专利名称：基于转子温度场模拟计算的电站锅炉空预器热点检测方法
技术领域：
本发明属于电力设备监测技术领域，涉及一种电站锅炉空气预热器(以下简称空预器)热点的检测方法，具体涉及一种基于转子温度场模拟计算的电站锅炉空预器热点检测方法。
背景技术：
电站锅炉空气预热器是利用锅炉的排烟余热加热空气的热交换器。空预器使锅炉燃烧和制粉系统需要的空气温度得到提高，同时进一步降低排烟温度，减少排烟热损失，是发电设备中重要的节能设备，目前200MW以上机组锅炉通常采用回转式空预器，依据容量的不同，300～1000MW空预器的直径约为10～15米，重量约为800～2500吨，在实际运行过程中，由于自身结构的原因，空预器有发生自燃的隐患。当未充分燃烧的燃料附着在空预器转子(蓄热元件、受热面)上，随着温度的升高，沉积物即被烘干并形成热点。当空预器内蓄热元件温度继续上升至700℃以上时，热点随之扩大并熔蚀蓄热元件，导致空预器起火。为使火灾的危害减小到最小程度，有必要对空预器内转子的温度场分布进行实时的检测，在火灾发生之前检测热点形成和发展趋势，采取有效措施防止火灾事故的发生。
目前常用的空预器热点检测装置是采用安装在空预器内部的红外热点传感器，对空预器转子进行扫描，从而获得其温度场分布。在正常运行时，空预器内部是高温、高粉尘的环境，因此对红外热点传感器及整个检测机构的可靠性和精确性要求较高。一旦红外热点传感器或整个检测机构出现故障不能正常工作，检测系统只有退出运行，等空预器进行检修时再对传感器或检测机构进行维修和更换，这必然会对空预器的安全稳定运行带来隐患。
目前对200MW及其以上的大容量机组普遍采用的三分仓回转式空气预热器，还未有对应的热力测算标准。现有的热力测算方法只能得到烟气和空气的进出口平均温度，测算精度不能满足要求，局限性大，不能准确得到空预器内部的烟气、空气和转子的温度场分布情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于转子温度场模拟计算的电站锅炉空预器热点检测方法，在现有热点检测系统的红外热点传感器或检测机构出现故障不能正常工作时，利用该模拟方法对转子温度场进行较高精度的估计，预测热点的形成和发展趋势，从而避免事故的发生，保证空预器的安全稳定运行。
本发明所采用的技术方案是，一种基于转子温度场模拟计算的电站锅炉空预器热点检测方法，该方法按以下步骤实施 步骤1确定所要监控的空预器的结构参数半径R(m)、转子高度h(m)、旋转角速度ω(rad/s)，设置该空预器热点检测装置的温度参考值； 步骤2实时采集以下参数流速、密度、比热、热传导率、换热系数、蓄热元件单位体积上的换热面积、温度；并将所得参数值输入到方程式(1)和方程式(2)中
(1)
其中，v为流速，单位为m/s；ρ为密度，单位为kg/m3；c为比热，单位为J/kg·K；
为蓄热元件横截面积比，单位为m2/m2；T为温度，单位为℃；ω为旋转角速度，单位为rad/s；σ为蓄热元件体积比，单位为m3/m3；λ为热传导率，单位为W/m·K；r，z，θ分别为径向、轴向和轴向坐标变量，单位分别为m、m、rad，α为流体与换热面的换热系数，单位为W/m2·K；β为蓄热元件单位体积上换热面积，单位为m2/m3；下标g和m分别表示烟气和蓄热元件； 步骤3对边界温度值进行初始化，设置Tm、Tg为任意值，并确定边界条件如下 径向i＝0时，令Tm(-1，j，k)＝Tm(0，j，k)； i＝Nr时，考虑热损失系数α′， 令Tm(Nr+1，j，k)＝Tm(Nr，j，k)-Δrα′/λg[Tm(Nr，j，k)-T′] 周向j＝0时，令 +号定义为上一个测算边的结果； j＝Nθ时，令 +号定义为上一个测算边的结果； 轴向k＝0时，令Tm(i，j，-1)＝Tm(i，j，0)； k＝Nz时，令Tm(i，j，Nz+1)＝Tm(i，j，Nz)； 步骤4将步骤2所得的方程式(1)和方程式(2)合并，并写成差分方程式(3)的形式 αβTm(i，j，k)-αβTg(i，j，k)+ωσmρmcm×Δ1Tm+Δ2Tm+Δ3Tm+Δ4Tm+Δ5Tm＝0 (3) 其中，
方程式(3)的抛物线型偏差分方程用标准的数值方法进行测算，柱面坐标r，θ，z用变量i，j，k表示，分别代表其径向、周向和轴向的位置，i，j，k的取值范围分别为 i∈
，j∈
，k∈
(4) 其中N表示在相应坐标分割点的数目，得到该段、该分仓内部及其出口边界上流体和受热面的温度； 步骤5对方程式(3)进行迭代，若迭代过程前后两次得到的温度误差符合设定的温度参考值的要求，则计算结束，将所得温度场数值输入到空预器系统主控制器中，用计算的温度值取代实际检测温度值，完成空预器热点的检测与判别；否则更新步骤3中的边界温度值，回到步骤4继续。
本发明的检测方法，利用现有的空预器热点检测系统，在空预器热点检测系统出现传感器故障或检测机构故障时，用计算值代替传感器的实际检测值，获得转子的温度场分布情况，其可靠性和精确性明显提高，确保了在空预器热点检测系统出现故障时仍可保证空预器安全稳定的运行。
图1是空预器计算微元示意图； 图2是空预器起停阶段蓄热元件温度分布示意图； 图3是空预器稳态工况时蓄热元件温度分布示意图； 图4是不同迭代次数下流体的平均出口温度示意图。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
本发明的基于转子温度场模拟计算的电站锅炉空预器热点检测方法，按以下步骤实施 步骤1确定所要监控的空预器的结构参数，包括半径R(m)、转子高度h(m)，旋转角速度ω(rad/s)，设置该空预器热点检测装置的温度参考值； 步骤2由电厂DCS实时采集以下参数，包括流速v(m/s)；密度ρ(kg/m3)；比热c(J/kg·K)；热传导率λ(W/m·K)；α为流体(烟气、空气)与换热面的换热系数(W/m2·K)；蓄热元件单位体积上的换热面积为β(m2/m3)；
为蓄热元件横截面积比，单位为m2/m2；T为温度，单位为℃；ω为旋转角速度，单位为rad/s；σ为蓄热元件体积比，单位为m3/m3；r，z，θ分别为径向、轴向和周向坐标变量，单位分别为m、m、rad；下标g和m分别表示烟气和蓄热元件；并将所得参数值输入到方程式(1)和方程式(2)中
(1)
空预器的热动力模型方程式(1)和方程式(2)的建立。由于回转式空预器的金属蓄热元件为大面积薄壁元件，物性均一，所以在推导流体与金属蓄热元件之间换热的数学模型之前，有以下假设第一、蓄热元件是由多个彼此平行的金属薄壁组成，假定薄壁足够薄，忽略蓄热元件沿厚度方向的温度分布；第二、流体(烟气、空气)在蓄热元件(受热面)上均匀换热，与二者对流换热相比，蓄热元件导热、流体自身导热部分可以忽略；第三、在回转式空预器所处的温度范围内，流体的热物理特性参数随温度变化不大，认为只是流体平均温度的单值函数；第四、回转式空预器密封良好，冷热流体的漏风只存在携带漏风，转子与外界环境之间没有换热过程。
如图1所示，构造一个空预器转子的三维计算微元，建立柱面坐标系，在空预器运行时有5种热通量通过空预器转子的微元，分别是烟气携带热K1、蓄热元件携带热K2和蓄热元件径向传导热K3、轴向传导热K4、周向传导热K5，基于能量守恒原理，可获得空预器微元的热平衡方程式(1)
(1) 方程式(1)的左边第1项表示了由烟气携带的热量，第2项表示由蓄热元件携带的热量，第3项表示了蓄热元件的材料在三个坐标方向的热传导。除了通过空预器微元的热对流和热传导，还存在从烟气到蓄热元件或从蓄热元件到烟气的热传输，该热传输方程可由下面的方程式(2)来表示
方程式(2)左边第1项表示去或来自于烟气(空气)的热通量，第2项表示去或来自于蓄热元件的热通量。
步骤3对边界温度值进行初始化，设置Tm、Tg初始值，并确定边界条件如下 径向i＝0时，令Tm(-1，j，k)＝Tm(0，j，k)； i＝Nr时，考虑热损失系数α′， 令Tm(Nr+1，j，k)＝Tm(Nr，j，k)-Δrα′/λg[Tm(Nr，j，k)-T′] 周向j＝0时，令 (+号定义为上一个测算边的结果)； j＝Nθ时，令 (+号定义为上一个测算边的结果)； 轴向k＝0时，令Tm(i，j，-1)＝Tm(i，j，0)； k＝Nz时，令Tm(i，j，Nz+1)＝Tm(i，j，Nz)； 步骤4将步骤2所得的方程式(1)和方程式(2)合并，并写成差分方程(3)的形式，得到该段、该分仓内部及其出口边界上流体和受热面的温度，其中柱面坐标r，θ，z用变量i，j，k表示，分别代表其径向、周向和轴向的位置，i，j，k的取值范围分别为i∈
，j∈
，k∈
，其中N表示在相应坐标分割点的数目。
为求解上面两个热平衡方程式(1)和方程式(2)，将它们合并，并写成差分方程的形式 αβTm(i，j，k)-αβTg(i，j，k)+ωσmρmcm×Δ1Tm+Δ2Tm+Δ3Tm+Δ4Tm+Δ5Tm＝0(3) 其中
方程式(3)的抛物线型偏差分方程可以用标准的数值方法进行计算，柱面坐标r，θ，z用变量i，j，k表示，分别代表其径向、周向和轴向的位置，i，j，k的取值范围分别为 i∈
，j∈
，k∈
(4) 其中N表示在相应坐标分割点的数目。
由上述边界条件和方程式(3)就可以求解空预器转子的温度场分布值。
步骤5对方程式(3)进行迭代，若迭代过程前后两次得到的温度误差符合设定的温度参考值的要求，则计算结束，将所得温度场数值输入到空预器系统主控制器中，用计算的温度值取代实际检测温度值，完成空预器热点的检测与判别，及时确定需要采取的安全措施；否则更新步骤3中的边界温度值，回到步骤4继续。
本发明的方法是在空预器的流体动力学原理、热动力模型的基础上，提出一种确定空预器转子任一三维坐标点温度值的数值方法，并建立空预器内部温度场分布，为空预器热点检测装置提供温度参考值。将本发明的计算方法融入现有的空预器热点检测系统的主控制装置中，一旦检测到空预器热点检测装置的红外热点传感器或检测机构出现故障时，空预器系统主控制器将马上根据系统的切换命令，以空预器的当前运行工况作为输入，通过本发明的方法计算温度值，并以此计算值代替传感器的实际测量值，就可以在系统出现故障时继续实施有效的热点检测，使得现有的空预器热点检测装置实现了“直接检测控制”和“基于模型输出的软测量控制”的结合及相互切换，提高了系统的自动投入率，保证了空预器的长期安全稳定运行。
实施例 表1所示为某600MW火力发电机组三分仓回转式空预器的结构参数。测算时将蓄热元件冷、热周期和预热长度分别划N为50个单元，根据600MW机组空预器空气侧一、二次风的比例，将冷周期前14个单元作为一次风，剩下36个单元作为二次风。 表1 某600MW锅炉回转式空预器基本参数
图2和图3为分别为600MW三分仓空预器起停阶段、稳定额定工况下金属蓄热元件三维温度分布图，横、总坐标分别用当量周期和当量长度表示。图4为利用本发明方法测算的流体出口平均温度，经过5次迭代后，温度值就已经收敛。从图中可看出一、二次风在转子内部温度的变化规律，二者的出口平均温度分别收敛于338℃和304℃。
表2 数值计算结果与现场实测结果对比 表2是本方法实施例的测算值与现场实测值的对比结果。需要指出的是，虽然一次风入口温度比二次风要低10℃，但是在回转式空预器内部加热后，一次风出口温度比二次风高出大约34℃，现场实测仅为28℃，误差产生可能是由于在测算过程中只考虑了携带漏风而没有考虑径向漏风和轴向漏风。
从上述实例可看出，本发明提出的监控方法是可行的，它对仿真工况和模型对象的选取并没有严格的限制，无论当量周期和当量长度如何变化，金属蓄热元件和流体温度变化曲线均可以迅速收敛，而且测算精度很高，因此该方法能够大量应用于实际的工程测算，对空预器内部温度场的分布提供数值参考，提高空预器热点检测装置的可靠性，保证机组的安全稳定运行。
权利要求
1、一种基于转子温度场模拟计算的电站锅炉空预器热点检测方法，其特征在于，该方法按以下步骤实施
步骤1确定所要监控的空预器的结构参数半径R(m)、转子高度h(m)、旋转角速度ω(rad/s)，设置该空预器热点检测装置的温度参考值；
步骤2实时采集以下参数流速、密度、比热、热传导率、换热系数、蓄热元件单位体积上的换热面积、温度；并将所得参数值输入到方程式(1)和方程式(2)中
其中，v为流速，单位为m/s；ρ为密度，单位为kg/m3；c为比热，单位为J/kg·K；
为蓄热元件横截面积比，单位为m2/m2；T为温度，单位为℃；ω为旋转角速度，单位为rad/s；σ为蓄热元件体积比，单位为m3/m3；λ为热传导率，单位为W/m·K；r，z，θ分别为径向、轴向和轴向坐标变量，单位分别为m、m、rad，α为流体与换热面的换热系数，单位为W/m2·K；β为蓄热元件单位体积上换热面积，单位为m2/m3；下标g和m分别表示烟气和蓄热元件；
步骤3对边界温度值进行初始化，设置Tm、Tg为任意值，并确定边界条件如下
径向i＝0时，令Tm(-1，j，k)＝Tm(0，j，k)；
i＝Nr时，考虑热损失系数α′，
令Tm(Nr+1，j，k)＝Tm(Nr，j，k)-Δrα′/λg[Tm(Nr，j，k)-T′]
周向j＝0时，令
+号定义为上一个测算边的结果；
j＝Nθ时，令
+号定义为上一个测算边的结果；
轴向k＝0时，令Tm(i，j，-1)＝Tm(i，j，0)；
k＝Nz时，令Tm(i，j，Nz+1)＝Tm(i，j，Nz)；
步骤4将步骤2所得的方程式(1)和方程式(2)合并，并写成差分方程式(3)的形式
αβTm(i，j，k)-αβTg(i，j，k)+ωσmρmcm×Δ1Tm+Δ2Tm+Δ3Tm+Δ4Tm+Δ5Tm＝0
(3)
其中，
方程式(3)的抛物线型偏差分方程用标准的数值方法进行测算，柱面坐标r，θ，z用变量i，j，k表示，分别代表其径向、周向和轴向的位置，i，j，k的取值范围分别为
i∈
，j∈
，k∈
(4)
其中N表示在相应坐标分割点的数目，得到该段、该分仓内部及其出口边界上流体和受热面的温度；
步骤5对方程式(3)进行迭代，若迭代过程前后两次得到的温度误差符合设定的温度参考值的要求，则计算结束，将所得温度场数值输入到空预器系统主控制器中，用计算的温度值取代实际检测温度值，完成空预器热点的检测与判别；否则更新步骤3中的边界温度值，回到步骤4继续。
全文摘要
本发明公开了一种基于转子温度场模拟计算的电站锅炉空预器热点检测方法，该方法按以下步骤实施确定所要监控的空预器的参数，并设置温度参考值；实时采集各种参数并将所得参数值输入到计算模型中；边界温度值初始化，并确定边界条件；用一个差分方程，得到该段、该分仓内部及其出口边界上流体和受热面的温度；若迭代过程前后两次得到的温度误差符合设定的温度参考值的要求，则计算结束，否则更新边界温度值重新迭代。当现有热点检测系统的红外热点传感器或执行机构故障，系统发出切换命令，用本发明方法模拟计算得到的温度场参数作为控制的参考值，提高了空预器热点检测装置的可靠性，保证该检测系统安全稳定运行。
文档编号G01K13/00GK101382458SQ20081023177
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者丁 刘, 涵 刘, 杨延西 申请人:西安理工大学