燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统及方法

本发明涉及燃烧装置温度监测，尤其是一种燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统及方法。

背景技术：

1、为了降低火电机组的煤耗，提高燃煤电厂的经济性，锅炉向着大容量、高参数的方向发展。随着燃煤锅炉容量的提高，水冷壁超温问题成为了电厂面临的主要技术问题之一。此外，为了适应电网的调峰，燃煤锅炉需要频繁的进行负荷调整，进而导致锅炉偏离实际工况，引起燃烧不稳定，火焰偏斜等问题，进一步加重了水冷壁局部超温发生的可能性。由于现场水冷壁温度测点数量有限，运行人员无法精准掌握四墙水冷壁的壁温分布和超温区域，使得调控策略缺乏依据，只能依赖工作经验调整燃烧状态防止水冷壁超温。

2、尽管近年来锅炉测量技术得到了快速的发展，然而由于锅炉作为一个强耦合、非线性系统，且炉膛内温度高、飞灰含量高，对温度的精确实时测量造成了很大的挑战。尽管热电偶等装置能够对水冷壁温度进行测量，但这些传统测量方法仅能对局部有限点的温度进行测量，难以实现整体四墙水冷壁温度的实时显示和超温预警。为了详细全面的掌握炉内的温度组分等的分布，越来越多的研究者利用cfd方法模拟炉膛内煤粉燃烧过程，利用cfd计算得到的燃烧动力场数据耦合传热模型便可以得到详细的水冷壁温度分布情况。但由于cfd方法需要对各种方程详细求解，导致耗时过长，难以实现现场工况水冷壁温度分布的实时求解。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种燃煤锅炉水冷壁温度实时显示和超温预警系统及方法，实现水冷壁温度分布和超温区域的实时预测和预警。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本申请提供一种燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统，包括：

4、cfd耦合传热计算模块，通过cfd数值模拟计算不同综合工况下锅炉内部的燃烧动力场；利用计算得到水冷壁烟气侧的壁面热流，耦合传热模型，计算得到不同综合工况下的水冷壁温度，将计算结果存储在样本数据库模块；

5、样本数据库模块，存储有锅炉在不同综合工况下水冷壁温度数据，并将其传输给pod快速重构模块；

6、dcs数据处理模块，接收锅炉dcs系统数据，获取锅炉运行过程中水冷壁各测点处的温度数据，并将其加工为可用于重构的综合工况信息，作为查询条件传输给pod快速重构模块；

7、pod快速重构模块，对来自样本数据库模块的不同综合工况的水冷壁温度数据进行本征正交分解，提取出模态和模态系数，基于gappy pod算法将提取出的模态与来自dcs数据处理模块输出的当前工况下的查询条件结合，实现对样本数据库模块中所不包含的当前工况下的水冷壁温度的预测计算。

8、进一步技术方案为：

9、所述对来自样本数据库模块的不同综合工况的水冷壁温度数据进行本征正交分解，提取出模态和模态系数，包括：

10、首先将所述不同综合工况的水冷壁温度数据构成矩阵s＝[u(1),u(2),…,u(n)],s∈m×n，其中u(1),u(2),…,u(n)分别为n个综合工况的管壁温度向量，u(1),u(2),…,u(n)∈m×1，m为数值模拟计算过程中水冷壁区域划分的网格数量，n为综合工况个数；

11、定义相关矩阵r＝sts，求解r的特征值，得rψi＝λiψi，λi和ψi分别为第i个特征值和对应的特征向量，则本征正交分解模态为：

12、

13、各个模态对应的模态系数为：

14、所述基于gappy pod算法将提取出的模态与来自dcs数据处理模块输出的当前工况下的查询条件结合，实现对样本数据库模块中所不包含的当前工况下的水冷壁温度的预测计算，包括：

15、首先定义向量gr∈m×1，其中m为数值模拟计算过程中水冷壁区域划分的网格数，在水冷壁上设置测点的位置处的gr中对应的元素为测点测得的现场水冷壁温度数据值，无测点位置处gr中对应的元素设置为0；

16、定义其中，为对来自样本数据库模块的不同综合工况的水冷壁温度数据进行本征正交分解获得的模态，在有测点位置处m(x)＝1，其他位置处m(x)＝0；

17、定义最小二乘拟合的超定方程组：

18、

19、bi为当前工况下通过本征正交分解获得的水冷壁温度数据对应的模态系数；对模态进行截取，按照特征值从大到小排列，保留前r个较大特征值对应的模态；

20、对所述超定方程组求最小二乘解，将模态系数bi和模态线性组合，即实现对当前工况下水冷壁温度的重构。

21、所述cfd耦合传热计算模块利用计算的水冷壁烟气侧的壁面热流数据，耦合一维传热模型，结合水冷壁管道参数，求出管内工质的温度，再利用传热公式，求出不同位置的水冷壁内壁面和外壁面温度。

22、所述pod快速重构模块还用于：将所述预测计算结果和水冷壁允许的最高温度进行比较，对超温区域进行预警。

23、还包括显示模块，用于显示所述预测计算结果、与人员进行及交互，显示方式包括云图、矢量图、等高线图、柱状图、曲线图和报表；还用于显示超温区域。

24、本申请还提供一种燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警方法，基于所述的燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统而实现。

25、本发明的有益效果如下：

26、本发明通过墙水冷壁温度的快速实时计算，能够在短时间内对水冷壁温度分布进行整体预测，有效解决了由于现场壁温测点较少，难以掌握整体壁温分布情况的问题，能够让现场工作人员实时了解水冷壁温度分布，使运行人员可以有依据的对运行状况进行调整，从而对燃烧状况进行相应调整。

27、本发明具有超温预警功能，可以实时获得水冷壁温度超限区域。

28、本发明可对壁温和超温区域进行实时显示。

29、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

技术特征：

1.一种燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统，其特征在于，所述对来自样本数据库模块的不同综合工况的水冷壁温度数据进行本征正交分解，提取出模态和模态系数，包括：

3.根据权利要求2所述的燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统，其特征在于，所述基于gappy pod算法将提取出的模态与来自dcs数据处理模块输出的当前工况下的查询条件结合，实现对样本数据库模块中所不包含的当前工况下的水冷壁温度的预测计算，包括：

4.根据权利要求1所述的燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统，其特征在于，所述cfd耦合传热计算模块利用计算的水冷壁烟气侧的壁面热流数据，耦合一维传热模型，结合水冷壁管道参数，求出管内工质的温度，再利用传热公式，求出不同位置的水冷壁内壁面和外壁面温度。

5.根据权利要求1所述的燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统，其特征在于，所述pod快速重构模块还用于：将所述预测计算结果和水冷壁允许的最高温度进行比较，对超温区域进行预警。

6.根据权利要求6所述的燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统，其特征在于，还包括显示模块，用于显示所述预测计算结果、与人员进行及交互，显示方式包括云图、矢量图、等高线图、柱状图、曲线图和报表；还用于显示超温区域。

7.一种燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统而实现。

技术总结
本发明涉及燃煤锅炉水冷壁温度实时预测和超温预警系统，包括：通过CFD数值模拟计算得到不同综合工况下的水冷壁温度，将计算结果存储在样本数据库模块；通过DCS数据处理模块获取锅炉运行过程中水冷壁各测点处的温度数据，并将其加工为可用于重构的综合工况信息作为查询条件；对所述不同综合工况的水冷壁温度数据进行本征正交分解，提取出模态和模态系数，基于Gappy POD算法将提取出的模态与来自DCS数据处理模块输出的当前工况下的查询条件结合，实现对样本数据库模块中所不包含的当前工况下的水冷壁温度预测计算。本发明解决了由于现场壁温测点数量较少，难以对水冷壁超温区域进行实时检测和超温预警的问题。

技术研发人员：钟文琪,王天奕,陈曦,潘志超,周冠文
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15