基于壁温预测的燃煤机组屛式过热器超温控制系统及方法与流程

本发明涉及燃煤机组的自动控制领域，具体涉及基于壁温预测的燃煤机组屛式过热器超温控制系统及方法。

背景技术：

随着火电机组等级的不断提高，提高蒸汽温度、压力等发电参数是超超临界机组效率提升的重要途径，但蒸汽温度上升对蒸汽管道材料、壁温控制提出了更高要求。受限于材料的蠕变强度及持久强度的制约，温度波动必须在安全裕度以内，由于水冷壁温测量偏差造成不能及时进行参数调整,使水冷壁长时间超温运行势必会增加爆管的风险，另外,目前国内超(超)临界直流锅炉由于对高温过热器金属温度的监控重视不足,容易产生氧化皮脱落堵塞,也极易发生过热器爆管事故。因此对于壁温的实时测量、壁温的提前预测与控制是降低爆管风险的有效途径。

目前，燃煤机组对于壁温测量和控制方案主要是以下两种：

1)通过在锅炉过热器、再热器、水冷壁等部位的管壁金属处安装大量的热电偶壁温测点来实现壁温测量，利用单独的监视系统或者直接接入dcs系统直接监视,提高锅炉长期运行的安全行、稳定性；目前该方法对测点周围的环境要求较高，而炉内环境往往较恶劣，对测量的精度和准确性有一定的影响；同时该方法只能够测得当前时刻温度值，由于测点较多，只有测点发生超温现象时才会发出报警，从而运行人员根据实际经验对锅炉参数进行相应的调整。这样会导致运行人员在壁温超温监盘过程中无法对大量的壁温测点进行实时判断、并且当发生超温报警是在进行控制操作处理，不能及时解决超温问题，对锅炉运行安全带来了不利的影响。

2)通过机理或数理分析方法建立壁温预测模型，从而实现壁温的计算和预测。其中通过水冷壁、过热器等部件的机理建模分析计算壁温，这种方法较为复杂，边界参数较多，电厂实际测点无法给出所有边界参数，且模型不同条件下需要不断修正，因此不符合在线计算的要求，无法实时参与电站壁温闭环控制；基于数理建模分析方法，目前多采用基于人工神经网络的的壁温预测方法，只考虑了外部因素对壁温的影响，采用bp神经网络等静态网络结构对锅炉管壁温度进行预测。对于当前壁温历史数据、上游壁温历史数据以及相关因素的变化速率并未考虑，并未对时序预测神经网络结构、神经网络激活函数等内容进行研究，预测结构较为落后、计算结果较差；并且目前壁温预测仅仅停留在显示阶段，并未使用预测结果参与火电闭环控制。

综上所述，现有的壁温超温应对措施和预测手段，仅仅停留在显示报警，从而凭借运行人员经验进行参数更改，并未实现闭环控制。另一方面，壁温预测模型需要优化，从而实现壁温精准预测，实现提前闭环操作避免壁温超温。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提出了基于壁温预测的燃煤机组屛式过热器超温控制系统及方法，同时获得预测壁温及当前壁温的变化趋势，从而完成壁温超温控制及运行指导，实现超前壁温超温主动抑制，对提高火电厂的运行可靠性，有效降低爆管风险，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于壁温预测的燃煤机组屛式过热器超温控制系统，锅炉给水流经低温过热器1换热后分为左右两路，左侧经过左侧一级减温水调节阀3和左侧一级减温水流量传感器4与左侧屛式过热器7相连，右侧经过右侧一级减温水调节阀5和右侧一级减温水流量传感器6与右侧屛式过热器9相连；低温过热器1上布置有多个低温过热器壁温温度传感器2，左侧屛式过热器7上布置有多个左侧屛式过热器壁温温度传感器8，右侧屛式过热器9上布置有多个右侧屛式过热器壁温温度传感器10；左侧屛式过热器7和右侧屛式过热器9相应侧分别布置有左侧燃烬风挡板11和右侧燃烬风挡板12；右侧屛式过热器壁温温度传感器10与右侧屛式过热器壁温最大值计算存储模块13的输入端和右侧屛式过热器壁温平均值计算存储模块的输入端14连接，低温过热器壁温温度传感器2与低温过热器壁温平均值计算存储模块15的输入端连接，右侧一级减温水流量传感器6与右侧一级减温水流量微分计算存储模块16的输入端连接；同理，左侧屛式过热器壁温温度传感器8与左侧屛式过热器壁温最大值计算存储模块17的输入端和左侧屛式过热器壁温平均值计算存储模块18的输入端连接，左侧一级减温水流量传感器4与左侧一级减温水流量微分计算存储模块19的输入端连接。

右侧屏过壁温最大值计算存储模块13、右侧屏过壁温平均值计算存储模块14、低温过热器壁温平均值计算存储模块15、右侧一级减温水流量微分计算存储模块16和机组负荷数据存储模块20的输出端与右侧屏过壁温预测模型计算模块21的输入端相连，右侧屏过壁温预测模型计算模块21的输出端分别与右侧屏过壁温预测限幅模块23的输入端和温升速率限速模块24的输入端相连，壁温预测限幅模块23的输出端和温升速率限速模块24的输出端与右侧第一或模块25的输入端相连；右侧屛式过热器壁温温度传感器10分别与右侧屏过壁温当前值限幅模块26的输入端和右侧屏过壁温当前值温升速率限速模块27的输入端相连，右侧屏过壁温当前值限幅模块26的输出端和右侧屏过壁温当前值温升速率限速模块27的输出端与右侧第二或模块28的输入端相连；右侧第一或模块25的输出端和右侧第二或模块28的输出端与右侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块35的输入端相连生成控制指令，右侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块35的输出端连接并控制右侧一级减温水调节阀5和右侧燃烬风挡板12；同理，左侧屏过壁温最大值计算存储模块17、左侧屏过壁温平均值计算存储模块18、低温过热器平均温度计算存储模块15、左侧一级减温水流量微分计算存储模块19和机组负荷数据存储模块20的输出端与左侧屏过壁温预测模型计算模块22的输入端相连；左侧屏过壁温预测模型计算模块22的输出端分别与左侧屏过壁温预测限幅模块29的输入端和左侧屏过壁温预测温升速率限速模块30的输入端相连，左侧屏过壁温预测限幅模块29的输入端和左侧屏过壁温预测温升速率限速模块30的输出端与左侧第一或模块31相连；左侧屛式过热器壁温温度传感器8分别与左侧屏过壁温当前值限幅模块32的输入端和左侧屏过壁温当前值温升速率限速模块33的输入端相连，左侧屏过壁温当前值限幅模块32的输出端和左侧屏过壁温当前值温升速率限速模块33的输出端与左侧第二或模块34相连；左侧第一或模块31的输出端和左侧第二或模块34的输出端与左侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块36的输入端相连生成控制指令，左侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块36的输出端连接并控制左侧一级减温水调节阀3和左侧燃烬风挡板11；右侧屏过壁温平均值计算存储模块14和左侧屏过壁温平均值计算存储模块18与燃尽风控制指令偏置模块37相连，从而产生燃烬风控制偏置指令进行左侧燃烬风挡板11和右侧燃烬风挡板12的控制。

基于壁温预测的燃煤机组屛式过热器超温控制系统的控制方法为：

将右侧屛式过热器壁温温度传感器10采集的多个屛式壁温实时数据送入右侧屏过壁温最大值计算存储模块13中计算获得右侧屏过壁温最大值并将历史数据进行存储，同时通过右侧屏过壁温平均值计算存储模块14获得右侧屏过壁温平均值并将历史数据进行存储；将低温过热器壁温温度传感器2测量的壁温送入低温过热器壁温平均值计算存储模块15进行计算获得实时低温过热器壁温平均值并将历史数据进行存储，右侧一级减温水流量传感器6测量的减温水流量数据通过右侧一级减温水流量微分计算存储模块16计算获得右侧一级减温水变化速率；同理通过左侧屛式过热器壁温温度传感器8测量的壁温送入左侧屏过壁温最大值计算存储模块17计算左侧屏过壁温最大值并将历史数据进行存储，通过左侧屏过壁温平均值计算存储模块18计算左侧屏过壁温平均值并将历史数据进行存储；通过左侧一级减温水流量传感器4测量的减温水流量值送入左侧一级减温水流量微分计算存储模块19计算获得左侧减温水变化速率；随后将计算获得的右侧屏过壁温最大值、右侧屏过壁温平均值、低温过热器壁温平均值、右侧一级减温水变化速率以及机组负荷送入右侧屏过壁温预测模型计算模块21进行计算获得右侧屏过最大值壁温预测值，送入右侧屏过壁温预测限幅模块23和右侧屏过壁温预测温升速率限速模块24进行判断是否超限，通过右侧第一或模块25判断任意一个超限即发送超温信号送入右侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块35生成燃烬风偏置指令控制右侧燃烬风挡板12开度，从而提前增加燃烬风实现降低右侧屏过壁温，另一方面利用右侧屛式过热器壁温温度传感器10实测的右侧壁温送入右侧屏过壁温当前值限幅模块26和右侧屏过壁温当前值温升速率限速模块27进行判断，通过右侧第二或模块28判断任意一个超限即发送超温信号送入右侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块35生成燃烬风偏置指令和减温水调门开度偏置指令，从而实现右侧一级减温水调节阀5和右侧燃烬风挡板12的实时控制，避免屏过壁温超温；

同理，将计算获得的左侧屏过壁温最大值、左侧屏过壁温平均值、低温过热器壁温平均值、左侧一级减温水变化速率以及机组负荷送入左侧屏过壁温预测模型计算模块22进行计算获得左侧屏过最大值壁温预测值，送入左侧屏过壁温预测限幅模块29和左侧屏过壁温预测温升速率限速模块30进行判断是否超限，通过左侧第一或模块31判断任意一个超限即发送超温信号送入左侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块36生成燃烬风偏置指令控制左侧燃烬风挡板11开度，从而提前增加燃烬风实现降低左侧屏过壁温；另一方面利用左侧屛式过热器壁温温度传感器8实测的左侧壁温送入左侧屏过壁温当前值限幅模块32和左侧屏过壁温当前值温升速率限速模块33进行判断，通过左侧第二或模块34判断任意一个超限即发送超温信号送入左侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块36生成燃烬风偏置指令和减温水调门开度偏置指令，从而实现左侧一级减温水调节阀3和左侧燃烬风挡板11的实时控制，避免屏过壁温超温；

最后，将右侧屏过壁温平均值计算存储模块14和左侧屏过壁温平均值计算存储模块18计算的左右侧屏过壁温平均值送入燃尽风控制指令偏置模块37进行判断，当两侧壁温偏差大于保护设定值时，从而产生燃烬风控制偏置指令进行左侧燃烬风挡板11和右侧燃烬风挡板12的控制，开大壁温较高一侧的燃烬风挡板开度、降低温度较低一侧的燃烬风挡板开度，从而实现降低两侧屏过壁温偏差。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

(1)现有技术只是在锅炉过热器、再热器、水冷壁等部位的管壁金属处安装大量的热电偶壁温测点来实现壁温测量，利用单独的监视系统或者直接接入dcs系统直接监视；该方法只能够测得当前时刻温度值，只有测点发生超温现象时才会发出报警，由于测点较多，无法快速判断超温部位及超温情况。另一方面，运行人员在壁温超温监盘过程中无法对大量的壁温测点进行实时判断、并且当发生超温报警是在进行控制操作处理，不能及时解决超温问题，对锅炉运行安全带来了不利的影响。本发明在现有壁温测点的基础上进行的开发，没有增添壁温测点改造，通过壁温预测和壁温控制即可实现壁温超温预测和超温闭环控制，有效降低屏过壁温超温风险。

(2)由于烟道内烟气流动不均匀，极易产生左右屏式过热器壁温差异过大，造成一侧发生超温风险，目前除了燃烧调整也没有较好的控制方法。本发明在判断出现左右壁温差异较大风险时，短时间内借助上层燃烬风挡板的调节作用，实现了辅助调整烟气流动的目的，降低超温的风险，进一步丰富了燃烬风挡板的自动控制功能。

(3)本发明通过壁温提前预测，预测超温时，通过燃尽风调节作用来实现提前降低壁温超温。同时也根据实际测温数据，进行实时报警防超温控制，通过真实数据实时调整减温水和燃烬风来完成控制，保证两级保护，从而实现屏式过热器的超温自动保护，对燃煤机组面临的屏过壁温超温问题的解决具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明基于壁温预测的燃煤机组屛式过热器超温控制系统示意图。

图中附图标记与对应的部件名称说明如下：

1低温过热器

2低温过热器壁温温度传感器

3左侧一级减温水调节阀

4左侧一级减温水流量传感器

5右侧一级减温水调节阀

6右侧一级减温水流量传感器

7左侧屛式过热器

8左侧屛式过热器壁温温度传感器

9右侧屛式过热器

10右侧屛式过热器壁温温度传感器

11左侧燃烬风挡板

12右侧燃烬风挡板

13右侧屛过壁温最大值计算存储模块

14右侧屏过壁温平均值计算存储模块

15低温过热器壁温平均值计算存储模块

16右侧一级减温水流量微分计算存储模块

17左侧屛过壁温最大值计算存储模块

18左侧屏过壁温平均值计算存储模块

19左侧一级减温水流量微分计算存储模块

20机组负荷数据存储模块

21右侧屏过壁温预测模型计算模块

22左侧屏过壁温预测模型计算模块

23右侧屏过壁温预测限幅模块

24右侧屏过壁温预测温升速率限速模块

25右侧第一或模块

26右侧屏过壁温当前值限幅模块

27右侧屏过壁温当前值温升速率限速模块

28右侧第二或模块

29左侧屏过壁温预测限幅模块

30左侧屏过壁温预测温升速率限速模块

31左侧第一或模块

32左侧屏过壁温当前值限幅模块

33左侧屏过壁温当前值温升速率限速模块

34左侧第二或模块

35右侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块

36左侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块

37燃尽风控制指令偏置模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于壁温预测的燃煤机组屛式过热器超温控制系统，锅炉给水流经低温过热器1换热后分为左右两路，左侧经过左侧一级减温水调节阀3和左侧一级减温水流量传感器4与左侧屛式过热器7相连，右侧经过右侧一级减温水调节阀5和右侧一级减温水流量传感器6与右侧屛式过热器9相连；低温过热器1上布置有多个低温过热器壁温温度传感器2，左侧屛式过热器7上布置有多个左侧屛式过热器壁温温度传感器8，右侧屛式过热器9上布置有多个右侧屛式过热器壁温温度传感器10；左侧屛式过热器7和右侧屛式过热器9相应侧分别布置有左侧燃烬风挡板11和右侧燃烬风挡板12；右侧屛式过热器壁温温度传感器10与右侧屛式过热器壁温最大值计算存储模块13的输入端和右侧屛式过热器壁温平均值计算存储模块的输入端14连接，低温过热器壁温温度传感器2与低温过热器壁温平均值计算存储模块15的输入端连接，右侧一级减温水流量传感器6与右侧一级减温水流量微分计算存储模块16的输入端连接；同理，左侧屛式过热器壁温温度传感器8与左侧屛式过热器壁温最大值计算存储模块17的输入端和左侧屛式过热器壁温平均值计算存储模块18的输入端连接，左侧一级减温水流量传感器4与左侧一级减温水流量微分计算存储模块19的输入端连接。

右侧屏过壁温最大值计算存储模块13、右侧屏过壁温平均值计算存储模块14、低温过热器壁温平均值计算存储模块15、右侧一级减温水流量微分计算存储模块16和机组负荷数据存储模块20的输出端与右侧屏过壁温预测模型计算模块21的输入端相连，右侧屏过壁温预测模型计算模块21的输出端分别与右侧屏过壁温预测限幅模块23的输入端和温升速率限速模块24的输入端相连，壁温预测限幅模块23的输出端和温升速率限速模块24的输出端与右侧第一或模块25的输入端相连；右侧屛式过热器壁温温度传感器10分别与右侧屏过壁温当前值限幅模块26的输入端和右侧屏过壁温当前值温升速率限速模块27的输入端相连，右侧屏过壁温当前值限幅模块26的输出端和右侧屏过壁温当前值温升速率限速模块27的输出端与右侧第二或模块28的输入端相连；右侧第一或模块25的输出端和右侧第二或模块28的输出端与右侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块35的输入端相连生成控制指令，右侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块35的输出端连接并控制右侧一级减温水调节阀5和右侧燃烬风挡板12；同理，左侧屏过壁温最大值计算存储模块17、左侧屏过壁温平均值计算存储模块18、低温过热器平均温度计算存储模块15、左侧一级减温水流量微分计算存储模块19和机组负荷数据存储模块20的输出端与左侧屏过壁温预测模型计算模块22的输入端相连；左侧屏过壁温预测模型计算模块22的输出端分别与左侧屏过壁温预测限幅模块29的输入端和左侧屏过壁温预测温升速率限速模块30的输入端相连，左侧屏过壁温预测限幅模块29的输入端和左侧屏过壁温预测温升速率限速模块30的输出端与左侧第一或模块31相连；左侧屛式过热器壁温温度传感器8分别与左侧屏过壁温当前值限幅模块32的输入端和左侧屏过壁温当前值温升速率限速模块33的输入端相连，左侧屏过壁温当前值限幅模块32的输出端和左侧屏过壁温当前值温升速率限速模块33的输出端与左侧第二或模块34相连；左侧第一或模块31的输出端和左侧第二或模块34的输出端与左侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块36的输入端相连生成控制指令，左侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块36的输出端连接并控制左侧一级减温水调节阀3和左侧燃烬风挡板11；右侧屏过壁温平均值计算存储模块14和左侧屏过壁温平均值计算存储模块18与燃尽风控制指令偏置模块37相连，从而产生燃烬风控制偏置指令进行左侧燃烬风挡板11和右侧燃烬风挡板12的控制。

如图1所示，本发明基于壁温预测的燃煤机组屛式过热器超温控制系统的控制方法为：

将右侧屛式过热器壁温温度传感器10采集的多个屛式壁温实时数据送入右侧屏过壁温最大值计算存储模块13中计算获得右侧屏过壁温最大值并将历史数据进行存储，同时通过右侧屏过壁温平均值计算存储模块14获得右侧屏过壁温平均值并将历史数据进行存储；将低温过热器壁温温度传感器2测量的壁温送入低温过热器壁温平均值计算存储模块15进行计算获得实时低温过热器壁温平均值并将历史数据进行存储，右侧一级减温水流量传感器6测量的减温水流量数据通过右侧一级减温水流量微分计算存储模块16计算获得右侧一级减温水变化速率；同理通过左侧屛式过热器壁温温度传感器8测量的壁温送入左侧屏过壁温最大值计算存储模块17计算左侧屏过壁温最大值并将历史数据进行存储，通过左侧屏过壁温平均值计算存储模块18计算左侧屏过壁温平均值并将历史数据进行存储；通过左侧一级减温水流量传感器4测量的减温水流量值送入左侧一级减温水流量微分计算存储模块19计算获得左侧减温水变化速率；随后将计算获得的右侧屏过壁温最大值、右侧屏过壁温平均值、低温过热器壁温平均值、右侧一级减温水变化速率以及机组负荷送入右侧屏过壁温预测模型计算模块21进行计算获得右侧屏过最大值壁温预测值，送入右侧屏过壁温预测限幅模块23和右侧屏过壁温预测温升速率限速模块24进行判断是否超限，通过右侧第一或模块25判断任意一个超限即发送超温信号送入右侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块35生成燃烬风偏置指令控制右侧燃烬风挡板12开度，从而提前增加燃烬风实现降低右侧屏过壁温，另一方面利用右侧屛式过热器壁温温度传感器10实测的右侧壁温送入右侧屏过壁温当前值限幅模块26和右侧屏过壁温当前值温升速率限速模块27进行判断，通过右侧第二或模块28判断任意一个超限即发送超温信号送入右侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块35生成燃烬风偏置指令和减温水调门开度偏置指令，从而实现右侧一级减温水调节阀5和右侧燃烬风挡板12的实时控制，避免屏过壁温超温；

同理，将计算获得的左侧屏过壁温最大值、左侧屏过壁温平均值、低温过热器壁温平均值、左侧一级减温水变化速率以及机组负荷送入左侧屏过壁温预测模型计算模块22进行计算获得左侧屏过最大值壁温预测值，送入左侧屏过壁温预测限幅模块29和左侧屏过壁温预测温升速率限速模块30进行判断是否超限，通过左侧第一或模块31判断任意一个超限即发送超温信号送入左侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块36生成燃烬风偏置指令控制左侧燃烬风挡板11开度，从而提前增加燃烬风实现降低左侧屏过壁温；另一方面利用左侧屛式过热器壁温温度传感器8实测的左侧壁温送入左侧屏过壁温当前值限幅模块32和左侧屏过壁温当前值温升速率限速模块33进行判断，通过左侧第二或模块34判断任意一个超限即发送超温信号送入左侧减温水/燃尽风控制指令偏置模块36生成燃烬风偏置指令和减温水调门开度偏置指令，从而实现左侧一级减温水调节阀3和左侧燃烬风挡板11的实时控制，避免屏过壁温超温；

最后，将右侧屏过壁温平均值计算存储模块14和左侧屏过壁温平均值计算存储模块18计算的左右侧屏过壁温平均值送入燃尽风控制指令偏置模块37进行判断，当两侧壁温偏差大于保护设定值时，从而产生燃烬风控制偏置指令进行左侧燃烬风挡板11和右侧燃烬风挡板12的控制，开大壁温较高一侧的燃烬风挡板开度、降低温度较低一侧的燃烬风挡板开度，从而实现降低两侧屏过壁温偏差。

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