利用统计过程控制来控制烟灰吹除的方法和装置.pdf

本发明公开了一种统计过程控制系统，其使用对于诸如烧燃料锅炉的热交换区段一致的烟灰吹除操作，采集该热交换区段的热吸收数据并且分析热吸收数据的分布以及热吸收分布的各种参数，以便重新调整所述烟灰吹除操作。该统计过程控制系统可以设置预期热吸收下限和预期热吸收上限，并且分别将它们与实际热吸收下限和实际热吸收上限进行比较，以确定是否要对烟灰吹除操作进行重新调整。可选地，该统计过程控制系统还可以用来确定该热交换区段的永久性成渣。

权利要求书一种用于检测热交换区段中的永久性成渣的方法，该热交换区段具有烟灰吹除器，该方法包括：
根据多个操作序列来操作烟灰吹除器，多个操作序列中的每一个均用多个操作参数之一来表征；
确定热交换区段内热吸收率的多个变化，作为根据多个操作序列中的每一个来操作烟灰吹除器的结果；
确定多个均值，作为根据多个操作序列之一来操作烟灰吹除器的结果，其中多个均值中的每一个表示热交换区段内热吸收率变化的均值；
确定表示多个均值和多个操作参数之间相关性的相关值；和
使用该相关值来检测永久性成渣。
根据权利要求1所述的方法，其中多个操作参数包含多个烟灰吹除器操作频率；或多个烟灰吹除器操作周期。
根据权利要求1所述的方法，其中使用该相关值包括将该相关值与阈值进行比较。
根据权利要求3所述的方法，进一步包括如果该相关值低于阈值，则生成永久性成渣的消息。
一种用于检测烟灰吹除过程中的永久性成渣的检测单元，烟灰吹除过程具有位于热交换区段中的烟灰吹除器，所述检测单元包括：
以可通信联络方式连接至所述烟灰吹除器的计算机处理器；
存储在第一计算机可读存储器上的第一例程，所述第一例程在所述计算机处理器上运行，以根据多个操作序列来操作所述烟灰吹除器，多个操作序列中的每一个均用多个操作参数之一来表征；
存储在第二计算机可读存储器上的第二例程，所述第二例程在处理器上运行，以确定所述热交换区段内热吸收率的多个变化，作为所述第一例程根据多个操作序列中的每一个来操作所述烟灰吹除器的结果；
存储在第三计算机可读存储器上的第三例程，所述第三例程在处理器上运行，以确定多个统计值，作为所述第一例程根据多个操作序列之一来操作所述烟灰吹除器的结果，多个统计值中的每一个表示热交换区段内热吸收率变化的统计测量结果；
存储在计算机可读存储器上的第四例程，所述第四例程在处理器上运行，以确定表示多个统计值和多个操作参数之间相关性的相关值；以及
存储在计算机可读存储器上的第五例程，所述第五例程在处理器上运行，以通过将该相关值与阈值进行比较而使用该相关值来检测所述烟灰吹除过程中的永久性成渣。
根据权利要求5所述的控制单元，其中所述多个统计值中的每一个为均值，并且所述统计测量结果为均值。
根据权利要求5所述的控制单元，其中所述多个操作参数包括多个烟灰吹除器操作频率。
根据权利要求5所述的控制单元，其中所述多个操作参数包括多个烟灰吹除器操作周期。
根据权利要求5所述的控制单元，其中如果该相关值低于阈值，则所述第五例程运行，以生成永久性成渣的消息。

说明书利用统计过程控制来控制烟灰吹除的方法和装置
本申请是申请日为2006年6月6日、申请号为200610083389.6且名称为“利用统计过程控制来控制烟灰吹除的方法和装置”的发明的分案申请。
技术领域
本专利一般涉及计算机软件，更具体地涉及用于控制烟灰吹除操作的计算机软件。
背景技术
各种工业以及非工业应用都使用烧燃料的锅炉，典型地用于通过燃烧各种类型的燃料之一，例如煤、燃气、油、废料等，将化学能转化成热能。烧燃料的锅炉的一种示例性使用是用于火力发电机中，其中锅炉中燃烧的燃料用来由穿过锅炉中大量管道管线的水而产生蒸汽，这些蒸汽然后又用来在一个或多个涡轮机中发电。火力发电机的输出是锅炉中产生热量的函数，其中该热量通过每小时能够燃烧的燃料量等来确定。另外，火力发电机的输出还取决于用来燃烧燃料的锅炉的传热效率。
某些类型的燃料，例如煤、油、废料等的燃烧，在锅炉的各个表面上，包括锅炉内壁以及运送通过锅炉的水的管道外壁上，产生相当数量的烟灰、矿渣、灰烬和其他沉积物（通常称为“烟灰”）。沉积在锅炉上的烟灰会对从锅炉到水的传热率产生各种有害的影响，并因此对使用该锅炉的任一系统的效率产生有害的影响。必须解决燃烧煤、油和产生烟灰的其他燃料的烧燃料锅炉中的烟灰问题，以便维持锅炉内的预期效率。尽管并非所有的烧燃料锅炉都会产生烟灰，但是对于本专利的残渣而言，术语“烧燃料的锅炉”用来指产生烟灰的那些锅炉。
已经开发了各种各样的解决方案，来解决由烧燃料锅炉的锅炉中烟灰沉积的产生和出现而导致的问题。一种方法是使用烟灰吹除器，通过产生机械和热冲击，来除去在锅炉表面上累积的烟灰结垢。另一种方法是使用各种类型的烟灰吹除器，在位于锅炉壁和/或其他热交换表面上的气体侧，通过喷嘴来喷射清洁材料，这些烟灰吹除器使用各种介质中的任意一种，例如饱和蒸汽、过热蒸汽、压缩空气、水等等，以便除去锅炉上的烟灰。
烟灰吹除会对操作烧燃料锅炉的效率和支出产生影响。例如，如果在锅炉中应用不充分的烟灰吹除，则将会在各种蒸汽输送管道表面上导致过度的烟灰沉积物，从而导致较低的传热率。在某些情况下，不充分的烟灰吹除可能会导致烧燃料锅炉内的“永久性污垢”，这意味着锅炉中的烟灰沉积物是如此之多，以致于这些沉积物不能通过任何额外的烟灰吹除来除去。在这种情况下，可能需要锅炉操作的强制停机，以便修理过多烟灰沉积物的问题，并且锅炉维护人员可能必须使用锤子和凿子，来手动地除去这些烟灰沉积物。这样的强制停机仅仅是示例性的，但是对于使用这种烧燃料锅炉的系统而言也是破坏性的。
另一方面，烧燃料锅炉中过多的烟灰吹除可能会导致操作烟灰吹除器的能源成本的增加，要不然可以用来操作涡轮机的蒸汽的浪费，等等。过多的烟灰吹除还可能与锅炉壁受热管变薄，管道泄漏等相关联，这可能导致锅炉使用的强制停机。因此，需要细心地控制烟灰吹除过程。
在历史上，电站锅炉中的烟灰吹除已经主要成为一种特别的实践，这一般依赖于锅炉操作员的判断。这样一种特别方法产生了非常不一致的结果。因此，重要的是更有效地，并且以这样的方式来管理烟灰吹除过程，以便最大化锅炉操作的效率，以及最小化与烟灰吹除操作相关的成本。
一种用于确定锅炉区段清洁度，并用来控制烟灰吹除操作的通用方法是基于基本原理的方法，它要求测量在锅炉区段进口和出口处的烟气温度和蒸汽温度。然而，由于烟气温度的直接测量一直都是不可行的，因此经常从空气加热器出口处测量的烟气温度开始，沿着烟气路径的多个点反向计算烟气温度。该方法对于空气加热器出口烟气温度的扰动和变化是非常敏感的，这常常会导致不正确的结果。而且，该方法是一种恒稳态方法，并因此不能良好地适于各种锅炉区段通常所遇到的瞬态过程。
另一种用于确定烧燃料锅炉的锅炉区段清洁度，并用来控制烧燃料锅炉中烟灰吹除操作的通用方法是基于经验模型的方法，它依赖于经验模式，如神经网络模型、多项式拟合模型，等等。该基于经验模型的方法通常要求与许多参数有关的大量经验数据，例如燃料流动速率、空气流动速率、空气温度、水/蒸汽温度、燃烧器仰角，等等。不幸地是，大量的数据使得数据采集过程冗长乏味，并且在数据采集中易于出现大量的错误。
发明内容
根据本发明一个方面，提供一种用于控制位于热交换区段（section）中的烟灰吹除器的方法，该方法包括：根据操作序列操作烟灰吹除器第一段时间；确定在第一段时间期间热交换区段的热吸收数据；根据该热吸收数据来确定热吸收统计值；和评价该热吸收统计值，以确定操作序列的操作参数的变化。
根据本发明另一方面，提供一种用于检测热交换区段中的永久性成渣的方法，该热交换区段具有烟灰吹除器，该方法包括：根据多个操作序列来操作烟灰吹除器，多个操作序列中的每一个均用多个操作参数之一来表征；确定热交换区段内热吸收率的多个变化，作为根据多个操作序列中的每一个来操作烟灰吹除器的结果；确定多个均值，作为根据多个操作序列之一来操作烟灰吹除器的结果，其中多个均值中的每一个表示热交换区段内热吸收率变化的均值；确定表示多个均值和多个操作参数之间相关性的相关值；和使用该相关值来检测永久性成渣。
根据本发明再一方面，提供一种用于控制位于热交换区段中的烟灰吹除器的烟灰吹除过程控制系统，该系统包括：以可通信联络方式连接至烟灰吹除器的计算机处理器；计算机可读存储器；存储在该计算机可读存储器上的第一例程，适于在该计算机处理器上运行，以根据操作序列操作烟灰吹除器第一段时间；存储在该计算机可读存储器上的第二例程，适于在该计算机处理器上运行，以确定在第一段时间期间热交换区段的热吸收数据；存储在该计算机可读存储器上的第三例程，适于在该计算机处理器上运行，以根据该热吸收数据来确定热吸收统计值；和存储在该计算机可读存储器上的第四例程，适于在该计算机处理器上运行，以评价该热吸收统计值，从而确定操作序列的操作参数的变化。
附图说明
借助于例子，而不受附图中的局限，对本发明进行了图解说明，在附图中相同的参考标记表示相同的元素，其中：
图1图示了典型锅炉的锅炉蒸汽循环的方框图；
图2图示了使用多个烟灰吹除器的示例性锅炉区段的示意性简图；
图3图示了示例性热吸收统计计算程序的流程图；
图4A图示了烟灰吹除统计过程控制程序的流程图；
图4B图示了多个热吸收数据分布曲线；
图5图示了永久性成渣检测程序的流程图；和
图6图示了用于图示永久性成渣的多个热吸收分布曲线。
具体实施方式
统计过程控制系统使用对于诸如烧燃料锅炉的热交换区段一致的烟灰吹除操作，采集该热交换区段的热吸收数据并且分析热吸收数据的分布以及热吸收分布的各种参数，以便重新调整所述烟灰吹除操作。该统计过程控制系统可以设置预期热吸收下限和预期热吸收上限，并且分别将它们与实际热吸收下限和实际热吸收上限进行比较，以确定是否要对烟灰吹除操作进行重新调整。
一般而言，此处描述的统计过程控制系统与基于基本原理的方法和基于经验模型的方法相比更可靠，并且易于实现为仅需要热吸收数据来实现的统计过程控制系统。而且，由于此处描述的统计过程控制系统使用热吸收数据，它与烟气温度的扰动和噪声无关，而且一般不会受到其影响，因此对于烟灰吹除器的操作和热交换区段的清洁度提供了更加统一的控制。
一般而言，统计过程控制系统的实现测量各个点处随时间变化的热吸收，以便确定在烟灰吹除操作之前和之后的热吸收差异，并且基于该热吸收统计来计算各种统计过程控制测量结果，以便确定烟灰吹除操作的有效性。该统计过程控制系统为锅炉或其他机器的热交换区段建立一致的烟灰吹除操作，并且降低控制烟灰吹除操作所必需的数据量。
图1图示了典型锅炉100的锅炉蒸汽循环的方框图，该锅炉100可以用于例如火力发电厂。锅炉100可以包括各种区段，蒸汽或水可以以各种形式，例如过热蒸汽，再热蒸汽，等等流过这些区段。尽管图1所示的锅炉100具有水平设置的各种锅炉区段，但是在实际实施中，这些区段中的一个或多个可以垂直放置，尤其是因为加热各种锅炉区段，例如水冷壁吸收区段中蒸汽的烟气，是垂直上升的。
该锅炉100包括水冷壁吸收区段102，初级过热吸收区段104，过热吸收区段106和再热区段108。另外，锅炉100也可以包括一个或多个过热降温器110和112，以及节热器114。锅炉100所产生的主蒸汽用来驱动高压（HP）涡轮机116，而来自再热区段108的热的再热蒸汽用来驱动中压（IP）涡轮机118。通常，锅炉100还可以用来驱动低压（LP）涡轮机，在图1中未示出。
主要负责产生蒸汽的水冷壁吸收区段102，包括许多管线，蒸汽通过这些管线进入鼓筒。进入水冷壁吸收区段102的给水可以被泵送通过节热器区段114。当在水冷壁吸收区段102中时，该给水吸收大量的热。该水冷壁区段102具有蒸汽鼓筒，该蒸汽鼓筒既包含水也包含蒸汽，而且该鼓筒中的水位也必须进行小心的控制。将在蒸汽鼓筒顶部采集的蒸汽馈送给初级过热吸收区段104，接下来馈送给过热吸收区段106，它们一起将蒸汽温度升高到非常高的水平。从过热吸收区段106输出的主蒸汽驱动高压涡轮机116来发电。
一旦主蒸汽驱动HP涡轮机116，则将蒸汽发送至再热吸收区段108，而从再热吸收区段108输出的热再热蒸汽用来驱动IP涡轮机118。过热降温器110和112可以用来控制要到达预期设置点的最终蒸汽温度。最终，可以将来自IP涡轮机118的蒸汽馈送通过LP涡轮机（此处未示出）到达蒸汽冷凝器（此处未示出），在那里将蒸汽冷凝为液态，并且从各种锅炉给水泵泵送用于下一循环给水，该循环再次重头开始。位于从锅炉排出的热的废气流中的节热器114使用该热气，以便在给水进入水冷壁吸收区段102之前，将额外的热传递给该给水。
图2是锅炉区段200的示意图，该锅炉区段具有位于来自锅炉100的烟气路径中的热交换器202。锅炉区段200可以是上述各种热交换区段中任意一种的一部分，例如初级过热吸收区段104、再热吸收区段108，等等。本领域普通技术人员能够理解，尽管本例的锅炉区段200可以位于锅炉100的特定部分，但是该专利中图示的烟灰吹除器控制方法可以应用于该锅炉中可能发生热交换和烟灰堆积的任意区段。
热交换器202包括用于运送蒸汽的许多管道204，这些蒸汽在混合器206中与喷淋水混合在一起。该热交换器202还将水和蒸汽的混合物转化为过热蒸汽。用箭头209示意性地表示输入至锅炉区段200的烟气，而用箭头211示意性地表示离开锅炉区段200的烟气。将锅炉区段200表示为包含六个烟灰吹除器208，210，212，214，216和218，用于除去热交换器202外表面上的烟灰。
操作员可以通过计算机250来控制烟灰吹除器208，210，212，214，216和218的操作。可以将计算机250设计为在存储器252上存储一个或多个计算机程序，该存储器可以是随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM）等形式，其中这样的程序可以适于在计算机250的中央处理单元（CPU）254上进行处理。用户可以通过输入/输出控制器256与计算机250进行通信。计算机250各种部件中的每一个均可以通过内部总线258相互进行通信，该内部总线258也可以用来与外部总线260进行通信。计算机250可以使用外部通信总线260，与各个烟灰吹除器208，210，212，214，216和218中的每一个进行通信。
烟灰吹除器208‑218可以根据特定的烟灰吹除序列进行操作，该序列规定了要开启烟灰吹除器208‑218中每一个的次序，烟灰吹除器208‑218的操作频率，每个烟灰吹除器开启的时间长度，等等。尽管烧燃料锅炉的给定部分可以具有许多不同的热交换区段，但是可以用于烟灰吹除操作的蒸汽和水的供给是有限的。因此，每个热交换区段被分配给优先级，热交换区段中的烟灰吹除器根据此优先级进行操作。热交换区段中具有更高优先级的烟灰吹除器能够接收所需的水和蒸汽以充分地操作，而热交换区段中具有较低优先级的烟灰吹除器只能在能够获得所需水和蒸汽时进行操作。如以下将要进一步详细描述的，可以根据用于控制特定热交换区段的烟灰吹除器而执行的程序，来改变特定热交换区段的优先级。
图3图示了热吸收统计计算程序300的流程图，该程序可以用来计算锅炉100各个区段中任意一个，例如锅炉区段200的热吸收统计。热吸收统计计算程序300可以实现为软件、硬件、固件或者实现为其任意组合。当实现为软件时，热吸收统计计算程序300可以存储在只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）上，或者存储在用来执行烟灰吹除过程控制程序300的计算机所使用的任意其他存储设备上。热吸收统计计算程序300可以用来仅计算锅炉100的一个区段的热吸收统计，或者可选地，可以用来计算锅炉100中所有热交换区段的热吸收统计。
框302通过建立操作的初始序列（当前操作排序），启动热吸收统计的计算。上述当前操作排序可以通过定义时间线的各个参数来描述，该时间线用于操作锅炉区段，例如锅炉区段200内的多个烟灰吹除器中的任何一个。例如，热吸收统计计算程序300的执行可以规定开启烟灰吹除器208的频率，保持烟灰吹除器208处于开启状态的时间长度，以及在两个连续的开启时间周期之间关闭烟灰吹除器208的时间长度。
框302还采集和存储与流过锅炉区段200的蒸汽有关的各种数据。例如，框302可以采集进入锅炉区段200的蒸汽的温度和压力，并且可以计算用Hi标示的锅炉区段200的进入焓（焓是流体的热能含量，它的单位是Btu/lb），从锅炉区段200排出的蒸汽温度和压力，用Ho标示的锅炉区段200的排出焓，用F（单位是lbs/Hr）标示的蒸汽流入锅炉区段200的流动速率，等等。
框304使用框302采集的数据，计算和存储锅炉区段200内的热吸收。在此例子中，用Q标示的锅炉区段200的热吸收可以给定为：
Q＝F*(Ho‑Hi)
作为选择，在某些热交换区段中，例如锅炉100的水冷壁吸收区段102的子区段中，可以利用热流传感器来直接测量热吸收Q。
图3的框306评价框304采集和存储的热吸收数据量。例如，用户可以规定必须要由烟灰吹除过程控制程序采集的观测结果数目，在这种情况下框306将所采集的数据与用户提供的该规定进行比较。如果框306确定必需更多的数据，控制转回到框302。
当框306确定已经采集了充足数量的热吸收数据时，框308确定所采集的数据是否遵循正态分布。用户可以提供置信水平，热吸收统计计算程序300需要确定该热吸收数据是否以该置信水平正态分布。例如，用户可以规定热吸收数据必需以百分之九十五的置信水平正态分布，等等。如果框308确定热吸收数据未能以规定的置信水平正态分布，这可能是无规律的烟灰吹除排序的结果，则框309修改用于操作锅炉区段200内烟灰吹除器的当前操作排序，从而使操作排序更加一致。接着，控制转回到框302，采集更多的数据以获取热吸收数据的更多观测点。
如果框308确定该热吸收数据是正态分布，则框310计算用于锅炉区段200的多个热吸收统计数据。例如，框310可以计算热吸收均值，热吸收中值，热吸收方差，热吸收标准偏差，热吸收偏度，等等。
此后，框312评价框310计算的热吸收统计数据。特别地，框312可以评价相对于热吸收统计计算程序300的用户提供的许多测量的热吸收统计数据，或者相对于许多工业平均数的热吸收统计数据，等等。
在热吸收统计计算程序300的实现中，框312可以配备有目标控制下限和目标控制上限，锅炉区段的实际热吸收相对于该上下限来进行评价。替代地，热吸收统计计算程序300可以使用框310计算的长期热吸收统计数据，来计算该目标控制下限和目标控制上限。例如，热吸收统计计算程序300的执行可以使用热吸收均值和热吸收标准偏差，来确定该目标控制下限和目标控制上限。
在框312评价了热吸收统计量之后，框314确定是否必需要改变烟灰吹除器的当前操作排序。例如，框314可以确定必需要改变开启烟灰吹除器的频率，保持烟灰吹除器处于开启状态的时间长度，以及在两个连续的开启周期之间关闭烟灰吹除器的时间长度等中的至少一个。在热吸收统计计算程序300的一种实现中，框314可以确定如果实际热吸收均值低于目标控制下限，则必需要改变当前操作排序的一个或多个操作参数。
如果框314确定必需要改变烟灰吹除器的当前操作排序，则框316计算要应用于当前操作排序各个参数中任意一个的变化。框316可以使用框310计算的各种热吸收统计，来确定要应用于当前操作排序各个参数的变化。例如，在热吸收统计计算程序300的实现中，框314可以确定要应用于烟灰吹除器要保持开启状态的时间长度的变化，应该是实际热吸收均值和目标控制下限之间差值的函数。然而，框314还可以确定该烟灰吹除是高效运转的，并且不必改变烟灰吹除器的当前操作排序，在这种情况下控制可以转到框302，以便继续监控该烟灰吹除过程而没有任何变化。
需要注意的是，尽管热吸收统计计算程序300在图2中进行了图解说明，并且关于锅炉区段200在以上进行了描述，但是热吸收统计计算程序300还可以应用于锅炉100的任意其他热交换区段。而且，尽管在热吸收统计计算程序300中将框312‑316执行的功能图示为由三个不同的框来执行，但在替代实现中，这些功能也可以由单一框或者由单独程序来执行。
图4A图示了统计过程控制程序350的实现的流程图，该程序可以执行框312‑316的功能。框352可以确定特定热交换区段的热吸收值的预期分布特性。这些特性的确定可以包括选择目标控制下限QLCL，目标控制上限QUCL，以及该特定热交换区段的预期分布的其他特性。随后，框354可以使用下述公式来计算热吸收均值Qmean：