一种水冷壁热偏差故障在线诊断方法及系统与流程

本发明涉及电站锅炉智能运维，具体为一种水冷壁热偏差故障在线诊断方法及系统。

背景技术：

1、电站锅炉水冷壁是锅炉核心换热承压部件，长期处于炉膛高温辐射与管内汽水换热的耦合复杂工况下运行，其工作状态极易受锅炉燃烧组织、燃煤品质波动、风煤配比、燃烧器投运模式、受热面结焦积灰及水动力分配不均等多重因素干扰。在锅炉实际运行过程中，一旦出现炉膛热负荷分布失衡或水冷壁局部换热性能衰减的情况，便会诱发局部热偏差问题，进而引发管壁温度异常升高、热应力激增、传热恶化等一系列故障，严重时将直接导致水冷壁爆管，威胁整套电站锅炉的运行稳定性与安全性，因此，实现水冷壁热偏差故障的在线精准识别、定位与成因诊断，是保障锅炉长效安全运行的核心技术需求。

2、目前，行业内已形成部分水冷壁在线安全评价技术方案，典型如专利cn101216164a所公开的水冷壁在线安全评价方法。该方案依托少量水冷壁管内特征监测参数，结合流动传热数值计算模型，可在线判别水冷壁流量脉动、壁温超温、疲劳蠕变断裂等安全状态，同时明确了水冷壁热偏差会加剧流量偏差、恶化传热效果、扩大壁温差异的技术机理，一定程度上解决了传统测点布置受限、无法全域监测炉膛实时工况的行业难题，为水冷壁基础安全状态评价提供了有效技术支撑。

3、但现有主流技术方案仍存在明显技术短板，其诊断逻辑仅聚焦于管内流动传热参数推演，通过有限监测数据推算水冷壁各区域温度、流量、压力及寿命状态，仅能实现壁温超限、流动异常等基础安全判定，未针对水冷壁温度场的空间异常形态开展精细化分析，无法适配实际复杂工况下的热偏差故障溯源需求。实际运行中，不同诱因引发的热偏差故障具备差异化特征：燃烧偏斜导致的热偏差会随烟气流动方向动态迁移；结焦积灰、局部换热恶化引发的热偏差呈现区域固定、面积渐进式扩展的特点；汽水侧流量分配异常的热偏差则沿工质流动方向定向延伸。

4、现有技术未对温度场异常连通域、传播路径、扩展规律及工况扰动与故障演化的滞后关联关系进行深度分析，在故障早期、壁温未显著超限时，普遍存在故障成因识别不准、故障类型区分度低、预警滞后等问题，难以实现热偏差故障的前置预判与精准溯源。综上，目前亟需一种基于水冷壁温度场异常特征的在线诊断系统，通过基准温度场比对、残差异常场分析及故障机理匹配，精准区分各类热偏差故障类型，提升故障早期识别、定位及成因诊断的可靠性。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种水冷壁热偏差故障在线诊断方法及系统，以解决现有技术未对温度场异常连通域、传播路径、扩展规律及工况扰动与故障演化的滞后关联关系进行深度分析，在故障早期、壁温未显著超限时，普遍存在故障成因识别不准、故障类型区分度低、预警滞后的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种水冷壁热偏差故障在线诊断方法，包括：

4、采集水冷壁不同空间位置的温度数据，对炉膛水冷壁进行空间展开处理，构建得到水冷壁实时温度场；

5、基于锅炉当前运行工况，匹配生成适配当前负荷、燃烧及汽水状态的工况基准温度场；

6、将所述水冷壁实时温度场与所述工况基准温度场比对计算，得到温度残差场，基于残差特征筛选异常候选节点，并合并形成空间异常连通域；

7、在连续时间窗口内跟踪匹配所述空间异常连通域，构建异常事件轨迹，量化得到异常传播路径、扩展特性及残差变化特征参数；

8、将异常事件的量化特征与预设的多类热偏差故障机理特征进行匹配比对，区分不同热偏差故障成因类型；

9、基于特征匹配结果判定热偏差故障类型，并结合残差强度、异常范围、工况关联特性，输出故障位置、故障等级及诊断可信度，完成水冷壁热偏差故障精准在线诊断。

10、优选的，基于锅炉当前运行工况，匹配生成适配当前负荷、燃烧及汽水状态的工况基准温度场的具体过程如下：

11、预先将锅炉历史正常运行样本划分为多个工况簇；

12、各所述工况簇对应一种稳定工况下水冷壁正常温度分布模式；

13、通过当前锅炉工况与各工况簇的匹配关系，生成对应的工况基准温度场。

14、进一步的，通过当前锅炉工况与各工况簇的匹配关系具体为基于各所述工况簇加权计算得到所述工况基准温度场，各工况簇的权重由当前锅炉工况与对应工况簇中心的距离或相似度确定。

15、优选的，基于残差特征筛选异常候选节点的筛选条件为：

16、正残差超过当前工况残差阈值，且残差梯度超过梯度阈值，或邻域内多个节点同步出现正残差异常的节点。

17、优选的，在连续时间窗口内跟踪匹配所述空间异常连通域中，通过连续多个时间窗口的异常中心迁移向量加权合成异常事件主传播方向；当有效迁移向量数量不足或主传播方向判定指标小于方向判定下限时，将异常事件转入中心保持型异常判断流程。

18、进一步的，根据异常事件中心迁移向量与异常事件主传播方向的一致程度确定路径稳定度，根据异常区域长轴方向与异常事件主传播方向的一致程度确定扩展一致性。

19、优选的，所述多类热偏差故障机理特征包括燃烧偏斜型热偏差的匹配特征、固定扩展型热偏差的匹配特征和汽水侧流量分配异常型热偏差的匹配特征。

20、进一步的，燃烧偏斜型热偏差的匹配特征包括：异常主传播方向与炉膛周向、烟气旋转方向或烟气偏流方向的一致性，异常区域周向偏移比例，以及燃烧侧工况扰动与残差增长的滞后关联关系；

21、固定扩展型热偏差的匹配特征包括：异常区域中心保持度、异常面积扩展速率、残差增长率、异常持续时间，以及无燃烧侧、汽水侧工况可解释的异常程度；

22、汽水侧流量分配异常型热偏差的匹配特征包括：异常主传播方向或异常区域长轴方向与管屏方向、并联回路方向或汽水工质流动方向的一致性，残差沿汽水流动方向的递增状态，以及汽水侧工况扰动与残差增长的滞后关联关系；测温链路异常特征包括异常离散、持续时间短、邻域支持不足、无稳定传播路径。

23、进一步的，基于特征匹配结果判定热偏差故障类型的具体过程包括：

24、对燃烧偏斜型热偏差的匹配特征、固定扩展型热偏差的匹配特征和汽水侧流量分配异常型热偏差的匹配特征和测温链路异常分别计算成因匹配值，并在最大成因匹配值超过对应判定阈值时输出对应故障类型。

25、第二方面，本发明还提供了一种水冷壁热偏差故障在线诊断系统，包括：

26、温度场在线构建单元，采集水冷壁不同空间位置的温度数据，对炉膛水冷壁进行空间展开处理，构建得到水冷壁实时温度场；

27、工况基准温度场生成单元，基于锅炉当前运行工况，匹配生成适配当前负荷、燃烧及汽水状态的工况基准温度场；

28、残差异常场解析单元，将所述水冷壁实时温度场与所述工况基准温度场比对计算，得到温度残差场，基于残差特征筛选异常候选节点，并合并形成空间异常连通域；

29、异常传播路径跟踪单元，在连续时间窗口内跟踪匹配所述空间异常连通域，构建异常事件轨迹，量化得到异常传播路径、扩展特性及残差变化特征参数；

30、热偏差机理匹配单元，将异常事件的量化特征与预设的多类热偏差故障机理特征进行匹配比对，区分不同热偏差故障成因类型；

31、热偏差故障诊断单元，基于特征匹配结果判定热偏差故障类型，并结合残差强度、异常范围、工况关联特性，输出故障位置、故障等级及诊断可信度，完成水冷壁热偏差故障精准在线诊断。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

33、本发明提供了一种水冷壁热偏差故障在线诊断方法，摒弃传统单点测温超限报警模式，依托锅炉实时工况生成匹配负荷、燃烧及汽水运行状态的基准温度场，将实时温度场与基准温度场对比构建残差异常场，能够剥离机组负荷变动、燃烧策略调整等正常工况波动带来的温度干扰，保障诊断结果不受常规运行扰动影响；本发明完整识别残差异常连通域，持续追踪异常区域主传播方向、路径稳定度、扩展一致性、面积扩展速率与残差增长率，可在单点管壁尚未出现显著超温前捕捉异常区域生成、扩张趋势，大幅提前故障识别节点，强化早期预警能力；本发明将异常时空演化特征分别与燃烧偏斜、固定结焦积灰扩展、汽水流量分配失衡、测温线路故障四类机理特征一一匹配区分，能够有效甄别仪表测点异常、短时随机扰动与真实水冷壁热偏差故障，规避误报警问题；依托多维度特征匹配结果输出精准故障区域、故障等级与诊断可信度，全方位提升水冷壁热偏差故障空间定位精度、故障类型识别准确度与诊断结果可靠程度，能够为电站锅炉现场燃烧优化调整、水冷壁受热面计划性检修、机组运行风险预判管控提供客观、全面的数据支撑。