基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰控制装置和控制方法

摘要

本发明公开了基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰控制装置，包括热流量传感器、复用器、数据采集器以及工控机；所述热流量传感器设置在锅炉炉膛四周的膜式水冷壁的鳍片上，并连接复用器的输入端，用于将采集的热流量传输给复用器，所述复用器依次与数据采集器以及工控机连接；所述复用器用于多路切换、信号放大以及信号滤波；所述数据采集器用于将热流量模拟信号转化为数字信号；所述工控机用于分析复用器传来的数字信号，并发出吹灰信号。本发明可用于各燃煤发电厂，依据锅炉炉膛各区域受热面的沾污状况，对需要的区域实现所需要量的吹扫，提高锅炉炉膛受热面沾污诊断的准确性和实时性，减少锅炉故障，延长吹灰器寿命，节省吹灰器维护工作量等。

说明书

技术领域

本发明涉及热能动力工程及其自动化技术领域，具体涉及一种基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰控制装置和控制方法。

背景技术

电站锅炉的安全经济运行正面临复杂煤种和多变煤质的威胁，引发的突出问题之一是受热面积灰结渣严重。我国电站锅炉都配有相应的蒸汽吹灰系统，用于吹扫受热面上沉积的灰和结渣，吹灰系统的投运方式主要是按照锅炉运行操作规程或者依赖于运行人员的操作经验，定时定期地按照先后次序将受热面吹扫一遍。这样的吹扫方式，都是在并不了解受热面确切的沾污状况下进行的，实际上或是吹扫不足，或是造成过度吹扫，不仅经济性差，而且安全性差。例如，对于没有积灰的受热面进行吹扫，不仅浪费蒸汽，而且还会吹伤管壁，减少受热面的寿命。我国火电厂曾多次发生过“过吹”造成炉管被吹破裂的事故，此外我国锅炉检修周期短、炉管更换频繁等都与吹灰器投运不当有密切的关系。吹灰器投运不当，还会引起炉膛出口温度升高和波动，造成主蒸汽温度的大幅波动，升高排烟温度，降低锅炉效率，减少吹灰器寿命，增加吹灰器维护工作量等问题。

为优化锅炉吹灰方法，国内外都有很多研究，出现了许多基于热力学计算的沾污模型诊断方法，即以锅炉整体或局部能量平衡为基础，通过热力计算，诊断受热面的沾污状况，实现受热面积灰结渣的在线监测。代表性的国外公司有Emerson公司的Sootblower Optimizer系统、NeuCo公司研制的SootblowerOpt、ABB公司的Optimax系统、B&W公司的PowerClean系统等。国内机构中，西安热工研究院和华北电力大学等提出了锅炉清洁因子模型诊断法，还有一些学者提出了基于神经网络的炉膛受热面结渣的软测量技术。由于锅炉对象十分复杂，特别是锅炉炉膛区域更是如此，再加上锅炉运行工况的变化，煤种煤质的频繁波动，都会导致沾污模型的误差增大，稳定性和适应性较差。而且，从受热面沾污到引起热力参数的变化通常有较长的滞后时间，其实时性也较差。故现有基于沾污模型的锅炉吹灰方法的实际应用效果并不理想。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰控制装置和控制方法。

技术方案：一种基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰控制装置，包括热流量传感器、复用器、数据采集器以及工控机；

所述热流量传感器设置在锅炉炉膛四周的膜式水冷壁的鳍片上，并连接复用器的输入端，用于将采集的热流量传输给复用器，所述复用器依次与数据采集器以及工控机连接；若干个热流量传感器构建了一个锅炉炉膛受热面沾污监测的传感网；

所述复用器用于多路切换、信号放大以及信号滤波；

所述数据采集器用于将热流量模拟信号转化为数字信号；

所述工控机用于分析复用器传来的数字信号，并发出吹灰信号。

本发明中，优选地，所述热流量传感器是薄箔热流型传感器，并带有循环水冷热接收套。

本发明中，进一步，优选地，所述热流量传感器的感测体是矩形长方体，长为40～60mm，宽为10～20mm，高为30～60mm。

本发明中，再一步，优选地，所述复用器的输入端连接1～16路热流量传感器。

本发明还提供了一种基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰控制方法，包括热流量传感器、复用器、数据采集器以及工控机；所述工控机执行以下步骤：

步骤(1)，热流量传感器连续采集m次第i路热流量传感器信号X_i1、X_i2、X_i3...X_im，m通常3～5次；

步骤(2)，工控机计算第i路热流量传感器m次的信号算术均值X_i^T；

步骤(3)，工控机计算第i路热流量的衰减率α_i，α_i＝(X_i^T-1-X_i^T)/X_i^T-1，其中X_i^T-1为前一个采样周期的热流量信号均值；

步骤(4)，如果热流量信号均值X_i^T≤L_i和/或α_i≥K_i，则工控机发出吹灰信号对第i路热流量传感器位置的锅炉炉膛进行吹灰；其中，L_i为第i路热流量下限值，K_i为第i路热流量特征衰减率；否则，转到步骤(6)；

步骤(5)，如果连续n个采样周期X_i^T≥U_i，则工控机发出信号停止第i路的吹灰，其中U_i为设定的热流量阈值；n取值为自然数；

步骤(6)，针对下一路热流量传感器，重复上述步骤(1)～步骤(5)。

本发明依据两种类型特征量判断受热面是否需要吹扫，分别是热流量信号的特征衰减率和设定下限值，由此大大提高了吹灰控制的准确性和实时性。

有益效果：本发明可用于各燃煤发电厂，对各煤粉锅炉吹灰器运行实现优化指导和控制。本发明能够依据锅炉炉膛各区域受热面的沾污状况，智能化地指导或自动控制相应的吹灰器动作，动态监测吹扫过程中受热面沾污状况的改善过程，在受热面清洁后自动停止吹扫。

本发明在需要的时候对需要的区域实现所需要量的吹扫，既不“欠吹”也不“过吹”，提高锅炉炉膛受热面沾污诊断的准确性和实时性，及提高沾污位置诊断的精确性，从而实现在需要的时间对需要的区域进行恰当时段的吹扫，可维持锅炉炉膛出口温度、主蒸汽温度的稳定，提高锅炉效率，减少锅炉故障，延长吹灰器寿命，节省吹灰器维护工作量等。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的控制流程图。

图3为本发明的实施例中热流量变化趋势图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明所述的基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰控制装置，包括热流量传感器1、复用器2、数据采集器3和工控机4四部分组成。

在锅炉炉膛分布的每个吹灰器的吹扫半径范围内选取1～4个代表点分别布置1只热流量传感器1，热流量传感器的监测范围优选为半径小于2m的圆面，若干个热流量传感器1组合在一起构建了一个锅炉炉膛受热面沾污监测的传感网。

本实施例中，热流量传感器1是薄箔热流传感器，并带有循环水冷热接收套，可以耐热至1500℃，能在锅炉炉膛高温环境下长期稳定工作。热流量传感器1的感测体是矩形长方体结构，从而便于焊装在锅炉炉膛四周膜式水冷壁的鳍片上。

复用器2依据时分多路复用技术，对热流量信号的进行多路切换、放大和滤波等前置处理，一个复用器2接受1～16路热流量传感器的信号。复用器2分别就近设置在锅炉的前墙、后墙、左侧墙和右侧墙附近，以便于与热流量传感器1的连接。复用器2的输出是4～20mA的标准电流信号，通过信号电缆与数据采集器3连接。

所述数据采集器3用于进行模数转换，可以是独立的A/D转换模块或插入工控机总线槽中的多路A/D转换卡。数据采集器3实现将热流量模拟信号转换为数字信号。一个数据采集器3根据需要可以连接若干路多路复用器2。

工控机的核心是在线准确诊断受热面沾污程度，确定是否需要启动该区域吹灰器进行吹扫，依据积灰结渣机理的不同情况，沾污诊断判据中使用了二个参量，分别是：热流量值和热流量的衰减率。在受热面积灰增多时，热流量会缓慢下降，当热流量低于下限值时，启动吹扫；而一旦发生熔渣，热流量会出现急剧下降，当热流量衰减率大于特征衰减率时，则启动吹扫。吹扫持续到热流量达到设定值后的若干个采样周期后停止，所述一个采样周期指所有热流量传感器1的信号都传输给工控机并且经过工控机的分析。

本发明方法通过运行在工控机中的软件按照一定周期循环执行，实现的功能框图如图3所示，包括：

a)循环采集传感网中各热流量传感器信号；

b)对热流量信号进行数字滤波；

c)依据沾污诊断判据，在线诊断受热面沾污程度，确定是否需要启动该区域吹灰器进行吹扫；

d)启动吹灰器吹扫后，自动判断是否符合停止吹扫的条件。停止吹扫的判据包括：

热流量增加到停止吹扫的设定值，或持续吹扫时间达到吹扫最长时段值。

具体而言，本实施例中，在采取周期T，针对第i路，所述一种基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰控制方法由工控机执行以下步骤：

步骤1，热流量传感器连续采集3次第i路热流量传感器信号X_i1、X_i2、X_i3；

步骤2，工控机计算第i路热流量传感器3次的信号均值X_i^T；

步骤3，工控机计算第i路热流量的衰减率α_i，α_i＝(X_i^T-1-X_i^T)/X_i^T-1，其中X_i^T-1为前一个采样周期的热流量信号均值；

步骤4，如果热流量信号均值X_i^T≤L_i和/或α_i≥K_i，则工控机发出吹灰信号对第i路热流量传感器位置的锅炉炉膛进行吹灰；其中，L_i为第i路热流量下限值，K_i为第i路热流量特征衰减率，L_i、K_i取值范围为大于0的实数，根据锅炉容量不同，热流量传感器安装位置的不同，L_i、K_i的标定值也不一样，通常单位面积的L_i为100～1000，K_i为0.3～0.6；否则，转到步骤6；

步骤5，如果连续6个采样周期X_i^T≥U_i，则工控机发出信号停止第i路的吹灰，其中U_i为依据传热改善效益和降低吹扫成本之比大于2的原则而设定的热流量阈值，为大于2的实数；

步骤6，针对下一路热流量传感器，工控机重复上述步骤1～步骤5。

图3为本发明实施例热流量变化趋势图，由图3可见，因为积灰随着时间增加，热流量会缓慢减小，当出现熔渣结焦时，热流量会激剧衰减，如图中曲线33所示。在吹灰以后，热流量则会迅速增加，如图中34所示。图3中，曲线31反映出了该路的特征衰减率K_i，曲线32为该路的热流量下限值L_i。

本发明基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰优化系统，具有既防止“欠吹扫”又防止“过吹扫”的显著特点，即：

a)只在沾污确实达到一定程度时才吹扫，而非定时启动吹扫；

b)只对所沾污的区域进行吹扫，而非所有吹灰器按序吹扫；

c)只要吹扫干净后就停止吹扫，而非执行完设定时间后才停止吹扫。

本发明提供了一种基于热流量在线测量的锅炉炉膛吹灰控制装置和控制方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。