本發(fā)明涉及一種安全監(jiān)測方法，具體涉及一種電站鍋爐高溫受熱面安全性在線監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

鍋爐作為火電機(jī)組最重要的主機(jī)之一，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。目前，鍋爐事故中最多的是“四管爆破”，由于過再熱器長期工作在惡劣環(huán)境中，其超溫和爆管次數(shù)所占的比例最大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鍋爐高溫受熱面爆管事故占鍋爐事故的百分之六十以上。

發(fā)生爆管事故，將會(huì)降低設(shè)備的可用率，增加發(fā)電成本。若1臺(tái)300MW鍋爐爆管1次，按每次停爐搶修耗時(shí)3天，負(fù)荷率60％計(jì)算，將減少發(fā)電約1300萬kWh，加上機(jī)組啟停損失，爆管造成的直接經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)大的。因此，對鍋爐高溫受熱面金屬壁溫進(jìn)行在線安全性監(jiān)測，對異常情況進(jìn)行安全預(yù)警，從而提醒運(yùn)行人員及時(shí)調(diào)整運(yùn)行工況，是相關(guān)技術(shù)人員一直關(guān)心的問題。

中國專利CN 102494325B公布了一種電站鍋爐高溫管系爐內(nèi)動(dòng)態(tài)壁溫監(jiān)測的方法，通過建立高溫受熱面壁溫的穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了高溫管段壁溫的在線計(jì)算，然而該方法沒有區(qū)分鍋爐穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)鍋爐處于非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況時(shí)，其所建立的壁溫穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型并不能適用，若在非穩(wěn)態(tài)條件下使用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，將導(dǎo)致較大的計(jì)算結(jié)果偏差，從而造成鍋爐高溫受熱面安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的失效；

中國專利CN 103672846B公布了一種鍋爐過熱器/再熱器受熱面壁溫及氧化皮厚度的監(jiān)測方法，通過建立壁溫計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)壁溫的在線監(jiān)測，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要大量準(zhǔn)確的樣本數(shù)據(jù)，然而鍋爐高溫受熱面壁溫獲取難度較大，且樣本的準(zhǔn)確程度對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度產(chǎn)生直接影響，難以實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

此外，隨著鍋爐運(yùn)行工況、煤質(zhì)以及運(yùn)行時(shí)間等外部條件的變化，鍋爐高溫受熱面壁溫水平是不斷變化的，在壁溫的安全性監(jiān)測過程中，如何根據(jù)上述條件變化，不斷更新高溫受熱面壁溫安全監(jiān)測判據(jù)，是鍋爐高溫受熱面安全性在線監(jiān)測系統(tǒng)必須解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種電站鍋爐高溫受熱面安全性在線監(jiān)測方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種電站鍋爐高溫受熱面安全性在線監(jiān)測方法，其特征在于：包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊、鍋爐穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況識(shí)別模塊、鍋爐高溫受熱面壁溫計(jì)算模塊以及高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊；

具體步驟為：

步驟1：由數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊通過OPC方式從DCS或SIS系統(tǒng)采集鍋爐負(fù)荷、高溫受熱面進(jìn)出口煙溫汽溫?cái)?shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫接口采集關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存放的各高溫受熱面歷史典型壁溫?cái)?shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理供其他模塊作為輸入數(shù)據(jù)使用；

步驟2：由鍋爐穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況識(shí)別模塊判斷鍋爐機(jī)組當(dāng)前是否處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，當(dāng)鍋爐處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況時(shí)，則執(zhí)行步驟3；否則，結(jié)束計(jì)算過程；

步驟3：由鍋爐高溫受熱面壁溫計(jì)算模塊根據(jù)鍋爐各高溫受熱面進(jìn)出口煙溫、汽溫，計(jì)算各高溫受熱面金屬壁溫；

步驟4：由高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊對各高溫受熱面的金屬壁溫進(jìn)行在線安全預(yù)警分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)壁溫異常時(shí)輸出壁溫安全告警。

所述鍋爐穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況識(shí)別模塊的輸入為鍋爐實(shí)時(shí)負(fù)荷濾波值，輸出為計(jì)算使能信號(hào)，當(dāng)判斷鍋爐機(jī)組處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況時(shí)，輸出的計(jì)算使能信號(hào)值為1，否則，輸出的計(jì)算使能信號(hào)值為0；

判斷鍋爐機(jī)組是否處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的具體方法為：

按下式計(jì)算連續(xù)N個(gè)鍋爐負(fù)荷濾波值D_i的方差s：

式中：N為計(jì)算鍋爐負(fù)荷濾波方差的樣本數(shù)；M為鍋爐負(fù)荷濾波級(jí)數(shù)；D_i為第i個(gè)鍋爐負(fù)荷原始值；D_i′為第i個(gè)鍋爐負(fù)荷濾波值；為N個(gè)鍋爐負(fù)荷濾波值的算術(shù)平均值；M、N的取值與鍋爐負(fù)荷采樣頻率t有關(guān)，當(dāng)t≤5s時(shí)，M在10～50范圍內(nèi)取值，N在10～20范圍內(nèi)取值，當(dāng)t＞5s時(shí)，M、N在10以內(nèi)取值；

若連續(xù)N個(gè)鍋爐負(fù)荷濾波值D_i的方差s小于等于閾值θ時(shí)，則認(rèn)為鍋爐機(jī)組當(dāng)前處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，否則，處于非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)；通常情況下，閾值θ可在0.5～1.5范圍內(nèi)取值。

所述鍋爐高溫受熱面壁溫計(jì)算模塊的輸入部分包括計(jì)算使能信號(hào)、各測點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的濾波值，輸出為各高溫受熱面金屬壁溫；

高溫受熱面金屬壁溫的具體計(jì)算方法為：

式中：t_b、t_j分別為受熱面計(jì)算點(diǎn)的金屬壁溫和計(jì)算管的進(jìn)口溫度，℃；Δi為受熱面管組中任一管段的焓增，kJ/kg；R為計(jì)算管的蒸汽比熱，kJ/(kg·℃)；D為蒸汽流量，kg/h；k_r、k_h分別為寬度和高度的吸熱偏差系數(shù)；E₀、d、l分別為計(jì)算管段的面積折算系數(shù)、長度和管外徑；q_f、p分別為屏前、屏后、屏中及屏下煙室的輻射熱負(fù)荷及其偏差系數(shù)；q_p、q_d、ξ₁、ξ₂分別為屏間煙氣輻射和對流熱負(fù)荷及其偏差系數(shù)；q_m為計(jì)算管段外壁沿周界最大熱負(fù)荷，W/m²；β、J、α₂分別為熱均流系數(shù)、管徑比和管內(nèi)蒸汽對管壁的放熱系數(shù)，W/(m²·K)；δ、λ分別為管壁厚度，m，金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；η、φ分別為對流熱負(fù)荷增大系數(shù)及輻射熱負(fù)荷曝光系數(shù)；H_d、H_f、H_p分別為對流受熱面積、屏輻射面積以及屏間輻射面積。

所述高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊的輸入部分包括計(jì)算使能信號(hào)、鍋爐負(fù)荷、煤質(zhì)信息、各高溫受熱面金屬壁溫計(jì)算值以及各高溫受熱面歷史典型壁溫值，當(dāng)判斷某高溫受熱面壁溫存在異常情況時(shí)，輸出壁溫安全告警。

所述高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊通過對輸入的壁溫?cái)?shù)據(jù)分別進(jìn)行實(shí)時(shí)趨勢性分析以及歷史一致性分析，判斷高溫受熱面壁溫是否存在異常情況，具體計(jì)算方法為：

(1)實(shí)時(shí)趨勢性分析：對輸入的壁溫?cái)?shù)據(jù)每5分鐘計(jì)算一次5分鐘平均值，若發(fā)現(xiàn)連續(xù)k個(gè)5分鐘平均值呈上升或下降趨勢，則發(fā)出告警，一般的，k可在10～20間取值；

(2)歷史一致性分析：將當(dāng)前鍋爐負(fù)荷與煤質(zhì)信息與歷史典型運(yùn)行數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，若發(fā)現(xiàn)當(dāng)前某受熱面壁溫超出數(shù)據(jù)庫中典型工況下受熱面壁溫的最大或最小值時(shí)，則發(fā)出告警；

(3)上述(1)和(2)任意一項(xiàng)發(fā)出告警時(shí)，高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊輸出安全告警。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明所需的參數(shù)均可從DCS控制系統(tǒng)或電廠SIS系統(tǒng)中直接讀取，現(xiàn)場不需要額外增加分析或測量儀表等昂貴的輔助設(shè)備，可集成在已有的上位機(jī)中，成本低；

2、鍋爐高溫受熱面壁溫超溫導(dǎo)致爆管等事故的發(fā)生通常是一個(gè)長期緩變的量變過程，因此，建立高溫受熱面壁溫的穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型能夠滿足實(shí)際工程需要，但在運(yùn)行過程中需要自動(dòng)屏蔽鍋爐非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，以防計(jì)算結(jié)果的偏差，本發(fā)明建立了鍋爐穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)工況在線識(shí)別模型，在監(jiān)測過程的壁溫計(jì)算時(shí)剔除了非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)的情況，解決了現(xiàn)有技術(shù)在監(jiān)測過程中由于不能區(qū)分鍋爐穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)所導(dǎo)致在非穩(wěn)態(tài)條件下計(jì)算結(jié)果偏差大的技術(shù)問題，進(jìn)而確保監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠；

3、本發(fā)明具有壁溫歷史一致性分析功能，隨著鍋爐運(yùn)行工況、煤質(zhì)以及運(yùn)行時(shí)間等外部條件的變化，鍋爐高溫受熱面壁溫水平將不斷更新至歷史數(shù)據(jù)庫，保證鍋爐在不同運(yùn)行條件下，壁溫安全監(jiān)測的準(zhǔn)確可靠，這是現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)沒有實(shí)現(xiàn)的；

4、本發(fā)明可對過熱器、再熱器的所有管組進(jìn)行壁溫的在線安全性監(jiān)測，設(shè)備覆蓋面較廣；

5、本發(fā)明可加載到電廠性能監(jiān)測與運(yùn)行優(yōu)化的SIS系統(tǒng)模塊中，用于診斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，指導(dǎo)鍋爐的燃燒調(diào)整與優(yōu)化控制，進(jìn)一步地完善整個(gè)機(jī)組的安全與性能在線監(jiān)測系統(tǒng)，其擴(kuò)展應(yīng)用的范圍廣泛、方便。

附圖說明

圖1為電站鍋爐高溫受熱面安全性在線監(jiān)測方法的總體框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，一種電站鍋爐高溫受熱面安全性在線監(jiān)測方法，包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊、鍋爐穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況識(shí)別模塊、鍋爐高溫受熱面壁溫計(jì)算模塊以及高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊；

具體計(jì)算步驟為：

步驟1：由數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊通過OPC方式從DCS或SIS系統(tǒng)采集鍋爐負(fù)荷、高溫受熱面進(jìn)出口煙溫汽溫?cái)?shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫接口采集關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存放的各高溫受熱面歷史典型壁溫?cái)?shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理供其他模塊作為輸入數(shù)據(jù)使用；

步驟2：由鍋爐穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況識(shí)別模塊判斷鍋爐機(jī)組當(dāng)前是否處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，當(dāng)鍋爐處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況時(shí)，則執(zhí)行步驟3；否則，結(jié)束計(jì)算過程；

步驟3：由鍋爐高溫受熱面壁溫計(jì)算模塊根據(jù)鍋爐各高溫受熱面進(jìn)出口煙溫、汽溫，計(jì)算各高溫受熱面金屬壁溫；

步驟4：由高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊對各高溫受熱面的金屬壁溫進(jìn)行在線安全預(yù)警分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)壁溫異常時(shí)輸出壁溫安全告警。

鍋爐穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況識(shí)別模塊的輸入為鍋爐實(shí)時(shí)負(fù)荷濾波值，輸出為計(jì)算使能信號(hào)，當(dāng)判斷鍋爐機(jī)組處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況時(shí)，輸出的計(jì)算使能信號(hào)值為1，否則，輸出的計(jì)算使能信號(hào)值為0；

判斷鍋爐機(jī)組是否處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的具體方法為：

按下式計(jì)算連續(xù)N個(gè)鍋爐負(fù)荷濾波值D_i的方差s：

式中：N為計(jì)算鍋爐負(fù)荷濾波方差的樣本數(shù)；M為鍋爐負(fù)荷濾波級(jí)數(shù)；D_i為第i個(gè)鍋爐負(fù)荷原始值；D_i′為第i個(gè)鍋爐負(fù)荷濾波值；為N個(gè)鍋爐負(fù)荷濾波值的算術(shù)平均值；M、N的取值與鍋爐負(fù)荷采樣頻率t有關(guān)；

若連續(xù)N個(gè)鍋爐負(fù)荷濾波值D_i的方差s小于等于閾值θ時(shí)，則認(rèn)為鍋爐機(jī)組當(dāng)前處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，否則，處于非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)；通常情況下，閾值θ可在0.5～1.5范圍內(nèi)取值。

鍋爐高溫受熱面壁溫計(jì)算模塊的輸入部分包括計(jì)算使能信號(hào)、各測點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的濾波值，輸出為各高溫受熱面金屬壁溫；

高溫受熱面金屬壁溫的具體計(jì)算方法為：

式中：t_b、t_j分別為受熱面計(jì)算點(diǎn)的金屬壁溫和計(jì)算管的進(jìn)口溫度，℃；Δi為受熱面管組中任一管段的焓增，kJ/kg；R為計(jì)算管的蒸汽比熱，kJ/(kg·℃)；D為蒸汽流量，kg/h；k_r、k_h分別為寬度和高度的吸熱偏差系數(shù)；E₀、d、l分別為計(jì)算管段的面積折算系數(shù)、長度和管外徑；q_f、p分別為屏前、屏后、屏中及屏下煙室的輻射熱負(fù)荷及其偏差系數(shù)；q_p、q_d、ξ₁、ξ₂分別為屏間煙氣輻射和對流熱負(fù)荷及其偏差系數(shù)；q_m為計(jì)算管段外壁沿周界最大熱負(fù)荷，W/m²；β、J、α₂分別為熱均流系數(shù)、管徑比和管內(nèi)蒸汽對管壁的放熱系數(shù)，W/(m²·K)；δ、λ分別為管壁厚度，m，金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；η、φ分別為對流熱負(fù)荷增大系數(shù)及輻射熱負(fù)荷曝光系數(shù)；H_d、H_f、H_p分別為對流受熱面積、屏輻射面積以及屏間輻射面積。

高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊的輸入部分包括計(jì)算使能信號(hào)、鍋爐負(fù)荷、煤質(zhì)信息、各高溫受熱面金屬壁溫計(jì)算值以及各高溫受熱面歷史典型壁溫值，當(dāng)判斷某高溫受熱面壁溫存在異常情況時(shí)，輸出壁溫安全告警。

高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊對輸入的壁溫?cái)?shù)據(jù)分別進(jìn)行實(shí)時(shí)趨勢性分析以及歷史一致性分析，具體計(jì)算方法為：

(1)實(shí)時(shí)趨勢性分析：對輸入的壁溫?cái)?shù)據(jù)每5分鐘計(jì)算一次5分鐘平均值，若發(fā)現(xiàn)連續(xù)k個(gè)5分鐘平均值呈上升或下降趨勢，則發(fā)出告警，一般的，k可在10～20間取值；

(2)歷史一致性分析：將當(dāng)前鍋爐負(fù)荷與煤質(zhì)信息與歷史典型運(yùn)行數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，若發(fā)現(xiàn)當(dāng)前某受熱面壁溫超出數(shù)據(jù)庫中典型工況下受熱面壁溫的最大或最小值時(shí)，則發(fā)出告警；

(3)上述(1)和(2)任意一項(xiàng)發(fā)出告警時(shí)，高溫受熱面壁溫安全預(yù)警模塊輸出安全告警。

上述系統(tǒng)所需的參數(shù)均可從DCS控制系統(tǒng)或電廠SIS系統(tǒng)中直接讀取，現(xiàn)場不需要額外增加分析或測量儀表等昂貴的輔助設(shè)備，可集成在已有的上位機(jī)中，成本低；鍋爐高溫受熱面壁溫超溫導(dǎo)致爆管等事故的發(fā)生通常是一個(gè)長期緩變的量變過程，因此，建立高溫受熱面壁溫的穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型能夠滿足實(shí)際工程需要，但在運(yùn)行過程中需要自動(dòng)屏蔽鍋爐非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，以防計(jì)算結(jié)果的偏差，上述系統(tǒng)建立了鍋爐穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)工況在線識(shí)別模型，保證監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠；上述系統(tǒng)具有壁溫歷史一致性分析功能，隨著鍋爐運(yùn)行工況、煤質(zhì)以及運(yùn)行時(shí)間等外部條件的變化，鍋爐高溫受熱面壁溫水平將不斷更新至歷史數(shù)據(jù)庫，保證鍋爐在不同運(yùn)行條件下，壁溫安全監(jiān)測的準(zhǔn)確可靠；上述系統(tǒng)可對過熱器、再熱器的所有管組進(jìn)行壁溫的在線安全性監(jiān)測，設(shè)備覆蓋面較廣；上述系統(tǒng)可加載到電廠性能監(jiān)測與運(yùn)行優(yōu)化的SIS系統(tǒng)模塊中，用于診斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，指導(dǎo)鍋爐的燃燒調(diào)整與優(yōu)化控制，進(jìn)一步地完善整個(gè)機(jī)組的安全與性能在線監(jiān)測系統(tǒng)，其擴(kuò)展應(yīng)用的范圍廣泛、方便。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。