一种锅炉水冷壁超温预警方法及系统与流程

本发明涉及锅炉水冷壁，特别涉及一种锅炉水冷壁超温预警方法及系统。

背景技术：

1、随着火力发电机组向高参数、大容量方向不断发展，超临界及超超临界锅炉广泛应用，锅炉水冷壁的工作温度和压力显著提高，运行环境日益严苛。在实际运行过程中，由于燃烧组织不均、火焰中心偏移、炉内结焦积灰、配风不合理等原因，常导致水冷壁受热面出现局部热负荷过高或管间吸热不均的现象，进而引发管壁温度异常升高。长期或严重的超温会使管材机械性能下降，尤其在高温蠕变和热应力的共同作用下，极易诱发管材鼓包、裂纹甚至爆管事故，严重威胁电厂的安全稳定运行。

2、目前，常规的水冷壁超温监测主要依赖于炉膛四周布置的少量壁温测点，通过监测管壁温度的绝对值是否超过设定阈值来发出预警。然而，该方法存在明显局限性：一方面，测点数量有限，难以全面反映大面积水冷壁的温度分布情况，存在监测盲区；另一方面，单纯以温度绝对值为判据，忽略了材料在高温下的力学承载能力变化，无法准确评估管材的实际安全裕度。事实上，即使管壁温度未达到传统报警值，若相邻管间存在较大温差，也会因热膨胀不均而产生显著的管间热应力，当该应力超过管材在实际工作温度下的高温许用应力或屈服强度时，仍可能导致塑性变形或疲劳损伤，最终引发失效。

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，提供一种锅炉水冷壁超温预警方法及系统。

2、本发明的一个方面，提供了一种锅炉水冷壁超温预警方法，所述方法包括：

3、获取锅炉水冷壁运行过程中各管壁的实时温度监测数据、锅炉负荷数据以及管材在对应温度下的温度相关材料参数数据；

4、按照管号相邻关系和采集时刻确定结构相邻管对的同步管间温差，并在不同锅炉负荷等级工况下分析所述同步管间温差的波动特征，得到所述锅炉水冷壁的管壁超温异常程度；

5、根据所述同步管间温差确定管间热应力表征值，将所述管间热应力表征值与对应的高温许用应力阈值进行比较，得到应力阈值匹配度，并根据比较结果在连续时间窗内的变化确定应力裕度耦合关联性；

6、基于所述管壁超温异常程度、所述应力阈值匹配度和所述应力裕度耦合关联性，确定所述锅炉水冷壁的超温爆管风险率，并基于所述超温爆管风险率确定所述锅炉水冷壁的超温预警管控策略。

7、可选地，所述获取实时温度监测数据、锅炉负荷数据以及温度相关材料参数数据，包括：

8、通过与水冷壁管号绑定的温度传感器获取各水冷壁管的实时温度监测数据，并以锅炉控制系统的统一时钟为所述实时温度监测数据和锅炉负荷数据加注时间戳；

9、根据管材牌号和当前管壁温度，从预先存储的温度相关材料参数库中查取或插值得到所述弹性模量、线膨胀系数、泊松比和高温许用应力参数数据。

10、可选地，所述分析同步管间温差的波动特征，得到管壁超温异常程度，包括：

11、根据所述锅炉负荷等级，将所述同步管间温差划分为多个温差监测子数据；

12、对所述多个温差监测子数据中固有模态函数分量对应的温差波动进行分析，得到所述锅炉水冷壁的管壁超温异常程度。

13、可选地，所述对所述多个温差监测子数据中固有模态函数分量对应的温差波动进行分析，得到所述锅炉水冷壁的管壁超温异常程度，包括：

14、对所述多个温差监测子数据，提取高频固有模态函数分量对应的第一超温异常程度；

15、对所述多个温差监测子数据，提取低频固有模态函数分量对应的第二超温异常程度；

16、组合所述第一超温异常程度和所述第二超温异常程度，得到所述锅炉水冷壁的管壁超温异常程度。

17、可选地，所述对所述多个温差监测子数据，提取高频固有模态函数分量对应的第一超温异常程度，包括：

18、根据所述多个温差监测子数据，获取所述高频固有模态函数分量的数量，以及各所述温差监测子数据中所述高频固有模态函数分量对应的熵；

19、根据各所述温差监测子数据中所述高频固有模态函数分量对应的熵，确定熵随所述锅炉负荷等级的变化趋势；

20、根据所述熵随所述锅炉负荷等级的变化趋势、所述高频固有模态函数分量的数量，确定所述高频固有模态函数分量对应的第一超温异常程度。

21、可选地，所述对所述多个温差监测子数据，提取低频固有模态函数分量对应的第二超温异常程度，包括：

22、根据所述多个温差监测子数据，获取所述低频固有模态函数分量的数量，以及各所述温差监测子数据中所述低频固有模态函数分量对应的能量；

23、根据各所述温差监测子数据中所述低频固有模态函数分量对应的能量，确定所述能量随所述锅炉负荷等级的变化趋势；

24、根据所述熵随所述锅炉负荷等级的变化趋势、所述能量随所述锅炉负荷等级的变化趋势、所述低频固有模态函数分量的数量，确定所述低频固有模态函数分量对应的第二超温异常程度。

25、可选地，所述确定管间热应力表征值和应力阈值匹配度，包括：

26、对于由第i根管和第j根管构成的结构相邻管对，所述结构相邻管对为同一炉墙、相同或相近标高且通过鳍片连接的两根水冷壁管，确定时间差不大于预设同步容差的同一采集时刻的同步管间温差δtij和平均管壁温度tm,ij；

27、根据所述平均管壁温度确定弹性模量e、线膨胀系数α和泊松比ν，并根据预先标定且按水冷壁结构分区存储的无量纲结构约束系数kij，按照σth,ij＝kij·e·α·|δtij|/(1－ν)确定所述管间热应力表征值，其中所述结构约束系数kij通过包含相邻管、连接鳍片及边界约束的有限元模型在预设管间温差工况下反算得到或通过应变测试标定得到；

28、根据管材牌号以及所述第i根管和第j根管中较高的管壁温度确定与所述管间热应力表征值的应力类别相匹配的高温许用应力阈值[σ]t，并计算热应力利用系数uij＝σth,ij/[σ]t；

29、按照pij＝1－min(uij,1)确定所述应力阈值匹配度，其中pij越小表示管间热应力越接近所述高温许用应力阈值。

30、可选地，所述确定应力裕度耦合关联性，包括：

31、按照mij＝[σ]t－σth,ij确定应力裕度，计算多个连续时间窗内所述应力裕度mij对时间的线性回归斜率bij，并按照cij＝min{max(0，－bij)/bref，1}确定0至1之间的应力裕度耦合关联性，其中bref为大于0的预设参考衰减率，cij越大表示应力裕度收缩越快。

32、可选地，所述基于所述超温爆管风险率确定所述锅炉水冷壁的超温预警管控策略，包括：

33、将所述超温爆管风险率与预设安全风险阈值进行比对；

34、在所述超温爆管风险率大于或等于所述预设安全风险阈值时，触发分级预警管控并启动燃烧调整、负荷调控预案；

35、当任一结构相邻管对的管间热应力表征值大于或等于对应的高温许用应力阈值时，直接触发最高级别预警，且其他指标不降低该预警级别。

36、本发明的另一个方面，提供一种锅炉水冷壁超温预警系统，所述系统包括：

37、数据获取模块，用于获取各管壁的实时温度监测数据、锅炉负荷数据以及管材在对应温度下的弹性模量、线膨胀系数、泊松比和高温许用应力参数数据；

38、异常量化模块，用于按照结构相邻管对形成同步管间温差，并在不同锅炉负荷等级工况下分析所述同步管间温差的波动特征，得到管壁超温异常程度；

39、耦合分析模块，用于根据所述同步管间温差、所述弹性模量、线膨胀系数、泊松比以及针对结构相邻管对预先标定的结构约束系数确定管间热应力表征值，将所述管间热应力表征值与结构相邻管对中较高管壁温度对应的高温许用应力阈值进行比较，得到热应力利用系数、应力阈值匹配度和应力裕度耦合关联性；

40、预警决策模块，用于基于所述管壁超温异常程度、所述应力阈值匹配度和所述应力裕度耦合关联性确定超温爆管风险率，并确定超温预警管控策略。

41、本发明实施例相对于现有技术而言，在原有温度动态特征分析基础上，将结构相邻管对的同步管间温差转换为管间热应力表征值，并与偏热管当前温度对应的高温许用应力阈值直接比较，使应力阈值匹配度和应力裕度耦合关联性具有明确的物理含义；同时保留固有模态分解对短时扰动和持续热偏差的识别能力，形成温差动态特征与热应力安全裕度相结合的分级预警依据。