锅炉管道监测方法以及设备与流程

本发明涉及锅炉监测技术领域，具体地，涉及一种锅炉管道监测方法以及一种锅炉管道监测设备。

背景技术：

现有技术中，电厂锅炉管道失效是造成机组非计划停机的主要原因，我国大型电站锅炉管失效停用事故，占机组非计划停用时间的40％左右，占锅炉设备非计划停用时间的70％。随着机组管理水平的提高，一般的缺陷和问题已经得到了很好的控制，但是随着超超临界机组的发展，使得设备的安全管理难度上升，检测监测部位多，任务繁重，因此需要一种能够有效地对锅炉管道进行监测的方法和设备，以避免“过检或漏检”。

技术实现要素：

针对现有技术中缺少能够有效地对锅炉管道进行监测的方法和设备的技术问题，本发明提供了一种锅炉管道监测方法，该方法包括：根据锅炉管道故障的历史数据，建立锅炉管道失效概率模型，所述锅炉管道失效概率模型包括导致锅炉管道故障的各个因素；利用层次分析法计算所述锅炉管道失效概率模型中各个因素的权重值；以及根据所计算的各个因素的权重值对锅炉管道状态进行监测并确定锅炉管道易发生故障的危险区域。

优选地，利用层次分析法计算所述锅炉管道失效概率模型中各个因素的权重值包括：对所述锅炉管道失效概率模型中各个因素构造两两判断矩阵；以及将通过一致性校验的两两判断矩阵的特征向量进行处理后作为所述各个因素的权重值。

优选地，所述将通过一致性校验的两两判断矩阵的特征向量进行处理包括：行内连乘、开n方、以及数值归一化。

优选地，根据所计算的各个因素的权重值对锅炉管道的状态进行监测并确定锅炉管道易发生故障的危险区域包括：根据所计算的各个因素的权重值，监测不同工况下的锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、锅炉管道的壁温分布情况、锅炉管道的压力分布情况；根据所述锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、所述锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、所述锅炉管道的壁温分布情况、以及锅炉管道的压力分布情况，确定锅炉管道的管壁温度最高部位以及管壁工作应力状态；以及根据所述管壁温度最高部位以及管壁工作应力状态，确定锅炉管道易发生故障的危险区域。

优选地，所述锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、所述锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、所述锅炉管道的壁温分布情况利用基于计算流体动力学CFD算法的ANSYS软件根据锅炉结构和运行特征获得。

相应地，本发明还提供了一种锅炉管道监测设备，该设备包括：锅炉管道失效概率模型，所述锅炉管道失效概率模型根据锅炉管道故障的历史数据建立，所述锅炉管道失效概率模型包括导致锅炉管道故障的各个因素；权重值计算模块，用于利用层次分析法计算所述锅炉管道失效概率模型中各个因素的权重值；以及监测模块，用于根据所计算的各个因素的权重值对锅炉管道状态进行监测并确定锅炉管道易发生故障的危险区域。

优选地，所述权重值计算模块用于：对所述锅炉管道失效概率模型中各个因素构造两两判断矩阵；以及将通过一致性校验的两两判断矩阵的特征向量进行处理后作为所述各个因素的权重值。

优选地，所述将通过一致性校验的两两判断矩阵的特征向量进行处理包括：行内连乘、开n方、以及数值归一化。

优选地，所述监测模块用于：根据所计算的各个因素的权重值，监测不同工况下的锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、锅炉管道的壁温分布情况、锅炉管道的压力分布情况；根据所述锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、所述锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、所述锅炉管道的壁温分布情况、以及锅炉管道的压力分布情况，确定锅炉管道的管壁温度最高部位以及管壁工作应力状态；以及根据所述管壁温度最高部位以及管壁工作应力状态，确定锅炉管道易发生故障的危险区域。

优选地，所述锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、所述锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、所述锅炉管道的壁温分布情况利用基于计算流体动力学CFD算法的ANSYS软件根据锅炉结构和运行特征获得。

采用本发明提供的锅炉管道监测方法以及设备，通过对锅炉管道失效概率统计分析和计算，有针对性地对锅炉管道状态进行重点监测和评估，能够及时检测出锅炉管道易发生故障的危险区域(例如锅炉管道寿命劣化严重部分管段或将要发生的故障管段)，为电厂锅炉管道的维修、检验及更换等提供依据，从而提高设备运行的安全性、可靠性，降低维修成本，创造良好的经济效益和社会效益。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的一种实施方式的示例锅炉管道监测设备的结构示意图；

图2为根据本发明的一种实施方式的示例锅炉管道监测设备的锅炉管道失效概率模型；

图3-11为根据本发明的一种实施方式的示例锅炉管道监测设备监测到的锅炉管道状态的示意图；以及

图12为根据本发明的一种实施方式的示例锅炉管道监测方法的示例流程图。

附图标记说明

10 锅炉管道失效概率模型 20 权重值计算模块

30 监测模块 100 锅炉管理监测设备

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了更加清楚地说明本发明的思想，下面以示例锅炉管道监测设备为例进行详细地说明。图1为根据本发明的一种实施方式的示例锅炉管道监测设备的结构示意图，如图1所示，该锅炉管道监测设备100可以包括：锅炉管道失效概率模型10，所述锅炉管道失效概率模型10可以根据锅炉管道故障的历史数据建立，所述锅炉管道失效概率模型包括导致锅炉管道故障的各个因素，例如锅炉管道监测设备100可以统计预定周期(该预定周期可以根据实际电厂监测情况进行设置，例如一周、两周、一个月等等)内的锅炉管道故障的历史数据；权重值计算模块20，用于利用层次分析法计算所述锅炉管道失效概率模型中各个因素的权重值；以及监测模块30，用于根据所计算的各个因素的权重值对锅炉管道状态进行监测并确定锅炉管道易发生故障的危险区域。

图2为根据本发明的一种实施方式的示例锅炉管道监测设备的锅炉管道失效概率模型10，如图2所示，在该示例中，示出了导致锅炉管道故障的各个因素以及按照故障类型和内容进行层级划分的失效概率模型结构，该失效概率模型可以包括三部分：最上层的目标层(A)、中间的准则层(B)、以及下面的方案层(C)。其中目标层可以为受热面失效事件(如图2所示的A1)；目标层可以为电厂管道受热面失效的主要问题，即可以包括超温、腐蚀、疲劳、焊接及原材料自身缺陷(材料)五大类问题，这五类因素的影响都可以导致受热面失效，在该示例中将这五大类作为失效概率模型的准则层，即如图2所示的B1-B5。方案层为准则层的下属，可以导致上层事件的发生，本发明根据近年来电厂的失效状况及分类将各个方案层因素进行了较为详细的列举，即C1-C19。其中，同一层的因素对应相同的大写字母编号(例如A、B、C)，同一层级的不同因素之间用数字区分(例如从1开始的正整数)。应当理解的是，上述锅炉管道失效概率模型仅为示例性非局限性示例，本领域技术人员可以根据实际情况对各个因素进行合理的替换和修改，这些替换和修改均落入本发明的保护范围中。

进一步地，在建立了如图2所示的所述锅炉管道失效概率模型10的基础上，权重值计算模块20可以利用层次分析法计算所述锅炉管道失效概率模型10中各个因素的权重值，具体地：权重值计算模块20可以对所述锅炉管道失效概率模型10中各个因素构造两两判断矩阵，具体地，对每一层因素进行两两判断矩阵的构造，对两两比较判断矩阵进行层次单排序，计算各自的权重值，并对之进行一致性校验。层次单排序可以归结为计算判断矩阵的特征值和特征向量的问题(具体计算过程则可以是现有技术中比较通用的算法，在此不再赘述)。

之后，权重值计算模块20可以将通过一致性校验的两两判断矩阵的特征向量进行处理后作为所述各个因素的权重值，其中所述将通过一致性校验的两两判断矩阵的特征向量进行处理包括：行内连乘、开n方、以及数值归一化，例如，在实施例1和2中的表1和表2给出了相关的权重值，具体将在实施例1-2中描述。

之后，所述监测模块30可以根据所计算的各个因素的权重值对锅炉管道状态进行监测并确定锅炉管道易发生故障的危险区域，具体地：

所述监测模块30可以根据所计算的各个因素的权重值监测不同工况下的锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、锅炉管道的壁温分布情况、锅炉管道的压力分布情况。

之后，根据所述锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、所述锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、所述锅炉管道的壁温分布情况、以及锅炉管道的压力分布情况，确定锅炉管道的管壁温度最高部位以及管壁工作应力状态。

最终，根据所述管壁温度最高部位以及管壁工作应力状态，确定锅炉管道易发生故障的危险区域。

其中，所述锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、所述锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、所述锅炉管道的壁温分布情况可以利用基于计算流体动力学(CFD)算法的ANSYS软件根据锅炉结构和运行特征获得，具体地：

(1)根据锅炉结构(例如1000MW机组结构)和运行特征，通过基于CFD算法的ANSYS软件对电厂锅炉及其内部管道建立有限元模型，并进行燃烧模拟和传热模拟分析。对所建立的燃烧模型通过改变输入一次风质量流速及温度、二次风质量流速及温度、湍流参数、煤粉颗粒直径、煤粉中各元素含量、煤粉着火温度、煤粉低位发热量、单位时间进煤量、炉膛出口压力等参数，设好参数和定解条件后进行迭代计算，根据残差判断是否收敛，从而得到不同工况下的锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况。

(2)对下炉膛水冷壁采用分段热力计算方法对水冷壁进行分段壁温及工质温度计算，通过改变工质温度、受热面热负荷强度、管壁导热系数、管内壁换热系数得到了不同工况下所述锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况，通过输入三维管壁温度、水冷壁的向火侧约束条件、背火侧结构约束条件、鳍片结构约束条件、管内压力等参数得到水冷壁的管壁应力分布情况。

(3)在(1)(2)基础之上，以燃烧模型出口烟温烟速为入口条件，对上部受热面管道的流固共轭传热模拟计算，通过改变出口烟温、出口辐射强度、三维出口烟速、过热器以及再热器管壁换热系数、管壁内工质温度等参数进一步获得了所述锅炉各级管道的壁温分布情况。

(4)采用(1)(2)(3)的上述方法最终得到了燃烧区段沿炉膛高度上温度分布，以及结合燃烧模拟过程中炉膛壁热辐射结果，可以得出水冷壁危险区域。上炉膛管屏区得到部分屏片沿管道长度方向上的温度分布趋势，确定锅炉管道的管壁温度最高部位。

(6)在上述(1)-(5)的基础上，结合实际测试锅炉管道的压力分布情况(即蒸汽压力参数)以及各管壁厚度参数，确定管壁工作应力状态。

(7)之后，根据所述管壁温度最高部位以及管壁工作应力状态，确定锅炉管道易发生故障的危险区域。

下面列举多个实施例来对上述监测功能进行详细地说明：

实施例1

在该实施例1中可以针对锅炉管道的过热器建立锅炉管道失效概率模型，按照以上模型通过构造上述两两判断矩阵并进行计算处理，得到下面的结果，如表1所示。

表1锅炉管道失效概率模型

根据表1的上述各个因素C1-C19的权重值排序可知，例如因素C1和C4等的因素(例如排名靠前的几个因素)是可能造成锅炉管道故障的主要原因，因此监测模块可以监测锅炉管道状态(例如，不同工况下的锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、锅炉管道的壁温分布情况、锅炉管道的压力分布情况)并且针对性地重点监测这些主要原因所表征的状态，例如根据上述表1的因素C1和C4可以确定重点监测超温情况，即对锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况、以及锅炉管道的壁温分布情况进行监测。

实施例2

在该实施例2中可以针对锅炉管道的再热器建立锅炉管道失效概率模型，按照以上模型通过构造上述两两判断矩阵并进行计算处理，得到下面的结果，如表2所示。

表2锅炉管道失效概率模型

根据表2的上述各个因素C1-C19的权重值排序可知，例如因素C1和C4等的因素(例如排名靠前的几个因素)是可能造成锅炉管道故障的主要原因，因此监测模块可以监测锅炉管道状态并且针对性地重点监测这些主要原因所表征的状态。

实施例3

在该实施例3中，监测模块30可以根据所计算的各个因素的权重值监测锅炉管道状态并且针对性地重点监测这些主要原因所表征的状态，以确定锅炉管道易发生故障的危险区域。图3-11为根据本发明的一种实施方式的示例锅炉管道监测设备的监测模块监测到的锅炉管道状态示意图。其中，图3示出了锅炉炉膛温度整体分布情况；图4-5示出了锅炉炉膛分段区间温度分布情况；图6示出了锅炉炉膛下层燃烧器中段标高31.42mm的温度分布情况；图7示出了锅炉的水冷壁向火侧管外壁、管内壁和鳍片最高温度分布情况；图8示出了标高26m处水冷壁温度场、应力场分布情况；图9示出了不同工况下一级过热器炉内各个位置管外壁温度；图10示出了不同工况下一级过热器炉内各个位置管外壁温度波动；以及图11示出了不同工况下二级再热器炉内各个位置管外壁温度。

图12为根据本发明的一种实施方式的示例锅炉管道监测方法的示例流程图，如图12所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤S11，根据锅炉管道故障的历史数据，建立锅炉管道失效概率模型，所述锅炉管道失效概率模型包括导致锅炉管道故障的各个因素；

步骤S12，利用层次分析法计算所述锅炉管道失效概率模型中各个因素的权重值；以及

步骤S13，根据所计算的各个因素的权重值对锅炉管道状态进行监测并确定锅炉管道易发生故障的危险区域。

优选地，利用层次分析法计算所述锅炉管道失效概率模型中各个因素的权重值包括：对所述锅炉管道失效概率模型中各个因素构造两两判断矩阵；以及将通过一致性校验的两两判断矩阵的特征向量进行处理后作为所述各个因素的权重值。

优选地，所述将通过一致性校验的两两判断矩阵的特征向量进行处理包括：行内连乘、开n方、以及数值归一化。

优选地，根据所计算的各个因素的权重值对锅炉管道的状态进行监测并确定锅炉管道易发生故障的危险区域包括：根据所计算的各个因素的权重值，监测不同工况下的锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、锅炉管道的壁温分布情况、锅炉管道的压力分布情况；根据所述锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、所述锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、所述锅炉管道的壁温分布情况、以及锅炉管道的压力分布情况，确定锅炉管道的管壁温度最高部位以及管壁工作应力状态；以及根据所述管壁温度最高部位以及管壁工作应力状态，确定锅炉管道易发生故障的危险区域。

优选地，所述锅炉下部炉膛内部的烟温烟速分布情况、所述锅炉下部炉膛水冷壁的壁面分段温度分布情况以及管壁应力分布情况、所述锅炉管道的壁温分布情况利用基于计算流体动力学CFD算法的ANSYS软件根据锅炉结构和运行特征获得。

应当理解的是，上述锅炉管道监测方法的各个具体实施方式，均已在示例锅炉管道监测设备的实施方式中做了详细地说明(如上所述)，在此不再赘述。并且，本领域技术人员可以根据本发明的公开选择上述各种实施方式中的任一者，或者选择上述各种实施方式的组合来配置示例锅炉管道监测设备，并且其他的替换实施方式也落入本发明的保护范围。

采用本发明提供的锅炉管道监测方法以及设备，通过对锅炉管道失效概率统计分析和计算，有针对性地对锅炉管道状态进行重点监测和评估，能够及时检测出锅炉管道易发生故障的危险区域(例如锅炉管道寿命劣化严重部分管段或将要发生的故障管段)，为电厂锅炉管道的维修、检验及更换等提供依据，从而提高设备运行的安全性、可靠性，降低维修成本，创造良好的经济效益和社会效益。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。