鄭衛(wèi)東 潘友國 熊 偉 林思宇 羅利佳 王偉達

（1.華能（浙江）能源開發(fā)有限公司玉環(huán)分公司 臺州 317604）

（2.浙江工業(yè)大學 機械工程學院 杭州 310023）

近年來,受電力市場變化的影響,燃煤發(fā)電機組頻繁啟停、深度調(diào)峰、長期低負荷運行逐漸成為常態(tài)。在這種情況下,鍋爐的運行工況進一步惡化,長周期安全運行面臨嚴峻考驗。鍋爐水冷壁作為四管之一,在整個發(fā)電機組的高效、可靠、安全運行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。水冷壁的工作環(huán)境十分惡劣,長期在高溫、高壓、腐蝕等多種不利因素的綜合作用下[1],容易發(fā)生失效破壞,引發(fā)泄漏事故。其中由水冷壁拉裂引起的泄漏,由于其對機組啟停、應力變化異常敏感且缺陷發(fā)生和發(fā)展迅速、破壞性較強,給安全生產(chǎn)和機組可靠性帶來較大不確定性和不可控性[2]。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展對能源需求的不斷增加,保障燃煤電站鍋爐的安全穩(wěn)定運行十分重要,因而對水冷壁在線監(jiān)測技術(shù)的需求也日益迫切。

現(xiàn)有的國內(nèi)水冷壁在線監(jiān)測系統(tǒng)主要集中在壁面溫度、熱流密度和煙氣濃度等參數(shù)的監(jiān)測。趙晉宇等人[3]利用可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)研制了用于在線測量煤粉鍋爐中水冷壁近壁面H2S 濃度的監(jiān)測系統(tǒng)。孫德波[4]通過在線分析水冷壁的溫度數(shù)據(jù)準確找到了管屏超溫部分,避免了爆管事故的發(fā)生。高峰等人[5]通過在最上層爐膛吹灰器附近的鰭片和管壁處安裝熱流密度計,測量熱流密度值和管壁溫度,通過對比吹灰器動作前后測量值的變化來監(jiān)測水冷壁熱流,并提出了爐膛吹灰的推薦策略。沈國清等人[6]在聲學測溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,融入聲陣列定位技術(shù),在線聲波測溫的同時對爐膛水冷壁的泄漏聲信號進行實時監(jiān)測,但是由于測點采用平面8 測點布置方式,無法對水冷壁的不同高度位置進行監(jiān)測。陳曙等人[7]研制了能夠?qū)λ浔诖怪惫苓M行檢測的爬壁機器人,通過對水冷壁進行全面檢測來分析和診斷水冷壁的健康狀況,但是爬壁機器人的檢測效率低、實時性差。目前在水冷壁在線監(jiān)測系統(tǒng)方面的研究拓展了監(jiān)測參數(shù)的范圍,提高了監(jiān)測技術(shù)的精度和可靠性,但是以往的研究以水冷壁的壁溫監(jiān)測為主,鮮有關(guān)于水冷壁膨脹監(jiān)測的研究。水冷壁的膨脹位移是溫度場、應力場和材料力學特性共同作用的結(jié)果,能夠綜合反映水冷壁的健康狀態(tài),因而利用水冷壁的膨脹數(shù)據(jù)來評估其健康狀態(tài)是實現(xiàn)水冷壁狀態(tài)監(jiān)測的有效途徑。

本文針對水冷壁狀態(tài)監(jiān)測的需求,研發(fā)了水冷壁膨脹狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng),并在百萬千瓦超超臨界機組的鍋爐水冷壁上進行了工程應用。該系統(tǒng)首先利用由激光測距傳感器、4G 智能網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對水冷壁不同部位的膨脹位移進行實時測量和存儲,然后利用膨脹位移數(shù)據(jù)計算T2統(tǒng)計量,根據(jù)T2統(tǒng)計量的值是否超限來評判水冷壁的膨脹狀態(tài),最后利用膨脹超限次數(shù)及超限膨脹量的累計值來評估水冷壁的損傷程度。

1 水冷壁膨脹位移測量系統(tǒng)

1.1 測量原理及測點布置

本文利用激光測距技術(shù)對水冷壁的膨脹位移進行在線實時測量。激光測距是一種非接觸式的工業(yè)測量技術(shù),原理是通過傳感器的激光器產(chǎn)生一束脈沖激光,在目標物體上經(jīng)過反射后返回傳感器的接收器。傳感器利用激光光束發(fā)射和接收的時間差計算出目標物體與傳感器之間的距離。相較于其他測距技術(shù),激光測距技術(shù)屬于非接觸測量,對被測物體無影響,環(huán)境適應性好,并且具有速度快、距離遠、精度高等優(yōu)點。鑒于水冷壁所處的惡劣環(huán)境條件,激光測距技術(shù)是測量水冷壁膨脹位移的理想選擇。見圖1,將激光測距傳感器安裝在從水冷壁上引出的支架上,并將光源朝向檢修平臺,使激光測距傳感器能夠隨著水冷壁的膨脹進行移動,通過在檢修平臺上安裝的不銹鋼擋板反射激光束,實現(xiàn)水冷壁膨脹位移的測量。

圖1 激光測距傳感器現(xiàn)場安裝圖

鑒于百萬千瓦電站鍋爐的水冷壁體積較大,在水冷壁不同位置安裝了40 個激光測距傳感器,其中水冷壁前墻布置了14 個測點,左、右側(cè)墻各布置了3 個測點,后墻布置了10 個測點。傳感器的具體安裝位置如圖2所示,其中在前墻D 層、C 層、B 層兩側(cè)邊緣及后墻D層、C 層兩側(cè)邊緣的頂角測點各安裝2 個激光測距傳感器,分別測量頂角處水平方向和垂直方向的膨脹位移,其余測點都安裝1 個激光測距傳感器,只測量水冷壁沿垂直方向的膨脹位移。

圖2 激光測距傳感器安裝位置示意圖

1.2 系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

圖3 為水冷壁膨脹位移測量系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。激光測距傳感器實時測量水冷壁的膨脹位移數(shù)據(jù),并通過信號線將數(shù)據(jù)上傳至4G 智能網(wǎng)關(guān),然后通過4G無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器。監(jiān)測平臺通過對云端服務(wù)器上的膨脹數(shù)據(jù)進行實時分析,利用T2統(tǒng)計量建立水冷壁膨脹狀態(tài)的判斷標準,并通過計算膨脹超限的總次數(shù)和超限膨脹位移量的累計值,評估水冷壁的損傷程度。這一物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計使得激光測距傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠高效地上傳云端服務(wù)器,為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了保障,在云端進行數(shù)據(jù)分析提升了處理大數(shù)據(jù)的能力以及數(shù)據(jù)分析的實時性,通過引入T2統(tǒng)計量提高了水冷壁狀態(tài)評判的準確性。

圖3 水冷壁膨脹位移測量系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

2 水冷壁狀態(tài)在線監(jiān)測方法

2.1 水冷壁膨脹量計算

在水冷壁運行期間,針對每個單獨的監(jiān)測點,利用該測點附近溫度傳感器測得的壁溫數(shù)據(jù),通過熱膨脹公式計算出當前時刻水冷壁的理論膨脹量,見式（1）。

式中：

L*——理論膨脹量,mm；

L0——原始長度,mm；

α——材料熱膨脹系數(shù),mm/℃；

T2——參考時刻溫度,℃；

T1——當前時刻溫度,℃。

水冷壁的實際膨脹量則由激光測距傳感器在兩個相鄰時刻的膨脹位移相減得出,見式（2）。

式中：

L——實際膨脹量,mm；

l2——上一時刻位移量,mm；

l1——當前時刻位移量,mm。

將理論膨脹量與實際膨脹量相減,得到膨脹量的差值ΔL,見式（3）。

利用膨脹量的差值可以監(jiān)測水冷壁的膨脹狀態(tài)。

2.2 水冷壁膨脹異常監(jiān)測與損傷評估

水冷壁膨脹狀態(tài)監(jiān)測的目的在于發(fā)現(xiàn)由壁溫變化、載荷變化、結(jié)構(gòu)約束等因素引起的水冷壁膨脹受限、膨脹突變等問題,防止膨脹異常造成水冷壁拉裂。隨著水冷壁發(fā)生膨脹異常的次數(shù)增多,其損傷程度會不斷增加,發(fā)生拉裂的可能性也相應增加。通過對膨脹量的差值數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,構(gòu)建了T2統(tǒng)計量來監(jiān)測水冷壁的膨脹狀態(tài),該方法能更加細致地反映水冷壁的膨脹狀態(tài),對膨脹狀態(tài)變化的敏感性較高,從而能夠及時發(fā)現(xiàn)水冷壁的膨脹異常情況,降低水冷壁拉裂的可能性。

T2統(tǒng)計量是多元統(tǒng)計分析中常用的統(tǒng)計變量,用于檢測數(shù)據(jù)中的異常值或者異常模式,在故障監(jiān)測方面具有優(yōu)勢。收集正常工況下的膨脹量差值數(shù)據(jù),組成一個數(shù)據(jù)矩陣X∈Rn×m,見式（4）。

式中：

n——樣本個數(shù)；

m——變量個數(shù)。

為了消除變量量綱差異帶來的影響,需要對數(shù)據(jù)矩陣X中的每個元素xij進行標準化處理,見式（5）。

其中：

式中：

——平均值；

sj——方差。

計算標準化后數(shù)據(jù)矩陣X的協(xié)方差矩陣Σ,見式（8）。

求取協(xié)方差矩陣Σ 的特征值和特征向量,并將特征值按照從大到小的順序排列,見式（9）。

根據(jù)特征值的大小順序選取前k個特征向量{p1,p2, …,pk},組成投影矩陣P,見式（10）。

對于任意一個樣本x∈Rm,經(jīng)過式（5）的歸一化處理之后,其T2統(tǒng)計量的計算式見式（11）。

其中：

式中：

S——協(xié)方差矩陣。

T2統(tǒng)計量的控制限可以利用式（13）計算。

式中：

α——顯著水平；

Fα（k,n-k)——自由度為k和n-k的F分布。

采用滑動窗口技術(shù)捕捉膨脹數(shù)據(jù)的動態(tài)變化,每次采用滑動窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)作為訓練數(shù)據(jù)計算T2統(tǒng)計量,實現(xiàn)水冷壁狀態(tài)的動態(tài)實時監(jiān)測。滑動窗口技術(shù)是一種動態(tài)調(diào)整樣本集的方法,能夠反映樣本集隨時間的變化,該技術(shù)將相鄰的若干數(shù)據(jù)定義為一個窗口,并以一定時間步長為單位不斷更新窗口位置,形成等步長移動的時間窗口。本文中時間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)為理論膨脹量與實際膨脹量的差值,隨著時間推移,最早時刻采集的數(shù)據(jù)被丟棄,最新采集的數(shù)據(jù)納入時間窗口。本文的時間窗口長度為12 h,時間窗口更新的時間步長為1 min,與激光測距傳感器的采樣時間相同。每次更新時間窗口后,利用窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)計算T2統(tǒng)計量,并與其控制限進行比較,如果T2統(tǒng)計量超出控制限,則表明在當前時刻水冷壁發(fā)生了一次膨脹異常,反之則認為水冷壁膨脹正常。

當監(jiān)測點的T2統(tǒng)計量超過控制限,則判定該監(jiān)測點出現(xiàn)了膨脹異常情況。對于發(fā)生膨脹異常的監(jiān)測點,計算發(fā)生膨脹異常時刻的超限膨脹量,并對所有膨脹異常時刻的超限膨脹量以及發(fā)生超限膨脹的次數(shù)進行累加。定期對水冷壁30 個監(jiān)測點的超限膨脹量累計值和超限膨脹總次數(shù)進行對比分析,評估各監(jiān)測點位的水冷壁損傷程度,判斷水冷壁某區(qū)域是否存在安全隱患。

3 結(jié)果與分析

3.1 水冷壁膨脹位移測量結(jié)果

水冷壁膨脹位移測量系統(tǒng)在2 號機組的鍋爐水冷壁上完成安裝和調(diào)試后,截至2023 年12 月已在現(xiàn)場無故障連續(xù)運行6 個月。圖4 和圖5 分別為水冷壁在2023 年6 月22 日至6 月29 日期間D 層、C 層、B 層前墻左、右兩側(cè)頂角處監(jiān)測點的垂直膨脹位移變化曲線。從圖中數(shù)據(jù)可知,不同層高處水冷壁垂直膨脹位移的變化趨勢基本一致,垂直膨脹位移隨著層高的降低而增大,B 層的垂直膨脹位移要遠大于D 層和C 層的垂直膨脹位移,分析原因可能有2 點：1）水冷壁在受熱后整體向下膨脹,B 層位于D 層、C 層下方,B層的垂直膨脹位移疊加了D 層、C 層的垂直膨脹位移；2）爐膛的火球燃燒位置位于B 層、C 層之間,導致B層水冷壁的壁溫稍高于D 層、C 層的壁溫,因而B 層水冷壁的膨脹伸長量更大。

圖4 D 層、C 層、B 層前墻右側(cè)頂角處監(jiān)測點的垂直膨脹位移

圖5 D 層、C 層、B 層前墻左側(cè)頂角處監(jiān)測點的垂直膨脹位移

圖6 和圖7 分別為D 層、C 層四個頂角處監(jiān)測點的垂直膨脹位移。如圖6 和圖7 所示,D 層前墻左側(cè)頂角處D21監(jiān)測點的垂直膨脹位移要明顯大于監(jiān)測點D30、D15和D6的垂直膨脹位移,C 層前墻兩側(cè)頂角處監(jiān)測點C26、C18的垂直膨脹位移大于位于后墻兩側(cè)頂角的監(jiān)測點C5、C13的垂直膨脹位移。結(jié)合圖4 和圖5 中監(jiān)測點B21的垂直膨脹位移遠大于監(jiān)測點B30的垂直膨脹位移可以分析出,水冷壁前墻和左墻的膨脹位移要明顯大于后墻和右墻的膨脹位移,說明水冷壁存在膨脹不均勻的現(xiàn)象。造成水冷壁膨脹不均勻的原因可能是：1）爐膛內(nèi)火球的位置不居中,導致水冷壁四周壁面受熱不均勻,靠近火球的水冷壁的壁溫高,而離火球較遠的水冷壁的壁溫低,造成水冷壁膨脹不均勻；2）由于水冷壁是大尺寸結(jié)構(gòu),上面還裝了許多其他設(shè)備（如吹灰器、集箱等）,難免在不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)和約束上存在一定差異,導致膨脹不均勻。出現(xiàn)膨脹位移不均勻的情況說明存在水冷壁拉裂隱患,在機組負荷大幅波動的情況下可能會造成水冷壁局部區(qū)域應力過大,引發(fā)水冷壁拉裂破壞事故。

圖6 D 層四個頂角處監(jiān)測點的垂直膨脹位移

圖7 C 層四個頂角處監(jiān)測點的垂直膨脹位移

3.2 水冷壁膨脹狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果

圖8 展示了2023 年6 月23 日內(nèi)水冷壁D21監(jiān)測點的壁溫、膨脹位移和機組負荷變化曲線。如圖所示,監(jiān)測點的膨脹位移與壁溫和機組負荷的變化趨勢基本一致,這表明監(jiān)測點的膨脹位移變化與溫度變化和機組負荷變化密切相關(guān),證明了利用膨脹量的變化監(jiān)測水冷壁的狀態(tài)波動是可行的。圖9 展示了D21監(jiān)測點理論膨脹量與實際膨脹量差值的變化曲線,可見由于受負荷波動和溫度波動的影響,膨脹量差值也會不斷波動,甚至在發(fā)生溫度轉(zhuǎn)變的時刻（如10:00 和22:00 左右）,膨脹量差值出現(xiàn)大幅度變化的情況,意味著這些時刻水冷壁的實際膨脹量與壁溫不匹配,會在水冷壁上產(chǎn)生附加應力。

圖8 D21 監(jiān)測點的溫度、膨脹位移和機組負荷變化曲線

圖9 D21 監(jiān)測點理論膨脹量與實際膨脹量差值的變化曲線

利用T2統(tǒng)計量對水冷壁的膨脹狀態(tài)進行監(jiān)測,圖10 展示了水冷壁D21監(jiān)測點膨脹量差值的T2統(tǒng)計量的監(jiān)測結(jié)果。如圖10 所示,D21監(jiān)測點在多個時刻出現(xiàn)T2統(tǒng)計量超過控制限的情況,表明在這些時刻發(fā)生膨脹異常。將圖10 中T2統(tǒng)計量超限的時刻與圖9 中膨脹量差值發(fā)生大幅度變化的時刻進行對比,發(fā)現(xiàn)二者完全吻合,證明本文提出的在線監(jiān)測方法是有效的。根據(jù)T2統(tǒng)計量的超限情況,可以計算出一定時間段內(nèi)各監(jiān)測點的膨脹超限總次數(shù)與超限膨脹量累計值,進而評估水冷壁的損傷程度。圖11 對比了6 月23 日當天B 層、C 層、D 層前墻6 個監(jiān)測點的膨脹超限總次數(shù)與超限膨脹量累計值。從圖11 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),D21監(jiān)測點的膨脹超限發(fā)生次數(shù)較多,但超限膨脹量累計值相對較低,D23監(jiān)測點膨脹超限發(fā)生次數(shù)較少,但超限膨脹量累計值相對較高,B21監(jiān)測點的膨脹超限發(fā)生次數(shù)和超限膨脹量累計值均較大。考慮到超限膨脹量累計值對水冷壁損傷程度的影響要大于膨脹超限總次數(shù),因此D23測點處水冷壁的損傷程度要比其他測點處更大。

圖10 D21 監(jiān)測點的T2 統(tǒng)計量監(jiān)測結(jié)果

圖11 B 層、C 層、D 層六處監(jiān)測點的膨脹超限總次數(shù)與超限膨脹量累計值

4 結(jié)論與展望

本文研發(fā)了燃煤電站鍋爐水冷壁膨脹狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng),通過集成激光測距技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了水冷壁多點膨脹位移的實時測量,并通過對膨脹位移數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,實現(xiàn)了對水冷壁膨脹狀態(tài)的在線監(jiān)測以及損傷程度的評估。本文在華能集團玉環(huán)電廠的一臺百萬千瓦火電機組上對所研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)進行了現(xiàn)場應用,結(jié)果表明：1）隨著機組負荷的不斷波動,水冷壁的壁溫與膨脹位移都會發(fā)生波動,并且三者的波動趨勢基本相同；2）水冷壁的膨脹位移數(shù)據(jù)能夠很好地反映壁溫和機組負荷的變化狀況,因此可以用于監(jiān)測電站鍋爐的工作狀態(tài)；3）基于T2統(tǒng)計量的監(jiān)測方法對于水冷壁的膨脹異常具有較高的敏感性,可以及時發(fā)現(xiàn)水冷壁出現(xiàn)的異常膨脹情況；4）膨脹超限總次數(shù)和超限膨脹量累計值可以作為評估水冷壁損傷程度的指標,后續(xù)可以進一步結(jié)合羽流法等損傷判定方法對水冷壁的損傷程度進行綜合評判。本文研發(fā)的水冷壁膨脹狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)在電站鍋爐水冷壁監(jiān)測領(lǐng)域有很好的應用前景。