（环境工程专业论文）电站锅炉过（再）热器壁温特性研究.pdf

盛窑适厶堂亟 ! ：芏垃逾塞! p塞趟墨 中文摘要 摘要：随着电力工业的发展，火力发电机组的装机容量同益增大，3 0 0 m w 、 6 0 0 m w 机组已成为电网中的主力机组，随着机组容量的增大，锅炉过热系统因热 偏差引起的过( 再) 热器超温爆管事故频频发生，严重影响了发电厂的安全、经 济运行。 本文建立了锅炉过( 再) 热器的壁温监控与预测系统，壁温监控系统实时监控 过( 再) 热器壁温，并通过接口与实时数据库相连，实现数据的实时趋势查询与 历史趋势查询。在神经网络的基础上建立的壁温预测系统实现了过( 再) 热器的 各种时间间隔的壁温预测。 在关于热偏差成因的综合理论分析基础之上，建立受热面合理的蒸汽流量分配 计算模型、热偏差计算模型和壁温计算模型，摒弃原有计算方法中的不足，采取 适于工程应用的计算方法，以实现准确地反映受热面出口汽温和管子壁温分布情 况。论文以某电厂躬锅炉m c r 负荷下的热力工况为例，计算了过热器及再热器 的热偏差系数及受热面壁温，对实例锅炉过热器设计特点进行了分析。 论文结果对减小电站锅炉过( 再) 热器热偏差、防止过( 再) 热器爆管，优化 过( 再) 热系统受热面设计和事故分析等有一定的参考价值和实际指导意义。同 时，壁温监控预测系统对安全生产也有着积极的作用。 关键词：过热器：再热器；神经网络：热偏差；超温 分类号：t k 2 2 3 3 些壅窑堑厶堂亟：芒位盈塞垒旦s 工b 工 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r i c a li n d u s t r y ，t h ei n s t a l l e dc a p a c i t yo f t h et h e r m a lp o w e rg e n e r a t i n gu n i ti sa u g m e n t i n gi n c r e a s i n g l y t h eg e n e r a t i n gu n i t so f 3 0 0 m wa n d6 0 0 m wh a v eb e e nt h em a i no n e si nt h ep o w e rn e t w o r k t h er e l i a b l e o p e r a t i o no ft h es u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e rt h a ta r et h ek e yc o m p o n e n t so ft h e l a r g e - c a p a c i t yp o w e rs t a t i o nb o i l e ri sv e r ys i g n i f i c a n tf o rt h ew h o l eu n i t sw i t h o u td o u b t w i t ht h ee n l a r g e m e n to f t h ei n s t a l l e dc a p a c i t y ，t h eo v e r h e a t i n ga n dt u b er u p t u r eo f t h e b o i l e rs u p e r h e a ts y s t e mf r e q u e n t l yh a p p e nb e c a u s eo ft h e r m a ld e v i a t i o n ，w h i c h s e r i o u s l ya f f e c t st h es a f ea n de c o n o m yo p e r a t i o no f g e n e r a t i n gp l a n t a s y s t e mw a sb u i l df o rm o n i t o r ， f o r e c a s tt h ew a l lt e m p e r a t u r e t h i sd i s s e r t a t i o n e s t a b l i s h e sr e a s o n a b l es t e a mt h r o u g h p md i s t r i b u t i o nc a l c u l a t i o np a t t e r n ，t h e r m a l c a l c u l a t i o np a t t e r na n dw a l lt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o np a t t e r na b a n d o nt h ed e f e c t so ft h e o l dc a l c u l a t i o nm e t h o da r mt a k et h ep r o g r e s s i v ec a l c u l a t i o nm e t h o da p p r o p r i a t et ot h e t e c h n i c a la p p l i c a t i o ni no r d e rt or e f l e c ta c c u r a t e l yt h ed i s t r i b u t i o nc o n d i t i o no f t h eo u t l e t s t e a mt e m p e r a t u r ea n dw a l lt e m p e r a t u r eo ft h eh e a t e x c h a n g e rs u r f a c e a tt h es a l t l e t i m e a c c o r d i n gt ot h ec a u s e so ft h et h e r m a ld e v i a t i o n ，t h em e a s u r e so rs c h e m e st o d e c r e a s et h et h e r m a ld e v i a t i o nh a v eb e e np u tf o r w a r d t l l i sd i s s e r t a t i o np u t st h ec a l c u l a t i o np a r e m se s t a b l i s h e di n t op r a c t i c a lu s e ，t a k i n g t h et h e r m a lc o n d i t i o no fm c rl o a do ft h e # 3s u bc r i t i c a lp r e s s u r ec o n c u r r e n tb o i l e ro f t h ed ag a n gp o w e rp l a n ta sa ne x a m p l e ，a n dg i v e sap r o f o u n da n a l y s i so nt h em a i n c a u s e so f t h et h e r m a ld e v i a t i o n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h et h e r m a ld e v i a t i o np r o v ei t a p p r o p r i a t et h a tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o di st a k e n ， f o rt h er e s u l t sc a na c c o r dw i t ht h e f a c t u a lt h e r m a ld e v i a t i o nc o n d i t i o n s ot h i sd i s s e r t a t i o nc a l lp r o v i d eac e r t a i nr e f e r e n c e v a l u ea n dp r a c t i c a ld i r e c t i o nf o rt h eo p t i m u md e s i g no ft h eh e a t - e x c h a n g e rs u r f a c ea n d t h ea c c i d e n ta n a l y s i s t h er e s u l tc a r lb eu s e dt op r e v e n to v e r h e a t i n ga n dt u b er u p t u r eo fs u p e r h e a t e ra n d r e h e a t e ra n do p t i m i z et h ed e s i g no fs u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e r a tt h es a m et i m e ，i ti s i m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to f c o n d i t i o n - b a s e dm a i m e n a n c e k e y w o r d s ：s u p e r h e a t e r ；r e h e a t e r ；n a t u r a ln c l 呐呔：t h e r m a ld e v i a t i o n ：o v e r h e a t i n g a n dt u b er u p t u r e c l a s s n o ：t k 2 2 3 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：列查 i1 签字日期：五_ ，口了年i 二月l 了日 导师张亿埏 签字日期：o ，1 年fp 月77 日 丞窒堑厶生亟璺垃途塞丝刨挂麈咀 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致澎之处外，论文中不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储躲纠生签字嗍伊瑚。7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师陈庚教授的悉心指导下完成的，陈庚教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来陈庚 老师对我的关心和指导。 陈梅倩副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向陈梅倩老师表示衷心的谢意。 李国岫教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，杨雁梅、阮仔龙、曾时明、孙进、周晓斌等 同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 衷心感谢所有关心和帮助过作者的朋友们。 最后，感谢各位评委在百忙中抽出宝贵的时间来评阅本人的论文。 e盛窑堑厶堂鲠! ：堂垃逾塞 缝淦 l 绪论 1 1 课题研究背景 随着我国电力工业的迅速发展，各种类型的大容量火力发电机组不断涌现， 设备结构及系统更加趋于复杂。出于经济方面的考虑，在设计上，对受热面钢材 的选用基本达到材料的强度极限。大容量电站锅炉过热器和再热器是工作在最恶 劣条件下的受热部件，当工作条件与设计工况偏离或设计上存在不足时，就容易 发生汽温偏低或超温爆管事故，影响机组的安全经济运行。经有关部门统计，由 此问题引起的非计划停运时间占总停运时间的2 0 左右，少发电量占总少发电量 的2 5 左右1 1 j ，这不仅给国民经济造成了很大损失，而且使我国本已紧张的供电形 势更加不利，制约了经济的快速发展。 图卜l 为火电厂生产示意图，其中过( 再) 热器是火电厂最主要的热力设备 之一，其可靠性将直接影响到机组的安全运行。据统计，“八五”期问( 1 9 9 1 一1 9 9 5 ) 全国2 0 万千瓦机组机炉事故总次数为3 0 0 4 次，锅炉事故为1 9 7 6 次，而锅炉中的 图1 + 1 火电j 。生产示意图 f i g 1 ls k e t c h m a po f p o w e r s t a t i o n 爆管事故为1 4 1 7 次，占总事故的4 7 ，占锅炉事故的7 2 1 2 。j 。锅炉中“四管” 爆破引起非计划停运时阅约占枫组整个非计划停运时闯的4 0 。少发电量占机组 全部事故少发电量的5 0 左右，是影响安全发、供电的主要原因。从1 9 9 3 年全国 2 0 万千瓦机组非计划停运的统计数据看，由于锅炉原因造成的非计划停运共4 9 9 次，其中锅炉“四管”爆漏3 6 2 次，占2 0 万机组非计划停运的5 5 8 ，占锅炉非 计划停运的7 2 5 4 ，而且随着旧机组服一时间的增加及新机组投产量和参数的提 高，这类事故还有逐年上升的趋势国外一些电厂的锅炉爆管事故也很j 严：重，据 丝瘟窑堡厶堂鳕鲎 鲍 淦窑缝途 统计，锅炉“四管”爆漏停运也要占机组非计划停运2 5 3 0 。目i i f 在2 0 0 m w 容 量绒以上的锅炉“四管”爆漏中，过热器超温爆管排在首位。大部分大型锅炉机 组由于存在不同程度上的过熟器的整体超湿，或整体超温而局部超温，或整体欠 温局部却超温的现象而被迫降温运行。这对于发挥这些机组的主力机组作用以及 低煤耗的优势极其不利。 锅炉爆管事故不仅在国产锅炉中出现，在一些总体质量很好的进口锅炉中也 难以避免。例如，唐山陡河电厂3 号和4 号锅炉都是同本只立公司设计制造的配 2 5 0 m w 机组的亚临界参数的8 5 0 t h ，1 6 6 8 m p a ，5 4 0 15 3 8 自然循环锅炉，相继 在1 9 7 8 年1 月和3 月投入运行。在经过3 万多小时运行后，在1 9 8 2 年5 月，4 号 炉高温过热器发生了爆管事故1 4 1 。爆管发生在第8 管屏( 众左向右数) 的下排夹 紧管前弯头处，而且有很多根央管己出现了氧化裂纹。温州发电有限责任公司一 期工程共2 台1 2 5 m w 单元制机组，锅炉为上海锅炉厂生产的s g - - 4 2 0 1 3 7 - - m 4 1 7 型超高压自然循环一次中间再热煤粉炉，分别于1 9 9 0 年1 2 月和1 9 9 1 年7 月投产。某年3 月，2 号炉运行中发生高温再热器管子爆泄。经停炉检查，发现爆 管发生在高温再热器左起第5 3 排第5 套管( 由外圈向内数，下同) ，距u 型下弯 头约2 0 0 m i l l 处直管段，并吹损相邻数根管子。爆破口纵向长5 0 i t l n l ，最宽处为5 m m ，管子有明显的胀粗现象，即由原来的中4 2 i t l r n 胀粗到中5 5 8 m m ，u 型弯头 外表面有多条纵向裂纹。同年5 月及1 2 月l 号炉和2 号炉又分别发生高温再热器 爆管事故。经过检查，与3 月爆管情况非常相似，爆破的管子均有明显的胀粗现 象和弯头表面纵向裂纹。在现代大型电站锅炉中，随着蒸汽参数的不断提高，屏 式和辐射式过热器的广泛应用，直流锅炉和低倍率循环锅炉的问世等，已使锅炉 受热西，特别是过( 再) 热器已经基本达到管材的安全极限p ”， 综上所述，过( 再) 热器的损坏是非计划停机次数最多、停机占用时间最长 的一种故障，也是造成经济损失最大的故障。因此对过( 再) 热器的运行状态进 行监控、预测、分析以及诊断是必要的，它不仅能够显著的提高机组和可靠性， 而且能够延长设备的使用寿命。 1 2 国内外研究现状 电站锅炉在投入运行一段时问后，由于设计或运行等方面的原因，锅炉的过 热器和再热器会发生超温爆管现象它直接影响了发电厂的经济性、安全性和杜 会形象，随着单台锅炉的容量和参数的提高。过热器和再热器发生超温爆管的可 能性越来越大，此问题一直受到专家学者和工程技术人员的关注1 8 l 。 现代大型火力发电站的工作人员利用中央控制系统来监控电站锅炉的运行。 2 e壅窑堑厶堂亟 堂 位 j 佥 童 缝i 金 当运行过程发生故障时，工作人员必须迅速对得到的数掘进行分析、判断、研究， 然后采取必要的措施来排除故障。随着电站锅炉单机容量的不断增加，这一任务 变得越来越复杂任何一次强迫停炉所带束的直接和间接经济损失和社会影响越 来越大。因此，对电厂设备和系统的监控提出了更高的要求，监控不能停止在显 示数据、报警、紧急保护等方面，而要增加设备和系统的故障诊断，要求能在电 厂运行过程中连续地对各种主、辅机及诸系统进行在线的、动态的、自动的诊断， 以便及早发现故障并能预测其后果，做出对其修复或其它措施的决策。 设备的故障诊断技术是近十多年来国际上随着电子计算机技术、现代测量技 术和信号处理技术的迅速发展而发展起来的新技术。设备故障诊断技术近年来在 国内外受到了很大的关注，开展了广泛的研究，因为它的发展关联着巨大的经济 效益。 故障诊断是与设备检修密切联系的。在设备技术发展史上，设备的检修方式 有三种。早期由于生产力底下，技术水平不高，只能采用事故维修的方式。随着 工业生产现代化和机器设备的大型化、连续化。为了避免事故发生造成重大损失， 采用了定期预防性检修的方式，例如电站机组的定期检修制度：对安全可靠性要 求较高的航空发动机等，则规定使用寿命，超期退役。这样，一方面保证了安全 运行，但同时也造成了大量浪费。随着设备状态监测和故障诊断技术的发展，将 逐渐采用状态检修或预估检修的方式。这是最合理的检修方式。采用预估检修方 式，将从下面两个方面带来巨大的经济效益。一是将能减少突发事故的发生。例 如英国在1 9 7 8 1 9 8 0 年间，在汽轮发电机组上成功地诊断了六起故障，其中包括大 轴裂纹故障，避免了大量损失。二是合理的检修方式将能减少大量检修费用。例 如，根据美国国家统计局资料，1 9 8 0 年美国用于设备检修的费用高达2 4 6 0 亿美元。 据专家分析，其中将有近1 3 ，即7 5 0 亿美元是不合理检修所造成的浪费。据日本 资料介绍，日本1 9 8 3 年由于采用设备检修技术，使其检修费用减少了3 5 。英国国 有化企业采用诊断技术后，每年检修费从3 5 亿英磅减少到2 0 亿英磅。我国的设备 检修费( 不包括小修及临时性检修) ，1 9 8 2 年为十亿元。如果能象国外资料介绍 那样，节省3 0 ，则每年可节省三亿元。加上由此而提高设备的利用率，带来的经 济效益更为可观州。 近代设备故障诊断技术的研究开始于六十年。早在六十年代初期，美国一些 公司就开始这方面的探索1 9 6 2 年在美国召开了一系列的会议，如第一届可靠性一 维修性会议，第一届故障物理讨论会等。1 9 6 7 年，美国宇航局( n a s a ) 创导成立 了美国故障预防组，此后，各政府机构和公司广泛成立了组织，召开会议，开展 研究英国于六十年代末，英国机器保健中心( u k m e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t e r c e n t e r ) 开始研究工作。日本则自七十年代出也积极开展研究，如新只铁公司于 e盛 窑 丝厶主题! ： = i 兰 位诠塞 堑i 金 1 9 7 1 年丌始研制诊断设备，经过六年：i ：作，于1 9 7 6 年达到实用阶段。 国外电站的中央控制装置的发展已经经历了四个发展阶段：第一阶段( 五十 年代) ，气动阶段，即用气动传送器、控制器和控制阀等在现场进行控制，并用 大量的表格记录电站的各种参数；第二阶段( 六十年代) ，模拟电子控制阶段， 即用模拟电子装置取代气动装置使控制能力大大提高，同时增加了灵活性：第 三阶段( 七十年代) ，计算机集中控制阶段，随着模拟电子技术的发展提高，出现 了主结构计算机，并且采用了集中监控的中央控制室：第四阶段( 八十年代) ，数 字控制阶段，即控制系统采用了以工控机为基础的并具有一定分析能力的数字控 制系统，监控人员直接通过监视器，利用专用键盘等接口进行对话，大大提高了 监控能力。 八十年代中期，在美国开始出现了利用人工智能技术一一专家系统对电厂汽 轮机进行自动诊断技术；八十年代末期，以美国电力研究院为首成立了一个由设 计、研究，制造、运行等方面的专家组成的工作小组，专题讨论在电站锅炉中开 发应用人工智能专家系统的问题。目前己开发出电厂热效率诊断专家系统和锅炉 管子失效诊断专家系统。现代屯厂的监控系统仍有些弱点，当运行工况偏离设 计值时，需要有经验的操作人员才能迅速地找出原因，影响了电站运行的经济性 和可靠性。热效率诊断专家系统可以实时分析工况是否偏离了设计工况，并能迅 速诊断锅炉运行中熟效率偏离的原因及提供纠正措施，确保锅炉处于高效率的运 行状态。由美国电力研究院专家小组研制的锅炉管子失效诊断专家系统e s c a r t a 是美国开发的用于电站锅炉事故诊断的第一个专家系统，并于1 9 8 9 年在五个电站 中使用。现场的结果表明，该专家系统除诊断锅炉爆管事故以外还能培训电厂技 术入员熟悉处理爆管事故。有一个电站在安装了e s c a r t a 系统后，通过全面评估 发现使用该专家系统能够迅速找出爆管位簧，每年可以减少三天的停炉时问。据 估算，一台5 0 0 m w 的机组使用e s c a r t a 系统后，每年减少三天的停炉时间，节约 资金大约超过2 0 0 万美元。 随着我国电力工业的快速发展，大容量的发电机组不断涌现，由于机组的复 杂程度越来越高，为保证机组的可靠、安全和经济的运行，我国学者对大型电站 的监测和诊断技术的研究也逐步开展和重视起来。 目前已有不少针对锅炉和汽轮机的某些局部系统进行在线检测和诊断的系统 应用到电厂的实际中去。在汽轮机的故障诊断方面，自七十年代末、八十年代初， 已经有人开展轴弯曲、轴裂纹等的诊断研究。1 9 8 3 年哈尔滨工业大学，哈尔滨汽 轮机厂和黑龙江电力试验所联合研制的“大型汽轮机发电机组振动监测与故障诊 断系统3 m d l ”已实验成功，于1 9 8 5 年1 0 月通过鉴定。随后又在电厂进行了试验 另外还有电站汽轮机热力参数在线检测与仿真系统等。 盛塞堑厶堂麴 f ： 堂位淦 堑绪淦 在锅炉的故障诊断方向，针对通常使用的煤粉管静瓜测量未指示煤粉管的运 行工况的不足，1 9 9 4 年华东电力试验研究所研制了煤粉浓度检 9 1 l l 系统，该系统投 运后有效地避免了煤粉管堵塞和防止炉火严重偏离。武汉水利电力大学也进行了 类似的研究，研制了火电厂锅炉一次风风速及给粉浓度在线检测系统。1 9 9 8 年， 华北电力学院与上海外高桥发电厂联合研制了锅炉水冷壁炉管泄露在线检测系 统。该系统利用超声波作为检测工具，对组成水冷壁的炉管进行在线检测，有助 于及时发现爆管。目前国内对大型电站锅炉过热器和再热器故障在线诊断系统的 研究和开发还处于刚刚起步阶段，还没有成熟的产品应用到电厂实际中。目前常 用的故障诊断方法主要有：专家系统、优化技术、p e t r i 网络、模糊集理论和人工 神经网络等l , o - i j j 。 国内大容量电站锅炉多数采用四角切圆燃烧方式。这种燃烧技术的主要优点 是煤种适应性好，是一种适合我国国情的燃烧方式。但是四角切圆的燃烧方式有 其固有的缺点，即燃烧存在着较强的残余旋转，使沿水平烟道宽度方向的热负荷 分布不均匀，容易造成过热器和再热器局部超温 1 4 - j 5 j ，发生爆管事故目前国内外 学者还在进行研究，没有较好的方法将其完全消除l ”j 。 在过热器和再热器工作过程中，由于烟气侧和工质侧各种因素的影响，各平 行管中工质吸热量是不同的，这种平行管列工质焙增不均匀的现象称为热偏差。 热偏差可分为两类：沿炉膛( 或烟道) 宽度方向各并联管排之间的热偏差称为沿宽 度热偏差；而在同一管屏中各并联管圈之间的熟偏差称为同屏( 片) 热偏差。 对于过热器和再热器系统的沿宽度热偏差问题，陈之航教授等早在7 0 年代就 进行了研究，他根据对流烟道的热负荷分布特点及实际运行状况提出了便于工程 应用的沿对流烟道的吸热不均匀系数函数表达式，并总结了不同烟道沿宽度( 或 深度) 的最大和最小吸热不均匀系数值u ”。八十年代，随着配3 0 0 洲机组锅炉的 不断投运以及国外有关技术的引进，由过热器和再热器系统的热偏差引起的超温 爆管事故也增多王孟浩高级工程师等又提出了同屏( 片) 热偏差的理论及相应 的计算方法，并且成功解决了陡河电厂日本日立8 5 0 t h 锅炉等过热器和再热器受 热面因同屏( 片) 热偏差引起的超温爆管问题1 1 “但是，随着锅炉容量的增大和 参数的提高，过热器和再热器的受热面积愈来愈大，为此，在这些受热面的结构 设计中，参考引进和进口的大容量锅炉采用了一些特殊的结构，例如：1 并联各管 和同一根管的不同管段采用不同管径；2 利用管组中一根或儿根管子加长或在局 部位置一分为二围绕成夹持管，以避免传统设计中管排定位管极易烧损的问题： 3 在采用美国c e 公司技术设计的亚临界配3 0 0 m w 和6 0 0 姗锅炉再热器中。其前、 后级受热面之间没有布置中间混合集箱而直接连接。上述结构的引入，使其流量 分配和吸热偏差规律都更为复杂。 e鏖窑照厶堂亟堂位途塞缝盈 在炉内方面，由于锅炉容量的增大，烟道尺寸( 包括高度、宽度和深度) 也 相应增大，因而，在实际运行中，我国大容量电站锅炉中应用最广泛的四角布置 切圆燃烧技术所固有的炉膛出口烟温和烟速偏差问题表现的尤为突出；炉内气流 右旋时右侧烟温高，左旋时左侧烟温高。运行实践表明，这种燃烧方式的锅炉炉 膛出口及对流熠道内沿宽度方向的烟温及热负荷分都要比陈之航教授提出的分布 复杂的多，而且还存在烟道高度和深度方向的烟温偏差，这样就不易用传统的方 法来计算沿烟道宽度的热力不均匀性。 因此，为了提高电站锅炉过( 再) 热器运行的可靠性，需要建立过( 再) 热 器壁温监控及预测系统，同时通过耦合蒸汽流量分配计算模型、热偏差计算模型、 壁温计算模型的计算模型，对热偏差及过( 再) 热器壁温进行校核计算。 1 3 本文主要研究内容与方法 1 论文以力控组态软件为工具建立起监控预测系统，对过、再热器系统运行情 况进行实时监测并对壁温进行短、中、长期预测，以达到安全运行的目的。 2 ，以热偏差的综合理论研究成果为基础，从工程应用角度出发，采用适合的数 值计算方法，以某电厂# 3 锅炉为例，进行相关的计算分析。主要研究以下内容： ( 1 ) 烟气侧烟温偏差和蒸汽侧流量偏差的分析与研究 典型燃烧方式下的烟气侧热偏差分析，以四角切向燃烧方式为重点，具体分析 造成烟速、烟温偏差的炉内燃烧过程特点，涉及炉膛结构特点及尺寸，燃烧器结 构、系统布置及层数投停方式和运行中燃料、空气配送均匀性、合理性，燃料特 性等燃烧状况。 ( z ) 蒸汽侧流量偏差的因素分析，包括受热面集箱引入、引出方式不当造成 的屏( 片) 间流量偏差和同屏各管圈因阻力特性不同引起的流量分配不均以及因 吸热不均引起的流量不均。 3 ，屏式过热器、高温过热器及高温再热器热偏差和壁温数值计算方法的分析与 研究包括建立受热面合理的蒸汽流量分配计算模型、热偏差计算模型、壁温计算 模型以及数值计算方法的实现等。 6 些盛窒道厶堂亟堂位盈塞过! 匿2 垫墨壁温堕趁丕筮丝甚理 2 过( 再) 热器壁温监控系统的实现 过( 再) 热器壁温超温是过( 再) 热器系统运行中出现的主要问题。在同常 运行中壁温的监控系统主要对过( 再) 热器的管壁温度进行监控与报警，本章利 用力控软件建立起过( 再) 热器的壁温监控系统。 2 i 力控软件简介 电厂i ) c s 系统普遍推广，其中有关过热、再热系统都积累了大量的生产运行 数据，传统的数据分析手段只能对这些数据进行简单的分类、统计，无法深刻分 析数据背后隐含的规律。利用力控软件实现d c s 存储的海量数据与现场画面进行 组态，实现直观再现现场的作用。 计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结 构，构成了一个分布式的工业网络控制系统。其中设备层负责将无力信号转换成 数字或标准的模拟信号。控制层完成对现场工艺过程的实时检潞与控制，盔控层 通过对多个控制设备的集中管理，来完成监控生产运行过程的目的，管理层实现 对生产数据进行管理、统计和查询。监控组态软件一般是位于监控层的专用软件， 负责对下集中管理控制层。向上连接管理层，是信息化生产的重要组成部分。 力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大 的优点是能以灵活多样的“组态方式”而不是变成方式来进行系统集成，它提供 了良好的用户开发界面和间接的工程实现方法，只要将其与设置的各种软件模块 进行筒单的“组态”，便可以非常容易的实现和完成监控层的各项功能，缩短了自 动化工程是的系统集成时间，大大地提高了集成效率。如图2 - i 为力控软件主界 面 7 立窑照厶堂速堂位硷塞过! 区2 垫登壁湿鉴丝丞丝艘壅埋 图2 - i 力控组态软件界面图 f i g 2 - 1i n t e r f a c eo fl i k o n gs o f t 力控监控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国 内外各种工业控制厂家的设备进行网络通信，它可以与高可靠韵工控计算机和网 络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和 管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软，硬件系统来进行集 成。 力控时运行在p c 操作系统上的一种监控组态软件。使用力控可以方便、快速 地构造不同需求的数据采集与监控系统1 1 9 j 。 2 2 力控软件与实时数据库接口 在运用力控软件设计数据监控系统时，需要连接实时数据库系统。实时数据 库系统是一个分布式数据库系统，在生产监控过程中，由于许多情况要求将数据 库存储在不同位置的计算机上，通过计算机网络实现分散控制、集中管理，力控 的分布式数据库系统可以方便的构成这种网络构架，同时由于数据库是个开放 性的结构，网络节点的第三方软件也可以对力控进行访问。 力控的实时数据库系统由管理器和运行系统组成，实时数据库将组态数据、 实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上。实时数据库运行系统可 以完成对生产实时数据的各种操作：如实时数据处理、历史数据存储、统计数据 处理，报警处理、数据服务请求处理等。管理其实管理实时数据库的开发环境 ( d b m a n a g c r ) ，通过d b m a n a g e r 可以生成实时数据库的基础组态数据，来供运行 j e 噩窑堑厶堂亟l = i 三位丝塞过! ! 垫墨壁盈堕趁丕丝的塞理 系统调用。 d b m a n a g e r 是定义数据： 典的差要工具。通过d b m a n a g e r 可以完成：电参数 组卷、点类型组态、点组念、数掘库连接组念、历史数据组态等功能。图2 2 为 m b m a n a g e r 主窗口。 在力控d r a w 导航器中双击“实时数据库”项使其展开，在展开项目中双击“数 据库组态”启动d b m a n a g e r ，启动d b m a n a g e r 后进入d b m a n a g e r 主窗口，如图2 - 2 所示。 蚓2 2d b m a n a g e r 主面口 f i g 2 - 2m a i nw i n d o wo fd b m a n a g e r 在如图2 - 2 所示界面中，完成实时数据与数据库的组态。导航器是现实数据库 层次及内容的窗口，它采用树形结构，最多可以形成3 层，根部为实时数据库， 其下一层是区域，区域下一层为点类型。 数据库点表是一个二维表格，一行代表一个点，列显示各个点的信息，点信 息包括点的参数值，参数设置，数据连接等信息。在点表上显示的内容决定于导 航器的当前选择。 9 e 壅銮丝厶鲎亟堂位监塞鲢! 丘2 垫堡壁亟些丝垂丝的塞班 2 3 建立监控与查询系统 监控系统示意图如2 - 3 所示。 采集系统监控系统预测系统输出系统 图2 - 3 监控系统示意图 f i g 2 - 3s k e t c hm a po f t h em o n i t o rs y s t e m 一个完整的监控与查询系统应该包括采集系统、监控系统、预测系统、输出系 统四个部分咖4 j 。采集系统负责从p i 数据库中提取数据并存储在力控的实时数据 库中，以供其他系统调用，监控系统对实时数据及历史数据方便调用及监测，预 测系统通过对历史数据的分析预测将来一段时问的数据，输出系统完成人机交互 的界面。通过力控的组态功能，完成监控界面的设计如图2 4 所示。 图2 4 电厂整体监控界面 f i g 2 - 4m o n i t o r i n t - f a c e o f p o w e r p l a n t 图2 - 4 所示系统既可以监视锅炉整体运行情况，也可以进入单一参数监视界面 1 0 e 鏖童道厶堂鲤鲎位趁塞道! 匣2 垫墨壁强鳖筐丕丝曲塞埋 对特定参数进行监控。特定参数实时监控界面如图2 5 所示。 图2 - 5 数据监控界面 f i g 2 - 5m o n i t o ri n t e r f a c eo f d a t a 监控系统在运行的同时，将实时数据存入实时数据库，在数据监控界面可以 实现对特定参数的实时监控，也可以实现对任意参数的历史查询功能。 同时通过具体数据格的高亮显示报警，实现参数的商位报警，如图2 - 6 所示 图2 - 6 实时数据报警界面 f i g 2 - 6a l a r mw i n d o wo f r e a l - t i m ed a t a 程序中设置相应的报警值，对超过报警值的参数高亮显示。同时根据参数的 丝立窑丝厶：= ；! 熊堂位i 金塞过! 矗2 垫蟹璺强鳖控丞丝的砻埋 重要性提出相应的操作意见。 图2 7 历史曲线查询界面 f i g 2 7s e a r c hw i n d o wo f h i s t o r i c a lc 1 1 1 - v e 对于历史数据的查询可以进入历史曲线查询界面，对特定参数设定起始时间进 行查询。 2 4 本章小结 本章利用力控监控组态软件建立了锅炉过( 再) 热器系统的壁温监控系统， 并通过力控的d b m a n a g e r 接口是实时监控数据与实时数据库相连接，实现了数据 的组态、存储及历史查询功能，有效防止了实际运行中过( 再) 热器壁温超温现 象的发生，同时提供历史趋势及历史数据的查询，为壁温预测系统的实现提供支 持。 1 2 g 峦窑堙厶：! i 三鲤堂位迨塞照! 矗2 垫墨壁邈麴鲴丕筮的鲤嚣 3 过( 再) 热器壁温预测系统的研究 本章在神经网络技术基础上建立了锅炉过( 再) 热器壁温预测系统，并针对 不同的时间段对过( 再) 热器运行状态迸行预测。 3 1 人工神经网络研究的起源 3 1 1 引言 人工神经网络研究的先锋m c c u l l o c h 和p i t t s 曾于1 9 4 3 年提出一种叫做“似脑 机器”( m i n dl i k em a c h i n e ) 的思想，这种机器可由基于生物神经元特性的互连模 型来制造，这就是神经学网络的概念。他们构造了一个表示大脑基本组成成分的 神经元模型，对逻辑操作系统表现出通用性。随着大脑和计算机研究的进行，研 究目标已经从“似脑机器”交为“学习机器”，为此直关心神经系统适应律的 h e b b 提出了学习模型。到6 0 年代初期，关于学习系统的专用设计指南有widr 0w 等提出的a d a l i n e ( a d a p t i v el i n e a r e l e m e n t 即白适应线性元) 以及s t e i n b u c h 等 提出的学习矩阵，由于感知器的结构概念简单，因而在开始研究时对它寄托很大 希望。然而，不久以后m i s k y 和p a p e r t 从数学上证明了感知器不能实现复杂逻辑 功能陋一2 4 j 。 到了7 0 年代，g r o s s b e r g 和k o h o n e n 对神经网络研究作出重要贡献。以生物 学和心理学证据为基础，g r o s s b e r g 提出几种具有新颖特性的非线性动态系统结构 该系统的网络动力学由一阶微分方程建模，而网络结构为模式聚集算法的自组织 神经网络实现。基于神经元组织自己来调整各式各样的模式的思想，k o h o n e n 发展 了他在自组织映射方面的研究工作。w e r b o s 在7 0 年代开发出一种反向传播算法。 h o p f i e l d 在神经元交互作用的基础上引入一种递归型神经网络，这种网络就是有名 的h o p f i e l d 网络。在8 0 年代中叶，p a r k e r 和r u m e l h a r t 等提出了反馈学习算法。 近年来，神经网络已经在从家用电器到工业对象的广泛领域得到了广泛应用。 3 1 2 人工神经网络在预测中的应用 人工神经弼络具有如下些特性嗍，饺其能在预测控制领域得到广泛的应用 和研究 1 3 壅童道厶= ! ；三绣堂位迨塞道噩2 垫堡壁盈鲤型丞丝的蛆塞 ( 1 ) 并行分靠处理：神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力，因而 能够有较快的总体处理能力，这特别适于实时控制和动念控制。 ( 2 )非线性映射：神经网络具有固有的非线性特性，这源于其近似任意非 线性映射( 变换) 能力。这特性给非线性控制问题带来新的希望。 ( 3 ) 通过训练进行学习：神经网络是通过所研究系统过去的数据记录进行 训练的。一个经过适当训练的神经网络具有归纳全部数据的能力。因此，神经网 络能够解决那些由数学模型或描述规则难以处理的控制问题。 ( 4 ) 适应与集成：神经网络能够适应在线运行，并能同时进行定量和定性 操作。神经网络的强适应和信息融合能力使得网络可以同时输入大量不同的控制 信号，解决输入信息间的互补和冗余问题，并实现信息集成和融合处理。这些特 性特别适合于复杂、大规模和多变量系统的控制。 ( 5 ) 硬件实现：神经网络不仅能够通过软件而且可以借助硬件实现并行处 理。今年来，些超大规模集成电路实现的硬件已经问世。这使得神经网络在硬 件层面上的实现成为可能。显然，神经网络由于其学习和自适应、自组织、函数 逼进和大规模并行处理等能力，因而具有用于智能控制系统的潜力。神经网络在 模式识别、信号处理、系统辨识和优化方面的应用，已有广泛研究。在控制领域， 神经网络已经致力于处理控制系统的非线性和不确定性以及逼近系统的辨识函数 等。 3 2 人工神经网络的结构 3 2 1 神经元及其特性 人工神经网络神经元模型如图3 1 所示。 图3 - 1 人：c 神经元模型 f i g 3 m o d e lo f n e r v ec e l l 1 4 塞童遁厶堂亟堂位纶塞曩l 臣2 垫墨壁温亟趔丕丝曲蛆荭 神经网络的结构是由基本处理单元及其互连方法决定的。连接机制结构的基 本处理单元与神经生理学类比往往称为神经元。每个构造网络的神经元模型模 拟一个生物神经元，如图3 1 所示，该神经元单元由多个输入( i = 1 ，2 ， n ) 和一个输出y 组成。中间状态由输入信号的加权和表示，而输出为： 三 y 力) = ，( 艺一o j ) ( 3 - 1 ) ， 式( 3 一1 ) 中，口，为神经元单元的阈值，w 。为连接权系数( 对于激发状态， w 。取正值，对于抑止状态，w 。取负值) ，n 为输入信号数目，y ，为神经元输出，t 为时间，f ( x ) 为输出交换函数，有时叫激发或激励函数，往往采用0 和l 二值函 数或s 形函数m j ，这几种函数都是连续和非线性的。 3 2 2 人工神经网络的基本类型 人工神经网络由神经元构成，这种由许多神经元组成的信息处理网络具有并 行分布结构。每个神经元具有单一输出，并且能够与其它神经元连接，而且存在 多重输出连接方法，每种连接方法对应一个连接权系数。最常见的人工神经网络 可分为如下两种基本类型： ( 1 ) 递归网络。 在递归网络中，多个神经元互连以组成一个互连神经网络。有些神经元的输 出被反馈至同层或前层神经元。因此，信号能够以正向和反向流通。递归网络又 口q 做反馈网络。 ( 2 ) 前馈网络。 前馈网络具有递阶分层结构，由一些同层神经元间不存在互连的层级组成。 从输入层至输出层的信号通过单向连接流通，神经元从一层连接至下一层，不存 在同层神经元之间的连接。 神经网络主要通过两种学习算法进行训练，即指导式( 有师) 学习算法和非 指导式( 无师) 学习算法。此外，还存在第三种学习算法，即强化学习算法，可 把它看作有师学习的一种特例p ”。 1 5 峦窑适厶：羔熊上堂位逾塞趱! 臣! 垫墨壁逸盥捌丕筮鲍鲤蠹 3 3b p 网络的结构及算法分析 3 3 1b p 网络的结构 b p 神经网络般由三层结构，包括输入层、隐含层、输出层。具有如图3 ，2 所示结构。 输入层豫含层籍出层 图3 - 2 三层b p 网络模型 f i g 3 - 2t h em o d e lo f b pn e t w o r k b p 网络是一种单向传播的多层前向网络。网络除输入输出节点外，有一层或 多层的隐层节点，同层节点之间没有耦合。输入信号从输入层节点，依次传过各 隐层节点，然后传到输出节点，每一层节点的输出只影响下一层节点的输出。每 个节点都具有图3 1 所示的单个神经元结构，其单元特性通常为s i g m o i d 函数， 但在输出层中，节点单元特性有时为线性函数。 s i g m o i d 函数输出曲线与线性函数相比，从形式上柔化了各单元的输入输出 特