CN106981164B - 空预器火灾预警的数学模型建立方法及火灾预警系统 - Google Patents

空预器火灾预警的数学模型建立方法及火灾预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空预器火灾预警的数学模型建立方法及建立模型的系统。其中，该方法包括实时采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2并传送至控制器进行处理；测量飞灰含碳量C并传送至控制器内来计算当前煤粉浓度W＝f1(C)；分别采集空预器入口和出口的烟气气压并传送至控制器内计算出空预器入口和出口之间的烟气气压的压差Dp，进而得到空预器内的积粉厚度D＝f2(Dp)；对上述步骤中的数据进行相关性和回归分析，最终建立出空预器火灾预警的数学模型P＝f3(W,D,T1,T2)，其中，P为空预器的着火概率。

Description

空预器火灾预警的数学模型建立方法及火灾预警系统
技术领域
本发明属于容克式空气预热器(简称空预器)火灾报警领域，尤其涉及一种空预器火灾预警的数学模型建立方法及火灾预警系统。
背景技术
空气预热器是火力发电厂重要的换热设备，利用锅炉尾部烟道中的烟气通过内部的散热片将进入锅炉前的空气预热到一定温度的受热面，用于提高锅炉的热交换性能，降低能量消耗。
空预器的传热元件由薄板组成，排列很密，单位体积受热面很高，在其下部金属温度低，低负荷运行时最低，很容易积灰。在锅炉最初调试阶段或点火初期，或长期低负荷运行的情况下(投油)，因燃烧不完全，从炉膛带来的凝结油雾或未燃尽的可燃物极易堆积在空预器的传热元件上，若不能及时吹灰或采取其他措施清理，极易引起火灾。
目前空预器火灾报警系统主要采用红外线着火探测系统：在空预器空气侧入口或出口安装数个红外线探头，探头做直线运动，在空预器转动时，对所有传热元件进行1次扫描约需10min。若空预器局部着火，发出的红外线超出正常水平，系统就发出报警信号。
由于探头位于空预器内部的下端，为了保证内部电子元件正常工作，需用冷却压缩空气进行冷却，如果温度升高或冷却空气不足以降温时会引起火灾报警装置报警，由于烟气中含有大量灰尘，一定程度上增大了探头的测量误差，会出现报警不及时的情况。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一目的是提供一种空预器火灾预警的数学模型建立方法，该方法根据烟气中飞灰含碳量、空预器烟气侧差压、烟气温度这些条件来对空预器进行火灾预警，准确建立了空预器火灾预警的数学模型，进而提高了空气预热器火灾预警的及时性和准确度，极大提高了机组运行的安全性。
本发明的一种空预器火灾预警的数学模型建立方法，包括：
步骤1：实时采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2并传送至控制器进行处理，其中，当出现下列任一种情况时，控制器直接发出空预器着火报警信号：
(a)出口烟气温度T2大于入口烟气温度T1；
(b)出口烟气温度T2大于预设温度阈值；
步骤2：测量飞灰含碳量C和烟气侧进入空预器的空气量Q，并传送至控制器内来计算当前煤粉浓度W＝f1(C,Q)，若当前煤粉浓度在爆炸极限范围内，则控制器发出火灾高风险报警信号；若煤粉浓度在爆炸极限范围内且进口烟气温度T1大于预设进口烟气温度阈值，则控制器直接发出空预器着火报警信号；
步骤3：分别采集空预器入口和出口的烟气气压并传送至控制器内计算出空预器入口和出口之间的烟气气压的压差Dp，进而得到空预器内的积粉厚度D＝f2(Dp)，若空预器内积粉厚度大于预设厚度值，则控制器发出火灾高风险报警信号，通知运行值班员加强吹灰；若积粉厚度大于预设厚度值且空预器内烟气温度T0大于预设空预器内烟气温度阈值，则控制器直接发出空预器着火报警信号；
步骤4：对步骤1～步骤3中的数据进行相关性和回归分析，最终建立出空预器火灾预警的数学模型P＝f3(W,D,T1,T2)，其中，P为空预器的着火概率。
进一步的，在所述步骤1中，当进口烟气温度温升率ΔT1和出口烟气温度温升率ΔT2中任一值大于预设温升率阈值时，控制器也直接发出空预器着火报警信号。
其中，进口烟气温度温升率ΔT1和出口烟气温度温升率ΔT2均是一个实时值，可以由控制器进行实时计算得到。
进一步的，建立出空预器火灾预警的数学模型P＝f3(W,D,T1,T2,ΔT1,ΔT2)。
其中，f3(.)表示空预器的着火概率P分别与W,D,T1,T2,ΔT1,ΔT2这些参数的关系式，其中，f3(.)具体的表达式是经现场试验得出的数据，再经统计学分析后才得出。
进一步的，在所述步骤1中，利用温度传感器实时采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2。
需要说明的是，在空预器的入口和出口也可以采用热电偶来分别采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2，这并不影响整个空预器火灾预警的数学模型建立的过程。
进一步的，在所述步骤2中，利用飞灰含碳量在线测量系统测量飞灰含碳量C。
其中，飞灰含碳量在线测量系统依据电力行业实验室检测标准中的流程，运用现代成熟的控制理论，结合精密传动、传感器检测、工业控制、人机通讯等尖端技术，实现了飞灰含碳量的高精度实时在线智能化测量。该产品采用一体化测控机箱结构，模组化设计，整体结构简洁、性能可靠，易于维护，无需标定。
进一步的，在所述步骤2中，首先根据单位质量的碳完全燃烧放出的热量与单位质量的燃用煤种的发热量的比值，分别与飞灰含碳量C、单位时间内进入空预器的飞灰量三者相乘，得到单位时间内进入空预器的煤粉量；
再根据单位时间内进入空预器的煤粉量与累计时间相乘，得到进入空预器的煤粉总量；
最后通过进入空预器的煤粉总量与烟气侧进入空预器的空气总量做商，得到当前煤粉浓度。
进一步的，在所述步骤3中，利用气压传感器来分别采集空预器入口和出口的烟气气压。
本发明的第二目的是提供一种空预器火灾预警系统。
本发明的一种空预器火灾预警系统，包括：
温度传感器，其被配置为：实时采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2并传送至控制器；及
飞灰在线监测系统，其被配置为：测量飞灰含碳量C并传送至控制器；及
气压传感器，其被配置为：采集空预器入口和出口的烟气气压并传送至控制器；
所述控制器，其被配置为：分别接收温度传感器、飞灰在线监测系统和气压传感器传送来的数据，当出现下列任一种情况时，控制器直接发出空预器着火报警信号：
(a)出口烟气温度T2大于入口烟气温度T1；
(b)出口烟气温度T2大于预设温度阈值；
(c)当前煤粉浓度W＝f1(C)在爆炸极限范围内，且进口烟气温度T1大于预设进口烟气温度阈值；
(d)空预器内的积粉厚度D＝f2(Dp)大于预设厚度值，且空预器内烟气温度T0大于预设空预器内烟气温度阈值。
进一步的，所述控制器也被配置为：当进口烟气温度温升率ΔT1和出口烟气温度温升率ΔT2中任一值大于预设温升率阈值时，直接发出空预器着火报警信号。
进一步的，所述控制器也被配置为：
首先根据单位质量的碳完全燃烧放出的热量与单位质量的燃用煤种的发热量的比值，分别与飞灰含碳量C、单位时间内进入空预器的飞灰量三者相乘，得到单位时间内进入空预器的煤粉量；
再根据单位时间内进入空预器的煤粉量与累计时间相乘，得到进入空预器的煤粉总量；
最后通过进入空预器的煤粉总量与烟气侧进入空预器的空气总量做商，得到当前煤粉浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明根据烟气中飞灰含碳量、空预器烟气侧差压、烟气温度这些条件来对空预器进行火灾预警，准确建立了空预器火灾预警的数学模型，进而提高了空气预热器火灾预警的及时性和准确度，极大提高了机组运行的安全性。
(2)本发明利用了机组运行所需的测量元件和数据，无需增加额外的设备，节约了投资。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的一种空预器火灾预警的数学模型建立方法流程图；
图2是本发明的空预器火灾预警系统结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本发明的一种空预器火灾预警的数学模型建立方法流程图。
如图1所示的一种空预器火灾预警的数学模型建立方法，包括：
步骤1：实时采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2并传送至控制器进行处理，其中，当出现下列任一种情况时，控制器直接发出空预器着火报警信号：
(a)出口烟气温度T2大于入口烟气温度T1；
(b)出口烟气温度T2大于预设温度阈值。
需要说明的是，在空预器的入口和出口也可以采用热电偶来分别采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2，这并不影响整个空预器火灾预警的数学模型建立的过程。
步骤2：测量飞灰含碳量C并传送至控制器内来计算当前煤粉浓度W＝f1(C)，若当前煤粉浓度在爆炸极限范围内，且进口烟气温度T1大于预设进口烟气温度阈值，则控制器直接发出空预器着火报警信号。
具体地，在所述步骤2中，利用飞灰含碳量在线测量系统测量飞灰含碳量C。
其中，飞灰含碳量在线测量系统依据电力行业实验室检测标准中的流程，运用现代成熟的控制理论，结合精密传动、传感器检测、工业控制、人机通讯等尖端技术，实现了飞灰含碳量的高精度实时在线智能化测量。该产品采用一体化测控机箱结构，模组化设计，整体结构简洁、性能可靠，易于维护，无需标定。
另外，在所述步骤2中，首先根据单位质量的碳完全燃烧放出的热量与单位质量的燃用煤种的发热量的比值，分别与飞灰含碳量C、单位时间内进入空预器的飞灰量三者相乘，得到单位时间内进入空预器的煤粉量；
再根据单位时间内进入空预器的煤粉量与累计时间相乘，得到进入空预器的煤粉总量；
由仪表测得的总风量Q实减去理论计算所需的风量Q理，得出进入空气预热器的空气量Q；
空预器内的煤粉浓度W＝进入空预器的煤粉总量/烟气侧进入空预器的空气量
在具体实施例中，
△Mm＝Mm*△t
Mm＝Mfh*C*QC*/Qm
其中，△Mm——进入预热器的当量煤粉总量，kg；
△t——累计时间，s；
Mm——单位时间内进入预热器的当量煤粉量，kg/s；
Mfh——单位时间内进入预热器的飞灰量，kg/s。此数据对于每台特定的锅炉，需要在点火的阶段，尤其是前一个小时内，进行实际测量。也可参考同类锅炉的经验数据，其主要与磨煤机、分离器、燃烧器、煤粉点火方式有关，动态旋转分离器与也与受转速的影响。具体测量方法同飞灰取样。即在进入预热器入口的烟道上，用飞灰取样枪取一定时间的飞灰进行称重，再根据烟道截面积、取样时间进行折算。
C——飞灰含碳量，％；
QC——1kg碳完全燃烧放出的热量，kj/kg；
Qm——1kg燃用煤种的发热量，kj/kg。
步骤3：分别采集空预器入口和出口的烟气气压并传送至控制器内计算出空预器入口和出口之间的烟气气压的压差Dp，进而得到空预器内的积粉厚度D＝f2(Dp)，若空预器内积粉厚度大于预设厚度值，则控制器发出火灾高风险报警信号，通知运行值班员加强吹灰；若积粉厚度大于预设厚度值且空预器内烟气温度T0大于预设空预器内烟气温度阈值，则控制器直接发出空预器着火报警信号。
具体地，在所述步骤3中，利用气压传感器来分别采集空预器入口和出口的烟气气压。
步骤4：对步骤1～步骤3中的数据进行相关性和回归分析，最终建立出空预器火灾预警的数学模型P＝f3(W,D,T1,T2)，其中，P为空预器的着火概率。
进一步的，在所述步骤1中，当进口烟气温度温升率ΔT1和出口烟气温度温升率ΔT2中任一值大于预设温升率阈值时，控制器也直接发出空预器着火报警信号。
其中，进口烟气温度温升率ΔT1和出口烟气温度温升率ΔT2均是一个实时值，可以由控制器进行实时计算得到。
进一步的，建立出空预器火灾预警的数学模型P＝f3(W,D,T1,T2,ΔT1,ΔT2)。
其中，f3(.)表示空预器的着火概率P分别与W,D,T1,T2,ΔT1,ΔT2这些参数的关系式，其中，f3(.)具体的表达式是经现场试验得出的数据，再经统计学分析后才得出。
本发明根据烟气中飞灰含碳量、空预器烟气侧差压、烟气温度这些条件来对空预器进行火灾预警，准确建立了空预器火灾预警的数学模型，进而提高了空气预热器火灾预警的及时性和准确度，极大提高了机组运行的安全性。
本发明利用了机组运行所需的测量元件和数据，无需增加额外的设备，节约了投资。
图2是本发明的空预器火灾预警系统结构示意图。
如图2所示，本发明的一种空预器火灾预警系统，包括：
温度传感器，其被配置为：实时采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2并传送至控制器；及
飞灰在线监测系统，其被配置为：测量飞灰含碳量C并传送至控制器；及
气压传感器，其被配置为：采集空预器入口的烟气气压P1和出口的烟气气压P2并传送至控制器；
所述控制器，其被配置为：分别接收温度传感器、飞灰在线监测系统和气压传感器传送来的数据，当出现下列任一种情况时，控制器直接发出空预器着火报警信号：
(a)出口烟气温度T2大于入口烟气温度T1；
(b)出口烟气温度T2大于预设温度阈值；
(c)当前煤粉浓度W＝f1(C)在爆炸极限范围内，且进口烟气温度T1大于预设进口烟气温度阈值；
(d)空预器内的积粉厚度D＝f2(Dp)大于预设厚度值，且空预器内烟气温度T0大于预设空预器内烟气温度阈值。
其中，所述控制器也被配置为：当进口烟气温度温升率ΔT1和出口烟气温度温升率ΔT2中任一值大于预设温升率阈值时，直接发出空预器着火报警信号。
所述控制器也被配置为：
首先根据单位质量的碳完全燃烧放出的热量与单位质量的燃用煤种的发热量的比值，分别与飞灰含碳量C、单位时间内进入空预器的飞灰量三者相乘，得到单位时间内进入空预器的煤粉量；
再根据单位时间内进入空预器的煤粉量与累计时间相乘，得到进入空预器的煤粉总量；
最后通过进入空预器的煤粉总量与烟气侧进入空预器的空气总量做商，得到当前煤粉浓度。
本发明根据烟气中飞灰含碳量、空预器烟气侧差压、烟气温度这些条件来对空预器进行火灾预警，准确建立了空预器火灾预警的数学模型，进而提高了空气预热器火灾预警的及时性和准确度，极大提高了机组运行的安全性。
本发明利用了机组运行所需的测量元件和数据，无需增加额外的设备，节约了投资。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种空预器火灾预警的数学模型建立方法，其特征在于，包括：
步骤1：实时采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2并传送至控制器进行处理，其中，当出现下列任一种情况时，控制器直接发出空预器着火报警信号：
(a)出口烟气温度T2大于入口烟气温度T1；
(b)出口烟气温度T2大于预设温度阈值；
步骤2：测量飞灰含碳量C并传送至控制器内来计算当前煤粉浓度W＝f1(C)，若当前煤粉浓度在爆炸极限范围内，则控制器发出火灾高风险报警信号；若煤粉浓度在爆炸极限范围内且进口烟气温度T1大于预设进口烟气温度阈值，则控制器直接发出空预器着火报警信号；
步骤3：分别采集空预器入口和出口的烟气气压并传送至控制器内计算出空预器入口和出口之间的烟气气压的压差Dp，进而得到空预器内的积粉厚度D＝f2(Dp)，若空预器内积粉厚度大于预设厚度值，则控制器发出火灾高风险报警信号；若积粉厚度大于预设厚度值且空预器内烟气温度T0大于预设空预器内烟气温度阈值，则控制器直接发出空预器着火报警信号；
步骤4：对步骤1～步骤3中的数据进行相关性和回归分析，最终建立出空预器火灾预警的数学模型P＝f3(W,D,T1,T2)，其中，P为空预器的着火概率；
在所述步骤2中，首先根据单位质量的碳完全燃烧放出的热量与单位质量的燃用煤种的发热量的比值，分别与飞灰含碳量C、单位时间内进入空预器的飞灰量三者相乘，得到单位时间内进入空预器的煤粉量；
再根据单位时间内进入空预器的煤粉量与累计时间相乘，得到进入空预器的煤粉总量；
最后通过进入空预器的煤粉总量与烟气侧进入空预器的空气总量做商，得到当前煤粉浓度。
2.如权利要求1所述的一种空预器火灾预警的数学模型建立方法，其特征在于，在所述步骤1中，当进口烟气温度温升率ΔT1和出口烟气温度温升率ΔT2中任一值大于预设温升率阈值时，控制器也直接发出空预器着火报警信号。
3.如权利要求2所述的一种空预器火灾预警的数学模型建立方法，其特征在于，建立出空预器火灾预警的数学模型P＝f3(W,D,T1,T2,ΔT1,ΔT2)。
4.如权利要求1所述的一种空预器火灾预警的数学模型建立方法，其特征在于，在所述步骤1中，利用温度传感器实时采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2。
5.如权利要求1所述的一种空预器火灾预警的数学模型建立方法，其特征在于，在所述步骤2中，利用飞灰含碳量在线测量系统测量飞灰含碳量C。
6.如权利要求1所述的一种空预器火灾预警的数学模型建立方法，其特征在于，在所述步骤3中，利用气压传感器来分别采集空预器入口和出口的烟气气压。
7.一种空预器火灾预警系统，其特征在于，包括：
温度传感器，其被配置为：实时采集空预器的入口烟气温度T1和出口烟气温度T2并传送至控制器；及
飞灰在线监测系统，其被配置为：测量飞灰含碳量C并传送至控制器；及
气压传感器，其被配置为：采集空预器入口和出口的烟气气压并传送至控制器；
所述控制器，其被配置为：分别接收温度传感器、飞灰在线监测系统和气压传感器传送来的数据，当出现下列任一种情况时，控制器直接发出空预器着火报警信号：
(a)出口烟气温度T2大于入口烟气温度T1；
(b)出口烟气温度T2大于预设温度阈值；
(c)当前煤粉浓度W＝f1(C)在爆炸极限范围内，且进口烟气温度T1大于预设进口烟气温度阈值；
(d)空预器内的积粉厚度D＝f2(Dp)大于预设厚度值，且空预器内烟气温度T0大于预设空预器内烟气温度阈值；其中，Dp为空预器入口和出口之间的烟气气压的压差；
所述控制器也被配置为：
首先根据单位质量的碳完全燃烧放出的热量与单位质量的燃用煤种的发热量的比值，分别与飞灰含碳量C、单位时间内进入空预器的飞灰量三者相乘，得到单位时间内进入空预器的煤粉量；
再根据单位时间内进入空预器的煤粉量与累计时间相乘，得到进入空预器的煤粉总量；
最后通过进入空预器的煤粉总量与烟气侧进入空预器的空气总量做商，得到当前煤粉浓度。
8.如权利要求7所述的一种空预器火灾预警系统，其特征在于，所述控制器也被配置为：当进口烟气温度温升率ΔT1和出口烟气温度温升率ΔT2中任一值大于预设温升率阈值时，直接发出空预器着火报警信号。
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