CN112097232A - 基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统及方法，该系统一方面结合实际测量信号进行易超温水冷壁壁温最大值预测，并将其与限幅模块、限速模块结合，实现预测值参与超温控制；另一方面，将水冷壁壁温实测壁温信号也与限幅模块、限速模块结合实现实测值参与控制方案；本发明针对易超温的水冷壁壁温进行的实时测量监视、壁温的提前预测与主动抑制调节，通过二次风门燃料风、辅助风的精确控制以及分离器出口温度的设定，有效的解决了锅炉低负荷运行工况下，火焰充满程度不足等燃烧方面的因素以及水冷壁各循环回路汽水流量分配偏差等锅炉水循环的安全性因素发生的水冷壁超温的问题，有效避免射流偏斜引起的偏烧问题及超温爆管风险。

Description

基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统及方法

技术领域

本发明涉及火电机组的自动控制领域，具体涉及基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统及方法

背景技术

面临日益严重的环保压力，国家持续推进能源结构调整，风能、太阳能等清洁能源得到了持续快速的发展。然而由于风能、太阳能等新能源普遍具有随机性和间歇性的特点，大规模并网势必会对电网安全稳定造成一定的影响；另一方面，随着经济增长速度的放缓和经济结构的大幅调整，我国整体电力供需矛盾由短缺向相对过剩转变。因此，为提高风能、太阳能等新能源的消纳能力，火电机组势必承担着较大的调峰重任，机组长期低负荷运行势必成为常态。

另一方面，国内机组普遍存在实际燃煤偏离设计煤种，并且煤质掺烧现象严重，入炉煤质时好时坏，造成实际燃煤质量偏离设计煤种，这从根本上改变了锅炉设计条件。在机组实际运行过程中，炉四角风粉存在一定偏差，易造成锅炉发生偏烧结焦等问题，易发生水冷壁爆管问题。

水动力工况的安全性，锅炉在低负荷状态下运行时，火焰在炉内的充满程度比高负荷时差，致使炉膛热负荷不均。水冷壁各循环回路以及相邻管子之问因汽水流量分配偏差增大可能会造成水循环停止和循环倒流。在低负荷运行时，受燃烧方面的因素以及锅炉水循环的安全性因素，易发生水冷壁超温现象。因此在低负荷运行时，对于水冷壁壁温的实时测量监视、壁温的提前预测与控制是降低爆管风险的有效途径。

目前，火电机组对于壁温测量和控制方案主要是以下两种：

1)通过在锅炉过热器、再热器、水冷壁等部位的管壁金属处安装大量的热电偶壁温测点来实现壁温测量，利用单独的监视系统或者直接接入DCS系统直接监视,提高锅炉长期运行的安全行、稳定性；目前该方法对测点周围的环境要求较高，而炉内环境往往较恶劣，对测量的精度和准确性有一定的影响；同时该方法只能够测得当前时刻温度值，由于测点较多，只有测点发生超温现象时才会发出报警，从而运行人员根据实际经验对锅炉参数进行相应的调整。这样会导致运行人员在壁温超温监盘过程中无法对大量的壁温测点进行实时判断、并且当发生超温报警是在进行控制操作处理，不能及时解决超温问题，对锅炉运行安全带来了不利的影响。

2)通过机理或数理分析方法建立壁温预测模型，从而实现壁温的计算和预测。其中通过水冷壁、过热器等部件的机理建模分析计算壁温，这种方法较为复杂，边界参数较多，电厂实际测点无法给出所有边界参数，且模型不同条件下需要不断修正，因此不符合在线计算的要求，无法实时参与电站壁温闭环控制；基于数理建模分析方法，目前多采用基于人工神经网络的的壁温预测方法，采用BP神经网络等静态网络结构可以实现对锅炉管壁温度进行预测，但是目前壁温预测仅仅停留研究阶段及展示报警阶段，并未使用预测结果参与火电闭环控制。

综上所述，现有的壁温超温应对措施和预测手段，仅仅停留在显示报警，从而凭借运行人员经验进行参数更改，并未实现闭环控制。另一方面，壁温预测模型需要优化，从而实现壁温精准预测，实现提前闭环操作避免壁温超温。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提出了基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统及方法，对提高火电厂的运行可靠性，有效降低爆管风险，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。

基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统，锅炉给水流经省煤器1并流经水冷壁下集箱2，随后依次流经螺旋水冷壁3、垂直水冷壁4，最后汇集至水冷壁排管出口集箱5，从而与汽水分离器6完成水冷壁换热。所述系统包括省煤器1出口布置的省煤器出口温度传感器7，螺旋水冷壁3上均匀布置的多个螺旋水冷壁壁温热电偶传感器8，垂直水冷壁4上均匀布置的多个垂直水冷壁壁温热电偶传感器9，在汽水分离器6出口处布置的汽水分离器出口温度传感器10；省煤器出口温度传感器7与省煤器出口温度存储模块12的输入端连接，多个螺旋水冷壁壁温热电偶传感器8与螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块13的输入端连接，多个垂直水冷壁壁温热电偶传感器9与垂直水冷壁温度最大值计算存储模块14的输入端连接；省煤器出口温度存储模块12、螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块13、垂直水冷壁温度最大值计算存储模块14、机组负荷数据存储模块15、煤量数据存储模块16、一次风压数据存储模块17和二次风风量数据存储模块18的输出端与水冷壁壁温预测计算模型19的输入端相连，水冷壁壁温预测计算模型19的输出端与壁温预测值限幅模块20和壁温预测值温升速率限速模块21的输入端相连，壁温预测值限幅模块20和壁温预测值温升速率限速模块21的输出端与第一或模块22的输入端相连；垂直水冷壁壁温热电偶传感器9与壁温当前值限幅模块23和壁温当前值温升速率限速模块24的输入端相连，壁温当前值限幅模块23和壁温当前值温升速率限速模块24的输出端与第二或模块25的输入端相连；将第一或模块22和第二或模块25的输出端分别与汽水分离器出口温度设定值模块26和二次风门控制模块27的输入端相连，汽水分离器出口温度设定值模块26与汽水分离器6出口相连，给出汽水分离器出口温度设定值；二次风门控制模块27的输出端连接锅炉四周二次风门挡板11，给出锅炉四周二次风门挡板11的偏置指令。

燃煤机组水冷壁是敷设在炉膛四周由多根并联管组成的蒸发受热面，其下部水冷壁及灰斗采用螺旋管屏，即螺旋水冷壁3，上部水冷壁为垂直管屏，即垂直水冷壁4。

由于螺旋水冷壁在炉膛四周分布均匀，因此螺旋水冷壁壁温热电偶传感器8均匀分布在炉膛的四周炉墙，在左侧墙、右侧墙、前墙、后墙各布置有多个。由于后墙垂直水冷壁吊挂管相对较少，因此垂直水冷壁壁温热电偶传感器9在左侧墙、右侧墙、前墙布置的测点较多，后墙布置的测点较少。

基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统的控制方法为：

将省煤器出口温度传感器7测量的温度信号送入省煤器出口温度存储模块12进行数据存储，将螺旋水冷壁壁温热电偶传感器8测量的多个螺旋水冷壁温度信号送入螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块13进行计算，获得平均值并将历史值进行存储，将不同炉墙的垂直水冷壁壁温热电偶传感器9测得的多个垂直水冷壁温度送入垂直水冷壁温度最大值计算存储模块14进行计算获得不同炉墙垂直水冷壁壁温最大值并进行存储；随后将省煤器出口温度、螺旋水冷壁温度平均值、垂直水冷壁温度最大值、机组负荷数据存储模块15的机组负荷信号、煤量数据存储模块16的煤量信号、一次风压数据存储模块17的一次风压数据、二次风风量数据存储模块18的二次风量数据送入水冷壁壁温预测计算模型19进行预测计算，获得每个炉墙的水冷壁最大预测值，随后送入壁温预测值限幅模块20和壁温预测值温升速率限速模块21进行判断是否超限，随后送入第一或模块22进行判断，任意条件满足即触发信号送入二次风门控制模块27，二次风门控制模块27给出较小的偏置指令，通过锅炉四周二次风门挡板11的调整，改变燃料风、辅助风量，低负荷时加强燃料风，提高一次风粉刚度，不易发生射流偏斜引起的偏烧，同时使用汽水分离器出口温度设定值模块26，降低中间点温度设定，使得给水流量上升，水冷壁内水动力性能更优，避免水冷壁超温；另一方面，将垂直水冷壁壁温热电偶传感器9实际测量值送入壁温当前值限幅模块23和壁温当前值温升速率限速模块24判断是否超限，随后送入第二或模块25进行逻辑判断，任意条件满足即触发信号送入二次风门控制模块27，二次风门控制模块27给出较大的偏置指令，通过四周二次风箱的风门挡板11的调整，进一步改变燃料风、辅助风量，低负荷时加强燃料风，提高一次风粉刚度，不易发生射流偏斜引起的偏烧，同时使用汽水分离器出口温度设定值模块26，进一步降低分离器出口温度设定，使得给水流量上升，改善水动力特性。除此之外通过预测与实际报警，提醒运行人员提前判断，可进行磨煤机组合方式调整、燃烧器摆角等方式进行进一步人工调整，降低水冷壁爆管风险。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

(1)现有技术只是在锅炉过热器、再热器、水冷壁等部位的管壁金属处安装大量的热电偶壁温测点来实现壁温测量，利用单独的监视系统或者直接接入DCS系统直接监视；该方法只能够测得当前时刻温度值，只有测点发生超温现象时才会发出报警，由于测点较多，无法快速判断超温部位及超温情况。另一方面，运行人员在壁温超温监测过程中无法对大量的壁温测点进行实时判断、并且当发生超温报警是在进行控制操作处理，不能及时解决超温问题，对锅炉运行安全带来了不利的影响。本发明在现有壁温测点的基础上进行的开发，没有增添壁温测点改造，通过增加壁温预测算法和壁温控制逻辑即可实现壁温超温预测和超温闭环控制，有效降低水冷壁温超温风险。

(2)水动力工况的安全性，锅炉在低负荷状态下运行时，火焰在炉内的充满程度比高负荷时差，致使炉膛热负荷不均。水冷壁各循环回路以及相邻管子之问因汽水流量分配偏差增大可能会造成水循环停止和循环倒流。在低负荷运行时，受燃烧方面的因素以及锅炉水循环的安全性因素，易发生水冷壁超温现象。本发明在判断某侧炉墙出现水冷壁超温风险时，短时间内借助二次风辅助风、燃料风的比例调整，同时增加给水，使得水动力工况变优，降低水冷壁超温的风险，进一步丰富了二次风的自动控制功能，从而实现水冷壁超温自动抑制保护，对燃煤机组面临的水冷壁超温问题的解决具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统示意图。

图中附图标记与对应的部件名称说明如下：

1 省煤器

2 水冷壁下集箱

3 螺旋水冷壁

4 垂直水冷壁

5 水冷壁排管出口集箱

6 汽水分离器

7 省煤器出口温度传感器

8 螺旋水冷壁壁温热电偶传感器

9 垂直水冷壁壁温热电偶传感器

10 汽水分离器出口温度传感器

11 锅炉四周二次风门挡板

12 省煤器出口温度存储模块

13 螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块

14 垂直水冷壁温度最大值计算存储模块

15 机组负荷数据存储模块

16 煤量数据存储模块

17 一次风压数据存储模块

18 二次风风量数据存储模块

19 水冷壁壁温预测计算模型

20 壁温预测值限幅模块

21 壁温预测值温升速率限速模块

22 第一或模块

23 壁温当前值限幅模块

24 壁温当前值温升速率限速模块

25 第二或模块

26 汽水分离器出口温度设定值模块

27 二次风门控制模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统，锅炉给水流经省煤器1并流经水冷壁下集箱2，随后依次流经螺旋水冷壁3、垂直水冷壁4，最后汇集至水冷壁排管出口集箱5，从而与汽水分离器6完成水冷壁换热。所述系统包括省煤器1出口布置的省煤器出口温度传感器7，螺旋水冷壁3上均匀布置的多个螺旋水冷壁壁温热电偶传感器8，垂直水冷壁4上均匀布置的多个垂直水冷壁壁温热电偶传感器9，在汽水分离器6出口处布置的汽水分离器出口温度传感器10；省煤器出口温度传感器7与省煤器出口温度存储模块12的输入端连接，多个螺旋水冷壁壁温热电偶传感器8与螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块13的输入端连接，多个垂直水冷壁壁温热电偶传感器9与垂直水冷壁温度最大值计算存储模块14的输入端连接；省煤器出口温度存储模块12、螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块13、垂直水冷壁温度最大值计算存储模块14、机组负荷数据存储模块15、煤量数据存储模块16、一次风压数据存储模块17和二次风风量数据存储模块18的输出端与水冷壁壁温预测计算模型19的输入端相连，水冷壁壁温预测计算模型19的输出端与壁温预测值限幅模块20和壁温预测值温升速率限速模块21的输入端相连，壁温预测值限幅模块20和壁温预测值温升速率限速模块21的输出端与第一或模块22的输入端相连；垂直水冷壁壁温热电偶传感器9与壁温当前值限幅模块23和壁温当前值温升速率限速模块24的输入端相连，壁温当前值限幅模块23和壁温当前值温升速率限速模块24的输出端与第二或模块25的输入端相连；将第一或模块22和第二或模块25的输出端分别与汽水分离器出口温度设定值模块26和二次风门控制模块27的输入端相连，汽水分离器出口温度设定值模块26与汽水分离器6出口相连，给出汽水分离器出口温度设定值；二次风门控制模块27的输出端连接锅炉四周二次风门挡板11，给出锅炉四周二次风门挡板11的偏置指令。

作为本发明的优选实施方式，燃煤机组水冷壁是敷设在炉膛四周由多根并联管组成的蒸发受热面，其下部水冷壁及灰斗采用螺旋管屏，即螺旋水冷壁3，上部水冷壁为垂直管屏，即垂直水冷壁4。

由于螺旋水冷壁在炉膛四周分布均匀，因此螺旋水冷壁壁温热电偶传感器8均匀分布在炉膛的四周炉墙，在左侧墙、右侧墙、前墙、后墙各布置有多个。由于后墙垂直水冷壁吊挂管相对较少，作为本发明的优选实施方式，因此垂直水冷壁壁温热电偶传感器9在左侧墙、右侧墙、前墙布置的测点较多，后墙布置的测点较少。

如图1所示，本发明基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统的控制方法为：

将省煤器出口温度传感器7测量的温度信号送入省煤器出口温度存储模块12进行数据存储，将螺旋水冷壁壁温热电偶传感器8测量的多个螺旋水冷壁温度信号送入螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块13进行计算，获得平均值并将历史值进行存储，将不同炉墙的垂直水冷壁壁温热电偶传感器9测得的多个垂直水冷壁温度送入垂直水冷壁温度最大值计算存储模块14进行计算获得不同炉墙垂直水冷壁壁温最大值并进行存储；随后将省煤器出口温度、螺旋水冷壁温度平均值、垂直水冷壁温度最大值、机组负荷数据存储模块15的机组负荷信号、煤量数据存储模块16的煤量信号、一次风压数据存储模块17的一次风压数据、二次风风量数据存储模块18的二次风量数据送入水冷壁壁温预测计算模型19进行预测计算，获得每个炉墙的水冷壁最大预测值，随后送入壁温预测值限幅模块20和壁温预测值温升速率限速模块21进行判断是否超限，随后送入第一或模块22进行判断，任意条件满足即触发信号送入二次风门控制模块27，二次风门控制模块27给出较小的偏置指令，通过锅炉四周二次风门挡板11的调整，改变燃料风、辅助风量，低负荷时加强燃料风，提高一次风粉刚度，不易发生射流偏斜引起的偏烧，同时使用汽水分离器出口温度设定值模块26，降低中间点温度设定，使得给水流量上升，水冷壁内水动力性能更优，避免水冷壁超温；另一方面，将垂直水冷壁壁温热电偶传感器9实际测量值送入壁温当前值限幅模块23和壁温当前值温升速率限速模块24判断是否超限，随后送入第二或模块25进行逻辑判断，任意条件满足即触发信号送入二次风门控制模块27，二次风门控制模块27给出较大的偏置指令，通过四周二次风箱的风门挡板11的调整，进一步改变燃料风、辅助风量，低负荷时加强燃料风，提高一次风粉刚度，不易发生射流偏斜引起的偏烧，同时使用汽水分离器出口温度设定值模块26，进一步降低分离器出口温度设定，使得给水流量上升，改善水动力特性。除此之外通过预测与实际报警，提醒运行人员提前判断，可进行磨煤机组合方式调整、燃烧器摆角等方式进行进一步人工调整，降低水冷壁爆管风险。

Claims (4)

1.基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统，其特征在于：锅炉给水流经省煤器(1)并流经水冷壁下集箱(2)，随后依次流经螺旋水冷壁(3)、垂直水冷壁(4)，最后汇集至水冷壁排管出口集箱(5)，从而与汽水分离器(6)完成水冷壁换热。所述系统包括省煤器(1)出口布置的省煤器出口温度传感器(7)，螺旋水冷壁(3)上均匀布置的多个螺旋水冷壁壁温热电偶传感器(8)，垂直水冷壁(4)上均匀布置的多个垂直水冷壁壁温热电偶传感器(9)，在汽水分离器(6)出口处布置的汽水分离器出口温度传感器(10)；省煤器出口温度传感器(7)与省煤器出口温度存储模块(12)的输入端连接，多个螺旋水冷壁壁温热电偶传感器(8)与螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块(13)的输入端连接，多个垂直水冷壁壁温热电偶传感器(9)与垂直水冷壁温度最大值计算存储模块(14)的输入端连接；省煤器出口温度存储模块(12)、螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块(13)、垂直水冷壁温度最大值计算存储模块(14)、机组负荷数据存储模块(15)、煤量数据存储模块(16)、一次风压数据存储模块(17)和二次风风量数据存储模块(18)的输出端与水冷壁壁温预测计算模型(19)的输入端相连，水冷壁壁温预测计算模型(19)的输出端与壁温预测值限幅模块(20)和壁温预测值温升速率限速模块(21)的输入端相连，壁温预测值限幅模块(20)和壁温预测值温升速率限速模块(21)的输出端与第一或模块(22)的输入端相连；垂直水冷壁壁温热电偶传感器(9)与壁温当前值限幅模块(23)和壁温当前值温升速率限速模块(24)的输入端相连，壁温当前值限幅模块(23)和壁温当前值温升速率限速模块(24)的输出端与第二或模块(25)的输入端相连；将第一或模块(22)和第二或模块(25)的输出端分别与汽水分离器出口温度设定值模块(26)和二次风门控制模块(27)的输入端相连，汽水分离器出口温度设定值模块(26)与汽水分离器(6)出口相连，给出汽水分离器出口温度设定值；二次风门控制模块(27)的输出端连接锅炉四周二次风门挡板(11)，给出锅炉四周二次风门挡板(11)的偏置指令。

2.根据权利要求1所述的基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统，其特征在于：燃煤机组水冷壁是敷设在炉膛四周由多根并联管组成的蒸发受热面，其下部水冷壁及灰斗采用螺旋管屏，即螺旋水冷壁(3)，上部水冷壁为垂直管屏，即垂直水冷壁(4)。

3.根据权利要求1所述的基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统，其特征在于：由于螺旋水冷壁在炉膛四周分布均匀，因此螺旋水冷壁壁温热电偶传感器(8)均匀分布在炉膛的四周炉墙，在左侧墙、右侧墙、前墙、后墙各布置有多个；由于后墙垂直水冷壁吊挂管较少，因此垂直水冷壁壁温热电偶传感器(9)在左侧墙、右侧墙、前墙布置的测点较多，后墙布置的测点较少。

4.权利要求1至3任一项所述的基于壁温预测的燃煤机组水冷壁超温控制系统的控制方法，其特征在于：将省煤器出口温度传感器(7)测量的温度信号送入省煤器出口温度存储模块(12)进行数据存储，将螺旋水冷壁壁温热电偶传感器(8)测量的多个螺旋水冷壁温度信号送入螺旋水冷壁温度平均值计算存储模块(13)进行计算，获得平均值并将历史值进行存储，将不同炉墙的垂直水冷壁壁温热电偶传感器(9)测得的多个垂直水冷壁温度送入垂直水冷壁温度最大值计算存储模块(14)进行计算获得不同炉墙垂直水冷壁壁温最大值并进行存储；随后将省煤器出口温度、螺旋水冷壁温度平均值、垂直水冷壁温度最大值、机组负荷数据存储模块(15)的机组负荷信号、煤量数据存储模块(16)的煤量信号、一次风压数据存储模块(17)的一次风压数据、二次风风量数据存储模块(18)的二次风量数据送入水冷壁壁温预测计算模型(19)进行预测计算，获得每个炉墙的水冷壁最大预测值，随后送入壁温预测值限幅模块(20)和壁温预测值温升速率限速模块(21)进行判断是否超限，随后送入第一或模块(22)进行判断，任意条件满足即触发信号送入二次风门控制模块(27)，二次风门控制模块(27)给出较小的偏置指令，通过锅炉四周二次风门挡板(11)的调整，改变燃料风、辅助风量，低负荷时加强燃料风，提高一次风粉刚度，不易发生射流偏斜引起的偏烧，同时使用汽水分离器出口温度设定值模块(26)，降低中间点温度设定，使得给水流量上升，水冷壁内水动力性能更优，避免水冷壁超温；另一方面，将垂直水冷壁壁温热电偶传感器(9)实际测量值送入壁温当前值限幅模块(23)和壁温当前值温升速率限速模块(24)判断是否超限，随后送入第二或模块(25)进行逻辑判断，任意条件满足即触发信号送入二次风门控制模块(27)，二次风门控制模块(27)给出较大的偏置指令，通过四周二次风箱的风门挡板(11)的调整，进一步改变燃料风、辅助风量，低负荷时加强燃料风，提高一次风粉刚度，不易发生射流偏斜引起的偏烧，同时使用汽水分离器出口温度设定值模块(26)，进一步降低分离器出口温度设定，使得给水流量上升，改善水动力特性。除此之外通过预测与实际报警，提醒运行人员提前判断，可进行磨煤机组合方式调整、燃烧器摆角等方式进行进一步人工调整，降低水冷壁爆管风险。

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