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★南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司門冉，方正，蔡寧寧，章禔

★廣東粵電花都天然氣熱電有限公司李賀延，余智健，羅家運(yùn)

關(guān)鍵詞：聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；受熱面汽水泄漏；智能預(yù)警

火力發(fā)電廠因其本身的結(jié)構(gòu)原因，存在受熱面汽水泄漏的問(wèn)題^[1]。隨著近年來(lái)裝機(jī)容量的擴(kuò)大和鍋爐工質(zhì)參數(shù)的提高，受熱面汽水泄漏會(huì)導(dǎo)致高品質(zhì)蒸汽流量的減少^[2]，對(duì)鍋爐整體的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性存在較大影響，且嚴(yán)重危害電廠設(shè)備和人員的安全性。燃煤機(jī)組因煤質(zhì)成分復(fù)雜，受熱面存在飛灰磨損、蒸汽吹損、高溫腐蝕、積灰結(jié)渣等問(wèn)題^[3]，使燃煤鍋爐的受熱面汽水泄漏風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，大量學(xué)者對(duì)其受熱面汽水泄漏問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析研究^[4-5]，而聯(lián)合循環(huán)機(jī)組因余熱鍋爐的熱源為燃?xì)廨啓C(jī)所排出的廢氣，相較于燃煤機(jī)組煤粉燃燒產(chǎn)生的煙氣更為潔凈，受熱面的工作環(huán)境較好。因此，當(dāng)下對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐的受熱面汽水泄漏問(wèn)題缺乏重視，研究?jī)?nèi)容有所欠缺。本文通過(guò)分析聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐的受熱面汽水泄漏原因，以及平衡方程和數(shù)據(jù)間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，借助智能控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和平臺(tái)對(duì)余熱鍋爐受熱面汽水泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

1　余熱鍋爐受熱面汽水泄漏原因

1.1　管內(nèi)流動(dòng)腐蝕

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組鍋爐采用的工質(zhì)為除鹽水，因面臨高溫高壓的工作環(huán)境，對(duì)工質(zhì)的品質(zhì)要求較高，若工質(zhì)品質(zhì)下降，如工質(zhì)內(nèi)溶氧量增加、pH值偏離設(shè)定范圍或產(chǎn)生沉積物，都會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁造成腐蝕。其中，在給水管路和省煤器管路區(qū)域因工質(zhì)溫度較低，溶氧腐蝕速度較為顯著。此外，局部區(qū)域存在的流動(dòng)加速腐蝕等現(xiàn)象^[6]，亦會(huì)造成管內(nèi)金屬管壁減薄，嚴(yán)重時(shí)汽水管路會(huì)產(chǎn)生縫隙，最終造成汽水泄漏損失。

1.2　金屬疲勞

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組啟停速度快，負(fù)荷調(diào)整速度快，能夠快速準(zhǔn)確響應(yīng)網(wǎng)調(diào)負(fù)荷指令，在電網(wǎng)中承擔(dān)了大量調(diào)峰任務(wù)，余熱鍋爐也隨著整套機(jī)組的負(fù)荷變化不斷地調(diào)整自身負(fù)荷，煙氣流量、汽水流量和汽水溫度隨之變化，導(dǎo)致各不同受熱面存在頻繁的周期性溫度變化，受熱面管道內(nèi)外壁產(chǎn)生大量的非定常熱應(yīng)力，若溫度變化速率過(guò)快會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中^[7]，最終會(huì)致使管壁達(dá)到屈服極限產(chǎn)生金屬疲勞，出現(xiàn)裂紋并不斷延展，導(dǎo)致受熱面泄漏等問(wèn)題。

1.3　管材焊接質(zhì)量

在管材焊接過(guò)程中，若焊接質(zhì)量差，易使管材連接處出現(xiàn)金相組織分布不均，存在微觀孔洞等缺陷，在焊縫處會(huì)出現(xiàn)魏氏組織，降低金屬柔韌性。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，焊接處極易受到損傷，從而產(chǎn)生泄漏。對(duì)于頻繁啟停兩班制運(yùn)行的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，該情況更為嚴(yán)重。

2　智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)概述

智能控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)上加入冗余高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中部署高級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器和高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器。系統(tǒng)采用專用安全高效的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)采集控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在高級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器上，數(shù)據(jù)與機(jī)理融合的高級(jí)應(yīng)用功能部署在高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器中。高級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器與高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器之間通過(guò)高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互應(yīng)用。

汽水泄漏監(jiān)測(cè)功能數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)建模和實(shí)時(shí)計(jì)算在高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)，本文所述的汽水泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部署在高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器中。汽水泄漏監(jiān)測(cè)計(jì)算結(jié)果通過(guò)專用安全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)發(fā)送到高性能控制器指導(dǎo)機(jī)組汽水系統(tǒng)安全運(yùn)行。智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

在智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，控制網(wǎng)絡(luò)和高級(jí)應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立，數(shù)據(jù)的流動(dòng)和應(yīng)用在不同的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，在充分發(fā)揮服務(wù)器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算能力的同時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)影響小。

圖1 智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3　受熱面汽水系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)

受熱面汽水系統(tǒng)泄漏將影響整個(gè)換熱流程，會(huì)導(dǎo)致多個(gè)參數(shù)產(chǎn)生明顯變化，部分學(xué)者指出，受熱面泄漏后鍋爐壓力、煙氣濕度、壁溫偏差和給水流量都會(huì)偏離正常值^[8]。但以上參數(shù)變化的影響因素較多，難以通過(guò)參數(shù)變化確定受熱面泄漏情況。因此，本文根據(jù)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的實(shí)際情況，提出以數(shù)據(jù)與機(jī)理融合的建模方式對(duì)受熱面泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)評(píng)估受熱面汽水系統(tǒng)二次計(jì)算量的范圍和模型輸出預(yù)測(cè)值與實(shí)際值間的差異，判斷受熱面汽水泄漏情況，結(jié)果更為準(zhǔn)確直觀。受熱面汽水系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)流程如圖2所示。

圖2 受熱面汽水系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)流程

3.1　數(shù)據(jù)選取

采集機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，獲取一個(gè)月的汽水系統(tǒng)流量、不同區(qū)域受熱面工質(zhì)進(jìn)出口溫度和壓力、不同區(qū)域受熱面煙氣進(jìn)出口溫度、煙氣流量、CEMS煙氣不同成分含量、機(jī)組負(fù)荷歷史運(yùn)行時(shí)序數(shù)據(jù)，為確保后續(xù)二次計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，取數(shù)間隔為1s。

3.2　數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先，因受熱面汽水系統(tǒng)參數(shù)受負(fù)荷波動(dòng)影響，在機(jī)組啟停和深調(diào)導(dǎo)致的負(fù)荷頻繁升降階段，蒸汽流量和給水流量存在較大差異，工質(zhì)溫升傳熱情況復(fù)雜，存在傳熱時(shí)延帶來(lái)的滯后波動(dòng)，且機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況主要分布在中高負(fù)荷段，為提高模型精確性，減少因負(fù)荷波動(dòng)帶來(lái)的誤差，篩選去除負(fù)荷小于70%額定負(fù)荷的工況數(shù)據(jù)，并根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除參數(shù)內(nèi)的粗大誤差。

其次，對(duì)受熱面汽水系統(tǒng)各子系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行二次計(jì)算，通過(guò)給水流量、蒸汽流量、供熱流量、天然氣加熱器流量等的歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算各系統(tǒng)汽水不平衡量。同時(shí)，根據(jù)各受熱面進(jìn)出口工質(zhì)和煙氣的溫度，計(jì)算各個(gè)受熱面進(jìn)出口工質(zhì)和煙氣的溫升，部分受熱面缺少進(jìn)出口工質(zhì)和煙氣溫度測(cè)點(diǎn)，將受熱面進(jìn)行合并。此外，根據(jù)CEMS中的煙氣成分和受熱面進(jìn)出口煙氣溫度計(jì)算各受熱面進(jìn)出口煙氣焓降?h_yq，將煙氣焓降與煙氣流量相乘獲得煙氣的換熱量?Q_yq。根據(jù)受熱面進(jìn)出口工質(zhì)的溫度和壓力，計(jì)算受熱面進(jìn)出口工質(zhì)的焓升?h_gz和工質(zhì)的換熱量?Q_gz，將二次計(jì)算數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)序順序進(jìn)行拼接。

最后，為消除負(fù)荷大幅度快速變化導(dǎo)致的汽水不平衡量和工質(zhì)溫升等二次計(jì)算參數(shù)波動(dòng)，將選取數(shù)據(jù)按照時(shí)序順序，連續(xù)15min的移動(dòng)平均值。其中，按照負(fù)荷篩選和拉依達(dá)準(zhǔn)則，連續(xù)時(shí)間間隔小于15min的數(shù)據(jù)無(wú)法計(jì)算移動(dòng)平均值，將連續(xù)時(shí)間不足15min的數(shù)據(jù)舍棄。

3.3　閾值計(jì)算

首先，計(jì)算預(yù)處理后數(shù)據(jù)中各子系統(tǒng)汽水不平衡量的移動(dòng)平均值的閾值，記錄并給出合理的汽水不平衡量移動(dòng)平均值的波動(dòng)區(qū)間T1。

其次，采用最小二乘法擬合汽水不平衡量的移動(dòng)平均值與負(fù)荷的移動(dòng)平均值間的回歸曲線，獲得汽水不平衡量移動(dòng)平均值隨負(fù)荷的移動(dòng)平均值的回歸曲線L1。同時(shí)，將汽水不平衡量的移動(dòng)平均值按負(fù)荷的移動(dòng)平均值間分為多段，段數(shù)>20，記錄每段汽水不平衡量的移動(dòng)平均值的最大值和最小值，以及汽水不平衡量的移動(dòng)平均值出現(xiàn)最大值和最小值時(shí)的負(fù)荷移動(dòng)平均值。采用最小二乘法擬合汽水不平衡量的移動(dòng)平均值的最大值隨負(fù)荷移動(dòng)平均值的回歸曲線L2，和汽水不平衡量的移動(dòng)平均值的最小值隨負(fù)荷移動(dòng)平均值的回歸曲線L3。其中，曲線L2和L3與曲線L1的差值為汽水不平衡量移動(dòng)平均值實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的差值的閾值區(qū)間T2。

再次，根據(jù)能量守恒關(guān)系，煙氣換熱量?Q_yq、工質(zhì)的換熱量?Q_gz以及受熱面?zhèn)鳠崃繎?yīng)相等，但由于煙氣在流動(dòng)過(guò)程中存在散熱損失且煙氣流量準(zhǔn)確度不高，?Q_yq和?Q_gz間存在差值，計(jì)算煙氣的換熱量和工質(zhì)換熱量間的差值，并給出煙氣換熱量和工質(zhì)換熱量間差值的閾值T3。

最后，采用最小二乘法擬合受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升的移動(dòng)平均值和負(fù)荷的移動(dòng)平均值的回歸曲線L4，根據(jù)曲線L4計(jì)算對(duì)應(yīng)負(fù)荷下受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升的移動(dòng)平均值的預(yù)測(cè)值，將受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升的移動(dòng)平均值與計(jì)算獲得的受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升預(yù)測(cè)結(jié)果做差，計(jì)算受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升的移動(dòng)平均值的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值間的差值的閾值T4。

3.4　受熱面泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若機(jī)組數(shù)據(jù)連續(xù)且15min內(nèi)機(jī)組負(fù)荷均大于70%，計(jì)算系統(tǒng)汽水不平衡量、受熱面進(jìn)出口工質(zhì)和煙氣溫升、煙氣和工質(zhì)的換熱量等二次計(jì)算量。其次，計(jì)算相關(guān)參數(shù)的移動(dòng)平均值，將計(jì)算出的實(shí)時(shí)汽水不平衡量移動(dòng)平均值與T1對(duì)比，將負(fù)荷的移動(dòng)平均值作為輸入量分別輸入回歸曲線L1、L2、L3、L4，分別獲得汽水不平衡量移動(dòng)平均值預(yù)測(cè)值，汽水不平衡量移動(dòng)平均值預(yù)測(cè)值的最大值，汽水不平衡量移動(dòng)平均值預(yù)測(cè)值的最小值，受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升預(yù)測(cè)值，將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值做差，并分別與T2和T4進(jìn)行對(duì)比。最后將計(jì)算的實(shí)際的煙氣換熱量?Q^yq和工質(zhì)的換熱量?Q^gz的差值與T3進(jìn)行對(duì)比。

若以上參數(shù)均大于計(jì)算獲得的閾值，認(rèn)為受熱面運(yùn)行存在異常，對(duì)異常受熱面區(qū)域進(jìn)行報(bào)警，若存在部分參數(shù)大于閾值，則判斷受熱面存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，但并未泄漏，需繼續(xù)嚴(yán)格監(jiān)視其他參數(shù)狀態(tài)，若參數(shù)均在閾值范圍內(nèi)，認(rèn)為受熱面運(yùn)行正常。

4　應(yīng)用實(shí)例

對(duì)某聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行測(cè)試，在聯(lián)合循環(huán)高壓汽水系統(tǒng)中，受熱面主要包括：高壓省煤器、高壓蒸發(fā)器、高壓一級(jí)過(guò)熱器、高壓二級(jí)過(guò)熱器、高壓三級(jí)過(guò)熱器。因部分受熱面工質(zhì)和煙氣溫度測(cè)點(diǎn)的缺失，無(wú)法監(jiān)測(cè)高壓蒸發(fā)器，且需將高壓一級(jí)過(guò)熱器和二級(jí)過(guò)熱器合并，根據(jù)3.3和3.4部分所述，分別計(jì)算各參數(shù)的閾值和預(yù)測(cè)值。高壓汽水系統(tǒng)運(yùn)行檢測(cè)界面如圖3所示。

圖3 高壓汽水系統(tǒng)運(yùn)行檢測(cè)界面

在負(fù)荷滿足約束情況下，高壓汽水系統(tǒng)根據(jù)回歸模型不斷計(jì)算評(píng)估各受熱面的汽水泄漏情況，若出現(xiàn)參數(shù)越限，對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)⒆兗t報(bào)警，可直觀地定位到汽水泄漏區(qū)域。同時(shí)，運(yùn)行檢測(cè)展示頁(yè)面會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)區(qū)域的報(bào)警情況，給出相應(yīng)的操作指導(dǎo)建議。

此外，受熱面汽水系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)后，在不增加硬件設(shè)備的情況下，能夠降低運(yùn)行人員的監(jiān)盤壓力，提高工作效率，確保各受熱面區(qū)域安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

5　總結(jié)與建議

本文以聯(lián)合循環(huán)機(jī)組受熱面汽水系統(tǒng)泄漏為基礎(chǔ)，在智能控制系統(tǒng)平臺(tái)中采用數(shù)據(jù)與機(jī)理相融合的方法，給出了機(jī)組主要運(yùn)行負(fù)荷段內(nèi)，受熱面多個(gè)參數(shù)的二次計(jì)算點(diǎn)的運(yùn)行閾值。并對(duì)受熱面運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)視，通過(guò)評(píng)估多個(gè)相關(guān)參數(shù)的運(yùn)行范圍，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)汽水泄漏情況并定位泄漏點(diǎn)所在的受熱面區(qū)域，給出相應(yīng)的檢修指導(dǎo)意見(jiàn)。但由于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在余熱鍋爐內(nèi)的溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少，難以做到所有受熱面的精確定位，且因參數(shù)缺失，無(wú)法對(duì)每個(gè)受熱面的能量守恒進(jìn)行計(jì)算分析。建議在余熱鍋爐溫度測(cè)點(diǎn)分布設(shè)計(jì)上，可考慮增加部分重要受熱面進(jìn)出口工質(zhì)和煙氣的溫度測(cè)點(diǎn)，為受熱面汽水泄漏情況提供更精確的監(jiān)測(cè)。此外，可考慮在智能控制系統(tǒng)平臺(tái)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段和采用更加智能的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組全負(fù)荷段的受熱面汽水系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)評(píng)估。

作者簡(jiǎn)介：

門　冉（1989-），男，河南南陽(yáng)人，中級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，主要從事燃機(jī)智能化技術(shù)研究及應(yīng)用。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年10月刊