一种用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统及方法与流程

1.本发明涉及锅炉运行优化技术领域，尤其涉及一种用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统及方法。


背景技术：

2.为了降低发电成本，提高竞争力，部分燃煤机组逐渐开始在设计煤种的基础上掺烧其它煤种，主要以褐煤等劣质煤为主。然而，掺烧非设计劣质煤带来一系列结焦、沾污等问题。另一方面，燃烧工况组织的不合理也会引起炉膛内燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙等情况，严重时会导致炉膛受热面的结焦等问题的发生。
3.锅炉受热面积灰、结焦影响锅炉受热面的换热效果，使得锅炉效率下降、供电煤耗升高，由于锅炉受热面特殊的运行环境，长期以来运行人员缺乏有效的监测手段，主要通过就地巡检、查看观火孔、查看历史数据等手段进行经验分析和判断，时效性和准确性较差。如何解决锅炉受热面结焦的在线实时监测以及预警，成为目前亟待解决的问题。
4.cn202118880u公开了一种锅炉智能吹灰优化与在线结焦预警系统，包括控制器、监测系统、燃气吹灰系统，所述监测系统的监测点设置在锅炉的局部受热面上，所述控制器根据所述监测系统传输的信号分析确定并传输指令至所述燃气吹灰系统，所述燃气吹灰系统根据指令进行吹灰。优选方案还包括结焦预警系统和超高温预警系统。在锅炉各受热面污染在线监测的基础上，实现系统开环运行操作指导与闭环反馈监测控制相结合的智能吹灰运行模式，降低排烟温度，提高了锅炉效率，同时还建立了结焦预警、超温预警系统，使得锅炉的安全经济运行得到进一步的保障。
5.cn110738328a公开了一种锅炉受热面防磨防爆预防性维护系统，包括：三维模型模块，用于建立三维模型，以进行锅炉设备可视化管理；台账管理模块，用于建立设备台账信息，以进行设备电子台账管理；台账信息包括受热面管排、集箱及焊口信息；设备台账信息与所述三维模型关联；sis数据采集模块，用于采集sis数据；sis数据与所述三维模型关联；高温预警模块，用于根据炉膛温度分布、壁温进行高温报警；金属减薄率分析模块，用于基于运行工况数据、炉膛壁厚、吹灰器吹扫部位进行金属减薄率分析。所述系统能够实现锅炉设备数据的可视化管理、设备电子台账管理、受热面高温预警、四管泄漏预警，为锅炉泄漏分析、燃烧均匀性分析、结焦预警和检修策划提供强大的分析平台。
6.cn109934417a公开了基于卷积神经网络的锅炉结焦预警方法，包括以下步骤：1)、采集锅炉内结焦或不结焦的数据信息；2)、选取步骤1)的数据信息中，同一时间段的结焦或不结焦的数个测点温度数据；3)、构建结焦或不结焦的卷积神经网络模型，其包括：输入层、卷积层、下采样层、全连接层和输出层；4)、从实时采集的锅炉数据源中，随机选取同一时间段的数个测点温度数据，输入步骤3)的结焦或不结焦的卷积神经网络模型，得到该测点温度数据的图像特征，判断其结焦或不结焦。所述锅炉结焦预警方法为锅炉结焦提供预警方案，能够准确的预测锅炉受热面结焦情况，为判断锅炉受热面结焦提供科学的指导依据。
7.但上述锅炉受热面结焦的监测及数据分析方法较为复杂，发出的预警信号不够准
确，不能指导运行人员进行及时的处理与维护。
8.因此，从锅炉整体的安全性、经济性和环保性考虑，开发一种用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统及方法，实现燃煤电站锅炉的运行优化具有重要意义。


技术实现要素：

9.鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统及方法，通过在燃煤电站锅炉的分隔屏、末级过热器和末级再热器处增加烟温监测装置和壁温监测装置，基于海量的烟温数据和壁温数据进行挖掘，分析受热面壁温变化与沾污结焦事件之间的内在关联，对炉膛及受热面污染系数进行计算和判定，并在此基础上进行锅炉结焦情况、积灰程度、结焦位置等信息的间接监视和数字可视化展示，较原本的人工判断结焦情况更为精准和提前，可指导运行人员进行相关优化操作，保障燃煤电站锅炉的安全稳定运行。
10.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
11.第一方面，本发明提供一种用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统，所述结焦监测及预警装置系统包括依次连接的温度监测装置、数据采集装置、dcs控制系统、算法服务器和监测结果画面展示装置；
12.所述温度监测装置包括烟温监测装置和壁温监测装置；
13.所述烟温监测装置包括设置于分隔屏入口处的第一烟温监测装置、设置于末级过热器入口处的第二烟温监测装置、设置于末级再热器入口处的第三烟温监测装置和设置于末级再热器出口处的第四烟温监测装置；
14.所述壁温监测装置包括设置于分隔屏屏管束上的第一壁温监测装置、设置于末级过热器屏管束上的第二壁温监测装置、设置于末级再热器屏管束上的第三壁温监测装置。
15.本发明所述用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统通过在锅炉的三个主要受热面：分隔屏、末级过热器和末级再热器处设置烟温监测装置和壁温监测装置来实时监控烟气温度和锅炉受热面壁温，将海量的烟温数据和壁温数据与机组运行汽水参数发送至算法服务器进行计算，得到锅炉各个受热面的沾污系数cf，并通过设置不同的阈值颜色变化来直观的反应受热面结焦情况，使得受热面结焦沾污情况数字化、画面化，以供运行人员参考并判定锅炉受热面的结焦情况，进而指导运行人员进行相关优化操作，保障锅炉的安全稳定运行。
16.优选地，所述第一烟温监测装置、第二烟温监测装置、第三烟温监测装置和第四烟温监测装置的数量均为2个。
17.优选地，所述第一壁温监测装置的数量为40～60个，例如可以是40个、41个、43个、45个、48个、50个、55个、57个或60个等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
18.优选地，所述第二壁温监测装置的数量为62～124个，例如可以是62个、64个、68个、70个、80个、90个、100个、110个、120个或124个等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
19.优选地，所述第三壁温监测装置的数量为182～273个，例如可以是182个、185个、190个、200个、220个、250个、260个、270个或273个等，但并不仅限于所列举的数值，该数值
范围内其他未列举的数值同样适用。
20.第二发明，本发明还提供一种用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警方法，所述结焦监测及预警方法采用第一方面所述的用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统进行。
21.优选地，所述结焦监测及预警方法包括如下步骤：
22.(1)烟温监测装置和壁温监测装置分别监测到的烟温数据和壁温数据经数据采集装置输送到dcs控制系统；
23.(2)所述dcs控制系统将烟温数据和壁温数据结合机组运行汽水参数，发送至算法服务器进行计算，获得锅炉受热面的沾污系数cf；
24.(3)所述沾污系数cf在监测结果画面展示装置中展示。
25.本发明所述用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警方法将海量的烟温数据、壁温数据与机组运行汽水参数发送至算法服务器进行计算，得到锅炉受热面的沾污系数cf，为运行人员确定具体受热面的温度水平、结焦程度、结焦位置等信息提供辅助决策；直观化、数字化、可视化反馈受热面污染情况，生成相应的预警以及操作指导建议，确保燃煤电站锅炉安全稳定运行。
26.优选地，步骤(2)所述汽水参数包括工质的温度、工质的压力和工质的流量。
27.本发明所述的工质包括水、蒸汽或烟气中的任意一种或至少两种的组合。
28.优选地，步骤(2)所述沾污系数cf的计算过程包括：
29.(ⅰ)根据工质的压力和工质的温度，得到各受热面进出口汽水以及烟气的在该状态点下的焓值；
30.(ⅱ)利用对流传热方程、烟气侧热平衡方程和工质侧的热平衡方程，计算出各个受热面的吸热量和放热量，之后计算出不同工况下的对流换热系数k；
31.(ⅲ)根据公式k＝1/(1/α ε 1/β)，
32.其中，α为各受热面管材外壁烟气侧的对流换热系数，β为各受热面管材内壁汽水侧的对流换热系数，ε为灰污系数，计算出各受热面的灰污系数ε，将其归一化处理后得到各受热面的沾污系数cf。
33.优选地，步骤(2)所述沾污系数cf包括整体沾污系数cf和局部沾污系数cf。
34.优选地，所述整体沾污系数cf包括分隔屏整体沾污系数cf、末级过热器整体沾污系数cf和末级再热器整体沾污系数cf。
35.优选地，所述局部沾污系数cf包括分隔屏不同区域沾污系数cf、末级过热器不同区域沾污系数cf和末级再热器不同区域沾污系数cf。
36.本发明所述局部沾污系数cf是指根据分隔屏、末级过热器和末级再热器各自的物理结构，根据实际情况将三者均划分为不同的区域，根据划分后每个小区域内的温度监测装置监测到的烟温数据和壁温数据，结合机组运行汽水参数进行计算，得到分隔屏、末级过热器和末级再热器各个不同小区域受热面的沾污系数cf。
37.优选地，根据步骤(2)所述沾污系数cf对受热面的结焦程度进行分档；
38.当0＜cf＜4，表示当前受热面屏管正常，未发生明显的结焦；
39.当4≤cf＜6，表示当前受热面屏管轻度结焦，需要运行人员加以关注；
40.当6≤cf＜8，表示当前受热面屏管重度结焦，需要运行人员采取相关措施，抑制锅
炉结焦恶化；
41.当8≤cf，表示当前受热面屏管严重结焦，需要运行人员立即采取措施。
42.优选地，步骤(3)所述监测结果画面展示装置的展示画面中设置有不同的颜色反映受热面结焦沾污情况；其中，绿色代表正常，蓝色代表轻度结焦，黄色代表重度结焦，红色代表严重结焦。
43.本发明通过不同颜色来反映受热面结焦沾污情况，使得受热面结焦沾污情况直观可视化。
44.作为本发明优选的技术方案，所述结焦监测及预警方法包括如下步骤：
45.(1)烟温监测装置和壁温监测装置分别监测到的烟温数据和壁温数据经数据采集装置输送到dcs控制系统；
46.(2)所述dcs控制系统将烟温数据和壁温数据结合工质的温度、工质的压力和工质的流量，发送至算法服务器进行计算，获得锅炉受热面的沾污系数cf；所述沾污系数cf的计算过程包括：
47.(ⅰ)根据工质的压力和工质的温度，得到各受热面进出口汽水以及烟气的在该状态点下的焓值；
48.(ⅱ)利用对流传热方程、烟气侧热平衡方程和工质侧的热平衡方程，计算出各个受热面的吸热量和放热量，之后计算出不同工况下的对流换热系数k；
49.(ⅲ)根据公式k＝1/(1/α ε 1/β)，
50.其中，α为各受热面管材外壁烟气侧的对流换热系数，β为各受热面管材内壁汽水侧的对流换热系数，ε为灰污系数，计算出各受热面的灰污系数ε，将其归一化处理后得到各受热面的沾污系数cf。
51.所述沾污系数cf包括整体沾污系数cf和局部沾污系数cf；所述整体沾污系数cf包括分隔屏整体沾污系数cf、末级过热器整体沾污系数cf和末级再热器整体沾污系数cf；所述局部沾污系数cf包括分隔屏不同区域沾污系数cf、末级过热器不同区域沾污系数cf和末级再热器不同区域沾污系数cf；
52.根据所述沾污系数cf对受热面的结焦程度进行分档；
53.当0＜cf＜4，表示当前受热面屏管正常，未发生明显的结焦；
54.当4≤cf＜6，表示当前受热面屏管轻度结焦；
55.当6≤cf＜8，表示当前受热面屏管重度结焦；
56.当8≤cf，表示当前受热面屏管严重结焦；
57.(3)所述沾污系数cf在监测结果画面展示装置中展示，展示画面中设置有不同的颜色反映受热面结焦沾污情况；其中，绿色代表正常，蓝色代表轻度结焦，黄色代表重度结焦，红色代表严重结焦。
58.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
59.(1)本发明提供的用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统综合炉膛的传热模型，新增了烟温及壁温监测装置，通过烟温数据和壁温数据，计算锅炉受热面的沾污系数cf，并通过画面直观的展示受热面结焦情况；
60.(2)本发明提供的用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警方法不仅以锅炉整体为对象，计算分隔屏、末级过热器和末级再热器的整体沾污系数cf；而且将分隔屏、末级过热器
和末级再热器分别划分为若干小区域，经过计算获得每一个区域的沾污系数cf，最终获得每一个受热面的整体以及局部的传热特性，使得受热面整体以及局部的结焦、沾污情况数字化；
61.(3)本发明提供的用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警方法通过设置不同的阈值颜色变化来直观的反应受热面结焦情况，为运行人员确定具体受热面的温度水平、结焦程度、结焦位置等信息提供辅助决策，直观化、数字化、可视化反馈受热面污染情况，并提前预警，为运行提供可靠的操作指导。
附图说明
62.图1是本发明中的用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统的示意图。
63.图2是本发明中的用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警方法的工作流程示意图。
64.图3是本发明中的用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统的展示画面效果图。
65.图中：1-燃煤电站锅炉；2-分隔屏；21-第一烟温监测装置；22-第一壁温监测装置；3-末级过热器；31-第二烟温监测装置；32-第二壁温监测装置；4-末级再热器；41-第三烟温监测装置；42-第三壁温监测装置；43-第四烟温监测装置；5-数据采集装置；6-dcs控制系统；7-算法服务器；8-监测结果画面展示装置。
具体实施方式
66.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
67.下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
68.需要理解的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
69.作为本发明的一个具体实施方式，提供一种用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统，其示意图如图1所示。所述结焦监测及预警装置系统用于监测哈尔滨锅炉厂生产的某660mw超超临界四角切圆锅炉的结焦情况并进行预警。图中1为燃煤电站锅炉。
70.所述结焦监测及预警装置系统包括依次连接的温度监测装置、数据采集装置5、dcs控制系统6、算法服务器7和监测结果画面展示装置8。
71.所述算法服务器7布置于在电子设备间控制柜内，监测结果画面展示装置8布置于集控室内。
72.所述温度监测装置包括烟温监测装置和壁温监测装置。
73.所述烟温监测装置包括设置于分隔屏2入口处的第一烟温监测装置21、设置于末级过热器3入口处的第二烟温监测装置31、设置于末级再热器4入口处的第三烟温监测装置41和设置于末级再热器4出口处的第四烟温监测装置43；
74.所述壁温监测装置包括设置于分隔屏2屏管束上的第一壁温监测装置22、设置于末级过热器3屏管束上的第二壁温监测装置32、设置于末级再热器4屏管束上的第三壁温监
测装置42。
75.所述第一烟温监测装置21、第二烟温监测装置31、第三烟温监测装置41和第四烟温监测装置43的数量均为2个。
76.所述第一壁温监测装置22的数量为40个；所述第二壁温监测装置32的数量为100个；所述第三壁温监测装置42的数量为240个。与哈尔滨锅炉厂生产的某660mw超超临界四角切圆锅炉上原本的烟温监测装置及壁温监测装置结合在一起，分隔屏2处的壁温监测装置共计有62个，末级过热器3处的壁温监测装置共计有214个，末级再热器4处的壁温监测装置共计有465个。
77.作为本发明的一个具体实施方式，还提供一种用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警方法，其工作流程示意图如图2所示，所述结焦监测及预警方法采用上述用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统进行。
78.所述结焦监测及预警方法包括如下步骤：
79.(1)烟温监测装置和壁温监测装置分别监测到的烟温数据和壁温数据经数据采集装置输送到dcs控制系统；
80.(2)所述dcs控制系统将烟温数据和壁温数据结合工质的温度、工质的压力和工质的流量，发送至算法服务器进行计算，获得锅炉受热面的沾污系数cf；所述沾污系数cf的计算过程包括：
81.(ⅰ)根据工质的压力和工质的温度，得到各受热面进出口汽水以及烟气的在该状态点下的焓值；
82.(ⅱ)利用对流传热方程、烟气侧热平衡方程和工质侧的热平衡方程，计算出分隔屏、末级过热器和末级再热器的吸热量和放热量，之后计算出不同工况下的对流换热系数k；
83.(ⅲ)根据公式k＝1/(1/α ε 1/β)，
84.其中，α为各受热面管材外壁烟气侧的对流换热系数，β为各受热面管材内壁汽水侧的对流换热系数，ε为灰污系数，计算出分隔屏、末级过热器和末级再热器的灰污系数ε，将其归一化处理后得到分隔屏整体沾污系数cf为4.6，末级过热器整体沾污系数cf为6.2，末级再热器整体沾污系数cf为6.8；
85.根据所述沾污系数cf对分隔屏、末级过热器和末级再热器的结焦程度进行分档；
86.分隔屏整体沾污系数4≤cf＜6，表示分隔屏屏管轻度结焦；末级过热器整体沾污系数6≤cf＜8，表示末级过热器屏管重度结焦；末级再热器整体沾污系数6≤cf＜8，表示末级再热器屏管重度结焦；
87.(3)所述分隔屏整体沾污系数cf、末级过热器整体沾污系数cf和末级再热器整体沾污系数cf在监测结果画面展示装置中展示，展示画面效果图如图3所示。展示画面中设置有不同的颜色反映受热面结焦沾污情况；其中，绿色代表正常，蓝色代表轻度结焦，黄色代表重度结焦，红色代表严重结焦；
88.分隔屏处显示为蓝色，末级过热器处显示为黄色，末级再热器处显示为黄色。
89.根据展示画面中的结果，运行人员需要对分隔屏加以关注，对末级过热器和末级再热器采取吹灰处理，针对结焦区域强化吹灰频次，必要时可降低锅炉负荷，通过负荷扰动的方式来改变焦的应力，以达到清焦的目的，确保燃煤电站锅炉运行安全。
90.综上所述，本发明提供的用于燃煤电站锅炉的结焦监测及预警装置系统及方法，直观化、数字化、可视化反映出燃煤电站锅炉受热面的污染情况，为运行人员确定具体受热面的温度水平、结焦程度、结焦位置等信息提供辅助决策，并提前预警，为燃煤电站锅炉安全运行提供了可靠的操作指导。
91.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。