基于壁温波动频谱分析的水冷壁疲劳损伤表征方法及系统与流程

本发明涉及锅炉水冷壁监测，特别涉及一种基于壁温波动频谱分析的水冷壁疲劳损伤表征方法及系统。

背景技术：

1、随着新能源发电技术的快速发展，火电机组在电力系统中的角色逐渐由传统的基础电量提供者转变为调峰调频的灵活性电源，其频繁参与深度调峰运行已成为常态。在深度调峰工况下，火电机组长期处于低负荷运行状态，会导致锅炉水冷壁内的工质流量显著降低且易出现分配不均、流动不稳定等问题，进而引发水冷壁壁温产生剧烈的周期性或随机性波动。这种频繁的温度交变会在水冷壁金属材料中产生交变热应力，极易诱发热疲劳损伤，严重时可导致水冷壁管材出现微裂纹甚至泄漏，威胁火电机组安全稳定运行。

2、目前，针对水冷壁安全状态的监测方法多依赖于常规的温度巡检或有限点位的热电偶测温，难以全面、实时地捕捉壁温波动的动态特性，尤其无法有效识别低频、小幅但长期累积效应显著的热疲劳载荷。此外，现有方法普遍缺乏对温度波动与运行工况（如负荷变化）之间耦合关系的定量分析，导致对热疲劳损伤程度的评估多依赖经验判断，缺乏科学、量化的表征手段。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一，提供一种基于壁温波动频谱分析的水冷壁疲劳损伤表征方法及系统，以解决现有水冷壁监测手段难以全面捕捉深度调峰工况下水冷壁壁温的动态波动特征，且缺乏对温度波动与运行工况耦合关系的定量分析，导致热疲劳损伤评估依赖经验判断而缺乏科学量化的表征方法的技术问题。本发明通过多维特征耦合分析，实现了低负荷下热疲劳损伤的精准量化表征，有效解决了传统方法依赖经验判断、缺乏动态工况关联分析的难题，可为水冷壁预防性维护提供科学依据。

2、本发明的一个方面，提供了一种基于壁温波动频谱分析的水冷壁疲劳损伤表征方法，包括：

3、获取火电机组深度调峰工况下水冷壁的壁温监测时间序列和同步的机组运行负荷序列；

4、在不同低负荷工况时，对所述壁温监测时间序列由工质流量不稳定引起的波动进行分析，得到所述水冷壁的壁温波动异常程度；

5、对所述壁温监测时间序列和所述机组运行负荷序列的时间同步性进行分析，得到波动位置重合度，并对所述壁温监测时间序列和所述机组运行负荷序列的幅值变化一致性进行分析，得到幅值变化关联性；

6、将所述壁温波动异常程度、所述波动位置重合度和所述幅值变化关联性融合映射为等效热应力时间序列，基于所述等效热应力时间序列提取得到规则化应力循环谱，计算所述水冷壁的热疲劳损伤度，并基于所述热疲劳损伤度确定水冷壁的寿命评估与运维策略。

7、可选地，所述获取火电机组深度调峰工况下水冷壁的壁温监测时间序列和同步的机组运行负荷序列，包括：

8、通过预先贴附于水冷壁关键受热区域的光纤光栅阵列传感器，获取火电机组全运行过程中高采样频率、高空间分辨率的所述壁温监测时间序列；

9、通过机组dcs控制系统采集同步的所述机组运行负荷序列。

10、可选地，所述在不同低负荷工况时，对所述壁温监测时间序列由工质流量不稳定引起的波动进行分析，得到所述水冷壁的壁温波动异常程度，包括：

11、根据所述不同低负荷工况，将所述壁温监测时间序列划分为多个壁温监测子序列；

12、对所述多个壁温监测子序列经频谱变换得到的各分量对应的波动特征进行分析，得到所述水冷壁的壁温波动异常程度。

13、可选地，所述对所述多个壁温监测子序列经频谱变换得到的各分量对应的波动特征进行分析，得到所述水冷壁的壁温波动异常程度，包括：

14、对所述多个壁温监测子序列，提取高频固有模态分量对应的第一壁温波动异常程度；

15、对所述多个壁温监测子序列，提取低频固有模态分量对应的第二壁温波动异常程度；

16、组合所述第一壁温波动异常程度和所述第二壁温波动异常程度，得到所述水冷壁的壁温波动异常程度。

17、可选地，所述对所述多个壁温监测子序列，提取高频固有模态分量对应的第一壁温波动异常程度，包括：

18、根据所述多个壁温监测子序列，获取所述高频固有模态分量的数量以及各所述高频固有模态分量对应的信息熵；

19、根据各所述高频固有模态分量对应的信息熵，确定信息熵随运行负荷的变化趋势；

20、根据所述信息熵随运行负荷的变化趋势、所述高频固有模态分量的数量，确定所述高频固有模态分量对应的第一壁温波动异常程度。

21、可选地，所述对所述多个壁温监测子序列，提取低频固有模态分量对应的第二壁温波动异常程度，包括：

22、根据所述多个壁温监测子序列，获取所述低频固有模态分量的数量以及各所述低频固有模态分量对应的波动能量；

23、根据各所述低频固有模态分量对应的波动能量，确定所述波动能量随运行负荷的变化趋势；

24、根据所述信息熵随运行负荷的变化趋势、所述波动能量随运行负荷的变化趋势、所述低频固有模态分量的数量，确定所述低频固有模态分量对应的第二壁温波动异常程度。

25、可选地，所述对所述壁温监测时间序列和所述机组运行负荷序列的时间同步性进行分析，得到波动位置重合度，包括：

26、根据预设时间窗，将所述壁温监测时间序列划分为多个第一滑动窗口，并将所述机组运行负荷序列划分为多个第二滑动窗口；

27、针对各所述第一滑动窗口，通过峭度峰值确定所述壁温监测时间序列的波动突变点；

28、针对各所述第二滑动窗口，通过差分计算确定所述机组运行负荷序列中变化率最大对应的负荷变化点；

29、分析所述波动突变点和所述负荷变化点的时间同步性，得到所述波动位置重合度。

30、可选地，所述对所述壁温监测时间序列和所述机组运行负荷序列的幅值变化一致性进行分析，得到幅值变化关联性，包括：

31、获取所述壁温监测时间序列在不同运行负荷时对应的各所述第一滑动窗口的第一幅值，以及所述机组运行负荷序列在不同运行负荷时对应的各所述第二滑动窗口的第二幅值；

32、对所述第一幅值的变化和所述第二幅值的变化进行一致性分析，得到所述幅值变化关联性。

33、可选地，所述基于所述热疲劳损伤度确定水冷壁的寿命评估与运维策略，包括：

34、将所述热疲劳损伤度与预设损伤阈值进行比对；

35、在所述热疲劳损伤度大于或等于所述预设损伤阈值时，生成水冷壁预防性检修预警提示。

36、本发明的另一个方面，提供了一种基于壁温波动频谱分析的水冷壁疲劳损伤表征系统，包括：

37、数据获取模块，用于获取火电机组深度调峰工况下水冷壁的壁温监测时间序列和同步的机组运行负荷序列；

38、异常分析模块，用于在不同低负荷工况时，对所述壁温监测时间序列由工质流量不稳定引起的波动进行分析，得到所述水冷壁的壁温波动异常程度；

39、关联评估模块，用于对所述壁温监测时间序列和所述机组运行负荷序列的时间同步性进行分析，得到波动位置重合度，并对所述壁温监测时间序列和所述机组运行负荷序列的幅值变化一致性进行分析，得到幅值变化关联性；

40、决策制定模块，用于将所述壁温波动异常程度、所述波动位置重合度和所述幅值变化关联性融合映射为等效热应力时间序列，基于所述等效热应力时间序列提取得到规则化应力循环谱，计算所述水冷壁的热疲劳损伤度，并基于所述热疲劳损伤度确定水冷壁的寿命评估与运维策略。

41、本发明相对于现有技术而言，通过分析不同低负荷工况下的壁温波动异常程度，结合高频与低频模态分量的熵和能量变化趋势，能够有效捕捉由工质流动不稳定引发的非稳态热冲击特征，提升了对水冷壁早期热疲劳损伤的敏感性和辨识能力；引入波动位置重合度与幅值变化关联性指标，定量评估壁温波动与机组负荷变化之间的时间同步性和响应一致性，揭示了热疲劳载荷的外部驱动机制，增强了损伤评估的物理可解释性；基于多维特征融合提取规则化应力循环谱，并结合疲劳累积理论计算热疲劳损伤度，克服了传统方法依赖经验判断的局限性，实现了损伤程度的科学量化和可比性评估；通过建立热疲劳损伤度与运维策略的联动机制，可及时发出预防性检修预警，为水冷壁的寿命管理、检修周期优化和机组安全经济运行提供数据驱动的技术支撑，显著提升火电厂设备智能化运维水平。