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★南京科遠智慧科技集團股份有限公司門冉，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

關鍵詞：聯(lián)合循環(huán)機組；受熱面汽水泄漏；智能預警

火力發(fā)電廠因其本身的結構原因，存在受熱面汽水泄漏的問題^[1]。隨著近年來裝機容量的擴大和鍋爐工質參數的提高，受熱面汽水泄漏會導致高品質蒸汽流量的減少^[2]，對鍋爐整體的運行經濟性存在較大影響，且嚴重危害電廠設備和人員的安全性。燃煤機組因煤質成分復雜，受熱面存在飛灰磨損、蒸汽吹損、高溫腐蝕、積灰結渣等問題^[3]，使燃煤鍋爐的受熱面汽水泄漏風險較大。因此，大量學者對其受熱面汽水泄漏問題進行了深入的分析研究^[4-5]，而聯(lián)合循環(huán)機組因余熱鍋爐的熱源為燃氣輪機所排出的廢氣，相較于燃煤機組煤粉燃燒產生的煙氣更為潔凈，受熱面的工作環(huán)境較好。因此，當下對聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐的受熱面汽水泄漏問題缺乏重視，研究內容有所欠缺。本文通過分析聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐的受熱面汽水泄漏原因，以及平衡方程和數據間存在的對應關系，借助智能控制系統(tǒng)的網絡架構和平臺對余熱鍋爐受熱面汽水泄漏情況進行監(jiān)測預警。

1　余熱鍋爐受熱面汽水泄漏原因

1.1　管內流動腐蝕

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組鍋爐采用的工質為除鹽水，因面臨高溫高壓的工作環(huán)境，對工質的品質要求較高，若工質品質下降，如工質內溶氧量增加、pH值偏離設定范圍或產生沉積物，都會對管道內壁造成腐蝕。其中，在給水管路和省煤器管路區(qū)域因工質溫度較低，溶氧腐蝕速度較為顯著。此外，局部區(qū)域存在的流動加速腐蝕等現(xiàn)象^[6]，亦會造成管內金屬管壁減薄，嚴重時汽水管路會產生縫隙，最終造成汽水泄漏損失。

1.2　金屬疲勞

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組啟停速度快，負荷調整速度快，能夠快速準確響應網調負荷指令，在電網中承擔了大量調峰任務，余熱鍋爐也隨著整套機組的負荷變化不斷地調整自身負荷，煙氣流量、汽水流量和汽水溫度隨之變化，導致各不同受熱面存在頻繁的周期性溫度變化，受熱面管道內外壁產生大量的非定常熱應力，若溫度變化速率過快會出現(xiàn)應力集中^[7]，最終會致使管壁達到屈服極限產生金屬疲勞，出現(xiàn)裂紋并不斷延展，導致受熱面泄漏等問題。

1.3　管材焊接質量

在管材焊接過程中，若焊接質量差，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，在焊縫處會出現(xiàn)魏氏組織，降低金屬柔韌性。在機組運行過程中，焊接處極易受到損傷，從而產生泄漏。對于頻繁啟停兩班制運行的聯(lián)合循環(huán)機組，該情況更為嚴重。

2　智能控制系統(tǒng)網絡架構概述

智能控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)控制網絡上加入冗余高級應用服務網，網絡中部署高級數據服務器和高級應用服務器。系統(tǒng)采用專用安全高效的數據采集驅動采集控制系統(tǒng)數據并存儲在高級數據服務器上，數據與機理融合的高級應用功能部署在高級應用服務器中。高級數據服務器與高級應用服務器之間通過高速數據傳輸網實現(xiàn)數據交互應用。

汽水泄漏監(jiān)測功能數據清洗、數據建模和實時計算在高級應用服務器中實現(xiàn)，本文所述的汽水泄漏監(jiān)測系統(tǒng)軟件部署在高級應用服務器中。汽水泄漏監(jiān)測計算結果通過專用安全數據驅動發(fā)送到高性能控制器指導機組汽水系統(tǒng)安全運行。智能控制系統(tǒng)網絡架構如圖1所示。

在智能控制系統(tǒng)網絡架構中，控制網絡和高級應用服務網相對獨立，數據的流動和應用在不同的網絡中進行，在充分發(fā)揮服務器強大的數據分析和計算能力的同時，對控制系統(tǒng)網絡影響小。

圖1 智能控制系統(tǒng)網絡架構圖

3　受熱面汽水系統(tǒng)泄漏監(jiān)測

受熱面汽水系統(tǒng)泄漏將影響整個換熱流程，會導致多個參數產生明顯變化，部分學者指出，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偏離正常值^[8]。但以上參數變化的影響因素較多，難以通過參數變化確定受熱面泄漏情況。因此，本文根據聯(lián)合循環(huán)機組的實際情況，提出以數據與機理融合的建模方式對受熱面泄漏情況進行監(jiān)測，通過評估受熱面汽水系統(tǒng)二次計算量的范圍和模型輸出預測值與實際值間的差異，判斷受熱面汽水泄漏情況，結果更為準確直觀。受熱面汽水系統(tǒng)泄漏監(jiān)測流程如圖2所示。

圖2 受熱面汽水系統(tǒng)泄漏監(jiān)測流程

3.1　數據選取

采集機組實際運行數據并存儲作為基礎數據來源，獲取一個月的汽水系統(tǒng)流量、不同區(qū)域受熱面工質進出口溫度和壓力、不同區(qū)域受熱面煙氣進出口溫度、煙氣流量、CEMS煙氣不同成分含量、機組負荷歷史運行時序數據，為確保后續(xù)二次計算數據的準確性，取數間隔為1s。

3.2　數據預處理

首先，因受熱面汽水系統(tǒng)參數受負荷波動影響，在機組啟停和深調導致的負荷頻繁升降階段，蒸汽流量和給水流量存在較大差異，工質溫升傳熱情況復雜，存在傳熱時延帶來的滯后波動，且機組實際運行工況主要分布在中高負荷段，為提高模型精確性，減少因負荷波動帶來的誤差，篩選去除負荷小于70%額定負荷的工況數據，并根據拉依達準則剔除參數內的粗大誤差。

其次，對受熱面汽水系統(tǒng)各子系統(tǒng)參數進行二次計算，通過給水流量、蒸汽流量、供熱流量、天然氣加熱器流量等的歷史數據，計算各系統(tǒng)汽水不平衡量。同時，根據各受熱面進出口工質和煙氣的溫度，計算各個受熱面進出口工質和煙氣的溫升，部分受熱面缺少進出口工質和煙氣溫度測點，將受熱面進行合并。此外，根據CEMS中的煙氣成分和受熱面進出口煙氣溫度計算各受熱面進出口煙氣焓降?h_yq，將煙氣焓降與煙氣流量相乘獲得煙氣的換熱量?Q_yq。根據受熱面進出口工質的溫度和壓力，計算受熱面進出口工質的焓升?h_gz和工質的換熱量?Q_gz，將二次計算數據與原始數據根據時序順序進行拼接。

最后，為消除負荷大幅度快速變化導致的汽水不平衡量和工質溫升等二次計算參數波動，將選取數據按照時序順序，連續(xù)15min的移動平均值。其中，按照負荷篩選和拉依達準則，連續(xù)時間間隔小于15min的數據無法計算移動平均值，將連續(xù)時間不足15min的數據舍棄。

3.3　閾值計算

首先，計算預處理后數據中各子系統(tǒng)汽水不平衡量的移動平均值的閾值，記錄并給出合理的汽水不平衡量移動平均值的波動區(qū)間T1。

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

再次，根據能量守恒關系，煙氣換熱量?Q_yq、工質的換熱量?Q_gz以及受熱面?zhèn)鳠崃繎嗟龋捎跓煔庠诹鲃舆^程中存在散熱損失且煙氣流量準確度不高，?Q_yq和?Q_gz間存在差值，計算煙氣的換熱量和工質換熱量間的差值，并給出煙氣換熱量和工質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出口工質溫升的移動平均值和負荷的移動平均值的回歸曲線L4，根據曲線L4計算對應負荷下受熱面進出口工質溫升的移動平均值的預測值，將受熱面進出口工質溫升的移動平均值與計算獲得的受熱面進出口工質溫升預測結果做差，計算受熱面進出口工質溫升的移動平均值的實際值與預測值間的差值的閾值T4。

3.4　受熱面泄漏實時監(jiān)測

實際運行過程中，首先對數據進行判斷，若機組數據連續(xù)且15min內機組負荷均大于70%，計算系統(tǒng)汽水不平衡量、受熱面進出口工質和煙氣溫升、煙氣和工質的換熱量等二次計算量。其次，計算相關參數的移動平均值，將計算出的實時汽水不平衡量移動平均值與T1對比，將負荷的移動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平均值預測值，汽水不平衡量移動平均值預測值的最大值，汽水不平衡量移動平均值預測值的最小值，受熱面進出口工質溫升預測值，將預測結果與實際值做差，并分別與T2和T4進行對比。最后將計算的實際的煙氣換熱量?Q^yq和工質的換熱量?Q^gz的差值與T3進行對比。

若以上參數均大于計算獲得的閾值，認為受熱面運行存在異常，對異常受熱面區(qū)域進行報警，若存在部分參數大于閾值，則判斷受熱面存在泄漏風險，但并未泄漏，需繼續(xù)嚴格監(jiān)視其他參數狀態(tài)，若參數均在閾值范圍內，認為受熱面運行正常。

4　應用實例

對某聯(lián)合循環(huán)機組進行測試，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、高壓一級過熱器、高壓二級過熱器、高壓三級過熱器。因部分受熱面工質和煙氣溫度測點的缺失，無法監(jiān)測高壓蒸發(fā)器，且需將高壓一級過熱器和二級過熱器合并，根據3.3和3.4部分所述，分別計算各參數的閾值和預測值。高壓汽水系統(tǒng)運行檢測界面如圖3所示。

圖3 高壓汽水系統(tǒng)運行檢測界面

在負荷滿足約束情況下，高壓汽水系統(tǒng)根據回歸模型不斷計算評估各受熱面的汽水泄漏情況，若出現(xiàn)參數越限，對應區(qū)域將變紅報警，可直觀地定位到汽水泄漏區(qū)域。同時，運行檢測展示頁面會根據對應區(qū)域的報警情況，給出相應的操作指導建議。

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

5　總結與建議

本文以聯(lián)合循環(huán)機組受熱面汽水系統(tǒng)泄漏為基礎，在智能控制系統(tǒng)平臺中采用數據與機理相融合的方法，給出了機組主要運行負荷段內，受熱面多個參數的二次計算點的運行閾值。并對受熱面運行情況實時監(jiān)視，通過評估多個相關參數的運行范圍，能夠及時發(fā)現(xiàn)汽水泄漏情況并定位泄漏點所在的受熱面區(qū)域，給出相應的檢修指導意見。但由于聯(lián)合循環(huán)機組在余熱鍋爐內的溫度測點數量較少，難以做到所有受熱面的精確定位，且因參數缺失，無法對每個受熱面的能量守恒進行計算分析。建議在余熱鍋爐溫度測點分布設計上，可考慮增加部分重要受熱面進出口工質和煙氣的溫度測點，為受熱面汽水泄漏情況提供更精確的監(jiān)測。此外，可考慮在智能控制系統(tǒng)平臺中對數據進行分段和采用更加智能的算法實現(xiàn)對機組全負荷段的受熱面汽水系統(tǒng)泄漏監(jiān)測評估。

作者簡介：

門　冉（1989-），男，河南南陽人，中級工程師，碩士，現(xiàn)就職于南京科遠智慧科技集團股份有限公司，主要從事燃機智能化技術研究及應用。

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摘自《自動化博覽》2023年10月刊