基于壁温预测的燃煤机组高温过热器超温控制系统及方法与流程

2021-02-25 14:02:00|

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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高温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，由于受热面壁温测量偏差造成不能及时进行参数调整,使受热面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受热面金属温度的监控重视不足,容易产生氧化皮脱落堵塞,也极易发生受热面爆管事故。因此对于受热面壁温的实时测量、壁温的提前预测与控制是降低爆管风险的有效途径。

目前，燃煤机组对于受热面壁温的测量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，可以实现bp神经网络等静态网络结构对锅炉管壁温度进行预测，但是目前壁温预测仅仅停留研究阶段及展示报警阶段，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高温过热器超温控制系统及方法，对提高火电厂的运行可靠性，主动抑制高温过热器超温问题，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高温过热器超温控制系统，锅炉给水换热分两路分别流经左侧屛式过热器1和右侧屛式过热器3，左侧屛式过热器1与左侧二级减温水调节阀5相连，右侧屛式过热器3与右侧二级减温水调节阀7相连，随后左右交叉换热后与末级过热器入口集箱相连，从而与多个高温过热器9相连；左侧屛式过热器1上布置有多个左侧屛式过热器壁温温度传感器2，右侧屛式过热器3上布置有多个右侧屛式过热器壁温温度传感器4，多个高温过热器9中选取两个易超温高温过热器，分别布置有易超温高温过热器第一壁温温度传感器10和易超温高温过热器第二壁温温度传感器11；左侧屛式过热器1、右侧屛式过热器3与多个高温过热器9形成的锅炉四周布置多层二次风门，其中上层二次风门包含第一燃烬风挡板12、第二燃烬风挡板13、第三燃烬风挡板14和第四燃烬风挡板15；

右侧屛式过热器壁温温度传感器4与右侧屏过壁温平均值计算存储模块16的输入端连接，左侧屛式过热器壁温温度传感器2与左侧屏过壁温平均值计算存储模块17的输入端连接，右侧二级减温水流量传感器8与右侧二级减温水流量微分计算存储模块18的输入端连接，左侧二级减温水流量传感器6与左侧二级减温水流量微分计算存储模块19的输入端连接，易超温高温过热器第一壁温温度传感器10与易超温高过第一壁温最大值计算存储模块21的输入端连接，易超温高温过热器第二壁温温度传感器11与易超温高过第二壁温最大值计算存储模块20的输入端连接；

右侧屏过壁温平均值计算存储模块16、左侧屏过壁温平均值计算存储模块17、右侧二级减温水量存储模块18、左侧二级减温水量存储模块19、易超温高过第一壁温最大值计算存储模块20、易超温高过第二壁温最大值计算存储模块21、主蒸汽流量数据存储模块22和机组负荷数据存储模块23的输出端与高过壁温预测计算模块24的输入端相连，高过壁温预测计算模块24的输出端分别与高过壁温预测最大值限幅模块25和高过壁温预测最大值限速模块26的输入端相连，高过壁温预测最大值限幅模块25和高过壁温预测最大值限速模块26的输出端与第一或模块27的输入端相连；易超温高温过热器第二壁温温度传感器11与高过第二壁温当前值限幅模块28和高过第二壁温当前值限速模块29的输入端相连，高过第二壁温当前值限幅模块28和高过第二壁温当前值限速模块29的输出端与第二或模块30的输入端相连；易超温高温过热器第一壁温温度传感器10与高过第一壁温当前值限幅模块31和高过第一壁温当前值限速模块32的输入端相连，高过第一壁温当前值限幅模块31和高过第一壁温当前值限速模块32的输出端与第三或模块33的输入端相连；右侧屛式过热器壁温温度传感器4与右侧屏过当前值限幅模块34和右侧屏过当前值限速模块35的输入端相连，右侧屏过当前值限幅模块34和右侧屏过当前值限速模块35的输出端与第四或模块36的输入端相连；左侧屛式过热器壁温温度传感器2与左侧屏过当前值限幅模块37和左侧屏过当前值限速模块38的输入端相连，左侧屏过当前值限幅模块37和左侧屏过当前值限速模块38的输出端与第五或模块39的输入端相连；第一或模块27、第二或模块30、第三或模块33的输出端与第六或模块40的输入端相连，第二或模块30、第三或模块33、第四或模块36、第五或模块39的输出端与条件判断模块41的输入端相连；第六或模块40和条件判断模块41的输出端与燃烬风挡板控制指令偏置模块42的输入端相连，燃烬风挡板控制指令偏置模块42的输出端与第一燃烬风挡板12、第二燃烬风挡板13、第三燃烬风挡板14和第四燃烬风挡板15连接，燃烬风挡板控制指令偏置模块42生成偏置控制指令控制第一燃烬风挡板12、第二燃烬风挡板13、第三燃烬风挡板14和第四燃烬风挡板15。

基于壁温预测的燃煤机组高温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4采集的多个屛式壁温实时数据送入右侧屏过壁温平均值计算存储模块16计算获得壁温平均值并将历史数据进行存储，将左侧屛式过热器壁温温度传感器2采集多个屛式壁温实时数据送入与左侧屏过壁温平均值计算存储模块17计算获得壁温平均值并将历史数据进行存储，将右侧二级减温水流量传感器8测得的右侧二级减温水流量送入右侧二级减温水流量微分计算存储模块18计算获得流量变化率，将左侧二级减温水流量传感器6测得的左侧二级减温水流量送入左侧二级降温水流量微分计算存储模块19计算获得流量变化率，将易超温高温过热器第二壁温温度传感器11采集多个高过壁温实时数据送入易超温高过第二壁温最大值计算存储模块20获得壁温最大值并将历史数据进行存储，将易超温高温过热器第一壁温温度传感器10采集多个高过壁温实时数据送入易超温高过第一壁温最大值计算存储模块21获得壁温最大值并将历史数据进行存储；随后将右侧屏过壁温平均值、左侧屏过壁温平均值、右侧二级减温水量变化率、左侧二级减温水量变化率、易超温高过最大值、主蒸汽流量数据存储模块22存储的主蒸汽流量和机组负荷数据存储模块23的负荷历史数据送入高过壁温预测计算模块24进行预测获得高过壁温预测最大值，随后经过高过壁温预测最大值限幅模块25和高过壁温预测最大值限速模块26进行判断是否超限，随后送入第一或模块27进行逻辑判断；同理将易超温高温过热器第二壁温温度传感器11测量的当前实际数值送入高过第二壁温当前值限幅模块28和高过第二壁温当前值限速模块29进行判断是否超限，随后送入第二或模块30进行逻辑判断；将易超温高温过热器第一壁温温度传感器10测量的当前实际数值送入高过第一壁温当前值限幅模块31和高过第一壁温当前值限速模块32进行判断是否超限，随后送入第三或模块33进行逻辑判断；将右侧屛式过热器壁温温度传感器4测量的当前实际信号送入右侧屏过当前值限幅模块34和右侧屏过当前值限速模块35进行判断是否超限，随后送入第四或模块36进行逻辑判断；将左侧屛式过热器壁温温度传感器2测量的当前实际信号送入左侧屛过当前值限幅模块37和左侧屏过当前值限速模块38进行判断是否超限，随后送入第五或模块39进行逻辑判断；随后将第一或模块27、第二或模块30、第三或模块33信号送入第六或模块40进行判断，如果任意一个满足条件将指令送入燃烬风挡板控制指令偏置模块42，输出小幅偏置指令，调整锅炉上层四周燃烬风挡板开度小幅开大，让火焰下移，防止高温过热器壁温超温；将第二或模块30、第三或模块33、第四或模块36、第五或模块39的信号送入条件判断模块41进行逻辑判断，如预测控制未阻止高温过热器持续超温超过某一上限或者高温过热器和屛式过热器普遍发生超温现象，发出指令送入燃烬风挡板控制指令偏置模块42生成较大的偏置指令信号，控制较大的燃烬风挡板开度调整，使得火焰中心进一步下移，完成高温过热器超温控制；完成主动抑制控制外，同时提前发出报警信号给运行人员，留有操作时间，辅助运行人员进行燃料环节、二次风门、给水环节的调节，为了防止高温过热器爆管，适当降低煤量指令，调节水煤比及火焰中心，进一步实现壁温控制。

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主动抑制控制，在保证主汽温稳定的同时，有效降低高过壁温超温风险。具体的，本发明一方面结合实际测量信号进行高温过热器壁温最大值预测，并将其与限幅模块、限速模块结合，实现预测值参与超温控制；另一方面，将高温过热器实测壁温信号也与限幅模块、限速模块结合实现实测值参与控制方案；通过调节锅炉四周燃烬风挡板开度，降低锅炉火焰中心，降低高温过热器超温风险，实现高温过热器壁温超温主动抑制调节；本发明同时获得预测壁温及当前壁温的变化趋势，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。

(2)本发明在预测判断出现高过壁温超温较大风险时，短时间内借助上层燃烬风挡板的调节作用，使用小幅的挡板开度，降低火焰高度，主动抑制超温风险，进一步丰富了燃烬风挡板的自动控制功能。在多数高过管屏出现超温风险时，将上层燃烬风挡板开度开大，进一步压低火焰高度，降低超温风险，同时提前预测报警，给运行人员操作时间。

(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，并且通过真实数据实时调整燃烬风来完成控制，保证两级保护，从而实现高温过热器的超温主动抑制保护，对燃煤机组面临的高温过热器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高温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左侧屛式过热器

2左侧屛式过热器壁温温度传感器

3右侧屛式过热器

4右侧屛式过热器壁温温度传感器

5左侧二级减温水调节阀

6左侧二级减温水流量传感器

7右侧二级减温水调节阀

8右侧二级减温水流量传感器

9高温过热器

10易超温高温过热器第一壁温温度传感器

11易超温高温过热器第二壁温温度传感器

12第一燃烬风挡板

13第二燃烬风挡板

14第三燃烬风挡板

15第四燃烬风挡板

16右侧屛过壁温平均值计算存储模块

17左侧屏过壁温平均值计算存储模块

18右侧二级减温水流量微分计算存储模块

19左侧二级减温水流量微分计算存储模块

20易超温高过第二壁温最大值计算存储模块

21易超温高过第一壁温最大值计算存储模块

22主蒸汽流量数据存储模块

23机组负荷数据存储模块

24高过壁温预测计算模块

25高过壁温预测最大值限幅模块

26高过壁温预测最大值限速模块

27第一或模块

28高过第二壁温当前值限幅模块

29高过第二壁温当前值限速模块

30第二或模块

31高过第一壁温当前值限幅模块

32高过第一壁温当前值限速模块

33第三或模块

34右侧屛过当前值限幅模块

35右侧屛过当前值限速模块

36第四或模块

37左侧屛过当前值限幅模块

38左侧屛过当前值限速模块

39第五或模块

40第六或模块

41条件判断模块

42燃尽风挡板控制指令偏置模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于壁温预测的燃煤机组高温过热器超温控制系统，锅炉给水换热分两路分别流经左侧屛式过热器1和右侧屛式过热器3，左侧屛式过热器1与左侧二级减温水调节阀5相连，右侧屛式过热器3与右侧二级减温水调节阀7相连，随后左右交叉换热后与末级过热器入口集箱相连，从而与多个高温过热器9相连；左侧屛式过热器1上布置有多个左侧屛式过热器壁温温度传感器2，右侧屛式过热器3上布置有多个右侧屛式过热器壁温温度传感器4，多个高温过热器9中选取两个易超温高温过热器，分别布置有易超温高温过热器第一壁温温度传感器10和易超温高温过热器第二壁温温度传感器11；左侧屛式过热器1、右侧屛式过热器3与多个高温过热器9形成的锅炉四周布置多层二次风门，其中上层二次风门包含第一燃烬风挡板12、第二燃烬风挡板13、第三燃烬风挡板14和第四燃烬风挡板15。

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

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