CN112325326B - 一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，在各个负荷工况下分别对同屏水冷壁进行三维流动和传热计算；改变该水冷壁管内焊瘤形状和改变该水冷壁管内焊瘤面积比参数来计算该水冷壁中每个负荷工况下的工质流量和管壁温度，管壁温度与该水冷壁管材许用温度进行比较，获得每个负荷工况下该水冷壁管的安全裕度，同时获得该水冷壁管安全裕度随该水冷壁管内焊瘤形状和该水冷壁管焊瘤面积比变化的关系特性；基于支持向量机算法建立焊瘤形状、焊瘤面积、锅炉负荷和水冷壁管安全裕度之间的关系模型；将在线采集的水冷壁管壁温度和机组负荷参数，与水冷壁安全裕度模型计算得到的水冷壁管壁温度比较，确定水冷壁管热偏差情况，监测安全裕度。

Description

一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法
技术领域
本发明涉及一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，属于电力及动力工程技术领域。
背景技术
锅炉水冷壁管在对焊时容易产生焊瘤，焊瘤的形状和大小会造成该水冷壁管中流体流量的变化，从而对管壁温度造成影响，影响水冷壁管的安全。并且，在不同工况下焊瘤存在对水冷壁管安全影响程度也不一样，管壁长期超温会导致管材失效而爆裂，威胁锅炉安全运行。
当前监测管壁超温一般通过安装在水冷壁管上的温度测点完成，由于温度测点安装在背火侧，不能有效地反应水冷壁管向火侧的温度，另外管壁温度测点一般只安装在部分水冷壁管的某1~2个高度位置上，不能全面监测各管的安全状况。因此掌握焊瘤形状和大小在不同负荷工况下对水冷壁管安全性的影响规律可以实时监测所有水冷壁管的安全状况，为锅炉运行调整提供依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，集锅炉水冷壁壁温、进出口差压、炉膛燃烧中心温度参数，通过水冷壁管内三维流动传热计算建立焊瘤尺寸与水冷壁管壁温度之间的关系模型，然后基于水冷壁管材的许用温度确定水冷壁管的安全裕度。
为达到上述目的，本发明提供一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，包括以下步骤：
1、在每个负荷工况下连续采集水冷壁进出口联箱压力、水冷壁管壁温度、炉膛燃烧中心温度、机组负荷以及给水流量得到采集数据，并对采集数据进行有效性检查；
2、在每个负荷工况下分别对水冷壁管屏进行三维流动和传热计算；
在每个负荷工况计算过程中，取水冷壁管屏中一根水冷壁管作为对象，改变该水冷壁管内焊瘤形状和改变该水冷壁管内焊瘤面积比参数来计算该水冷壁中每个负荷工况下的工质流量和管壁温度，管壁温度与该水冷壁管材许用温度进行比较，获得每个负荷工况下该水冷壁管的安全裕度，同时获得该水冷壁管安全裕度随该水冷壁管内焊瘤形状和该水冷壁管焊瘤面积比变化的关系特性；
3、根据水冷壁管屏三维流动的计算结果，基于支持向量机算法建立焊瘤形状、焊瘤面积、锅炉负荷和水冷壁管安全裕度之间的关系模型，即水冷壁安全裕度模型；
4、将在线采集的所有水冷壁管壁温度和机组负荷参数，与水冷壁安全裕度模型在线计算得到的该水冷壁管壁温度进行比较，由此确定各个水冷壁管热偏差情况，监测各个水冷壁管安全裕度。
优先地，步骤1包括以下内容：
（1）在每个负荷工况下连续采集锅炉水冷壁进口联箱压力Pi、出口联箱压力Po、水冷壁管壁温度Ti、炉膛中心温度TF、机组负荷N以及给水流量F得到采集数据；
（2）根据水冷壁进口联箱压力Pi、出口联箱压力Po、水冷壁管壁温度Ti、炉膛中心温度TF、机组负荷N以及给水流量F的量程范围和正常波动范围设置，对采集数据进行有效性检查。
优先地，步骤2包括以下内容：
（1）选择水冷壁管屏中N根水冷壁管进行三维流动和传热计算，其中焊瘤在第n根水冷壁管，n范围为1到N，n取值3到N-3；
（2）查取水冷壁管的外直径、水冷壁管的壁厚和水冷壁管的管长，查取水冷壁管之间的间距，查取下联箱的外直径、下联箱的壁厚和下联箱的管长，查取上联箱的外直径、上联箱的壁厚和上联箱的管长；
（3）每个负荷工况包括锅炉酸洗工况的负荷工况、锅炉30%额定负荷的负荷工况、锅炉50%额定负荷的负荷工况、锅炉75%额定负荷的负荷工况和额定负荷的负荷工况，分别在每个负荷工况下计算水冷壁管屏三维流动；
（4）确定每个负荷工况下编号为第n根水冷壁单管焊瘤形状变化是无焊瘤工况或半圈焊瘤工况，在锅炉30%额定负荷的负荷工况、锅炉50%额定负荷的负荷工况、锅炉75%额定负荷的负荷工况和额定负荷的负荷工况下半圈焊瘤工况的焊瘤高度与水冷壁的内管径比分别为0.2、0.4、0.6、0.7；满圈焊瘤工况，在锅炉30%额定负荷的负荷工况、锅炉50%额定负荷的负荷工况、锅炉75%额定负荷的负荷工况和额定负荷的负荷工况下焊瘤高度与水冷壁管径比分别为0.1、0.3、0.5、0.6；
（5）根据在线采集的锅炉在负荷工况下的水冷壁进出口联箱压力、水冷壁管壁温度、炉膛燃烧中心温度、机组负荷以及给水流量，进行三维流体计算和传热进行计算，获得各负荷工况下流体速度和温度场，以及水冷壁管外壁温度分布。
优先地，步骤3包括以下步骤：
（1）根据水冷壁管材材质确定水冷壁许用管壁温度，计算水冷壁管屏中水冷壁最高管壁壁温与水冷壁许用管壁温度的差值即安全性裕度，同时定位安全性裕度最低的水冷壁管位置；
（2）以机组负荷、第n根水冷壁管、焊瘤高度与管径比值和焊瘤长度为输入量，以水冷壁管屏中各个水冷壁管最高管壁壁温以及相应的管壁壁温裕度为输出目标，应用支持向量机算法建立水冷壁管最高管壁壁温预测模型和最低管壁壁温裕度的预测模型。
优先地，步骤4包括以下步骤：（1）根据在线采集的水冷壁管壁温度和机组负荷参数，与水冷壁安全裕度模型在线计算水冷壁管壁壁温进行比较，由此确定各个水冷壁管热偏差情况，监测各个水冷壁管安全裕度；
（2）根据热偏差计算结果监测水冷壁管屏和各个水冷壁管的运行。
优先地，查取得到水冷壁管的外直径为31.8mm，水冷壁管的壁厚为8.5mm和水冷壁管的管长21.2m，查取水冷壁管之间的间距为50.8mm，查取下联箱的外直径为190.7mm、下联箱的壁厚47mm和下联箱的管长为21.4m，查取上联箱的外直径190.7mm、上联箱的壁厚为47mm和上联箱的管长2.78m。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，集锅炉水冷壁壁温、进出口差压、炉膛燃烧中心温度参数，通过水冷壁管内三维流动传热计算建立焊瘤尺寸与水冷壁管壁温度之间的关系模型，然后基于水冷壁管材的许用温度确定水冷壁管的安全裕度。掌握焊瘤形状和大小在不同负荷工况下对水冷壁管安全性的影响规律可以实时监测所有水冷壁管的安全状况，避免管壁长期超温会导致管材失效而爆裂，威胁锅炉安全运行的情况发生，提高了锅炉工作时的安全性能。
附图说明
图1是本发明中水冷壁管屏的示意图。
附图中标记含义，1-上集箱；2-下集箱。
具体实施方式
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。
一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，包括以下步骤：
1、在每个负荷工况下连续采集水冷壁进出口联箱压力、水冷壁管壁温度、炉膛燃烧中心温度、机组负荷以及给水流量得到采集数据，并对采集数据进行有效性检查；
2、在每个负荷工况下分别对水冷壁管屏进行三维流动和传热计算；
在每个负荷工况计算过程中，取水冷壁管屏中一根水冷壁管作为对象，改变该水冷壁管内焊瘤形状和改变该水冷壁管内焊瘤面积比参数来计算该水冷壁中每个负荷工况下的工质流量和管壁温度，管壁温度与该水冷壁管材许用温度进行比较，获得每个负荷工况下该水冷壁管的安全裕度，同时获得该水冷壁管安全裕度随该水冷壁管内焊瘤形状和该水冷壁管焊瘤面积比变化的关系特性；
3、根据水冷壁管屏三维流动的计算结果，基于支持向量机算法建立焊瘤形状、焊瘤面积、锅炉负荷和水冷壁管安全裕度之间的关系模型，即水冷壁安全裕度模型；
4、将在线采集的所有水冷壁管壁温度和机组负荷参数，与水冷壁安全裕度模型在线计算得到的该水冷壁管壁温度进行比较，由此确定各个水冷壁管热偏差情况，监测各个水冷壁管安全裕度。
进一步地，步骤1包括以下内容：
（1）在每个负荷工况下连续采集锅炉水冷壁进口联箱压力Pi、出口联箱压力Po、水冷壁管壁温度Ti、炉膛中心温度TF、机组负荷N以及给水流量F得到采集数据；
（2）根据水冷壁进口联箱压力Pi、出口联箱压力Po、水冷壁管壁温度Ti、炉膛中心温度TF、机组负荷N以及给水流量F的量程范围和正常波动范围设置，对采集数据进行有效性检查。
进一步地，步骤2包括以下内容：
（1）选择水冷壁管屏中N根水冷壁管进行三维流动和传热计算，其中焊瘤在第n根水冷壁管，n范围为1到N，n取值3到N-3；
（2）查取水冷壁管的外直径、水冷壁管的壁厚和水冷壁管的管长，查取水冷壁管之间的间距，查取下联箱的外直径、下联箱的壁厚和下联箱的管长，查取上联箱的外直径、上联箱的壁厚和上联箱的管长；
（3）每个负荷工况包括锅炉酸洗工况的负荷工况、锅炉30%额定负荷的负荷工况、锅炉50%额定负荷的负荷工况、锅炉75%额定负荷的负荷工况和额定负荷的负荷工况，分别在每个负荷工况下计算水冷壁管屏三维流动；
（4）确定每个负荷工况下编号为第n根水冷壁单管焊瘤形状变化是无焊瘤工况或半圈焊瘤工况，在锅炉30%额定负荷的负荷工况、锅炉50%额定负荷的负荷工况、锅炉75%额定负荷的负荷工况和额定负荷的负荷工况下半圈焊瘤工况的焊瘤高度与水冷壁的内管径比分别为0.2、0.4、0.6、0.7；满圈焊瘤工况，在锅炉30%额定负荷的负荷工况、锅炉50%额定负荷的负荷工况、锅炉75%额定负荷的负荷工况和额定负荷的负荷工况下焊瘤高度与水冷壁管径比分别为0.1、0.3、0.5、0.6；
（5）根据在线采集的锅炉在负荷工况下的水冷壁进出口联箱压力、水冷壁管壁温度、炉膛燃烧中心温度、机组负荷以及给水流量，进行三维流体计算和传热进行计算，获得各负荷工况下流体速度和温度场，以及水冷壁管外壁温度分布。
进一步地，步骤3包括以下步骤：
（1）根据水冷壁管材材质确定水冷壁许用管壁温度，计算水冷壁管屏中水冷壁最高管壁壁温与水冷壁许用管壁温度的差值即安全性裕度，同时定位安全性裕度最低的水冷壁管位置；
（2）以机组负荷、第n根水冷壁管、焊瘤高度与管径比值和焊瘤长度为输入量，以水冷壁管屏中各个水冷壁管最高管壁壁温以及相应的管壁壁温裕度为输出目标，应用支持向量机算法建立水冷壁管最高管壁壁温预测模型和最低管壁壁温裕度的预测模型。
进一步地，步骤4包括以下步骤：（1）根据在线采集的水冷壁管壁温度和机组负荷参数，与水冷壁安全裕度模型在线计算水冷壁管壁壁温进行比较，由此确定各个水冷壁管热偏差情况，监测各个水冷壁管安全裕度；
（2）根据热偏差计算结果监测水冷壁管屏和各个水冷壁管的运行。
进一步地，查取得到水冷壁管的外直径为31.8mm，水冷壁管的壁厚为8.5mm和水冷壁管的管长21.2m，查取水冷壁管之间的间距为50.8mm，查取下联箱的外直径为190.7mm、下联箱的壁厚47mm和下联箱的管长为21.4m，查取上联箱的外直径190.7mm、上联箱的壁厚为47mm和上联箱的管长2.78m。
进一步地，步骤2中，改变该水冷壁管焊瘤形状和改变该水冷壁管焊瘤面积比参数来计算该水冷壁管中有焊瘤情况下的流量和该水冷壁管中没有焊瘤情况下的流量，该水冷壁管中有焊瘤情况下的流量和该水冷壁管中没有焊瘤情况下的流量作差得到流量偏差，改变该水冷壁管焊瘤形状和改变该水冷壁管焊瘤面积比参数来计算该水冷壁管中有焊瘤情况下的该水冷壁管焊瘤处的管壁温度和该水冷壁管中没有焊瘤情况下的管壁温度，并与该水冷壁管材许用温度进行比较，获得每个负荷工况下该水冷壁管的安全裕度。
支持向量机算法属于现有技术，本实施例中不对支持向量机算法进行详细说明。
本实例基于东方锅炉厂DG2060/17.6-Ⅱ型锅炉，其中水冷壁管屏计算图见附图1。
在该锅炉水冷壁选取上辐射区直管段为研究对象，由于单水冷壁管焊瘤导致流量变化对附近3～4根水冷壁管有较明显影响，本例选取同一水冷壁管屏中9根单水冷壁管为研究对象，其中5号管中有焊瘤，相邻两根单管之间有宽度为50.8mm的鳍片。
1.监测方法所用到的数据
表1.在线采集的运行数据
表2.水冷壁结构参数（查阅资料）
2.数据采集
（1）连续采集锅炉不同负荷工况下水冷壁进口联箱压力（Pi），出口联箱压力（Po）、水冷壁管壁温度（Ti）、炉膛中心温度（TF）、机组负荷（N）以及给水流量（F）。
（2）根据各参数的量程范围和正常波动范围设置，对采集数据进行有效性检查。
3.同屏水冷壁三维流动和传热计算
（3）选取锅炉侧墙中间水冷壁管屏，由于管屏中某根有焊瘤管对其两侧的3～4根管的流动有明显影响，因此选择管屏中9根管进行三维流动和传热计算，其中焊瘤在编号为第5根管，见附图1。
（4）水冷壁管尺寸（WΦ×δ×l）：单管尺寸φ31.8×8.5mm，管长21.2m，管与管间距50.8mm；下联箱尺寸（WIΦ×δ×l）：截面尺寸φ190.7*47mm，长21.4m；上联箱尺寸（WOΦ×δ×l）截面尺寸φ190.7*47mm，长2.78m。
（5）确定计算工况：进行5个负荷工况计算，分别为锅炉酸洗工况、30%额定负荷、50%额定负荷、75%额定负荷和100%额定负荷计算。
（6）确定每个负荷工况下编号为第5根水冷壁单管焊瘤形状变化：无焊瘤工况；半圈焊瘤工况，焊瘤高度与水冷壁管径比分别为0.2、0.4、0.6、0.7；满圈焊瘤工况，焊瘤高度与水冷壁管径比分别为0.1、0.3、0.5、0.6。
（7）根据在线采集的锅炉在负荷工况下的水冷壁进出口联箱压力、水冷壁管壁温度、炉膛燃烧中心温度、机组负荷以及给水流量，应用三维流体计算和传热软件进行计算，获得各工况下流体速度和温度场，以及水冷壁管外壁温度分布。
4.建立水冷壁安全裕度模型
（8）根据水冷壁管材材质确定需用管壁温度，计算管屏中最高壁温与许用管壁温度的差值（即安全性裕度），同时定位安全性裕度最低的水冷壁单管位置。
（9）以机组负荷、有焊瘤管编号、焊瘤高度与管径比值、焊瘤长度（半圈或满圈）为输入量，以管屏中各单管最高壁温以及相应的壁温裕度为输出目标，应用支持向量机建立水冷壁管最高壁温预测模型和最低壁温裕度的预测模型。
5.实时监测各水冷壁单管安全裕度
（10）根据在线采集的壁温和机组负荷参数，与水冷壁安全裕度模型在线计算水冷壁壁温进行比较，由此确定各管热偏差情况，监测各管安全裕度。
（11）根据热偏差计算结果实现重点管屏和单管的运行监督，避免爆管事件的发生。
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 (6)

1.一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在每个负荷工况下连续采集水冷壁进出口联箱压力、水冷壁管壁温度、炉膛燃烧中心温度、机组负荷以及给水流量得到采集数据，并对采集数据进行有效性检查；
步骤2、在每个负荷工况下分别对水冷壁管屏进行三维流动和传热计算；
在每个负荷工况计算过程中，取水冷壁管屏中一根水冷壁管作为对象，改变该水冷壁管内焊瘤形状和改变该水冷壁管内焊瘤面积比参数来计算该水冷壁中每个负荷工况下的工质流量和管壁温度，管壁温度与该水冷壁管材许用温度进行比较，获得每个负荷工况下该水冷壁管的安全裕度，同时获得该水冷壁管安全裕度随该水冷壁管内焊瘤形状和该水冷壁管焊瘤面积比变化的关系特性；
步骤3、根据水冷壁管屏三维流动的计算结果，基于支持向量机算法建立焊瘤形状、焊瘤面积、锅炉负荷和水冷壁管安全裕度之间的关系模型，即水冷壁安全裕度模型；
步骤4、将在线采集的所有水冷壁管壁温度和机组负荷参数，与水冷壁安全裕度模型在线计算得到的该水冷壁管壁温度进行比较，由此确定各个水冷壁管热偏差情况，监测各个水冷壁管安全裕度。
2.根据权利要求1所述的一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，其特征在于，步骤1包括以下内容：
（1）在每个负荷工况下连续采集锅炉水冷壁进口联箱压力Pi、出口联箱压力Po、水冷壁管壁温度Ti、炉膛中心温度TF、机组负荷N以及给水流量F得到采集数据；
（2）根据水冷壁进口联箱压力Pi、出口联箱压力Po、水冷壁管壁温度Ti、炉膛中心温度TF、机组负荷N以及给水流量F的量程范围和正常波动范围设置，对采集数据进行有效性检查。
3.根据权利要求1所述的一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，其特征在于，步骤2包括以下内容：
（1）选择水冷壁管屏中N根水冷壁管进行三维流动和传热计算，其中焊瘤在第n根水冷壁管，n范围为1到N，n取值3到N-3；
（2）查取水冷壁管的外直径、水冷壁管的壁厚和水冷壁管的管长，查取水冷壁管之间的间距，查取下联箱的外直径、下联箱的壁厚和下联箱的管长，查取上联箱的外直径、上联箱的壁厚和上联箱的管长；
（3）每个负荷工况包括锅炉酸洗工况的负荷工况、锅炉30%额定负荷的负荷工况、锅炉50%额定负荷的负荷工况、锅炉75%额定负荷的负荷工况和额定负荷的负荷工况，分别在每个负荷工况下计算水冷壁管屏三维流动；
（4）确定每个负荷工况下编号为第n根水冷壁单管焊瘤形状变化是无焊瘤工况或半圈焊瘤工况，在锅炉30%额定负荷的负荷工况、锅炉50%额定负荷的负荷工况、锅炉75%额定负荷的负荷工况和额定负荷的负荷工况下半圈焊瘤工况的焊瘤高度与水冷壁的内管径比分别为0.2、0.4、0.6、0.7；满圈焊瘤工况，在锅炉30%额定负荷的负荷工况、锅炉50%额定负荷的负荷工况、锅炉75%额定负荷的负荷工况和额定负荷的负荷工况下焊瘤高度与水冷壁管径比分别为0.1、0.3、0.5、0.6；
（5）根据在线采集的锅炉在负荷工况下的水冷壁进出口联箱压力、水冷壁管壁温度、炉膛燃烧中心温度、机组负荷以及给水流量，进行三维流体计算和传热进行计算，获得各负荷工况下流体速度和温度场，以及水冷壁管外壁温度分布。
4.根据权利要求3所述的一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：
（1）根据水冷壁管材材质确定水冷壁许用管壁温度，计算水冷壁管屏中水冷壁最高管壁壁温与水冷壁许用管壁温度的差值即安全性裕度，同时定位安全性裕度最低的水冷壁管位置；
（2）以机组负荷、第n根水冷壁管、焊瘤高度与管径比值和焊瘤长度为输入量，以水冷壁管屏中各个水冷壁管最高管壁壁温以及相应的管壁壁温裕度为输出目标，应用支持向量机算法建立水冷壁管最高管壁壁温预测模型和最低管壁壁温裕度的预测模型。
5.根据权利要求4所述的一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：
（1）根据在线采集的水冷壁管壁温度和机组负荷参数，与水冷壁安全裕度模型在线计算水冷壁管壁壁温进行比较，由此确定各个水冷壁管热偏差情况，监测各个水冷壁管安全裕度；
（2）根据热偏差计算结果监测水冷壁管屏和各个水冷壁管的运行。
6.根据权利要求3所述的一种水冷壁管焊瘤对管壁安全影响的监测方法，其特征在于，
查取得到水冷壁管的外直径为31.8mm，水冷壁管的壁厚为8.5mm和水冷壁管的管长21.2m，查取水冷壁管之间的间距为50.8mm，查取下联箱的外直径为190.7mm、下联箱的壁厚47mm和下联箱的管长为21.4m，查取上联箱的外直径190.7mm、上联箱的壁厚为47mm和上联箱的管长2.78m。
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