一種改進(jìn)煙氣含氧量軟測(cè)量建模方法與仿真

陳彥橋, 郭 一, 劉建民, 劉金琨

(1.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京100191;2.國電科學(xué)技術(shù)研究院,南京210031)

保持鍋爐燃燒過程的最佳狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)性是鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制的重要任務(wù).工程上通過測(cè)量與過量空氣系數(shù)密切相關(guān)的煙氣中O2的體積分?jǐn)?shù)(含氧量)φ(O2)來間接反映燃料風(fēng)量配比的好壞.但是,目前測(cè)量煙氣含氧量的氧量分析儀精度不高、投資大、使用壽命短,而且測(cè)量滯后較大,不利于過程的在線監(jiān)視和提供在線閉環(huán)控制所需的反饋信號(hào),從而直接影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)燃燒.

近年來,軟測(cè)量技術(shù)的研究十分活躍.軟測(cè)量技術(shù)是利用一些較易在線測(cè)量(與被測(cè)變量聯(lián)系密切)的輔助變量,通過在線分析,去估計(jì)不可測(cè)或難測(cè)變量的方法.目前存在的氧量軟測(cè)量模型大多采用與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)相結(jié)合的軟測(cè)量建模方法[1-3],但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是“黑箱”結(jié)構(gòu),預(yù)測(cè)合理與否不清楚.機(jī)理模型的工程背景明確,相應(yīng)的軟測(cè)量模型也較簡(jiǎn)單,是工程界最容易接受的軟測(cè)量方法[4],但模型的有些機(jī)理不能完全透徹分析.采用統(tǒng)計(jì)分析方法獲得軟測(cè)量模型是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向,它主要依靠對(duì)現(xiàn)場(chǎng)收集到的試驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的潛在規(guī)律和關(guān)系,建立預(yù)測(cè)模型[5].氧量軟測(cè)量模型可以進(jìn)一步應(yīng)用于構(gòu)造熱量信號(hào)[6]以及分析汽包蓄熱系數(shù)[7].

本文在對(duì)煙氣含氧量測(cè)量過程機(jī)理分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析建模的優(yōu)點(diǎn),建立煙氣含氧量的軟測(cè)量模型.首先用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與擬合方法對(duì)爐膛總風(fēng)量進(jìn)行了修正;然后用幅值限制濾波器對(duì)熱量信號(hào)中的汽包壓力進(jìn)行濾波;最后采用統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)對(duì)單位熱量所消耗的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的最佳過量空氣系數(shù)KR進(jìn)行了尋優(yōu)和改進(jìn).修正后的氧量軟測(cè)量模型測(cè)量精度明顯提高,并有一定的信號(hào)超前度.該軟測(cè)量模型不僅可以取代現(xiàn)有的氧量監(jiān)測(cè)設(shè)備,還可以與燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合,用于燃燒調(diào)整.

1 煙氣軟測(cè)量模型的基本原理

以在線測(cè)量得到的鍋爐煙氣含氧量計(jì)算氧量,其原理是利用DCS系統(tǒng)中已有的信號(hào),通過建立鍋爐燃燒過程動(dòng)態(tài)模型,并采用信息融合技術(shù)將靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型結(jié)合,計(jì)算得到氧量[4].

鍋爐煙氣含氧量是由進(jìn)入鍋爐的煤量和風(fēng)量確定的.煤量的意義包括煤的質(zhì)量流量和煤的化學(xué)成分,風(fēng)量為參與燃燒的總風(fēng)量,包括鍋爐的一次風(fēng)、二次風(fēng)、負(fù)壓運(yùn)行制粉系統(tǒng)的漏風(fēng)和爐膛漏風(fēng)等.氧量模型計(jì)算的關(guān)鍵是獲得準(zhǔn)確的煤量及風(fēng)量.

鍋爐煙氣含氧量φ(O2)的計(jì)算公式為

式中:Qs為鍋爐靜態(tài)有效吸熱量;KR為單位熱量所消耗的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的過量空氣系數(shù);V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣量.

對(duì)于投油助燃的機(jī)組

式中:K0為油產(chǎn)生的單位熱量耗氧量;q0為油質(zhì)量流量;R0為油發(fā)熱量.

KR的計(jì)算公式為

式中:C m為碳的分子質(zhì)量;H m為氫的分子質(zhì)量;q c為碳發(fā)熱量;qh為氫發(fā)熱量;Kch為碳?xì)滟|(zhì)量比;Vmol為分子體積.

式中KR計(jì)算結(jié)果約為0.26,根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況可能需要調(diào)整.

鍋爐有效吸熱量計(jì)算

式中:qss為過熱蒸汽流量;qrs為再熱蒸汽流量;hss為過熱蒸汽焓;hw為給水焓;hrs為再熱蒸汽焓;hhs為高壓缸排汽焓.

式中:cp為煙氣的比定壓熱容;ρ為煙氣密度;Ty為排煙溫度.

送風(fēng)量折成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的風(fēng)量為

式中:p、V、T分別為實(shí)際測(cè)量狀況下的壓力、體積流量和溫度;p0、V0、T0分別為折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力、體積流量和溫度,V0的單位為km3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀況壓力為101.3 k Pa).

為加快氧量對(duì)燃料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,加入熱量信號(hào)的鍋爐吸熱量公式為

式中:K為平衡系數(shù);Ts為濾波系數(shù);Qd為DEB熱量信號(hào).

2 煙氣含氧量軟測(cè)量模型的改進(jìn)

2.1 漏風(fēng)量的修正

由于差壓的存在和系統(tǒng)不可能在完全密封的狀態(tài)下運(yùn)行,所以鍋爐系統(tǒng)存在各種漏風(fēng),主要有空氣預(yù)熱器漏風(fēng)、制粉系統(tǒng)漏風(fēng)和爐膛漏風(fēng).由于漏風(fēng)的存在使實(shí)際進(jìn)入爐膛參與燃燒的總空氣量發(fā)生變化,影響燃燒過程的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,相應(yīng)地也就改變了尾部煙氣含氧量的值.

2.1.1 鍋爐系統(tǒng)漏風(fēng)的組成

(1)空氣預(yù)熱器漏風(fēng)

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)包括直接漏風(fēng)和攜帶漏風(fēng).直接漏風(fēng)量的大小與空氣側(cè)和煙氣側(cè)的壓差的平方根成正比,即

式中:QD為直接漏風(fēng)量;K為泄漏系數(shù),與受熱面及罩殼間的間隙面積和灰阻系數(shù)有關(guān);pA和pB分別為煙氣側(cè)和空氣側(cè)壓力.

(2)爐膛和制粉系統(tǒng)漏風(fēng)

爐膛及制粉系統(tǒng)中漏入的空氣所占的比例很小,負(fù)壓運(yùn)行的鍋爐,漏入冷風(fēng)的絕對(duì)量只與爐膛負(fù)壓有關(guān),與鍋爐的負(fù)荷無關(guān).

(3)水平煙道和尾部煙道漏風(fēng)

由于鍋爐水平煙道和尾部煙道的漏風(fēng)不參與燃燒,對(duì)實(shí)際燃燒風(fēng)煤配比沒有影響,所以本文不考慮其對(duì)尾部煙氣含氧量的影響.

總漏風(fēng)量Qt為

式中:Q L為漏入爐膛的風(fēng)量;Q Z為制粉系統(tǒng)的漏風(fēng)量.

2.1.2 修正方法

(1)漏風(fēng)的影響主要反映在參與燃燒的總風(fēng)量的改變,因而引入漏風(fēng)率的概念:

式中:β為漏風(fēng)率;V為傳感器測(cè)量得到的風(fēng)量;V′為軟測(cè)量模型計(jì)算出的風(fēng)量.

(2)根據(jù)鍋爐煙氣含氧量計(jì)算公式可得

或

式中:φ(O2)為實(shí)測(cè)氧量,%.

(4)定義修正風(fēng)量V 1的計(jì)算公式

由式(14)獲得修正以后的風(fēng)量,并進(jìn)行氧量軟測(cè)量計(jì)算.

2.1.3 保證軟測(cè)量精度的措施

由式(12)或式(13)可知,風(fēng)量修正的正確性很大程度取決于實(shí)測(cè)氧量的準(zhǔn)確性.由于磨損、腐蝕以及老化等原因,氧量表在長(zhǎng)期使用中測(cè)量精度會(huì)逐漸下降.充分考慮這種情況,應(yīng)對(duì)實(shí)測(cè)氧量的數(shù)據(jù)加以限制,可以設(shè)置一個(gè)時(shí)間開關(guān),選取新表1年內(nèi)或者舊表檢修后3個(gè)月內(nèi)測(cè)得的氧量進(jìn)行風(fēng)量修正,以保證軟測(cè)量的精度.

2.2 幅值限制濾波器(ALF)的使用

因?yàn)闊崃啃盘?hào)中使用了汽包壓力,但是汽包壓力受到的干擾比較大,所以需要對(duì)汽包壓力使用一種特殊的濾波器,它的原理框圖見圖1.

圖1 幅值限制濾波器原理圖Fig.1 Principle of Amplitude Limiting Filter

對(duì)于方框圖中的輸出Y(k),其濾波性能與K2的大小有關(guān).合適的K2既可以濾掉工頻干擾,又能保證信號(hào)在正常波動(dòng)時(shí),使具有足夠變化速度的擾動(dòng)信號(hào)通過,從而真實(shí)地反映鍋爐汽包壓力的變化.

2.3 系數(shù)K R的修正

KR是由煤的碳?xì)浔葲Q定的.雖然煤的成分差別較大,但碳?xì)浔冗€是比較一致的,根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),大致分布在15∶1～20∶1之間[4].當(dāng)煤的碳?xì)浔葹?8∶1時(shí),KR大致為0.26;當(dāng)碳?xì)浔仍?5∶1～20∶1之間變化時(shí),此系數(shù)的誤差小于1%.

由于目前火電廠用煤品質(zhì)難以保證,煤質(zhì)相差很大,煤的碳?xì)浔瘸?5∶1～20∶1范圍的可能性非常大.但是煤的碳?xì)浔刃枰嘿|(zhì)化驗(yàn)才能得到,不能實(shí)時(shí)進(jìn)入DCS或者SIS系統(tǒng)中,因此,本文考慮采用相對(duì)煤質(zhì)系數(shù)來代替煤的碳?xì)浔?進(jìn)而通過歷史數(shù)據(jù)挖掘得到相對(duì)煤質(zhì)系數(shù)和KR之間的關(guān)系曲線,以便根據(jù)煤的碳?xì)浔?或相對(duì)煤質(zhì)系數(shù))實(shí)時(shí)修正KR.

式中，?為一種模糊關(guān)系運(yùn)算方式，一般有3種運(yùn)算形式，本文采用加權(quán)平均法進(jìn)行對(duì)應(yīng)的模糊運(yùn)算； fi為駕駛員對(duì)象相對(duì)于駕駛行為評(píng)價(jià)集指標(biāo)的隸屬度.

相對(duì)煤質(zhì)系數(shù)的定義如下:

式中:Kmz為相對(duì)煤質(zhì)系數(shù);N為機(jī)組實(shí)際負(fù)荷;B為機(jī)組總給煤量.

首先根據(jù)相對(duì)煤質(zhì)系數(shù)的變化范圍,劃分成變化較小的區(qū)間,然后在每個(gè)小的變化區(qū)間內(nèi)對(duì)各個(gè)連續(xù)時(shí)間段進(jìn)行K R尋優(yōu),以軟測(cè)量氧量和實(shí)測(cè)氧量的方差最小為標(biāo)準(zhǔn),最后對(duì)每個(gè)相對(duì)煤質(zhì)系數(shù)及其對(duì)應(yīng)的最佳KR進(jìn)行擬合,獲得近似關(guān)系式:

擬合曲線見圖2.

圖2 煤質(zhì)系數(shù)與K R的擬合曲線Fig.2 Fitting curve of coal quality coefficient and K R

2.4 測(cè)量滯后的改進(jìn)

傳統(tǒng)工藝上,采用氧化鋯傳感器等氧量測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量氧量,這種方法存在測(cè)量滯后的問題.軟測(cè)量不采用直接的物理傳感器實(shí)體,不涉及化學(xué)反應(yīng),利用軟測(cè)量的方法可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)氧量表的這一缺點(diǎn),能比較真實(shí)地反應(yīng)氧量的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì).

3 仿真研究

利用某電廠歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證.首先將未改進(jìn)時(shí)的軟測(cè)量氧量與實(shí)測(cè)氧量作對(duì)比;再將修正總風(fēng)量后的軟測(cè)量氧量與實(shí)測(cè)氧量作對(duì)比.在此基礎(chǔ)上,再對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)中的汽包壓力進(jìn)行濾波并將按此方法計(jì)算得到的氧量與實(shí)測(cè)氧量作對(duì)比.最后,在前面工作的基礎(chǔ)上對(duì)KR進(jìn)行修正,并與實(shí)測(cè)氧量進(jìn)行對(duì)比.

每次對(duì)比都獲得最大偏差、均方差和相關(guān)系數(shù).設(shè)X為計(jì)算氧量,Y為實(shí)測(cè)氧量,n為采樣點(diǎn)數(shù)量.

(1)最大偏差λ為

(2)均方差σ為

σ可反映計(jì)算值相對(duì)于測(cè)量值的整體偏離程度.

(3)協(xié)方差為

(4)相關(guān)系數(shù)為

γ可反映計(jì)算值與測(cè)量值的關(guān)聯(lián)程度.

仿真結(jié)果見圖3～圖5,獲得的各項(xiàng)指標(biāo)見表1.

圖3 修正風(fēng)量后計(jì)算氧量與實(shí)測(cè)氧量對(duì)比圖Fig.3 Comparison between calculated oxygen content by air flow correction and actual oxygen content

圖4 ALF濾波后計(jì)算氧量與實(shí)測(cè)氧量對(duì)比圖Fig.4 Comparison between calculated oxygen content with ALF and actual oxygen content

圖5 修正K R后計(jì)算氧量與實(shí)測(cè)氧量對(duì)比圖Fig.5 Comparison between calculated oxygen content by K R correction and actual oxygen content

表1 各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比表Tab.1 Comparison of various indices

從仿真結(jié)果看,風(fēng)量修正后各項(xiàng)指標(biāo)均有改善,其中均方差指標(biāo)的改善明顯.對(duì)熱量信號(hào)中的汽包壓力進(jìn)行濾波后,雖然最大偏差有微小增大,但另兩項(xiàng)指標(biāo)都有所改善.修正KR后,最大偏差明顯改善,另兩項(xiàng)指標(biāo)也有改善.

此外,模型改進(jìn)后,動(dòng)態(tài)特性也有所改善,計(jì)算值比測(cè)量值約有半分鐘的超前,能彌補(bǔ)傳感器測(cè)量滯后的不足,見圖6.

圖6 氧量對(duì)比局部放大圖Fig.6 Lacal zoom out drawing of oxygen content comparison

4 結(jié) 論

對(duì)爐膛總風(fēng)量進(jìn)行修正,使用幅值限制濾波器對(duì)熱量信號(hào)中的汽包壓力進(jìn)行濾波以改善氧量測(cè)量過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng),通過數(shù)據(jù)挖掘方法確定單位熱量所消耗的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的最佳過值空氣系數(shù).通過仿真,證明了氧量軟測(cè)量模型改進(jìn)的有效性,改進(jìn)后的軟測(cè)量模型具備較高的計(jì)算精度和較快的響應(yīng)速度,可為鍋爐送風(fēng)和燃燒優(yōu)化系統(tǒng)提供有益的幫助.

[1] 韓璞,王東風(fēng),翟永杰.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火電廠煙氣含氧量軟測(cè)量[J].信息與控制,2001,30(2):189-192. HAN Pu,WANG Dongfeng,ZHAI Yongjie.Softsensing of O2content in flue gas of power plant based on neural networks[J].Information and Control, 2001,30(2):189-192.

[2] 熊志化,邵惠鶴,張衛(wèi)慶.基于支持向量機(jī)的火電廠煙氣含氧量軟測(cè)量[J].測(cè)控技術(shù),2004,23(8):15-16. XIONG Zhihua,SHAO Huihe,ZHANG Weiqing.SVM-based soft sensor applied to O2content in flue gas in the power plant[J].Measurement&Control Technology,2004,23(8):15-16.

[3] 趙成玉.300 MW機(jī)組鍋爐煙氣含氧量邏輯計(jì)算探討[J].華北電力技術(shù),2007,37(8):12-15. ZHAO Chengyu.Discussion on calculation of oxygen content in boiler flue gas for 300 MW unit[J].North China Electric Power,2007,37(8):12-15.

[4] 盧勇,徐向東.煙氣含氧量軟測(cè)量新方法研究[J].熱能動(dòng)力工程,2002,17(6):614-617. LU Yong,Xü Xiangdong.The study of a new method incorporating the soft sensing of oxygen-content in flue gases[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2002,17(6):614-617.

[5] 趙征,曾德良,田亮,等.基于數(shù)據(jù)融合的氧量軟測(cè)量研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(7):7-12. ZHAO Zheng,CENG Deliang,TIAN Liang,et al.Research on soft-sensing of oxygen content based on data fusion[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(7):7-12.

[6] 劉鑫屏,田亮,趙征,等.汽包鍋爐蓄熱系數(shù)的定量分析[J].動(dòng)力工程,2008,28(2):216-220. LIU Xinping,TIAN Liang,ZHAO Zheng,et al.The quantitative analysis of the drum boiler heat storage coefficien[J].Journal of Power Engineering,2008,28(2):216-220.

[7] 張建生,曾德良,趙征,等.協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能量指令及參數(shù)整定分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2002,29(4):60-64. ZHANG Jiansheng,CENG Deliang,ZHAO Zheng,et al.Energy demand and parameter adjustment of DEB400 coordinated contol system[J].Journal of North China Electric Power University,2002,29(4):60-64.