鍋爐飛灰含碳量測(cè)量方法綜述

程啟明，胡曉青，王映斐，汪明媚

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

鍋爐飛灰含碳量是火電廠燃煤鍋爐燃燒效率的重要指標(biāo).當(dāng)飛灰含碳量高時(shí)，說(shuō)明煤耗和發(fā)電成本過(guò)高.實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)飛灰含碳量，有利于調(diào)整風(fēng)煤比，可將飛灰含碳量控制在最佳范圍內(nèi)，以提高鍋爐燃燒控制水平，保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行.但由于飛灰含碳量受煤種、鍋爐結(jié)構(gòu)、運(yùn)行操作水平等多種因素的影響，很難直接在線測(cè)量.

目前國(guó)內(nèi)外已提出多種飛灰含碳量檢測(cè)方法，主要分為物理測(cè)量方法［1-14］和軟測(cè)量方法［15-28］兩大類.本文介紹了各種飛灰含碳量測(cè)量方法的工作原理、特點(diǎn)與生產(chǎn)廠家，這對(duì)實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量方法的選擇有一定的參考價(jià)值.

1 飛灰含碳量的物理測(cè)量方法

飛灰含碳量的物理測(cè)量方法是利用碳的可燃性及高介電常數(shù)等物理、化學(xué)特性，來(lái)檢測(cè)飛灰中的含碳量.

根據(jù)測(cè)量原理的不同，它可分為燃燒失重法、熱重分析法、微波法、光學(xué)反射法等10多種測(cè)量方法［1-14］，其中微波法是目前應(yīng)用最多、測(cè)量速度最快的測(cè)量方法.

1.1 燃燒失重法

燃燒失重法［1］是一種傳統(tǒng)的飛灰含碳量測(cè)量方法.其測(cè)量原理是利用取樣器在煙道中提取一定重量的飛灰樣品，放入馬弗爐中完全燃燒，然后利用燃燒前后的重量差來(lái)計(jì)算飛灰中的含碳量.燃燒失重法的全部過(guò)程包括定時(shí)采樣、試樣積累、制樣、稱重、燃燒再稱重等工序，其操作復(fù)雜，且中間環(huán)節(jié)多、引入誤差的機(jī)會(huì)多，還受人為因素的影響，化驗(yàn)分析結(jié)果往往滯后幾小時(shí)，不能及時(shí)指導(dǎo)飛灰含碳量的在線調(diào)整，只能用于離線測(cè)量.

近10年來(lái)，這種測(cè)試方法有了很大發(fā)展，美國(guó)Rupprecht＆Palashnick公司已開發(fā)出了一種在線監(jiān)測(cè)的燃燒失重法，其測(cè)量原理與傳統(tǒng)方法相同，先將一個(gè)裝在微粒天平上的空過(guò)濾筒稱重，然后等速采集飛灰樣品，將過(guò)濾筒再次稱重后加熱至804℃，并維持?jǐn)?shù)分鐘以氧化樣品中的碳，再次稱重，最后自動(dòng)計(jì)算樣品中的碳.其測(cè)量時(shí)間為15 min，樣品量大約是 35 g，測(cè)量精度約為 ±0.5%.

燃燒失重法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確性高，且測(cè)量結(jié)果與煤質(zhì)和煤種無(wú)關(guān)，若采樣系統(tǒng)具備反吹裝置可有效地解決管路堵灰問(wèn)題，適用于當(dāng)前國(guó)內(nèi)火電廠的用煤現(xiàn)狀，因此獲得廣泛應(yīng)用.該方法的缺點(diǎn)是取樣間隔長(zhǎng)、時(shí)滯性大、實(shí)時(shí)性差，難以及時(shí)反映鍋爐燃燒工況.盡管開發(fā)了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但測(cè)量時(shí)間還是需要15 min左右，難以對(duì)鍋爐運(yùn)行提供有效、實(shí)時(shí)的運(yùn)行指導(dǎo).

1.2 反射測(cè)量法

反射測(cè)量法是根據(jù)飛灰中碳顆粒與其他物質(zhì)顆粒反射率的明顯差異，選擇不同的發(fā)射信號(hào)源，來(lái)測(cè)量飛灰含碳量的方法，已產(chǎn)品化的有光學(xué)反射法、紅外線測(cè)量法和放射法3種.光學(xué)反射法［2］將灰樣和粘合劑按一定比例混合，壓制成環(huán)狀物放入輝光放電室內(nèi)，用單色器和光電探測(cè)器分辨輝光放電室內(nèi)所產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)，并依據(jù)單色器的范圍，確定飛灰含碳量和飛灰的其他組分.紅外線測(cè)量法［3］是利用紅外線對(duì)飛灰中碳粒反射率不同的原理進(jìn)行測(cè)量的，按事先標(biāo)定的反射率直接得出測(cè)量結(jié)果.放射線法又分為γ射線法［4］和X射線法［5］兩種，它們的測(cè)量原理是光電效應(yīng)和康普頓散射效應(yīng).當(dāng)飛灰中含碳量低時(shí)，光電效應(yīng)較強(qiáng)而康普頓散射效應(yīng)較弱.反之，則光電效應(yīng)較弱而康普頓散射效應(yīng)較強(qiáng).因此，通過(guò)核探測(cè)器記錄的反散射γ或X射線強(qiáng)度的變化就可以測(cè)量出飛灰中的含碳量.

光學(xué)反射法具有儀器簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、測(cè)定時(shí)間快等特點(diǎn)，適合連續(xù)監(jiān)測(cè).但此法與燃燒失重法一樣，需要用已知的灰樣標(biāo)定進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)飛灰顆粒不均勻時(shí)，不同顆粒中的含碳量與反射信號(hào)之間無(wú)法構(gòu)成嚴(yán)格的線性關(guān)系，從而影響測(cè)量精度.另外，煤種、灰成分的變化對(duì)測(cè)量精度影響很大，很難保證數(shù)據(jù)的可靠性.其主要產(chǎn)品有丹麥M＆W ASKETEKNIK公司的RCA V10/V11型飛灰測(cè)碳儀，所需的樣品量約為3 g，測(cè)量時(shí)間為4～5 min，其測(cè)量精度大于0.5%.

紅外線法具有儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、速度快且又不污染環(huán)境等特點(diǎn).但與光學(xué)反射法一樣，當(dāng)飛灰顆粒大小不一并且顆粒中的含碳量不均勻時(shí)，反射信號(hào)不是嚴(yán)格的按比例變化，同時(shí)反射信號(hào)還會(huì)隨煤種的變化而變化.因此，測(cè)量精度受飛灰顆粒和煤種的影響很大，很難保證測(cè)量精度.丹麥、荷蘭、英國(guó)多家公司生產(chǎn)此類產(chǎn)品，測(cè)量時(shí)間約為3 min，測(cè)量精度約為0.5%.

放射線法屬非接觸性測(cè)量，標(biāo)定簡(jiǎn)單，精度較高，且不受壓力、粘度、濕度、腐蝕性等影響.但若飛灰顆粒太大將無(wú)法得出精確結(jié)果，且由于飛灰碳顆粒偏大且密度較小，在灰樣裝入樣品盒時(shí)碳顆粒會(huì)流向盒的四周，從而使測(cè)量值偏低.另外，灰中原子序數(shù)高、比重大的Fe和Ca等元素對(duì)測(cè)量精度有很大影響，需要修正基體效應(yīng)產(chǎn)生的誤差.由于該法需要一個(gè)穩(wěn)定的放射源，存在輻射問(wèn)題，即便低能量的γ射線能量也較大，對(duì)人體也有傷害，維護(hù)成本較高.低能X射線散射法能量低，對(duì)人體影響很小，防護(hù)比較容易.黑龍江省科學(xué)技術(shù)物理研究所進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)開發(fā)，其樣品的實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度小于0.5%.

1.3 熱重分析法

熱重分析法［6］是在程序控制的溫度下，測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量變化與溫度關(guān)系的一種方法.飛灰受熱或冷卻，其結(jié)構(gòu)、相態(tài)和化學(xué)性質(zhì)的變化必將伴有相應(yīng)的質(zhì)量變化(失重或增重).熱重儀可以測(cè)量飛灰試樣的質(zhì)量變化并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和處理，繪出質(zhì)量變化與溫度的關(guān)系曲線，由此測(cè)得的質(zhì)量損失可對(duì)飛灰試樣組成等進(jìn)行定量分析，從而測(cè)出飛灰含碳量.

此法具有操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、準(zhǔn)確度高、分析速度快，以及試樣微量化等優(yōu)點(diǎn).但此法的分析時(shí)間需要1 h左右，不能做到實(shí)時(shí)快捷，且檢測(cè)過(guò)程操作復(fù)雜，儀器價(jià)格昂貴，不易推廣使用.由于無(wú)法檢測(cè)體系在受熱過(guò)程中逸出的揮發(fā)性組分，使得熱分析技術(shù)難以推廣.目前，熱重分析法常與質(zhì)譜等其他先進(jìn)的檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)用.美國(guó)LECOTGA2601熱重分析儀一次稱量可同時(shí)測(cè)定19個(gè)樣品，測(cè)量過(guò)程均由儀器按程序控制，可檢測(cè)樣品的水分、揮發(fā)分、灰分、固定碳等項(xiàng)目.

1.4 流化床CO2法

流化床CO2法［7］的測(cè)量原理是通過(guò)向流化床燃燒室供給一定數(shù)量的空氣，將飛灰中的碳燃燒成CO2，測(cè)量CO2含量并據(jù)此算出飛灰的含碳量.

此法具有測(cè)量準(zhǔn)確性較高、測(cè)量結(jié)果與灰質(zhì)和灰種基本無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn).此法的缺點(diǎn)是送入的空氣量要很精確，而工程實(shí)踐中很難保證流化床燃燒室嚴(yán)格的密封性.此外，飛灰中的碳酸鹽會(huì)出現(xiàn)受熱分解出CO2的現(xiàn)象，這會(huì)影響測(cè)量精度.此法的主要產(chǎn)品有英國(guó)Bristol Babrock Lid公司的Clgm飛灰測(cè)碳儀，樣品量約為2.5 g，測(cè)量時(shí)間約5 min，測(cè)量精度為 0.5%.

1.5 激光感生擊穿光譜法

激光感生擊穿光譜法［8］的測(cè)量原理是當(dāng)一束高功率的脈沖激光光束集中照射到樣品時(shí)，樣品燒蝕為高溫等離子體，通過(guò)測(cè)量等離子體發(fā)射光譜對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和強(qiáng)度就可以得到所測(cè)對(duì)象中的組成元素及其濃度大小.

此法屬于非接觸實(shí)時(shí)測(cè)量，無(wú)需取樣和進(jìn)行樣品預(yù)處理，一次光譜可測(cè)量多種組分，測(cè)量對(duì)象包括固體、液體和氣體，具有高檢測(cè)靈敏度.但此法除了需要對(duì)譜線數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定外，其激光能量與碳元素強(qiáng)度密切相關(guān)，會(huì)導(dǎo)致粉煤灰樣品燒蝕不穩(wěn)定，探測(cè)到的譜線強(qiáng)度不能準(zhǔn)確反應(yīng)出樣品中的碳元素含量，影響測(cè)量的精確性.因此，在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)選擇合適的激光能量，適當(dāng)降低靶面附近的激光能量密度，避免空氣的強(qiáng)烈擊穿.華中科技大學(xué)開發(fā)出了激光感生擊穿光譜煤質(zhì)分析儀.

1.6 微波法

微波法是目前研究最多、測(cè)量速度最快、商業(yè)化程度最高的一種測(cè)量方法.它又可分為微波吸收法和微波諧振法兩種.其中微波吸收法［9］是根據(jù)飛灰中的碳粒吸收微波誘導(dǎo)而產(chǎn)生渦流的原理，飛灰中含碳量越高，導(dǎo)電率就越高，由感生電流產(chǎn)生的熱量也越高，吸收的微波就越多，因此測(cè)量剩余微波能量的大小就可測(cè)定飛灰含碳量.而微波諧振法［10］是利用微波電路中諧振腔內(nèi)部電場(chǎng)能與磁場(chǎng)能可相互交替變化的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的.由于諧振時(shí)電場(chǎng)能與磁場(chǎng)能的幅值相等，失諧時(shí)這兩種能量不能自行轉(zhuǎn)化，從而使諧振腔具有選頻特性.當(dāng)在腔中引入小體積的飛灰產(chǎn)生微擾時(shí)，將導(dǎo)致諧振頻率等參量發(fā)生微小變化，根據(jù)微擾前的物理量和微擾后的測(cè)量值來(lái)計(jì)算諧振腔體參量的改變量，從而確定飛灰的含碳量.

微波法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快、精度高、儀器簡(jiǎn)單、生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用低且環(huán)境無(wú)污染，因而在國(guó)內(nèi)燃煤鍋爐中得到廣泛應(yīng)用.此法的缺點(diǎn)是需要進(jìn)行標(biāo)定，難以適應(yīng)目前火電廠煤質(zhì)多變的情況，且測(cè)量腔容易堵灰，嚴(yán)重的堵灰會(huì)導(dǎo)致儀器無(wú)法使用.此外，采用單點(diǎn)撞擊式取樣器，取出的灰樣中大顆粒居多，灰樣代表性差，測(cè)量準(zhǔn)確度不高，只能反映飛灰含碳量的變化趨勢(shì).

近年提出的煙道內(nèi)置式微波法測(cè)碳系統(tǒng)［11］采用了無(wú)灰路直接測(cè)量方式，將煙道作為測(cè)量腔，且將微波傳感器安裝在鍋爐尾部煙道上，從根本上改變了以往必須采用取樣系統(tǒng)才能完成的飛灰含碳量的測(cè)量.它無(wú)取樣管路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小，可使微波信號(hào)沿垂直氣流方向快速穿越整個(gè)煙道，測(cè)量在瞬間完成，真正做到了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量，解決了現(xiàn)有微波法存在的采樣代表性不夠和管路堵灰問(wèn)題.但目前仍存在著微波能量向煙氣通道兩端逸散、煙道飛灰密度不穩(wěn)定、電子器件受環(huán)境溫度影響產(chǎn)生的特性變化等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外都在作相關(guān)的研究與產(chǎn)品開發(fā)工作.

采用微波法的產(chǎn)品數(shù)量較多，如澳大利亞CSIRO礦產(chǎn)和工程公司開發(fā)的微波測(cè)碳儀，測(cè)量精度在0.08% ～0.28%之間，測(cè)量時(shí)間小于3 min;深圳賽達(dá)力電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MCM型飛灰測(cè)碳儀，測(cè)量精度為約0.5%.

1.7 光聲效應(yīng)法

在光聲效應(yīng)法［12］的測(cè)試過(guò)程中，需要將樣品放在密封的光聲池內(nèi)，用脈沖單色光照射，以吸收光中的能量，并轉(zhuǎn)為熱能傳播到周圍的氣體中.樣品池頂端高靈敏度的微音器就能檢測(cè)到由此引起的聲信號(hào)，由于聲信號(hào)的強(qiáng)度與樣品吸收光的能量成正比，因此通過(guò)檢測(cè)聲信號(hào)就可以檢測(cè)粉煤灰中的含碳量.

此法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)快捷、操作方便、成本低廉、精度較高，以及受粉煤灰中其他成分影響小等.此法的缺點(diǎn)是由于不同的粉煤灰樣品的密度等性質(zhì)差別很大，檢測(cè)之前需對(duì)被測(cè)的粉煤灰樣品進(jìn)行標(biāo)定;粉煤灰樣品的成分非常復(fù)雜，其他礦物成分產(chǎn)生的光聲效應(yīng)會(huì)不同程度地影響測(cè)試結(jié)果;自然狀態(tài)下的粉煤灰材料很不均勻，其成分復(fù)雜，且顆粒大小分布較大，測(cè)量的精確性和可重復(fù)性會(huì)受影響;測(cè)量結(jié)果還受氣煤流度、溫濕度變化、管道內(nèi)壓力，以及煤粉分散度等多種因素影響.美國(guó)Ametek公司設(shè)計(jì)了商用型的光聲測(cè)量?jī)xCarbon Analyzer(CA200).

1.8 電容法

電容法［13］是根據(jù)將飛灰作為電介質(zhì)，認(rèn)為飛灰的介電常數(shù)是飛灰中含碳量的函數(shù)，含碳量的變化引起介電常數(shù)的變化這一原理進(jìn)行測(cè)量的.它通過(guò)測(cè)量電容式傳感器的電容值，可測(cè)得飛灰中的含碳量.

此法具有非接觸式、安全可靠、安裝容易、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn).但介電常數(shù)與飛灰含碳量之間并非線性關(guān)系，其參數(shù)關(guān)系難以用解析式描述.另外，介電常數(shù)會(huì)隨著飛灰中水分的改變而變化，此法不適宜水分經(jīng)常變化的飛灰含碳量測(cè)量.浙江省電力建設(shè)總公司開發(fā)出了電容式測(cè)碳儀.

1.9 靜電法

靜電法［14］的依據(jù)是:在煤量一定的情況下，由煤粉粒子形成的靜電場(chǎng)的大小與粉體的相對(duì)介電常數(shù)成反比，而粉體的介電常數(shù)與煤粉的含碳量成正比.因此，在煤粉濃度、溫度一定的情況下，由特殊制造的靜電場(chǎng)感應(yīng)傳感器采集到靜電場(chǎng)的強(qiáng)、弱信號(hào)，經(jīng)分析、處理、放大后傳輸至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而輸出當(dāng)前煤粉的含碳量.

此法快速實(shí)時(shí)、運(yùn)行可靠、維護(hù)容易，其測(cè)量精度達(dá)到0.5%，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求.但由于鍋爐負(fù)荷變化對(duì)測(cè)量值有影響，因此要用給煤機(jī)對(duì)煤量進(jìn)行修正，需要標(biāo)定后才能使用.南京大得科技有限公司開發(fā)出了PCM-2000型靜電法煤粉含碳量測(cè)量?jī)x.

2 飛灰含碳量的軟測(cè)量方法

各種測(cè)碳儀由于技術(shù)或成本的原因難以成功地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，而電廠出于提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，又迫切要求能夠快速、精確測(cè)量飛灰含碳量.軟測(cè)量技術(shù)是利用一些易于實(shí)時(shí)測(cè)量的、與被測(cè)變量密切相關(guān)的變量(二次變量)，通過(guò)在線分析來(lái)估計(jì)不可測(cè)或難測(cè)的變量的方法.軟測(cè)量為飛灰含碳量的實(shí)時(shí)測(cè)量提供了一種重要手段，它具有泛化能力好、運(yùn)算時(shí)間短、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的推廣應(yīng)用前景.飛灰含碳量的軟測(cè)量方法主要有數(shù)值計(jì)算建模和智能建模兩種［15-28］.由于飛灰含碳量的諸多影響因素具有耦合性強(qiáng)、非線性強(qiáng)等特征，鍋爐飛灰含碳量的軟測(cè)量適合采用智能建模法.

2.1 數(shù)值計(jì)算建模法

通過(guò)數(shù)值計(jì)算法測(cè)量能夠較為準(zhǔn)確地獲得飛灰含碳量值，并且能夠指導(dǎo)如何控制飛灰含碳量的生成.國(guó)內(nèi)外研究者已提出了多種飛灰含碳量數(shù)值計(jì)算方法，如文獻(xiàn)［15］通過(guò)將爐膛從冷灰斗到大屏底部進(jìn)行分切片，將爐膛分為若干區(qū)段，根據(jù)各區(qū)段間的能量平衡和物質(zhì)平衡，建立對(duì)實(shí)際鍋爐煤粉燃盡率與飛灰含碳量預(yù)測(cè)的一維計(jì)算方法.

此法直接利用電站鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，這些運(yùn)行數(shù)據(jù)可以覆蓋鍋爐的整個(gè)運(yùn)行工況，具有很好的代表性，其建模精度較高.但由于建模時(shí)考慮的方向不同，使它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性，且計(jì)算時(shí)作出一些假設(shè)或簡(jiǎn)化，因此其預(yù)測(cè)模型的測(cè)量精度會(huì)受到影響，很難用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

2.2 智能建模法

智能建模運(yùn)用人工智能方法，利用火電廠DCS系統(tǒng)及其他現(xiàn)有系統(tǒng)豐富的數(shù)據(jù)資源，具有建模精度高、通用性好的特點(diǎn)，可及時(shí)準(zhǔn)確地建立模型.

智能建模法一般對(duì)電站鍋爐飛灰含碳量進(jìn)行實(shí)爐試驗(yàn)，以獲得特定工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)應(yīng)用人工智能技術(shù)建立模型.但是由于試驗(yàn)的工況有限，并不能代表鍋爐的整個(gè)運(yùn)行工況，因此建立的模型并不能很好地反映鍋爐飛灰含碳量的變化.

2.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種非線性模擬的具有生命力的方法，已廣泛應(yīng)用于軟測(cè)量建模過(guò)程.BP網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣泛的多層前向網(wǎng)絡(luò)，它能實(shí)現(xiàn)任何非線性連續(xù)映射，在飛灰含碳量進(jìn)行軟測(cè)量建模時(shí)，大都采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行辨識(shí)建模.如文獻(xiàn)［16］以熱態(tài)實(shí)爐試驗(yàn)數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本，采用改進(jìn)算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立了大型四角切圓燃燒鍋爐飛灰含碳量特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.文獻(xiàn)［17］在分析鍋爐飛灰含碳量的影響因素和鍋爐燃燒特性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了鍋爐飛灰含碳量在線軟測(cè)量的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果.

由于BP算法存在訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)、收斂速度慢、收斂于局部極小點(diǎn)等缺陷，因此出現(xiàn)了多種BP網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)算法和優(yōu)化算法，如附加運(yùn)量法、自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率、L-M算法、GA算法、BFGS法等，一些改進(jìn)措施被用于飛灰含碳量的軟測(cè)量.例如，文獻(xiàn)［18］采用基于L-M算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了飛灰含碳量軟測(cè)量模型;文獻(xiàn)［19］采用了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法(GA)的新型軟測(cè)量模型，獲得了當(dāng)前最佳的鍋爐燃燒調(diào)整方式，解決了鍋爐變工況下運(yùn)行參數(shù)基準(zhǔn)值的問(wèn)題，從而使預(yù)測(cè)更加快速、準(zhǔn)確.

RBF網(wǎng)絡(luò)在一定程度上解決了BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)和存在局部極值的問(wèn)題，具有收斂速度快、全局優(yōu)化的特點(diǎn)，目前在建模中應(yīng)用較廣.文獻(xiàn)［20］采用BP網(wǎng)絡(luò)的L-M算法、BFGS算法和RBF網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了飛灰含碳量軟測(cè)量建模，模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明RBF網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練精度最高、耗時(shí)最短，L-M算法次之，BFGS算法相對(duì)較差，但這3種算法在訓(xùn)練速度和精度上均優(yōu)于BP改進(jìn)算法.

2.2.2 支持向量機(jī)法

支持向量機(jī)法(SVM)應(yīng)用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化(SRM)原則，有效地解決了機(jī)器學(xué)習(xí)理論中的泛化問(wèn)題.該方法的優(yōu)點(diǎn)包括:最小化結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)函數(shù)有效地抑制了欠學(xué)習(xí)和過(guò)學(xué)習(xí)現(xiàn)象，獲得了良好的泛化能力;該算法轉(zhuǎn)化為一個(gè)二次規(guī)劃問(wèn)題，得到全局最優(yōu)點(diǎn)，解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部極小值問(wèn)題;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只與支持向量有關(guān)，計(jì)算速度快，更適合于在線應(yīng)用;適合于小樣本學(xué)習(xí).文獻(xiàn)［21］利用支持向量機(jī)建立了大型四角切圓燃燒鍋爐飛灰含碳量特性的模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了訓(xùn)練和校驗(yàn)，結(jié)果表明所建模型能根據(jù)燃煤特性及相關(guān)操作參數(shù)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)鍋爐在不同工況下的飛灰含碳量特性，并具有良好的泛化性.

最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)是標(biāo)準(zhǔn)SVM在二次損失函數(shù)下的形式，把模型優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性方程組的求解，大大提高了求解速度.文獻(xiàn)［22］針對(duì)某300 MW 四角切圓電廠鍋爐的實(shí)測(cè)工況數(shù)據(jù)，采用LS-SVM方法進(jìn)行飛灰含碳量軟測(cè)量建模研究，引入了局部學(xué)習(xí)思想，采用改進(jìn)的核函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了模型參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化.

支持向量機(jī)能夠有效地解決高維問(wèn)題，但是輸入變量之間存在的線性與非線性屬性影響了模型的精度和泛化能力.

2.2.3 集成軟測(cè)量法

一般采用機(jī)理分析來(lái)選取軟測(cè)量的輔助變量，但是由于對(duì)象機(jī)理的復(fù)雜性，往往會(huì)擴(kuò)大輔助變量的選擇范圍，使得樣本數(shù)據(jù)過(guò)于龐大.因此，出現(xiàn)了飛灰含碳量軟測(cè)量的混合建模方法.例如，文獻(xiàn)［23］采用將主元回歸分析(PCA)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的混合建模方法進(jìn)行了含碳量在線測(cè)量，既保留了原始變量的特征信息，又簡(jiǎn)化了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混合模型與單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比可以獲得較高的測(cè)量精度.文獻(xiàn)［24］提出了KPCASVM的飛灰含碳量軟測(cè)量建模方法，并對(duì)某300 MW四角切圓鍋爐不同工況下的飛灰含碳量進(jìn)行預(yù)測(cè)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了這種建模方法的有效性和優(yōu)越性，說(shuō)明其具有良好的推廣應(yīng)用前景.文獻(xiàn)［25］提出了偏最小二乘與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合模型，簡(jiǎn)化了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，減少了訓(xùn)練時(shí)間，保證了模型的精確度.

2.2.4 數(shù)據(jù)融合法

由于飛灰樣品的密度、粒度、溫度、濕度，以及飛灰中各種礦物質(zhì)的含量等都對(duì)測(cè)量精度有影響，因此需要采用多個(gè)傳感器從不同角度檢測(cè)被測(cè)介質(zhì)的特性，然后利用數(shù)據(jù)融合將多個(gè)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和集成，降低了各種因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提取出被測(cè)對(duì)象的有效信息，形成對(duì)被測(cè)對(duì)象信息全面和完整的描述.這樣可獲得比單個(gè)傳感器或多個(gè)傳感器的算術(shù)平均值更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，從而提高了測(cè)量的精度和穩(wěn)定性.

文獻(xiàn)［26］采用目前廣泛使用的煙道式微波測(cè)碳儀進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，但在實(shí)際中煙氣密度和流速對(duì)儀器的測(cè)量精度有很大影響，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大波動(dòng)，因而通過(guò)選擇和設(shè)計(jì)合適的傳感器測(cè)量出微波功率衰減、相位變化量、煙道煙氣密度和流速這4個(gè)與飛灰含碳量測(cè)量結(jié)果強(qiáng)相關(guān)的特征量，獲得了對(duì)飛灰含碳量的多維信息描述，并選用基于L-M優(yōu)化算法的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)互補(bǔ)的多傳感器的信息進(jìn)行有效融合，從而提高了飛灰含碳量的測(cè)量精度和測(cè)量穩(wěn)定性.

3 結(jié)論

(1)物理測(cè)量方法中，微波吸收法具有測(cè)量速度快、精度高、設(shè)備簡(jiǎn)便、生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，其效果明顯好于其他物理測(cè)量方法，但此法制成的設(shè)備存在測(cè)量腔堵灰問(wèn)題，而煙道式飛灰微波測(cè)碳系統(tǒng)解決了堵灰問(wèn)題，目前應(yīng)用較為廣泛.

(2)由于物理測(cè)量方法存在設(shè)備復(fù)雜、造價(jià)高、維護(hù)成本高、測(cè)量精度影響因素多等缺點(diǎn)，而軟測(cè)量方法具有泛化能力好、預(yù)測(cè)精度高、適應(yīng)范圍廣、計(jì)算簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此軟測(cè)量方法會(huì)有較好的推廣應(yīng)用前景.

［1］熊東平.燒失法在線飛灰測(cè)碳裝置在600 MW機(jī)組中的應(yīng)用［J］.電力設(shè)備，2007，8(12):82-83.

［2］OUAZZANE A K，CASTAGNER J L，JONES A R，et al.Design of an optical instrument to measure the carbon content of fly ash［J］.Fuel，2002，81(15):1 907-1 911.

［3］何倫英，徐麗輝.紅外吸收法測(cè)定碳含量的測(cè)量不確定度評(píng)定［J］.化學(xué)分析計(jì)量，2006，15(4):13-14.

［4］潘理黎，王佳瑩，楊玉峰，等.火電廠飛灰含碳量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)狀［J］.熱力發(fā)電，2008，37(11):10-14.

［5］楊振華，向鐘，楊建康.低能X射線散射熒光法快速測(cè)煤灰及爐渣中的殘?zhí)剂浚跩］.煤質(zhì)技術(shù)，2003(2):44-46.

［6］徐朝芬，孫學(xué)信，郭欣.熱重分析試驗(yàn)中影響熱重曲線的主要因素分析［J］.熱力發(fā)電，2005(6):34-36.

［7］劉鴻，周克毅.鍋爐飛灰測(cè)碳儀的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.鍋爐技術(shù)，2004，35(2):65-68.

［8］吳戈，陸繼東，余亮英，等.激光感生擊穿光譜技術(shù)測(cè)量飛灰含碳量［J］.熱能動(dòng)力工程，2005，20(4):365-369.

［9］張揚(yáng)，馬道林，陸明.微波在線飛灰含碳量測(cè)定技術(shù)及分析［J］.發(fā)電設(shè)備，2006(3):180-184.

［10］KATARZYNA S G，JANUSZ G，HENRYK J，et al.Characterization of the coal fly ash for the purpose of improvement of industrial on-line measurement of unburned carbon content［J］.Fuel，2004，83(13):1 847-1 853.

［11］李強(qiáng)，宣益民，馮長(zhǎng)青，等.MCE-I型煙道式飛灰含碳量在線測(cè)量系統(tǒng)的研制［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24(3):523-526.

［12］MAOHONG F，ROBERT C，BROWN S.Precision and accuracy of photo-acoustic measurements of unburned carbon in fly ash［J］.Fuel，2001，80(11):1 545-1 554.

［13］陳一帆.電容式測(cè)碳儀測(cè)量原理分析［J］.浙江電力，2003(3):58-60.

［14］王建國(guó)，姜忠.燃煤含碳量在線測(cè)量裝置的研究［J］.湖南電力，2009，29(2):25-27.

［15］唐良廣，鄭楚光，趙海波.實(shí)際鍋爐中煤粉燃盡率與飛灰含碳量的預(yù)測(cè)［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29(1):14-17.

［16］周昊，朱洪波，曾庭華，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大型電廠鍋爐飛灰含碳量建模［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(6):96-100.

［17］陳強(qiáng)，王培紅，李琳，等.電站鍋爐飛灰含碳量在線軟測(cè)量模型算法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29(2):45-49.

［18］李智，蔡九菊，郭宏.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電站鍋爐飛灰含碳量軟測(cè)量系統(tǒng)［J］.節(jié)能技術(shù)，2004，22(4):6-7.

［19］陳敏生，劉定平.電站鍋爐飛灰含碳量的優(yōu)化控制［J］.動(dòng)力工程，2005，25(4):545-549.

［20］王海群，張素貞，劉軍.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在燃煤鍋爐含碳量測(cè)量中的應(yīng)用［J］.鍋爐技術(shù)，2004，35(2):35-35.

［21］王春林，周昊，周樟華，等.基于支持向量機(jī)的大型電廠鍋爐飛灰含碳量建模［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(20):72-76.

［22］ZHANG Gui-wei，BAO Lin.Soft-sensing modeling of the carbon content in fly ash based on information fusion for thermal power plant［C］//Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation， China，Changchun:2009:3 860-3 865.

［23］譚浩藝，陳紹炳，周自強(qiáng).基于PCA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鍋爐煤質(zhì)的軟測(cè)量［J］.能源技術(shù)，2009，30(1):9-11.

［24］陳敏生，劉定成.基于核主元分析和支持向量機(jī)的電站鍋爐飛灰含碳量軟測(cè)量建模［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33(1):72-75.

［25］楊國(guó)強(qiáng).反向建模方法在電站鍋爐飛灰含碳量測(cè)量中的應(yīng)用［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010.

［26］牛培峰，化克，張現(xiàn)平.基于信息融合技術(shù)的鍋爐飛灰含碳量測(cè)控系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(6):1 207-1 210.