阅读说明：本技术 燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统及监测方法 (Dust deposition on-line monitoring system and monitoring method for convection heat exchanger at tail of coal-fired boiler ) 是由 周俊波 高林 李军 马俊喜 鲍教旗 安建军 贾国栋 王明坤 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统及监测方法,该系统包括DCS服务器、串口服务器、PLC和工控机,运行于DCS服务器上的虚拟DPU程序通过动态链接通讯接口程序与串口服务器相互间进行TCP/IP通讯,串口服务器另一端与积灰监测PLC通过MODBUS通讯连接；PLC包含电源模块、通讯模块和处理器模块,通讯模块与串口服务器相连,通过MODBUS协议进行数据间通讯,处理器模块与工控机通过网线连接,实现数据通讯,电源模块用于给PLC设备供电；工控机用于积灰监测程序调试和存储数据；处理器模块用于实时计算锅炉尾部对流换热器的积灰程度；本发明通过实时监测锅炉尾部对流换热器传热过程的强弱程度来表征换热器积灰程度。(The invention discloses an on-line monitoring system and a monitoring method for dust deposition of a convection heat exchanger at the tail part of a coal-fired boiler, wherein the system comprises a DCS (distributed control system) server, a serial server, a PLC (programmable logic controller) and an industrial personal computer, a virtual DPU (distributed data Unit) program running on the DCS server is in TCP/IP (transmission control protocol/Internet protocol) communication with the serial server through a dynamic link communication interface program, and the other end of the serial server is in communication connection with the dust deposition monitoring PLC through an MODBUS; the PLC comprises a power supply module, a communication module and a processor module, wherein the communication module is connected with the serial server and is used for carrying out data communication through an MODBUS protocol, the processor module is connected with the industrial personal computer through a network cable to realize data communication, and the power supply module is used for supplying power to the PLC equipment; the industrial personal computer is used for debugging the dust deposition monitoring program and storing data; the processor module is used for calculating the dust deposition degree of the convection heat exchanger at the tail part of the boiler in real time; the invention characterizes the dust deposition degree of the heat exchanger by monitoring the strength degree of the heat transfer process of the convection heat exchanger at the tail part of the boiler in real time.)

燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及燃煤电站锅炉运行监视及优化技术领域，具体涉及一种燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统及监测方法。

背景技术

电站锅炉燃用非设计煤种或者动力煤质差容易导致锅炉换热器出现严重积灰结渣现象，特别是燃用新疆准东煤的机组在运行过程中面临严重的灰沉积问题。沉积在换热器上的灰污会阻碍烟气侧的热量向工质侧传递，导致锅炉排烟温度升高，降低锅炉效率。较厚的灰污还会形成烟气走廊，不仅加剧换热器局部磨损，还引起蒸汽温度偏差，带来一系列锅炉运行难题。

目前国内主要运行燃煤锅炉多装有蒸汽吹灰器和声波吹灰器等吹灰设备，运行人员一般按照定时定量的原则顺序吹扫各个换热器，来避免换热器严重积灰。这种吹灰方式假定锅炉各换热器积灰结渣程度是跟运行时间线性相关，并没有考虑各换热器实际灰污增长的不同，很可能造成积灰严重的换热器吹灰不足，而较为洁净的换热器又过度吹扫。吹灰不足导致严重的积灰问题，过度吹扫不仅白白浪费吹灰蒸汽，而且还会导致换热器吹损，减少换热器使用寿命。

基于以上原因，建立锅炉换热器灰污实时监测系统和监测方法，根据锅炉换热器实时灰污程度，有针对性的吹扫换热器，做到“按需吹灰”就显得很重要。

运行锅炉内部工况恶劣，采用硬件设备如热流计、高温成像仪等来监测换热器灰污程度不仅硬件安装投资成本高，而且后期维护费用大，并且一般在锅炉运行期间设备故障无法修复。基于锅炉现有测点或加装少量常规测点，通过深入挖掘机组运行数据，实现锅炉换热器灰污实时在线监测，做到锅炉各换热器“按需吹灰”是实现锅炉运行可视化、数字化、智能化的一个重要环节。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统及监测方法，通过实时监测锅炉尾部对流换热器传热过程的强弱程度来表征换热器积灰程度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统，包括依次连接的DCS服务器、串口服务器、积灰监测PLC和工控机；

所述DCS服务器上运行的虚拟DPU程序通过动态链接通讯接口程序与串口服务器相互间进行TCP/IP通讯，DCS服务器向积灰监测PLC传输燃煤火电机组运行的实时过程数据；

所述串口服务器充当了串行接口到以太网的通信网关，实现串口与以太网接口的双向数据传输，串口服务器一端与DCS服务器通过TCP/IP网线连接，串口服务器另一端与积灰监测PLC通过MODBUS通讯连接；

所述积灰监测PLC包含电源模块、通讯模块和处理器模块，通讯模块与串口服务器相连，通过MODBUS协议进行数据间通讯，处理器模块与工控机通过网线连接，实现数据通讯，电源模块用于给积灰监测PLC供电；

所述工控机与积灰监测PLC的处理器模块相连，用于调试积灰监测程序和存储历史数据；

所述处理器模块用于实时计算燃煤锅炉尾部对流换热器的积灰程度。

所述的燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统的积灰实时在线监测方法，包括如下步骤:

步骤1：积灰监测PLC从DCS服务器读取实时过程数据，包括燃煤火电机组负荷、给水流量、对流换热器进口工质温度、对流换热器进口工质压力、对流换热器出口工质温度、对流换热器出口工质压力、对流换热器进口烟气温度、对流换热器出口烟气温度、锅炉主蒸汽流量G和再热蒸汽流量D等；

步骤2：积灰监测PLC对燃煤火电机组运行实时过程数据预处理，剔除异常数据并去除噪声：

积灰监测PLC针对从DCS服务器读取的某一实时过程数据变量x，选择m次正常信号x₁,x₂,…，x_m为样本数据，计算样本数据的平均值和标准差

读取当前运行数据x₀,根据判别式判断当前运行数据是否为异常值，若判别式成立，取x₀＝x_0-1+(x_0-1-x_0-2)替换当前值，作为当前运行正常数据，并存储；β为误差系数，x_0-1、x_0-2是前两次计算周期存储的正常运行数据；

取作为平滑后的数据进入下一步计算；

步骤3：根据换热器进口和出口的工质和压力计算换热器进口工质的焓值i'和换热器出口工质的焓值i”；

步骤4：积灰监测PLC的处理器模块基于以下公式计算燃煤锅炉尾部对流换热器清洁度表征指标CF.

c_metal和c_steam是换热器金属管和换热器内工质的平均比热容，m_metal和m_steam是换热器金属管和换热器内工质的质量，T_metal是换热器金属管壁平均温度，P_steam是换热器内工质压力，t是时间，s；Δt是换热器传热温压，℃；D是换热器内工质的流量，kg/s；i'是换热器进口工质的焓值，按工质进口温度和压力查取，kJ/kg；i”是换热器出口工质的焓值，按工质出口温度和压力查取，kJ/kg；F是换热器的面积，m²；K_ideal是换热器理想传热系数，W/(m²·℃)；

机组快速升降负荷导致燃煤锅炉尾部对流换热器实际传热量与工质吸热量之间存在偏差，公式分母前两项是考虑换热器金属温度变化导致换热器本身蓄热的改变量与蒸汽压力变化导致工质蓄热的改变量，a,b分别是对应的修正系数；

步骤5：积灰监测PLC的通讯模块通过串口服务器将步骤4得到的燃煤锅炉尾部对流换热器清洁度表征指标计算结果发送给DCS服务器，供运行人员吹灰参考。

步骤2中m的选取要考虑样本数据覆盖燃煤火电机组主要运行工况，取值m≥300。

和现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

本发明可用于监测燃煤电站锅炉尾部对流换热器的积灰污染程度，对锅炉吹灰器投运提供参考和指导。

本发明DCS服务器与积灰监测PLC之间通过虚拟DPU程序和串口服务器相结合的方式实现了串口与以太网间稳定的数据通信，节省了直接采用硬件DPU的费用投资。

本发明着重考虑了机组快速升降负荷导致锅炉换热器实际传热量与工质吸热量之间存在偏差，引入换热器金属蓄热量和工质蓄热量的变化，提高了锅炉对流换热器积灰污染诊断的准确性。

依据本发明最终监测结果对应投运吹灰器，可实现锅炉对流换热器按需吹灰、提高锅炉效率，减小吹灰器维护工作量。

附图说明

图1是本发明实施例中所述的燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统，包括依次连接的DCS服务器、串口服务器、积灰监测PLC和工控机；

所述DCS服务器上运行的虚拟DPU程序通过动态链接通讯接口程序与串口服务器相互间进行TCP/IP通讯，DCS服务器向积灰监测PLC传输燃煤火电机组运行的实时过程数据；

所述串口服务器充当了串行接口到以太网的通信网关，实现串口与以太网接口的双向数据传输，串口服务器一端与DCS服务器通过TCP/IP网线连接，串口服务器另一端与积灰监测PLC通过MODBUS通讯连接；

所述积灰监测PLC包含电源模块、通讯模块和处理器模块，通讯模块与串口服务器相连，通过MODBUS协议进行数据间通讯，处理器模块与工控机通过网线连接，实现数据通讯，电源模块用于给积灰监测PLC供电；

所述工控机与积灰监测PLC的处理器模块相连，用于调试积灰监测程序和存储历史数据；

所述处理器模块用于实时计算燃煤锅炉尾部对流换热器的积灰程度。

本发明所述的燃煤锅炉尾部对流换热器积灰在线监测系统的积灰实时在线监测方法，包括如下步骤:

步骤1：积灰监测PLC从DCS服务器读取实时过程数据，包括燃煤火电机组负荷、给水流量、对流换热器进口工质温度、对流换热器进口工质压力、对流换热器出口工质温度、对流换热器出口工质压力、对流换热器进口烟气温度、对流换热器出口烟气温度、锅炉主蒸汽流量G和再热蒸汽流量D等；

步骤2：积灰监测PLC对燃煤火电机组运行实时过程数据预处理，剔除异常数据并去除噪声：

积灰监测PLC针对从DCS服务器读取的某一实时过程数据变量x，选择m次正常信号x₁,x₂,…，x_m为样本数据，计算样本数据的平均值和标准差

读取当前运行数据x₀,根据判别式判断当前运行数据是否为异常值，若判别式成立，取x₀＝x_0-1+(x_0-1-x_0-2)替换当前值，作为当前运行正常数据，并存储；β为误差系数，x_0-1、x_0-2是前两次计算周期存储的正常运行数据；

取作为平滑后的数据进入下一步计算；

步骤3：根据换热器进口和出口的工质和压力计算换热器进口工质的焓值i'和换热器出口工质的焓值i”；

步骤4：积灰监测PLC的处理器模块基于以下公式计算燃煤锅炉尾部对流换热器清洁度表征指标CF.

c_metal和c_steam是换热器金属管和换热器内工质的平均比热容，m_metal和m_steam是换热器金属管和换热器内工质的质量，T_metal是换热器金属管壁平均温度，P_steam是换热器内工质压力，t是时间，s；Δt是换热器传热温压，℃；D是换热器内工质的流量，kg/s；i'是换热器进口工质的焓值，按工质进口温度和压力查取，kJ/kg；i”是换热器出口工质的焓值，按工质出口温度和压力查取，kJ/kg；F是换热器的面积，m²；K_ideal是换热器理想传热系数，W/(m²·℃)；

机组快速升降负荷导致燃煤锅炉尾部对流换热器实际传热量与工质吸热量之间存在偏差，公式分母前两项是考虑换热器金属温度变化导致换热器本身蓄热的改变量与蒸汽压力变化导致工质蓄热的改变量，a,b分别是对应的修正系数；

步骤5：积灰监测PLC的通讯模块通过串口服务器将步骤4得到的燃煤锅炉尾部对流换热器清洁度表征指标计算结果发送给DCS服务器，供运行人员吹灰参考。

作为本发明的优选实施方式，步骤2中m的选取要考虑样本数据覆盖燃煤火电机组主要运行工况，取值m≥300。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。