火電廠熱工參數(shù)軟測量技術(shù)研究

樂鷹，康瑞庭

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

對于火力發(fā)電廠而言，優(yōu)化燃燒方式、效率是控制運行成本、提高經(jīng)濟效益的重要方式，然而優(yōu)化燃燒方式和效率需要先做好對關(guān)鍵技術(shù)的參數(shù)測量和控制，在火力發(fā)電廠中鍋爐煙氣含量在調(diào)整風(fēng)、煤配比和控制燃燒效率方面作用較大，傳統(tǒng)測量方式并不能很好的控制測量準(zhǔn)確性和及時性，對于火力發(fā)電廠的技術(shù)革新作用偏弱，因此希望對火力發(fā)電廠熱工參數(shù)的測量技術(shù)進行優(yōu)化，通過對參數(shù)準(zhǔn)確性控制和及時性提高來實現(xiàn)對發(fā)電廠生產(chǎn)效率的提高，實現(xiàn)火力發(fā)電廠的節(jié)能降耗。

1 熱工參數(shù)

熱工是工程熱力學(xué)的簡稱，主要是研究將熱力學(xué)與機械做功之間相互轉(zhuǎn)化，以及轉(zhuǎn)化效率的研究學(xué)科，蒸汽機、空調(diào)、反應(yīng)堆等反應(yīng)方式都屬于工程熱力學(xué)研究范疇。熱工參數(shù)是工程熱力學(xué)研究過程中的參考數(shù)據(jù)，主要包括溫度、流量、壓力等，在火力發(fā)電廠中的熱工參數(shù)測量主要是指燃煤發(fā)熱量、煙氣含氧量、飛灰含碳量、磨煤機負(fù)荷等參數(shù)的測量，這些熱工參數(shù)直接影響到火力發(fā)電廠的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟利潤率，是火力發(fā)電廠進步發(fā)展的重要途徑和突破口。

2 軟測量技術(shù)

軟測量是指生產(chǎn)過程中對難以測量或暫時無法測量變量的變相推斷，這種推斷可以通過為其他可測量變量建立數(shù)學(xué)關(guān)系、數(shù)學(xué)模型的方式來實現(xiàn)，軟測量可以使一些難以測量的重要變量更好的參與到技術(shù)、工藝的優(yōu)化之中，幫助企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量進行更好的控制。常見的軟測量技術(shù)包括軟測量模型建立、輔助推斷變量選擇、測量數(shù)據(jù)采集與處理、重要變量推斷等部分，在軟測量技術(shù)衍化過程中出現(xiàn)了很多模型建立的方法，可以有效輔助生產(chǎn)技術(shù)、工藝的優(yōu)化工作。

2.1 主元分析法

主元分析法（Principal Component Analysis，簡寫為PCA）是一種常見的數(shù)據(jù)分析方法，主元分析法通過線性變換將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為新的、與線性無關(guān)的數(shù)據(jù)，從此種轉(zhuǎn)化過程中可以提取出數(shù)據(jù)的主要特征，通常用于高維數(shù)據(jù)降維，在火力發(fā)電廠中運用的主要作用是將難以測量或當(dāng)前科學(xué)水平下不可測量的變量降維測量。降維后的高維變量能夠最大程度上保持降維前的數(shù)據(jù)特征，便于技術(shù)人員對降維后數(shù)據(jù)進行處理，進而得出降維前變量的真實特征和規(guī)律。在火力發(fā)電廠熱工參數(shù)測量過程中，飛灰含碳量等非線性特征變量更適合使用主元分析法進行數(shù)據(jù)測量和處理，只是此法干擾性較大，使用難度較高。

2.2 支持向量機法

支持向量機法（Support Vector Machine，簡寫為SVM）是一種常見的數(shù)據(jù)判別方法，主要用識別、分類、回歸的方式進行數(shù)據(jù)處理和分析。支持向量機法是一種只需要小樣本即可進行分析的方法，是一種由線性變量向非線性變量的擴展分析理論，由于這種擴展的分析方式，這類軟測量技術(shù)才會被成為支持向量法。支持向量法的應(yīng)用使得技術(shù)人員可以根據(jù)有限的樣本來尋求數(shù)據(jù)之間的最優(yōu)關(guān)系，以最小風(fēng)險進行難以測量和當(dāng)前科技水平下不可測量的變量處理，但在樣本數(shù)量較大的情況下，SVM法的處理速度會相對較慢，不適合工業(yè)發(fā)展需求。

2.3 偏最小二乘法

偏最小二乘法是一種利用最小化誤差的平方和最佳函數(shù)進行的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，偏最小二乘法采用最簡潔的方式取得了原本難以測量或當(dāng)前科技水平下不可測量的變量數(shù)據(jù)，并且這種方式所取得的數(shù)據(jù)誤差相對較低。在火力發(fā)電廠中，線性關(guān)聯(lián)度較高的熱工參數(shù)多采用偏最小二乘法進行變量測量，相對而言誤差較小，軟測量技術(shù)分析結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（Artificial Neural Network，簡寫為ANN）是一種較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法中主要通過對人腦組織結(jié)構(gòu)和運行機制的模擬來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的抽象、簡化、處理，是一種現(xiàn)代化、模擬性較高的數(shù)據(jù)信息處理方法，相較于其他軟測量技術(shù)而言，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法更善于處理非線性、隨機、模糊的數(shù)據(jù)群，對于這種大規(guī)模、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、來源不明數(shù)據(jù)群采用模擬人腦的處理方式可以有效濾過大量不可測量的變量，尋找到其中的變化因素，尋找到更適合于火力發(fā)電廠技術(shù)優(yōu)化的方向和突破口。

2.5 模糊理論法

模糊理論法是一種模糊邏輯處理方式，由于這種方式難以用數(shù)學(xué)的方式進行建模，甚至無法進行定量描述，所以并不適合單獨使用，建議將其與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合使用，提高人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的準(zhǔn)確性。

3 軟測量技術(shù)在火力發(fā)電廠熱工參數(shù)方面的應(yīng)用

3.1 煙氣含氧量測量

傳統(tǒng)熱工參數(shù)測量方式主要是通過熱磁式傳感器、氧化鋯傳感器進行，由于煙氣中含有大量的未燃盡煤粉，鍋爐有可能存在漏風(fēng)等情況，使用熱磁式傳感器和氧化鋯傳感器的測量誤差較大，且得到數(shù)據(jù)的及時性較差，且用于測量煙氣含氧量的傳感器使用過程中磨損較大，壽命較短，導(dǎo)致火力發(fā)電廠熱工參數(shù)測量成本較高。采用軟測量技術(shù)進行熱工參數(shù)測量，可以通過對總?cè)剂狭?、風(fēng)量、電流量、給水流量、蒸汽溫度、鍋爐壓力、出口煙氣溫度等參數(shù)對煙氣含氧量進行推導(dǎo)測量，常見的測量方式是偏最小二乘法，也可采用偏最小二乘法與主元分析法、支持向量機法聯(lián)合的方式提高軟測量結(jié)果的有效性。

3.2 飛灰含碳量

傳統(tǒng)飛灰含碳量的測量方式是燃燒失重法、反射法和微波吸收法，然而這三種方法中燃燒失重法存在及時性差，反射法和微波吸收法存在成本高的缺陷，且由于飛灰含碳量還會受到煤礦質(zhì)量、鍋爐運行質(zhì)量的影響，傳統(tǒng)三法無法很好實現(xiàn)對飛灰含碳量的準(zhǔn)確測量。熱工參數(shù)軟測量技術(shù)主要通過基低位發(fā)熱量、揮發(fā)分、水分、灰分、入煤量、煙氣含氧量、鼓風(fēng)量、風(fēng)壓、鍋爐負(fù)荷等參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，由于參數(shù)量較大、種類較多，通常情況下依據(jù)線性測量方法并不能很好的進行飛灰含碳量測量，因此飛灰含碳量的常見軟測量技術(shù)是非線性處理效果較強的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，若參數(shù)獲取有效性比較高，可以采用支持向量機法與偏最小二乘法聯(lián)合的方式進行數(shù)據(jù)處理。

3.3 球磨機負(fù)荷

傳統(tǒng)球磨機負(fù)荷的測量方法主要有振動法、物位法、差壓法、電流法、噪音法，但由于傳統(tǒng)測量方法精確性不高，測量結(jié)果無法準(zhǔn)確指導(dǎo)球磨機進行煤粉研磨，不僅無法控制磨粉的質(zhì)量，還會導(dǎo)致電能的無用消耗。球磨機負(fù)荷軟測量可將入煤量、出入口壓力差、入風(fēng)量、電流量作為參數(shù)進行處理，由于影響球磨機負(fù)荷的各項參數(shù)之間線性結(jié)構(gòu)并不明確，采用支持向量機法與偏最小二乘法聯(lián)合可以得到比較有效的測量結(jié)果，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法也可以得到較好的測量結(jié)果，經(jīng)過軟測量技術(shù)處理的數(shù)據(jù)可以有效提高球磨機研磨的精度和對電能的控制。

3.4 煤炭質(zhì)量

煤炭質(zhì)量對于火力發(fā)電廠多個環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率的影響都十分顯著，因此對于火力發(fā)電廠熱工參數(shù)軟測量技術(shù)必須將煤炭質(zhì)量列入處理行列，且煤炭質(zhì)量的測量處理還需要根據(jù)不同環(huán)節(jié)進行調(diào)整，例如在球磨機環(huán)節(jié)，入機煤炭量、出口煙氣成分組成、發(fā)熱量、球磨機運行狀態(tài)都是煤炭質(zhì)量的軟測量技術(shù)參數(shù)；在鍋爐燃燒環(huán)節(jié)，入機煤炭量、鼓風(fēng)量、電流量、出口煙氣成分組成都是煤炭質(zhì)量的軟測量技術(shù)參數(shù)。由于煤炭質(zhì)量中包含煤種揮發(fā)份、固定碳含量、低溫發(fā)熱量等多個難測變量，且參數(shù)數(shù)量龐大，因此煤炭質(zhì)量的軟測量多采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進行，這種方式可以有效降低煤炭質(zhì)量的測量誤差，最理想狀態(tài)下可將誤差率壓縮在±2%。

3.5 燃燒優(yōu)化

燃燒優(yōu)化是指火力發(fā)電廠經(jīng)過技術(shù)、工藝優(yōu)化實現(xiàn)效率提高、污染降低，其中包含了鍋爐燃燒結(jié)果中的煙氣含氧量控制、飛灰含碳量控制、排煙溫度控制等多個方向，目前我國專家對于燃燒優(yōu)化的思路有較大區(qū)別，第一類專家傾向于采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進行性能優(yōu)化，第二類專家傾向于使用支持向量機法，對煙氣含氧量、飛灰含碳量的測量結(jié)合，第三類專家同樣傾向使用支持向量法，但更傾向于使用鍋爐燃燒效率、煙氣含氧量、排煙溫度的測量結(jié)合。

4 結(jié)語

火力發(fā)電廠的熱工參數(shù)測量主要集中在球磨機負(fù)荷、煙氣含氧量、煙氣溫度、風(fēng)煤比、飛灰含碳量、污染物排放量等部分，致力于為火力發(fā)電廠成本控制、生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，上文者探討了各種軟測量技術(shù)及建模。