趙曉鵬，趙飛，倪永中

(1.寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，銀川 750400； 2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

0 引言

近年來，隨著大容量機組的連續(xù)投入運行，鍋爐實際運行參數(shù)的安全余量越來越小，鍋爐受熱面管道的安全性問題愈發(fā)突出。摻燒、新型鋼焊接、氧化和調(diào)峰運行等問題成為制約鍋爐受熱面管道安全運行的主要因素。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)機組由于鍋爐四管泄漏引起的停運時間占機組非計劃停運時間的40%左右，占鍋爐設(shè)備非計劃停運時間的70%[1]。如何通過合理的防磨防爆管理和設(shè)備的健康狀況評估，降低設(shè)備的非計劃停運已成為各個電廠的重要工作。目前，傳統(tǒng)的"四管"檢修完全是一種計劃檢修模式，高溫管道是否需要更換完全依靠人工檢查，基本不考慮受熱面管道的長期運行歷史。這種檢查方式效率較低，而且容易發(fā)生過檢和缺檢。如何建立基于長期設(shè)備運行歷史數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估和實現(xiàn)計劃檢修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變的問題，已得到了各個電廠的重視。

本文通過分析現(xiàn)有檢修管理的不足之處，對電廠長期檢修數(shù)據(jù)建立管理檔案，實現(xiàn)檢修信息的數(shù)字化管理，并形成設(shè)備健康度的分析報告，使防磨防爆工作能夠做到有的放矢。在此基礎(chǔ)上，對受熱面管道的運行參數(shù)進行實時采集與檢測，動態(tài)檢測管道運行狀況，實現(xiàn)在線監(jiān)測與離線分析相結(jié)合的防磨防爆管理。最后，針對鍋爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，防磨防爆工作中缺陷位置無法直觀描述和定位的問題，提出了基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)的鍋爐防磨防爆的三維可視化管理手段，提升了管理工作的信息化和數(shù)字化水平[2-3]。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

從功能設(shè)計上，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源包括兩個方面，一是通過接口機與電廠實時數(shù)據(jù)庫進行通訊，實時采集所需要的數(shù)據(jù)，如管道壁溫、蒸汽的壓力與溫度、負荷等數(shù)據(jù)；二是每次檢測的離線數(shù)據(jù)，如缺陷數(shù)據(jù)、無損和有損檢測數(shù)據(jù)等。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)對設(shè)備的運行狀況進行動態(tài)的分析，并把分析結(jié)果通過網(wǎng)頁的方式展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從數(shù)據(jù)采集到最終用戶的使用，整個系統(tǒng)分為3個層次，分別為：

(1)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層。該層主要實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的采集，采集過程分為在線和離線采集，在線采集程序以30 s間隔向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫(PI、EDNA等)請求數(shù)據(jù)。離線采集采用人工錄入的方式，主要包括缺陷記錄、割管記錄和金相記錄等。

(2)基礎(chǔ)應(yīng)用層。該層在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層基礎(chǔ)上實現(xiàn)基本的統(tǒng)計、查詢和報警功能。同時生成統(tǒng)計，如超溫報表、缺陷報表等；同時可實現(xiàn)信息的在線推送，通過短信發(fā)送給相關(guān)人員。

(3)高級層。該層主要包括超溫分析、缺陷分析、氧化皮分析、運行指標(biāo)考核和三維管理模塊。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 三維可視化管理

采用可視化的操作界面，按設(shè)備的實際位置和比例在三維建模軟件內(nèi)創(chuàng)建相關(guān)的三維數(shù)字模型庫，建立與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)的三維數(shù)字模型，模型范圍包括爐內(nèi)受熱面管道、爐外聯(lián)絡(luò)管、聯(lián)箱、焊縫。把3dmax模型導(dǎo)入到商用虛擬現(xiàn)實軟件，通過特定的編碼技術(shù)實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)庫的連接，最終實現(xiàn)B/S三維可視化模式，如圖2所示。系統(tǒng)基本功能主要包括以下3個方面。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 鍋爐三維全貌

(1)設(shè)備瀏覽與定位。在三維視角中以任意角度觀察部件，可實現(xiàn)基本的縮放和漫游功能。輸入部件編碼或中文名稱，可自動定位部件到視角。

(2)設(shè)備信息關(guān)聯(lián)。在數(shù)據(jù)層上獲得的數(shù)據(jù)被唯一關(guān)聯(lián)到設(shè)備編碼，三維實體模型在建模階段也被賦予編碼，以編碼為紐帶，可以通過在三維模型中點擊模型查詢到設(shè)備的相關(guān)信息，包括設(shè)備尺寸、材質(zhì)、實時數(shù)據(jù)、歷史檢測數(shù)據(jù)。

(3)高風(fēng)險部位提醒。通過在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分析，可自動識別高風(fēng)險部位，在三維模型中可以用特定的顏色來顯示。可在三維圖上顯示缺陷、風(fēng)險程度在不同部位的分布。

2.2 超溫計算與分析

大型鍋爐受熱面爆管是造成機組非計劃停機的重要因素之一，大多爆管都是由于超溫運行引起，準(zhǔn)確把握受熱面溫分布情況，對鍋爐的安全運行具有重要意義[4]。由于目前還沒有測量爐內(nèi)管壁溫度的技術(shù)，鍋爐的壁溫測點大多安裝在溫度較低的爐頂大包內(nèi)。爐內(nèi)的溫度分布情況只能依靠熱力計算的方法近似得到。本文根據(jù)原蘇聯(lián)1973年鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法計算爐內(nèi)溫度。壁溫計算中引用的管圈進口蒸汽溫度、進口煙氣溫度等熱力計算數(shù)據(jù)均取自以上熱力計算結(jié)果。管組中任一個管段i的焓增計算如下[5-6]：

表1 超溫類型與等級分類

注：T表示壁溫。

式中：Kl，Kh分別為寬度和高度的吸熱偏差系數(shù)；Di為蒸汽流量，kg/h；E0為計算管段的面積折算系數(shù)；d，li分別為計算管段的管徑和長度，m；qf，pi為屏前、屏后、屏中、屏下煙室的輻射熱負荷及輻射偏差系數(shù)；qp，qd，ζ1i，ζ2i為屏間煙氣輻射和對流熱負荷及其輻射偏差系數(shù)。計算點的壁溫(℃)計算如下：

式中：J、β分別為熱均勻系數(shù)、管徑比；α2為管內(nèi)蒸汽對管壁的放熱系數(shù)，W/(m2·K)；t為計算點管內(nèi)工質(zhì)的溫度，℃；qmax為管子外壁沿周界最高熱負荷，kW/m2；t為計算點管內(nèi)工質(zhì)的溫度，℃；δ、λ為管壁厚度和金屬導(dǎo)熱系數(shù)，kW/(m2·K)。

在壁溫計算的基礎(chǔ)上，可對運行情況進行考核，在分布式控制系統(tǒng)(DCS)中，根據(jù)不同的材質(zhì)從低到高設(shè)置3個超溫限值，表示超溫情況從一般到嚴(yán)重。同時針對設(shè)備的評估特征，對在不同超溫區(qū)間內(nèi)的持續(xù)時間進行統(tǒng)計，按照超溫程度分別設(shè)置一般異常、異常、嚴(yán)重異常、二類障礙，每類障礙按照超溫幅度和時長扣除當(dāng)值對應(yīng)數(shù)額獎金，見表1。

系統(tǒng)實時捕捉超溫信息，并實時對超溫信息進行評價和考核，實現(xiàn)按值統(tǒng)計超溫的精細化管理，督促運行人員實施調(diào)整運行策略，降低超溫頻次。單純的統(tǒng)計與考核，不利于對超溫問題的深層次分析。為了直觀地對不同受熱面的超溫情況進行對比，選取受熱面的超溫點數(shù)、超溫次數(shù)和超溫總時長3個指標(biāo)作為分析對象，同時進行機組的環(huán)向比較(本月和上月)和橫向(同類型機組)比較，如圖3所示。通過比較可以分析機組各個受熱面產(chǎn)生差異的原因，進行有針對性的調(diào)整，降低超溫頻次，達到提高機組的運行可靠性的目的。

圖3 超溫次數(shù)統(tǒng)計

2.3 受熱面風(fēng)險分析

對鍋爐受熱面管進行風(fēng)險評估，就是考慮鍋爐受熱面管在運行過程中氧化、腐蝕、減薄以及組織性能變化的不確定性[7-8]，對其存在的失效風(fēng)險概率進行分析，評價鍋爐受熱面的安全狀況，為安全運行、合理檢修提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

本文中從宏觀變形、壁厚減薄、氧化情況和超溫情況等幾個方面對失效風(fēng)險性進行評價，見表2。以減薄風(fēng)險為例，應(yīng)用表2的數(shù)值，可定量的得到各個管道的風(fēng)險等級。對于表2中蠕變剩余壽命的計算，文獻[9]認(rèn)為，在超溫情況下的當(dāng)量蠕變壽命tf可用實驗溫度下的蠕變壽命來表示：

tf=t0e1/T0-1/T。

定義剩余壽命分?jǐn)?shù)為：

K=(tf-t0)/t0。

表2 鍋爐受熱面風(fēng)險概率分級

通過每個超溫記錄的時長計算當(dāng)量壽命損耗，累加后代入上式即可得到剩余壽命分?jǐn)?shù)。根據(jù)剩余壽命分?jǐn)?shù)的大小可以進一步定量確定鍋爐受熱面的風(fēng)險等級，以字母A-E表示。

3 結(jié)束語

本文中開發(fā)的B/S三維可視化平臺，可實現(xiàn)鍋爐部件三維結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的融合。以此為載體，可實現(xiàn)鍋爐長期運行和檢修數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理。在數(shù)字化管理的基礎(chǔ)上，利用歷史數(shù)據(jù)對鍋爐受熱面進行風(fēng)險性評價，實現(xiàn)鍋爐防磨防爆的精細化管理，降低鍋爐爆管概率。提出鍋爐超溫的分級管理思想，在風(fēng)險性評價中融入實時運行壁溫檢測和計算數(shù)據(jù)，對鍋爐的運行和檢修具有一定的指導(dǎo)作用，可有效降低檢修人力和物力的投入，提升鍋爐的運行可靠性。