基于振動(dòng)信號(hào)特征分析的鍋爐過熱器結(jié)渣診斷方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電站鍋爐技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于振動(dòng)信號(hào)特征分析的鍋爐過熱 器結(jié)渣診斷方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前我國(guó)電力工業(yè)的主要裝備仍然以燃煤火電機(jī)組為主，燃煤火電機(jī)組運(yùn)行過程 中，在電站鍋爐的過熱器等受熱壁面上有時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)渣等故障現(xiàn)象。鍋爐過熱器的結(jié)渣輕 則會(huì)降低爐內(nèi)過熱器的傳熱能力，致使鍋爐性能變差、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降，重則可能造成大塊 結(jié)渣掉落引發(fā)惡性事故。因此，及時(shí)準(zhǔn)確的診斷電站鍋爐過熱器的結(jié)渣狀態(tài)對(duì)于大型火電 機(jī)組的安全運(yùn)行，進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要意義。
[0003] 電站鍋爐在運(yùn)行過程中，過熱器等過熱器管屏受多種誘因和激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，包 括：（1)煙氣沖刷管束形成的脫落渦所構(gòu)成激勵(lì)振動(dòng)；（2)管內(nèi)蒸汽在包含多個(gè)彎頭的爐管 內(nèi)流動(dòng)所產(chǎn)生的流致振動(dòng)；（3)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓波動(dòng)造成的煙氣流場(chǎng)波動(dòng)而誘發(fā)的振動(dòng)；(4)爐膛 內(nèi)的燃燒脈動(dòng)誘發(fā)的振動(dòng)等。而在爐管外壁形成結(jié)渣時(shí)，相對(duì)于沒有結(jié)渣的正常狀態(tài)，振動(dòng) 監(jiān)測(cè)信號(hào)的特征將發(fā)生變化。
[0004]自上世紀(jì)六七十年代以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)燃煤電站鍋爐結(jié)渣問題開展了大量研 宄工作并致力于得到一種有效診斷鍋爐過熱器結(jié)渣狀態(tài)的方法。但是由于電站鍋爐過熱器 所處的超高溫環(huán)境條件，難以在爐內(nèi)布置精準(zhǔn)的測(cè)量傳感器，而分布于煙氣空間內(nèi)的眾多 管子和管組彼此遮擋，通過爐壁上開設(shè)的少數(shù)觀察孔也難以全面、及時(shí)查看過熱器的結(jié)渣 狀態(tài)，同時(shí)電站鍋爐整體處于復(fù)雜多變的動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況中，因此目前對(duì)于電站鍋爐過熱器 結(jié)渣診斷的方法限于以下三種：
[0005] (1)基于熱平衡原理的鍋爐過熱器積灰結(jié)渣診斷方法。即以熱平衡計(jì)算為基礎(chǔ)，從 省煤器出口開始，逆煙氣流程逐段對(duì)各過熱器進(jìn)行傳熱計(jì)算和熱平衡計(jì)算，得到各過熱器 進(jìn)口煙溫和結(jié)渣清潔因子。該方法只能對(duì)受熱面進(jìn)行整體結(jié)渣狀態(tài)計(jì)算，同時(shí)由于清潔因 子參數(shù)反映結(jié)渣過程的敏感性較低，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大，可靠性較低。
[0006] (2)利用灰污熱流計(jì)分析過熱器結(jié)渣過程的結(jié)渣診斷方法。通過在過熱器表面增 加模擬結(jié)渣過程的灰污熱流計(jì)，比較結(jié)渣前后過熱器熱流密度的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)過熱器結(jié)渣狀 態(tài)的診斷。該方法熱流計(jì)的布置卻比較麻煩，需要焊接在受熱面上，改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)并降低受 熱面強(qiáng)度。
[0007] (3)基于水冷壁背火側(cè)鰭端溫度的過熱器結(jié)渣診斷方法。針對(duì)膜式水冷壁的特殊 結(jié)構(gòu)，以測(cè)量水冷壁背火側(cè)鰭端溫度差來監(jiān)測(cè)其內(nèi)側(cè)的結(jié)渣狀態(tài)。該方法僅針對(duì)膜式水冷 壁進(jìn)行結(jié)渣診斷，應(yīng)用范圍非常有限。
[0008] 相較于傳統(tǒng)電站鍋爐受熱面結(jié)渣診斷方法，管屏爐外連接管振動(dòng)信號(hào)蘊(yùn)含著與受 熱面結(jié)渣狀態(tài)密切相關(guān)的信息且易于獲取。當(dāng)管屏中的爐管發(fā)生結(jié)渣時(shí)，渣層附著在爐管 外壁將使管屏的固有頻率發(fā)生改變，同時(shí)渣層或渣塊的產(chǎn)生還使煙氣沖刷管束的局部氣流 激勵(lì)條件發(fā)生改變，這些都將反映為爐外管屏連接管上可測(cè)的振動(dòng)信號(hào)發(fā)生改變?；诠?屏振動(dòng)信號(hào)分析的結(jié)渣診斷方法可以實(shí)現(xiàn)在不對(duì)鍋爐過熱器受熱面進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造的前提 下準(zhǔn)確診斷其當(dāng)前結(jié)渣狀態(tài)，并可較為明確的確定結(jié)渣的具體位置，有效降低設(shè)備的安裝 成本并提高結(jié)渣診斷的準(zhǔn)確率。由于振動(dòng)信號(hào)測(cè)量裝置全部安裝位于鍋爐爐墻外側(cè)，能夠 保證其長(zhǎng)時(shí)間有效工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)電站鍋爐過熱器因燃用非設(shè)計(jì)煤種或運(yùn)行方式不當(dāng)而引起的過熱器管屏的 結(jié)渣問題及現(xiàn)有結(jié)渣診斷技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于振動(dòng)信號(hào)特征分析的電站 鍋爐過熱器結(jié)渣診斷方法及系統(tǒng)。采用該方法和系統(tǒng)，能夠在不改變鍋爐運(yùn)行結(jié)構(gòu)的前提 下，通過對(duì)電站鍋爐過熱器爐墻保溫層外管屏連接管部分的振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量和分析來準(zhǔn)確 判斷過熱器當(dāng)前的結(jié)渣狀態(tài)，保證鍋爐運(yùn)行的安全性。
[0010] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種基于振動(dòng)信號(hào)特征分析的鍋爐 過熱器結(jié)渣診斷方法，包括以下步驟：
[0011] (1)通過振動(dòng)加速度傳感器獲取設(shè)定工況條件下鍋爐過熱器受熱面清潔狀態(tài)時(shí)的 電站鍋爐過熱器管屏爐外連接管的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集裝置生成數(shù)字振動(dòng)信號(hào)，中央 處理器對(duì)數(shù)字振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，提取計(jì)算清潔狀態(tài)下的數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的有效值特征量， 記為Xi，其計(jì)算模型為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于振動(dòng)信號(hào)特征分析的鍋爐過熱器結(jié)渣診斷方法，其特征在于，包括以下步 驟： (1) 通過振動(dòng)加速度傳感器獲取設(shè)定工況條件下鍋爐過熱器受熱面清潔狀態(tài)時(shí)的電站 鍋爐過熱器管屏爐外連接管的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集裝置生成數(shù)字振動(dòng)信號(hào)，中央處理 器對(duì)數(shù)字振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，提取計(jì)算清潔狀態(tài)下的數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的有效值特征量，記為 Xi，其計(jì)算模型為：
其中，&為清潔狀態(tài)下過熱器管屏數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的有效值特征量；N為數(shù)字振動(dòng)信號(hào)計(jì) 算點(diǎn)數(shù)；\為該段數(shù)字振動(dòng)信號(hào)中各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度幅值； (2) 通過鍋爐運(yùn)行試驗(yàn)使鍋爐過熱器管屏處于結(jié)渣狀態(tài)，利用振動(dòng)加速度傳感器獲取 該工況條件下鍋爐過熱器管屏處于結(jié)渣狀態(tài)時(shí)的電站鍋爐過熱器管屏爐外連接管的振動(dòng) 信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集裝置生成數(shù)字振動(dòng)信號(hào)，中央處理器對(duì)數(shù)字振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，提取計(jì) 算管屏結(jié)渣狀態(tài)下的數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的有效值特征量，記為X2，其計(jì)算模型為：
其中，X2為結(jié)渣時(shí)過熱器管屏數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的有效值特征量；N為數(shù)字振動(dòng)信號(hào)計(jì)算點(diǎn) 數(shù)；\為該段數(shù)字振動(dòng)信號(hào)中各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度幅值； (3) 計(jì)算該電站鍋在設(shè)定工況條件下鍋爐過熱器管屏結(jié)渣診斷閾值，記為D，其計(jì)算模 型為：
(4) 鍋爐運(yùn)行過程中，通過振動(dòng)加速度傳感器獲取設(shè)定工況條件下鍋爐過熱器管屏待 診斷狀態(tài)下的電站鍋爐過熱器管屏爐外連接管的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集裝置生成數(shù)字振 動(dòng)信號(hào)，中央處理器對(duì)數(shù)字振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，提取計(jì)算該狀態(tài)下管屏振動(dòng)信號(hào)的有效值 特征量，記為X，其計(jì)算模型為：
其中，X為當(dāng)前狀態(tài)下過熱器管屏數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的有效值特征量；N為數(shù)字振動(dòng)信號(hào)計(jì) 算點(diǎn)數(shù)；\為該段數(shù)字振動(dòng)信號(hào)中各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度幅值； (5) 比較在鍋爐運(yùn)行過程中，待檢測(cè)狀態(tài)下
與診斷閾值D的大小，當(dāng)滿足
|時(shí)表明該鍋爐過熱器管屏處于結(jié)渣狀態(tài)，影響鍋爐運(yùn)行，需要對(duì)其進(jìn)行清理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于振動(dòng)信號(hào)特征分析的鍋爐過熱器結(jié)渣診斷方法，其 特征在于，所述設(shè)定工況條件是指對(duì)于不同的鍋爐對(duì)象，需要設(shè)定選取鍋爐運(yùn)行負(fù)荷、工質(zhì) 流量和送風(fēng)量為其日常運(yùn)行中維持時(shí)間較長(zhǎng)且較穩(wěn)定的工況條件；測(cè)量診斷時(shí)鍋爐運(yùn)行負(fù) 荷、工質(zhì)流量和送風(fēng)量工況條件需保持一致。
3. -種基于振動(dòng)信號(hào)特征分析的鍋爐過熱器結(jié)渣診斷系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括 振動(dòng)信號(hào)采集單元、振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元、過熱器結(jié)渣診斷單元、過熱器結(jié)渣狀態(tài)顯示單 元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元， 所述振動(dòng)信號(hào)采集單元：利用振動(dòng)加速度傳感器，實(shí)時(shí)采集電站鍋爐過熱器管屏穿出 爐墻保溫層后的連接管的振動(dòng)信號(hào)； 所述振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元：利用數(shù)據(jù)采集卡，將振動(dòng)加速度傳感器采集到的模擬振 動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字振動(dòng)信號(hào)； 所述過熱器結(jié)渣診斷單元：利用中央處理器提取計(jì)算設(shè)定工況下鍋爐過熱器管屏清潔 狀態(tài)和前期運(yùn)行試驗(yàn)下管屏結(jié)渣狀態(tài)的數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的有效值特征量&和X2，得到結(jié)渣診 斷閾值D，計(jì)算模型為：
其中，&為清潔狀態(tài)下過熱器管屏數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的有效值特征量，乂2為結(jié)渣時(shí)過熱器 管屏數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的有效值特征量，N為數(shù)字振動(dòng)信號(hào)計(jì)算點(diǎn)數(shù)，^為數(shù)字振動(dòng)信號(hào)中各采 樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度幅值；在系統(tǒng)運(yùn)行中，中央處理器監(jiān)測(cè)獲取設(shè)定鍋爐工況下的過熱 器管屏振動(dòng)信號(hào)有效值特征量X，比較待檢測(cè)狀態(tài)下
與結(jié)渣診斷閾值D的大小，實(shí) 現(xiàn)管屏結(jié)渣狀態(tài)的診斷； 所述過熱器結(jié)渣狀態(tài)顯示單元：利用顯示器查看和顯示過熱器結(jié)渣診斷單元計(jì)算所得 到的相同設(shè)定工況條件下過熱器結(jié)渣狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷結(jié)果； 所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元：記錄存儲(chǔ)過熱器鍋爐負(fù)荷、工質(zhì)流量、送風(fēng)量、數(shù)字振動(dòng)信號(hào)及振 動(dòng)有效值特征量數(shù)據(jù)，用于比對(duì)在相同設(shè)定工況條件下數(shù)字振動(dòng)信號(hào)有效值特征量的變 化，獲得鍋爐受熱面管屏結(jié)渣狀態(tài)診斷結(jié)果。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于振動(dòng)信號(hào)特征分析的鍋爐過熱器結(jié)渣診斷系統(tǒng)，其 特征在于，所述振動(dòng)加速度傳感器通過散熱裝置連接鍋爐頂部頂棚保溫層外側(cè)過熱器管屏 與鍋爐聯(lián)箱相連的管段；所述散熱裝置包括緊固環(huán)栓、散熱翅片、連接主體和螺釘；所述振 動(dòng)加速度傳感器通過螺釘緊固在連接主體的一端，所述散熱翅片焊接在連接主體上，所述 連接主體的另一端通過緊固環(huán)栓固定連接鍋爐頂部頂棚保溫層外側(cè)過熱器管屏與鍋爐聯(lián) 箱相連的管段；通過增加散熱翅片能夠減少管壁向振動(dòng)加速度傳感器的導(dǎo)熱，確保振動(dòng)加 速度傳感器長(zhǎng)期有效工作。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于振動(dòng)信號(hào)特征分析的鍋爐過熱器結(jié)渣診斷方法及系統(tǒng)，該方法通過振動(dòng)加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取電站鍋爐過熱器管屏爐外連接管的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集裝置生成數(shù)字振動(dòng)信號(hào)，利用中央處理器提取并計(jì)算得到數(shù)字振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)，并結(jié)合相同工況條件下鍋爐過熱器受熱面清潔狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，通過與結(jié)渣閾值比較診斷過熱器管屏結(jié)渣狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于電站鍋爐運(yùn)行過程中過熱器的結(jié)渣故障的監(jiān)測(cè)和診斷，保證鍋爐運(yùn)行的安全性。
【IPC分類】F22B37-38
【公開號(hào)】CN104776420
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510137734
【發(fā)明人】鐘崴, 周永剛, 從飛云, 彭梁, 周懿, 吳燕玲
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年3月27日