基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣监测和控制方法与流程

本发明涉及煤粉锅炉燃烧技术领域，特别涉及基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣监测和控制方法。

背景技术：

结渣是煤粉锅炉运行过程中水冷壁、过热器等受热面上发生的“熔灰积聚”现象。当烟气温度较高，在燃烧过程中软化或熔融状的灰颗粒沾结在受热面上，不断生长、积累，造成结渣。锅炉受热面结渣使炉内传热变差，反过来加剧结渣过程，造成炉膛出口烟温升高，引起蒸汽温度偏高或热偏差增大，并造成锅炉效率降低。当受热面传热减弱时，为保证锅炉处于同等出力水平，往往需要加大煤粉的投入量，使得送、引风机等辅机设备的负荷增加，厂用电加大，降低了机组的经济性。锅炉烟气中含有的so3会与灰渣中的部分碱金属氧化物反应生成复杂的硫酸盐。在高温烟气作用下，硫酸盐与受热面管壁氧化层反应生成硫酸盐络合物。该络合物在高温下即可与受热面管壁反应生成硫化亚铁，腐蚀受热面管壁，降低受热面强度。当渣块在受热面上积聚到一定程度后，受热面管壁对渣块的附着力不足以抵消渣块自身重力影响，从而引发大渣块的掉落，砸坏炉膛水冷壁管束和冷灰斗，发生炉膛爆炸等重大事故。

受热面的结渣一旦超出可控范围，就会给机组运行和安全生产带来极大的威胁，因此如何准确地发现和处理受热面的结渣问题，减弱炉内结渣，避免锅炉掉大渣对大型电站锅炉的安全运行具有非常重要的意义。多年来国内外学者对炉膛结渣的影响因素进行了广泛的研究，提出了多种结渣监测方法。

直接测量：通过仪器设备测取炉膛内的火焰温度和烟气温度等一系列热力参数来进行受热面灰污的监测。例如采用红外成像相机(可测水冷壁表面的辐射发射率)直接进行结渣测量，但是由于炉膛内温度太高且存在含飞灰烟气冲刷等情况，能够进行直接诊断的方法不多且设备造价昂贵，可行度不高。

炉膛出口烟气温度：炉膛沾污状况直接影响炉膛传热，炉膛出口烟温可以反映炉内结渣的情况，由于炉膛出口烟温可直接测量(光学或声学高温计)或间接推算，较为简单可行，此方法已经成为国外结渣监控系统关键和重要的监测辅助手段，其缺陷是只能判断炉膛整体的结渣状况，较难实现结渣定位。

热流计：通过将热流计安装在水冷壁上模拟沾污过程(可判断热流变化)来进行结渣监测，在炉膛各个部位都安装的情况下监测结果较为可靠，但是热流计的布置比较麻烦，需要停炉安装，同时焊接在水冷壁上，改变了水冷壁的结构，降低了水冷壁的强度维护困难，且容易损坏，较难维护。

水冷壁背面温差间接诊断：利用水冷壁背面温差测点，在线测量水冷壁局部热负荷，即灰污热负荷。正常情况下的清洁热负荷通过直接测量清洁热流，或者炉膛分区段计算得出。比较灰污热负荷和清洁热负荷，可以判断出结渣位置和严重程度。不过此方法还处于实验室研究阶段，尚未见到实际应用的报道。

捞渣机水温跃升法：针对水力除渣煤粉锅炉，在锅炉炉底捞渣机水池布置温度矩阵测点，连续监测各测点温度的变化，有较大渣块落下时，距离落入点越近，该测点温度最开始跃升，且跃升的幅值最大。同时通过捞渣机水池进出口水温差可以估算渣块的大小。该方法能够同时确定落渣的位置和落渣量，但局限于水力除渣煤粉锅炉，而现有的大容量锅炉都是采用干除渣。

虽然国内外对炉内结渣的在线监测做了较深的研究，也开发了相应的系统，但都存在着各自的不足。目前已有的研究基本都是采用基于烟气、壁面温度和捞渣机水池温度的间接结渣分析方法，除了需要安装大量的传感器，系统复杂，测量准确性差外，只能获得炉膛结渣的趋势，较难获得具体结渣的位置，落渣的大小等关键信息。

技术实现要素：

本发明提供了基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣监测和控制方法，通过监测锅炉冷灰斗的振动信号，计算落渣的区域和渣块质量，根据炉内频繁落渣的区域，调整锅炉的配风方式和吹灰器投用，避免落大渣，保证锅炉的安全运行。

基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣监测方法，包括以下步骤：

(1)在锅炉冷灰斗前墙斜面和后墙斜面分别布置多个加速度传感器；一般的，其中前墙的加速度传感器为一组，后墙的加速度传感器为一组。

(2)连续记录锅炉运行过程中所有加速度传感器的振动信号值；

(3)根据各加速度传感器振动信号跃升的时间差、幅值和频率特征计算落渣的区域和渣块质量；

(4)在设定的时长下，统计落渣的位置，确定炉内超过设定要求落渣的区域。

为了准确地得到落渣位置，优选的，步骤(3)中，根据各加速度传感器振动信号跃升的时间差、幅值和频率特征计算落渣的区域和渣块质量的具体步骤如下：

3-1、根据冷灰斗前墙斜面和后墙斜面两组加速度传感器的振动信号特征，初步判断落渣是靠近前墙或是后墙；

3-2、根据对应组的各加速度传感器振动信号跃升的时间差计算落渣撞击冷灰斗斜面的位置，根据撞击位置推算落渣在炉膛横截面上的位置；

3-3、对各加速度传感器振动信号做傅里叶变换，根据频率特征得到落渣的高度，得到推算落渣区域，运行在推算落渣区域的吹灰器，验证推算结果；

3-4、根据各加速度传感器振动信号跃升的幅值计算落渣撞击冷灰斗斜面的动能，该动能是落渣质量和速度的函数，根据步骤3-3中落渣的高度得到落渣撞击冷灰斗斜面的速度，进而计算得到落渣的质量。

为了更准确地初步判断落渣是靠近前墙或是后墙，优选的，步骤3-1中，判断落渣是靠近前墙还是后墙是通过比较对应两组加速度传感器跃升幅值的平均值，均值大则落渣位于该侧。由于测量现场有多种振动噪声，且落渣撞击冷灰斗的振动信号随着距离撞击点距离的增加会很快衰减。如果落渣撞击在前墙冷灰斗斜面，则该组加速度传感器振动信号有明显的跃升，而后墙加速度传感器振动信号跃升的幅度明显小于前墙。由于炉内落渣具有随机性，采用加速度传感器跃升幅值的平均值作为判断依据具有较高的可靠性和准确性。

为了提高落渣撞击位置计算的准确性，优选的，步骤3-2中，计算落渣撞击冷灰斗斜面位置的各加速度传感器振动信号跃升时间差是各振动信号跃升最大值对应时间的时间差。由于测量现场有多种振动噪声，落渣撞击振动起始点信号被淹没在噪声中，很难确定起始点，所以采用振动信号跃升最大值对应时间点来计算振动信号到各测点间的时间差。

为了提高落渣撞击位置计算的准确性，优选的，在获得各测点间的时间差后，采用时间差的最大值和次大值带入三角形定位法公式中计算落渣撞击位置。

在得到落渣撞击冷灰斗斜面的位置后，为了得到落渣在炉膛横截面上的位置，优选的，步骤3-2中，将锅炉冷灰斗斜面投影到炉膛横截面上，确定撞击位置和对应炉膛横截面上位置的关系(对应坐标)。

为了获得落渣的高度位置，优选的，步骤3-3中，各加速度传感器振动信号的频率中高频成分越多，落渣的高度越高。预先采用标定的方法确定不同落渣高度振动信号的频率特征，振动信号的频率中高频成分越多，落渣的高度越高。基于标定结果确定落渣的大概高度，然后运行推算落渣区域的吹灰器，验证推算结果。

为了得到落渣的质量，优选的，步骤3-4中，利用各加速度传感器振动信号跃升的幅值的平均值计算落渣撞击冷灰斗斜面的动能，用下式表示：

其中，

a为加速度传感器振动信号跃升的幅值的平均值；

c为渣块非弹性碰撞系数；

m为渣块的质量，单位为kg；

v为渣块撞击冷灰斗斜面时的速度，单位为m/s。

为了提高落渣位置计算的准确性，优选的，步骤(1)中，在锅炉冷灰斗前墙斜面和后墙斜面各布置至少3个加速度传感器，且靠近两边侧墙各有一个。

为了进一步提高落渣位置计算的准确性，优选的，在锅炉冷灰斗前墙斜面和后墙斜面各布置4个加速度传感器，4个加速度传感器布置在冷灰斗斜面的4个角上，距离最近的边1.5～2.5m。

为了准确获得各加速度传感器振动信号跃升的幅值及对应的时间点，提高落渣定位的精度，优选的，步骤(2)中，采样频率不小于100khz。

本发明还提供了基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣控制方法，包括上述的基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣监测方法，还包括步骤(5)，根据炉内落渣的区域，调整锅炉的配风方式和吹灰器投用。一般的，确认炉内频繁落渣的区域后，提高对应区域的吹灰频率，防止炉内落大渣。

本发明的有益效果：

本发明的基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣监测和控制方法，只需在锅炉冷灰斗斜面上布置多个加速度传感器，就可以得到煤粉锅炉的落渣区域和渣块质量，测量系统容易布置，操作简单，易推广；同时根据炉内落渣的区域，调整锅炉的配风方式和吹灰器投用，可以避免锅炉掉大渣。

附图说明

图1为本发明的基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣监测和控制方法的线框流程图。

图2为本发明的基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣监测和控制方法所使用的煤粉锅炉的结构示意图。

图3为各个加速度传感器布置的位置参数示意图。

图4为炉内落渣典型的振动信号的时域图。

图5为炉内落渣典型的振动信号的频域图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法易于了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的基于冷灰斗振动信号的锅炉落渣监测和控制方法包括以下步骤：

(1)在锅炉冷灰斗前墙斜面和后墙斜面分别布置多个加速度传感器，其中前墙的加速度传感器为一组，后墙的加速度传感器为一组；

如图2所示，本实施例所用的测量系统包括锅炉本体1，锅炉冷灰斗振动信号测点2，数据采集仪3，电脑4，数据处理输出信号5，锅炉控制系统6和炉内落渣控制信号7，其中，锅炉本体1包括吹灰器101，燃尽风喷嘴102，燃烧器103，冷灰斗104和出渣口105。

如图3所示，落渣振动信号各测点的位置分别是冷灰斗前墙斜面106上的测点201，202，203，204和冷灰斗后墙斜面107上的测点205，206，207，208。每个斜面上布置4个加速度传感器，布置在冷灰斗斜面的4个角上，距离最近的边2m。

(2)利用数据采集仪连续记录锅炉运行过程中所有加速度传感器的振动信号值，采样频率100khz；

(3)根据各加速度传感器振动信号跃升的时间差，幅值和频率特征计算落渣的区域和渣块质量，具体步骤如下：

3-1、根据冷灰斗前墙斜面和后墙斜面两组加速度传感器的振动信号特征，初步判断落渣是靠近前墙或是后墙；由于测量现场有多种振动噪声，且落渣撞击冷灰斗的振动信号随着距离撞击点距离的增加会很快衰减。如果落渣撞击在前墙冷灰斗斜面，则该组加速度传感器振动信号有明显的跃升，而后墙加速度传感器振动信号跃升的幅度明显小于前墙。由于炉内落渣具有随机性，采用加速度传感器跃升幅值的平均值作为判断依据具有较高的可靠性和准确性。

3-2、确定落渣位于前墙斜面或后墙斜面后，利用对应组的各加速度传感器振动信号跃升的时间差计算落渣撞击冷灰斗斜面的位置，根据撞击位置推算落渣在炉膛横截面上的位置。由于测量现场有多种振动噪声，落渣撞击振动起始点信号被淹没在噪声中，很难确定起始点，所以采用振动信号跃升最大值对应时间点来计算振动信号到各测点间的时间差。在获得各测点间的时间差后，采用时间差的最大值和次大值带入三角形定位法公式中计算落渣撞击位置。在得到落渣撞击冷灰斗斜面的位置后，将锅炉冷灰斗斜面投影到炉膛横截面上，确定冷灰斗斜面上各点在炉膛横截面上的对应坐标，得到落渣在炉膛横截面上的位置。

3-3、对各加速度传感器振动信号(如图4所示)做傅里叶变换，分析其频率特征(如图5所示)，前期采用标定的方法确定不同落渣高度振动信号的频率特征，振动信号的频率中高频成分越多，落渣的高度越高。基于标定结果确定落渣的大概高度，然后运行推算落渣区域的吹灰器，验证推算结果。

3-4、为了进一步得到落渣的质量，利用各加速度传感器振动信号跃升的幅值的平均值计算落渣撞击冷灰斗斜面的动能，用下式表示：

其中，

a为加速度传感器振动信号跃升的幅值的平均值；

c为渣块非弹性碰撞系数；

m为渣块的质量，单位为kg；

v为渣块撞击冷灰斗斜面时的速度，单位为m/s。

在得到落渣撞击冷灰斗斜面的动能后，根据步骤3-3中落渣的高度得到落渣撞击冷灰斗斜面的速度，从而计算落渣的质量。

(4)通过上述方法计算落渣的位置和质量，长时间监测统计落渣的位置，找出炉内频繁落渣的区域；

(5)根据炉内落渣的区域，适当的提高对应区域吹灰器的投用频率，防止灰颗粒长时间粘结形成大的落渣，进一步分析导致炉内结渣的原因，做出燃烧调整，避免炉内频繁落渣和落大渣。

本发明只需在锅炉冷灰斗斜面上布置多个加速度传感器，就可以得到煤粉锅炉的落渣区域和渣块质量，测量系统容易布置，操作简单，易推广；同时根据炉内落渣的区域，指导调整锅炉的配风方式和吹灰器投用，可以避免锅炉掉大渣。