★南京科遠智慧科技集團股份有限公司門(mén)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(guān)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(chǎng)因其本身的結構原因，存在受熱面汽水泄漏的問(wèn)題^[1]。隨著(zhù)近年來(lái)裝機容量的擴大和鍋爐工質(zhì)參數的提高，受熱面汽水泄漏會(huì )導致高品質(zhì)蒸汽流量的減少^[2]，對鍋爐整體的運行經(jīng)濟性存在較大影響，且嚴重危害電廠(chǎng)設備和人員的安全性。燃煤機組因煤質(zhì)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(wèn)題^[3]，使燃煤鍋爐的受熱面汽水泄漏風(fēng)險較大。因此，大量學(xué)者對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(chǎn)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(wèn)題缺乏重視，研究?jì)热萦兴啡?。本文通過(guò)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(guān)系，借助智能控制系統的網(wǎng)絡(luò )架構和平臺對余熱鍋爐受熱面汽水泄漏情況進(jìn)行監測預警。

1　余熱鍋爐受熱面汽水泄漏原因

1.1　管內流動(dòng)腐蝕

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組鍋爐采用的工質(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)內溶氧量增加、pH值偏離設定范圍或產(chǎn)生沉積物，都會(huì )對管道內壁造成腐蝕。其中，在給水管路和省煤器管路區域因工質(zhì)溫度較低，溶氧腐蝕速度較為顯著(zhù)。此外，局部區域存在的流動(dòng)加速腐蝕等現象^[6]，亦會(huì )造成管內金屬管壁減薄，嚴重時(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)電機組啟停速度快，負荷調整速度快，能夠快速準確響應網(wǎng)調負荷指令，在電網(wǎng)中承擔了大量調峰任務(wù)，余熱鍋爐也隨著(zhù)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(chǎn)生大量的非定常熱應力，若溫度變化速率過(guò)快會(huì )出現應力集中^[7]，最終會(huì )致使管壁達到屈服極限產(chǎn)生金屬疲勞，出現裂紋并不斷延展，導致受熱面泄漏等問(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金相組織分布不均，存在微觀(guān)孔洞等缺陷，在焊縫處會(huì )出現魏氏組織，降低金屬柔韌性。在機組運行過(guò)程中，焊接處極易受到損傷，從而產(chǎn)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　智能控制系統網(wǎng)絡(luò )架構概述

智能控制系統在傳統控制網(wǎng)絡(luò )上加入冗余高級應用服務(wù)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò )中部署高級數據服務(wù)器和高級應用服務(wù)器。系統采用專(zhuān)用安全高效的數據采集驅動(dòng)采集控制系統數據并存儲在高級數據服務(wù)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(wù)器中。高級數據服務(wù)器與高級應用服務(wù)器之間通過(guò)高速數據傳輸網(wǎng)實(shí)現數據交互應用。

汽水泄漏監測功能數據清洗、數據建模和實(shí)時(shí)計算在高級應用服務(wù)器中實(shí)現，本文所述的汽水泄漏監測系統軟件部署在高級應用服務(wù)器中。汽水泄漏監測計算結果通過(guò)專(zhuān)用安全數據驅動(dòng)發(fā)送到高性能控制器指導機組汽水系統安全運行。智能控制系統網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示。

在智能控制系統網(wǎng)絡(luò )架構中，控制網(wǎng)絡(luò )和高級應用服務(wù)網(wǎng)相對獨立，數據的流動(dòng)和應用在不同的網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行，在充分發(fā)揮服務(wù)器強大的數據分析和計算能力的同時(shí)，對控制系統網(wǎng)絡(luò )影響小。

圖1 智能控制系統網(wǎng)絡(luò )架構圖

3　受熱面汽水系統泄漏監測

受熱面汽水系統泄漏將影響整個(gè)換熱流程，會(huì )導致多個(gè)參數產(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]。但以上參數變化的影響因素較多，難以通過(guò)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(shí)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(jìn)行監測，通過(guò)評估受熱面汽水系統二次計算量的范圍和模型輸出預測值與實(shí)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(guān)。受熱面汽水系統泄漏監測流程如圖2所示。

圖2 受熱面汽水系統泄漏監測流程

3.1　數據選取

采集機組實(shí)際運行數據并存儲作為基礎數據來(lái)源，獲取一個(gè)月的汽水系統流量、不同區域受熱面工質(zhì)進(jìn)出口溫度和壓力、不同區域受熱面煙氣進(jìn)出口溫度、煙氣流量、CEMS煙氣不同成分含量、機組負荷歷史運行時(shí)序數據，為確保后續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，因受熱面汽水系統參數受負荷波動(dòng)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(zhì)溫升傳熱情況復雜，存在傳熱時(shí)延帶來(lái)的滯后波動(dòng)，且機組實(shí)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(dòng)帶來(lái)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，對受熱面汽水系統各子系統參數進(jìn)行二次計算，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據，計算各系統汽水不平衡量。同時(shí)，根據各受熱面進(jìn)出口工質(zhì)和煙氣的溫度，計算各個(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)和煙氣溫度測點(diǎn)，將受熱面進(jìn)行合并。此外，根據CEMS中的煙氣成分和受熱面進(jìn)出口煙氣溫度計算各受熱面進(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。根據受熱面進(jìn)出口工質(zhì)的溫度和壓力，計算受熱面進(jìn)出口工質(zhì)的焓升?h_gz和工質(zhì)的換熱量?Q_gz，將二次計算數據與原始數據根據時(shí)序順序進(jìn)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(zhì)溫升等二次計算參數波動(dòng)，將選取數據按照時(shí)序順序，連續15min的移動(dòng)平均值。其中，按照負荷篩選和拉依達準則，連續時(shí)間間隔小于15min的數據無(wú)法計算移動(dòng)平均值，將連續時(shí)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)平均值與負荷的移動(dòng)平均值間的回歸曲線(xiàn)，獲得汽水不平衡量移動(dòng)平均值隨負荷的移動(dòng)平均值的回歸曲線(xiàn)L1。同時(shí)，將汽水不平衡量的移動(dòng)平均值按負荷的移動(dòng)平均值間分為多段，段數>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)平均值出現最大值和最小值時(shí)的負荷移動(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荷移動(dòng)平均值的回歸曲線(xiàn)L2，和汽水不平衡量的移動(dòng)平均值的最小值隨負荷移動(dòng)平均值的回歸曲線(xiàn)L3。其中，曲線(xiàn)L2和L3與曲線(xiàn)L1的差值為汽水不平衡量移動(dòng)平均值實(shí)際值與預測值的差值的閾值區間T2。

再次，根據能量守恒關(guān)系，煙氣換熱量?Q_yq、工質(zhì)的換熱量?Q_gz以及受熱面傳熱量應相等，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(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)平均值和負荷的移動(dòng)平均值的回歸曲線(xiàn)L4，根據曲線(xiàn)L4計算對應負荷下受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升的移動(dòng)平均值的預測值，將受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升的移動(dòng)平均值與計算獲得的受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升預測結果做差，計算受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升的移動(dòng)平均值的實(shí)際值與預測值間的差值的閾值T4。

3.4　受熱面泄漏實(shí)時(shí)監測

實(shí)際運行過(guò)程中，首先對數據進(jìn)行判斷，若機組數據連續且15min內機組負荷均大于70%，計算系統汽水不平衡量、受熱面進(jìn)出口工質(zhì)和煙氣溫升、煙氣和工質(zhì)的換熱量等二次計算量。其次，計算相關(guān)參數的移動(dòng)平均值，將計算出的實(shí)時(shí)汽水不平衡量移動(dòng)平均值與T1對比，將負荷的移動(dòng)平均值作為輸入量分別輸入回歸曲線(xiàn)L1、L2、L3、L4，分別獲得汽水不平衡量移動(dòng)平均值預測值，汽水不平衡量移動(dòng)平均值預測值的最大值，汽水不平衡量移動(dòng)平均值預測值的最小值，受熱面進(jìn)出口工質(zhì)溫升預測值，將預測結果與實(shí)際值做差，并分別與T2和T4進(jìn)行對比。最后將計算的實(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，對異常受熱面區域進(jìn)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(fēng)險，但并未泄漏，需繼續嚴格監視其他參數狀態(tài)，若參數均在閾值范圍內，認為受熱面運行正常。

4　應用實(shí)例

對某聯(lián)合循環(huán)機組進(jìn)行測試，在聯(lián)合循環(huán)高壓汽水系統中，受熱面主要包括：高壓省煤器、高壓蒸發(fā)器、高壓一級過(guò)熱器、高壓二級過(guò)熱器、高壓三級過(guò)熱器。因部分受熱面工質(zhì)和煙氣溫度測點(diǎn)的缺失，無(wú)法監測高壓蒸發(fā)器，且需將高壓一級過(guò)熱器和二級過(guò)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。高壓汽水系統運行檢測界面如圖3所示。

圖3 高壓汽水系統運行檢測界面

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

此外，受熱面汽水系統進(jìn)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盤(pán)壓力，提高工作效率，確保各受熱面區域安全穩定的運行。

5　總結與建議

本文以聯(lián)合循環(huán)機組受熱面汽水系統泄漏為基礎，在智能控制系統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(gè)參數的二次計算點(diǎn)的運行閾值。并對受熱面運行情況實(shí)時(shí)監視，通過(guò)評估多個(gè)相關(guān)參數的運行范圍，能夠及時(shí)發(fā)現汽水泄漏情況并定位泄漏點(diǎn)所在的受熱面區域，給出相應的檢修指導意見(jiàn)。但由于聯(lián)合循環(huán)機組在余熱鍋爐內的溫度測點(diǎn)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(wú)法對每個(gè)受熱面的能量守恒進(jìn)行計算分析。建議在余熱鍋爐溫度測點(diǎn)分布設計上，可考慮增加部分重要受熱面進(jìn)出口工質(zhì)和煙氣的溫度測點(diǎn)，為受熱面汽水泄漏情況提供更精確的監測。此外，可考慮在智能控制系統平臺中對數據進(jìn)行分段和采用更加智能的算法實(shí)現對機組全負荷段的受熱面汽水系統泄漏監測評估。

作者簡(jiǎn)介：

門(mén)　冉（1989-），男，河南南陽(yáng)人，中級工程師，碩士，現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(shù)研究及應用。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年10月刊