布了一种锅炉过热器/再热器受热面壁温及氧化皮厚度的监测方法，通过建立壁温计算的神经网络模型，实现壁温的在线监测，建立神经网络模型需要大量准确的样本数据，然而锅炉高温受热面壁温获取难度较大，且样本的准确程度对计算结果的准确程度产生直接影响，难以实现工程化应用。

此外，随着锅炉运行工况、煤质以及运行时间等外部条件的变化，锅炉高温受热面壁温水平是不断变化的，在壁温的安全性监测过程中，如何根据上述条件变化，不断更新高温受热面壁温安全监测判据，是锅炉高温受热面安全性在线监测系统必须解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法，其特征在于：包括数据采集与预处理模块、锅炉稳态运行工况识别模块、锅炉高温受热面壁温计算模块以及高温受热面壁温安全预警模块；

具体步骤为：

步骤1：由数据采集与预处理模块通过OPC方式从DCS或SIS系统采集锅炉负荷、高温受热面进出口烟温汽温数据，通过数据库接口采集关系数据库中存放的各高温受热面历史典型壁温数据，对采样数据进行滤波处理供其他模块作为输入数据使用；

步骤2：由锅炉稳态运行工况识别模块判断锅炉机组当前是否处于稳态运行工况，当锅炉处于稳态运行工况时，则执行步骤3；否则，结束计算过程；

步骤3：由锅炉高温受热面壁温计算模块根据锅炉各高温受热面进出口烟温、汽温，计算各高温受热面金属壁温；

步骤4：由高温受热面壁温安全预警模块对各高温受热面的金属壁温进行在线安全预警分析，当发现壁温异常时输出壁温安全告警。

所述锅炉稳态运行工况识别模块的输入为锅炉实时负荷滤波值，输出为计算使能信号，当判断锅炉机组处于稳态运行工况时，输出的计算使能信号值为1，否则，输出的计算使能信号值为0；

判断锅炉机组是否处于稳态运行工况的具体方法为：

按下式计算连续N个锅炉负荷滤波值D_i的方差s：

式中：N为计算锅炉负荷滤波方差的样本数；M为锅炉负荷滤波级数；D_i为第i个锅炉负荷原始值；D_i′为第i个锅炉负荷滤波值；为N个锅炉负荷滤波值的算术平均值；M、N的取值与锅炉负荷采样频率t有关，当t≤5s时，M在10～50范围内取值，N在10～20范围内取值，当t＞5s时，M、N在10以内取值；

若连续N个锅炉负荷滤波值D_i的方差s小于等于阈值θ时，则认为锅炉机组当前处于稳态状态，否则，处于非稳态状态；通常情况下，阈值θ可在0.5～1.5范围内取值。

所述锅炉高温受热面壁温计算模块的输入部分包括计算使能信号、各测点采样数据的滤波值，输出为各高温受热面金属壁温；

高温受热面金属壁温的具体计算方法为：

式中：t_b、t_j分别为受热面计算点的金属壁温和计算管的进口温度，℃；Δi为受热面管组中任一管段的焓增，kJ/kg；R为计算管的蒸汽比热，kJ/(kg·℃)；D为蒸汽流量，kg/h；k_r、k_h分别为宽度和高度的吸热偏差系数；E₀、d、l分别为计算管段的面积折算系数、长度和管外径；q_f、p分别为屏前、屏后、屏中及屏下烟室的辐射热负荷及其偏差系数；q_p、q_d、ξ₁、ξ₂分别为屏间烟气辐射和对流热负荷及其偏差系数；q_m为计算管段外壁沿周界最大热负荷，W/m²；β、J、α₂分别为热均流系数、管径比和管内蒸汽对管壁的放热系数，W/(m²·K)；δ、λ分别为管壁厚度，m，金属导热系数，W/(m·K)；η、φ分别为对流热负荷增大系数及辐射热负荷曝光系数；H_d、H_f、H_p分别为对流受热面积、屏辐射面积以及屏间辐射面积。

所述高温受热面壁温安全预警模块的输入部分包括计算使能信号、锅炉负荷、煤质信息、各高温受热面金属壁温计算值以及各高温受热面历史典型壁温值，当判断某高温受热面壁温存在异常情况时，输出壁温安全告警。

所述高温受热面壁温安全预警模块通过对输入的壁温数据分别进行实时趋势性分析以及历史一致性分析，判断高温受热面壁温是否存在异常情况，具体计算方法为：

(1)实时趋势性分析：对输入的壁温数据每5分钟计算一次5分钟平均值，若发现连续k个5分钟平均值呈上升或下降趋势，则发出告警，一般的，k可在10～20间取值；

(2)历史一致性分析：将当前锅炉负荷与煤质信息与历史典型运行数据库进行比对，若发现当前某受热面壁温超出数据库中典型工况下受热面壁温的最大或最小值时，则发出告警；

(3)上述(1)和(2)任意一项发出告警时，高温受热面壁温安全预警模块输出安全告警。

本发明的优点在于：

1、本发明所需的参数均可从DCS控制系统或电厂SIS系统中直接读取，现场不需要额外增加分析或测量仪表等昂贵的辅助设备，可集成在已有的上位机中，成本低；

2、锅炉高温受热面壁温超温导致爆管等事故的发生通常是一个长期缓变的量变过程，因此，建立高温受热面壁温的稳态计算模型能够满足实际工程需要，但在运行过程中需要自动屏蔽锅炉非稳态运行工况，以防计算结果的偏差，本发明建立了锅炉稳态与非稳态工况在线识别模型，在监测过程的壁温计算时剔除了非稳态运行状态的情况，解决了现有技术在监测过程中由于不能区分锅炉稳态与非稳态运行状态所导致在非稳态条件下计算结果偏差大的技术问题，进而确保监测结果准确可靠；

3、本发明具有壁温历史一致性分析功能，随着锅炉运行工况、煤质以及运行时间等外部条件的变化，锅炉高温受热面壁温水平将不断更新至历史数据库，保证锅炉在不同运行条件下，壁温安全监测的准确可靠，这是现有监测技术没有实现的；

4、本发明可对过热器、再热器的所有管组进行壁温的在线安全性监测，设备覆盖面较广；

5、本发明可加载到电厂性能监测与运行优化的SIS系统模块中，用于诊断机组运行状态，指导锅炉的燃烧调整与优化控制，进一步地完善整个机组的安全与性能在线监测系统，其扩展应用的范围广泛、方便。

附图说明

图1为电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法的总体框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法，包括数据采集与预处理模块、锅炉稳态运行工况识别模块、锅炉高温受热面壁温计算模块以及高温受热面壁温安全预警模块；

具体计算步骤为：

步骤1：由数据采集与预处理模块通过OPC方式从DCS或SIS系统采集锅炉负荷、高温受热面进出口烟温汽温数据，通过数据库接口采集关系数据库中存放的各高温受热面历史典型壁温数据，对采样数据进行滤波处理供其他模块作为输入数据使用；

步骤2：由锅炉稳态运行工况识别模块判断锅炉机组当前是否处于稳态运行工况，当锅炉处于稳态运行工况时，则执行步骤3；否则，结束计算过程；

步骤3：由锅炉高温受热面壁温计算模块根据锅炉各高温受热面进出口烟温、汽温，计算各高温受热面金属壁温；

步骤4：由高温受热面壁温安全预警模块对各高温受热面的金属壁温进行在线安全预警分析，当发现壁温异常时输出壁温安全告警。

锅炉稳态运行工况识别模块的输入为锅炉实时负荷滤波值，输出为计算使能信号，当判断锅炉机组处于稳态运行工况时，输出的计算使能信号值为1，否则，输出的计算使能信号值为0；

判断锅炉机组是否处于稳态运行工况的具体方法为：

按下式计算连续N个锅炉负荷滤波值D_i的方差s：

式中：N为计算锅炉负荷滤波方差的样本数；M为锅炉负荷滤波级数；D_i为第i个锅炉负荷原始值；D_i′为第i个锅炉负荷滤波值；为N个锅炉负荷滤波值的算术平均值；M、N的取值与锅炉负荷采样频率t有关；

若连续N个锅炉负荷滤波值D_i的方差s小于等于阈值θ时，则认为锅炉机组当前处于稳态状态，否则，处于非稳态状态；通常情况下，阈值θ可在0.5～1.5范围内取值。

锅炉高温受热面壁温计算模块的输入部分包括计算使能信号、各测点采样数据的滤波值，输出为各高温受热面金属壁温；

高温受热面金属壁温的具体计算方法为：

式中：t_b、t_j分别为受热面计算点的金属壁温和计算管的进口温度，℃；Δi为受热面管组中任一管段的焓增，kJ/kg；R为计算管的蒸汽比热，kJ/(kg·℃)；D为蒸汽流量，kg/h；k_r、k_h分别为宽度和高度的吸热偏差系数；E₀、d、l分别为计算管段的面积折算系数、长度和管外径；q_f、p分别为屏前、屏后、屏中及屏下烟室的辐射热负荷及其偏差系数；q_p、q_d、ξ₁、ξ₂分别为屏间烟气辐射和对流热负荷及其偏差系数；q_m为计算管段外壁沿周界最大热负荷，W/m²；β、J、α₂分别为热均流系数、管径比和管内蒸汽对管壁的放热系数，W/(m²·K)；δ、λ分别为管壁厚度，m，金属导热系数，W/(m·K)；η、φ分别为对流热负荷增大系数及辐射热负荷曝光系数；H_d、H_f、H_p分别为对流受热面积、屏辐射面积以及屏间辐射面积。

高温受热面壁温安全预警模块的输入部分包括计算使能信号、锅炉负荷、煤质信息、各高温受热面金属壁温计算值以及各高温受热面历史典型壁温值，当判断某高温受热面壁温存在异常情况时，输出壁温安全告警。

高温受热面壁温安全预警模块对输入的壁温数据分别进行实时趋势性分析以及历史一致性分析，具体计算方法为：

(1)实时趋势性分析：对输入的壁温数据每5分钟计算一次5分钟平均值，若发现连续k个5分钟平均值呈上升或下降趋势，则发出告警，一般的，k可在10～20间取值；

(2)历史一致性分析：将当前锅炉负荷与煤质信息与历史典型运行数据库进行比对，若发现当前某受热面壁温超出数据库中典型工况下受热面壁温的最大或最小值时，则发出告警；

(3)上述(1)和(2)任意一项发出告警时，高温受热面壁温安全预警模块输出安全告警。

上述系统所需的参数均可从DCS控制系统或电厂SIS系统中直接读取，现场不需要额外增加分析或测量仪表等昂贵的辅助设备，可集成在已有的上位机中，成本低；锅炉高温受热面壁温超温导致爆管等事故的发生通常是一个长期缓变的量变过程，因此，建立高温受热面壁温的稳态计算模型能够满足实际工程需要，但在运行过程中需要自动屏蔽锅炉非稳态运行工况，以防计算结果的偏差，上述系统建立了锅炉稳态与非稳态工况在线识别模型，保证监测结果准确可靠；上述系统具有壁温历史一致性分析功能，随着锅炉运行工况、煤质以及运行时间等外部条件的变化，锅炉高温受热面壁温水平将不断更新至历史数据库，保证锅炉在不同运行条件下，壁温安全监测的准确可靠；上述系统可对过热器、再热器的所有管组进行壁温的在线安全性监测，设备覆盖面较广；上述系统可加载到电厂性能监测与运行优化的SIS系统模块中，用于诊断机组运行状态，指导锅炉的燃烧调整与优化控制，进一步地完善整个机组的安全与性能在线监测系统，其扩展应用的范围广泛、方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法，其特征在于：包括数据采集与预处理模块、锅炉稳态运行工况识别模块、锅炉高温受热面壁温计算模块以及高温受热面壁温安全预警模块；

具体步骤为：

步骤1：由数据采集与预处理模块通过OPC方式从DCS或SIS系统采集锅炉负荷、高温受热面进出口烟温汽温数据，通过数据库接口采集关系数据库中存放的各高温受热面历史典型壁温数据，对采样数据进行滤波处理供其他模块作为输入数据使用；

步骤2：由锅炉稳态运行工况识别模块判断锅炉机组当前是否处于稳态运行工况，当锅炉处于稳态运行工况时，则执行步骤3；否则，结束计算过程；

步骤3：由锅炉高温受热面壁温计算模块根据锅炉各高温受热面进出口烟温、汽温，计算各高温受热面金属壁温；

步骤4：由高温受热面壁温安全预警模块对各高温受热面的金属壁温进行在线安全预警分析，当发现壁温异常时输出壁温安全告警。

2.根据权利要求1所述的一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法，其特征在于：所述锅炉稳态运行工况识别模块的输入为锅炉实时负荷滤波值，输出为计算使能信号，当判断锅炉机组处于稳态运行工况时，输出的计算使能信号值为1，否则，输出的计算使能信号值为0；

判断锅炉机组是否处于稳态运行工况的具体方法为：

按下式计算连续N个锅炉负荷滤波值D_i的方差s：

$s=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(D_i^{\′}-{\stackrel{\‾}{D}}^{\′})}^2}{N-1}$

$D_i^{\′}=\frac{1}{M}(D_i+D_{i-1}+D_{i-2}+...D_{i-M+1})$

式中：N为计算锅炉负荷滤波方差的样本数；M为锅炉负荷滤波级数；D_i为第i个锅炉负荷原始值；D′_i为第i个锅炉负荷滤波值；为N个锅炉负荷滤波值的算术平均值；M、N的取值与锅炉负荷采样频率t有关；

若连续N个锅炉负荷滤波值D_i的方差s小于等于阈值θ时，则认为锅炉机组当前处于稳态状态，否则，处于非稳态状态；通常情况下，阈值θ可在0.5～1.5范围内取值。

3.根据权利要求2所述的一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法，其特征在于：所述锅炉高温受热面壁温计算模块的输入部分包括计算使能信号、各测点采样数据的滤波值，输出为各高温受热面金属壁温；

高温受热面金属壁温的具体计算方法为：

$t_b=t_j+\frac{\mathrm{\Σ}\mathrm{\Δ}i}{R}+{\mathrm{\βJq}}_m(\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}\frac{1}{1+\mathrm{\β}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2})$

$\mathrm{\Δ}i=\frac{3.6k_r{k}_h{E}_{0}dl}{D}({\mathrm{\Σq}}_{f}p+q_p{\mathrm{\ξ}}_1+q_d{\mathrm{\ξ}}_2)$

$q_m=\mathrm{\η}\frac{q_d{\mathrm{\ξ}}_2}{H_d}+\mathrm{\φ}(\mathrm{\Σ}\frac{q_{f}p}{H_f}+\frac{q_p{\mathrm{\ξ}}_1}{H_p})$

式中：t_b、t_j分别为受热面计算点的金属壁温和计算管的进口温度，℃；Δi为受热面管组中任一管段的焓增，kJ/kg；R为计算管的蒸汽比热，kJ/(kg·℃)；D为蒸汽流量，kg/h；k_r、k_h分别为宽度和高度的吸热偏差系数；E₀、d、l分别为计算管段的面积折算系数、长度和管外径；q_f、p分别为屏前、屏后、屏中及屏下烟室的辐射热负荷及其偏差系数；q_p、q_d、ξ₁、ξ₂分别为屏间烟气辐射和对流热负荷及其偏差系数；q_m为计算管段外壁沿周界最大热负荷，W/m²；β、J、α₂分别为热均流系数、管径比和管内蒸汽对管壁的放热系数，W/(m²·K)；δ、λ分别为管壁厚度，m，金属导热系数，W/(m·K)；η、φ分别为对流热负荷增大系数及辐射热负荷曝光系数；H_d、H_f、H_p分别为对流受热面积、屏辐射面积以及屏间辐射面积。

4.根据权利要求3所述的一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法，其特征在于：所述高温受热面壁温安全预警模块的输入部分包括计算使能信号、锅炉负荷、煤质信息、各高温受热面金属壁温计算值以及各高温受热面历史典型壁温值，当判断某高温受热面壁温存在异常情况时，输出壁温安全告警。

5.根据权利要求4所述的一种电站锅炉高温受热面安全性在线监测方法，其特征在于：所述高温受热面壁温安全预警模块对输入的壁温数据分别进行实时趋势性分析以及历史一致性分析，具体计算方法为：

(1)实时趋势性分析：对输入的壁温数据每5分钟计算一次5分钟平均值，若发现连续k个5分钟平均值呈上升或下降趋势，则发出告警，一般的，k可在10～20间取值；

(2)历史一致性分析：将当前锅炉负荷与煤质信息与历史典型运行数据库进行比对，若发现当前某受热面壁温超出数据库中典型工况下受热面壁温的最大或最小值时，则发出告警；

(3)上述(1)和(2)任意一项发出告警时，高温受热面壁温安全预警模块输出安全告警。