基于多尺度灰色關聯(lián)的火電機組FCB運行參數(shù)分析

李曉莉，王 迪

(1.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2.東北電力大學 自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

21世紀以來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)自動化水平的提高，我國的電力發(fā)展已經(jīng)進入了大電網(wǎng)、大機組、自動化和信息化的新時代[1].在各行各業(yè)用電量提高的同時，對電網(wǎng)供電的可靠性也提出了更高的要求.電網(wǎng)在運行過程中，一旦出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)引發(fā)停電事故，將會給人民生產(chǎn)生活造成重大損失，公眾的日常生活被打亂.火電機組FCB功能能夠在電網(wǎng)出現(xiàn)事故后快速降負荷至廠用電，待事故解除后迅速升負荷，保障電網(wǎng)及時供電[2～5].

據(jù)統(tǒng)計，我國火力發(fā)電量占總發(fā)電量的70%左右，全國大約有5 000臺火力發(fā)電機組，而這些機組中幾乎沒有能夠?qū)崿F(xiàn)FCB功能，其原因是到目前為止還缺乏FCB控制技術(shù).為提出FCB控制技術(shù)，就要掌握FCB過程機組主要運行參數(shù)的動態(tài)特性.目前，針對火電機組運行參數(shù)相關分析的研究已經(jīng)逐步開展，田亮[6]利用小波理論和機理建模相結(jié)合獲得爐膛壓力與燃燒率之間的關系；余南華[7]對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)余熱鍋爐(HRSG)汽包水位現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析，得到了水位波動的不確定成分主要來源于低頻的壓降引起的諧波及隨機噪聲兩部分；王瑞琪[8]通過選取Kolmogorov復雜性、樣本熵和標準差對AGC指令信號進行數(shù)據(jù)分析，從而定量地分析電廠的發(fā)電質(zhì)量；王強[9]對HRSG汽包水位利用EMD分解后，提取有用的IMF分量重構(gòu)得到無干擾成分的水位真實趨勢信號，使得汽包水位的信號分析不再依賴機組工況.上述研究工作對機組運行過程參數(shù)進行了分析，但是，針對火電機組FCB工況機組運行參數(shù)動態(tài)特性的研究還尚未報道.

由于FCB工況下機組運行參數(shù)之間關系復雜，很難通過機理建模的方法得到參數(shù)之間的關系.本文利用小波分析理論對FCB過程典型信號進行不同尺度的分解，結(jié)合灰色關聯(lián)分析方法對同頻率上的不同信號進行關聯(lián)度的計算，分析參數(shù)之間的內(nèi)在關系，為控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供借鑒.

1 火電機組FCB功能

一般而言，火電機組FCB運行方式是指在電網(wǎng)解列后可以迅速降負荷至廠用電，待電網(wǎng)事故解除后重新恢復負荷，并網(wǎng)發(fā)電.這種運行方式不但解決了當電網(wǎng)解列后被迫停爐停機的問題，而且可以在鍋爐啟動過程中解決無啟動電源問題，對于電網(wǎng)和電廠都是大有裨益的.在機組FCB過程中，由于負荷的快速變化導致運行參數(shù)很容易超出安全值.所以，火電機組的設備結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)對于FCB的實現(xiàn)至關重要.

本文對某電廠FCB實驗結(jié)果進行分析[10]，鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界壓力、一次再熱、單爐膛∏型、中儲式、燃煤、“W”型火焰鍋爐，20臺燃燒器布置于下爐膛前后拱上.汽輪機為日本富士山公司生產(chǎn)的亞臨界、單軸、三缸、雙排汽中間再熱凝汽反動式汽輪機.機組在進行FCB功能性實驗前的負荷為304MW，控制系統(tǒng)為CCS模式，汽輪機旁路系統(tǒng)處于自動狀態(tài)，F(xiàn)CB信號動作后維持一分鐘.自動逐步切除預先設定的給煤機，投入預定的油槍，30 s內(nèi)粉嘴運行數(shù)量從19支切換至6支，45 s內(nèi)油槍從4支投至12支，已達到穩(wěn)燃效果.高旁快開4 s，機組相關運行參數(shù)未超出安全值.

本文選擇發(fā)電機功率(k1/MW)，主蒸汽壓力(k2/MPa)，總給水量(k3/(t/h))，汽包水位(k4/mm)，主蒸汽流量(k5/(t/h))，過熱器工質(zhì)溫度(k6/℃)，燃料總量(k7/%)，高壓旁路閥門開度(k8/%)等8個參數(shù)進行火電機組FCB過程關鍵運行參數(shù)的關聯(lián)性分析，機組FCB過程參數(shù)運行曲線，如圖1所示.

圖1 機組FCB運行數(shù)據(jù)

2 多尺度小波分解

分析信號之間的相關性，從時域考慮，是從整體趨勢和局部波動這兩個方面來分析信號之間的相關性；從頻域考慮，就是從低頻和高頻這兩個方面來分析信號之間的相關性.小波變換具有多分辨率特性，它可以將信號分解到不同頻率下，適用于對熱工信號進行多尺度分析[11].

本文選擇具有緊支撐的Daubechies小波函數(shù)對現(xiàn)場選擇的8項參數(shù)進行5層小波分解[12]，分解結(jié)果，如圖2所示.

圖2 原始信號小波分解結(jié)果

3 灰色關聯(lián)分析

灰色關聯(lián)分析是灰色理論的基本內(nèi)容，其基本思想是根據(jù)數(shù)據(jù)曲線之間的相似程度來判斷因素間的灰關聯(lián)度，而灰關聯(lián)度描述了發(fā)展過程中因素之間相對的變化，該方法簡單、直觀，對于樣本量的大小沒有過高的要求[13～15].

設Xi為系統(tǒng)因素，其在序號k上的觀測數(shù)據(jù)為xi(k)，k=1，2，…，n，則稱Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))為因素Xi的行為序列；同理，定義系統(tǒng)特征序列Xo=(xo(1)，xo(2)，…，xo(n)).對于兩組序列Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))與Xo=(xo(1)，xo(2)，…，xo(n))之間的關聯(lián)程度定義為實數(shù)，其中γ(xo(k)，xi(k))為Xo和Xi在k處的關聯(lián)系數(shù)，關聯(lián)系數(shù)的解法沒有固定的公式，需要符合以下四條灰色關聯(lián)公理：

(1)規(guī)范性：0<γ(Xo，Xi)≤1，γ(Xo，Xi)=1?Xo=Xi；

(3)偶對稱性：對于Xi，Xj∈X，有γ(Xi，Xj)=γ(Xj，Xi)?X={Xi，Xj}；

灰色關聯(lián)度是用來描述系統(tǒng)因素間關系密切程度的量，是系統(tǒng)變化態(tài)勢的一種度量.一般而言，可以用序列的變化態(tài)勢來表征，而各個序列的變化態(tài)勢總是按一定的量級和趨勢變化的.關聯(lián)度模型主要有鄧氏關聯(lián)度、廣義絕對關聯(lián)度、T型關聯(lián)度等.

本文選擇鄧氏關聯(lián)度計算方法，該方法充分體現(xiàn)了灰色關聯(lián)公理的約束條件，其計算著重考慮了點與點之間的距離對關聯(lián)度的影響，Xi與Xo的關聯(lián)度為

(1)

4 火電機組運行參數(shù)多尺度灰色關聯(lián)分析

針對選取的火電機組FCB過程運行參數(shù)，利用小波分解理論進行不同頻率尺度的分解，選取具有FCB過程代表性的參數(shù)作為參考信號，而后利用灰色關聯(lián)分析方法計算同頻率尺度上與其他信號的關聯(lián)度，具體計算流程如圖3所示.

4.1 主蒸汽壓力多尺度關聯(lián)分析

根據(jù)以往現(xiàn)場快速甩負荷實驗結(jié)果，在FCB初期，主蒸汽壓力飛升速度及幅度都是比較大的，由于主蒸汽壓力的飛升使得汽包出口流量的減少從而影響汽包壓力、水位等參數(shù).這對FCB的過程控制系統(tǒng)提出了很高的要求，對鍋爐設備的損傷也是非常嚴重的.因此，在FCB動作過程中，鍋爐側(cè)參數(shù)的變化并不是“同步”的，而是類似于“遞進”關系.所以，研究主蒸汽壓力動態(tài)過程是十分必要的.

本文選擇發(fā)電機功率、總給水量、汽包水位、主蒸汽流量、過熱器出口溫度、總?cè)剂狭?、高旁開度作為主蒸汽壓力的相關性分析參數(shù).根據(jù)小波分解不同頻率尺度結(jié)果，同頻率條件下其灰色關聯(lián)度，如表1所示.

圖3 多尺度灰色關聯(lián)分析流程圖

K1 K3 K4 K5 K6 K7 K810.89910.85180.78410.43000.41300.41250.935020.95030.94680.89260.89660.99500.98800.986030.94940.92600.80830.83960.97950.96650.975140.99580.99480.97320.96380.98880.99470.995550.99440.98330.95570.87340.95460.95780.991160.99500.99640.98700.92640.98680.98240.9967

通過觀察表1發(fā)現(xiàn)，火電機組在FCB過程中，低頻階段的主蒸汽流量，過熱器工質(zhì)溫度，燃料量對于主蒸汽壓力的影響較小，高壓旁路流量對主蒸汽壓力的影響較大；當頻率升高時，對于主蒸汽壓力的影響明顯提高；無論頻率高低，高壓旁路閥門開度對主蒸汽壓力的影響都很大.主要是由于在火電機組FCB過程中，主蒸汽壓力受主蒸汽管道進出口蒸汽流量影響較大.因此，旁路流量對其影響明顯.火電機組FCB過程中，為了更好的控制主蒸汽壓力，要有很好的一套旁路系統(tǒng)控制方案，可以通過增大旁路容量的方法減小主蒸汽壓力飛升幅度，通過縮短旁路閥門快開時間減小主蒸汽壓力飛升速率.

4.2 汽包水位多尺度關聯(lián)分析

火電機組FCB過程汽包水位變化劇烈，對于汽包鍋爐而言，汽包水位是鍋爐運行中一個非常重要的參數(shù)，維持汽包水位是保持汽機和鍋爐安全運行的必要條件.

選擇功率、總給水量、主蒸汽壓力、主蒸汽流量、總?cè)剂狭?、高壓開度作為鍋爐汽包水位的關聯(lián)因素，不同頻率尺度關聯(lián)度如表2所示.

表2 不同頻率下運行參數(shù)與汽包水位關聯(lián)度

通過觀察表2可知，隨著頻率尺度的提高，關聯(lián)度相應的增大，說明鍋爐汽包水位屬于高頻信號，即高頻信號對其影響較大；觀察主蒸汽流量(K5)對于汽包水位影響的分析發(fā)現(xiàn)，高頻階段的影響明顯高于低頻階段，在FCB過程中，鍋爐主蒸汽流量的瞬時快速變化對汽包水位的影響比較大.所以，在保證負荷變化在安全值范圍的情況下，要盡量控制主蒸汽流量速率變化，實際運行過程中，通過調(diào)節(jié)旁路閥門流量或增設PCV閥門能夠有效改善機組對主蒸汽流量調(diào)節(jié)的靈活性.

4.3 主蒸汽流量多尺度關聯(lián)分析

在火電廠機組運行過程中，主蒸汽流量是一個關鍵的參數(shù)，對于機組運行狀況、性能監(jiān)測、過程控制起著至關重要的作用.當機組發(fā)生FCB時，主蒸汽流量變化迅速，根據(jù)機理過程，選擇發(fā)電機功率、總給水量、主蒸汽壓力、汽包水位、燃料量、高旁開度作為關聯(lián)因素，其關聯(lián)度計算結(jié)果如表3所示.

表3 不同頻率下運行參數(shù)與主蒸汽流量關聯(lián)度

通過觀察表3可知，在機組發(fā)生FCB時，隨著頻率尺度的增大，關聯(lián)度先減小后增大；參數(shù)對于主蒸汽流量的影響，參數(shù)高頻尺度的影響程度幾乎相同.也就是說，當機組發(fā)生FCB時，對于主蒸汽流量的影響，瞬態(tài)快速改變關聯(lián)因素的任何變量對主蒸汽流量的影響結(jié)果都很大.主要原因是主蒸汽流量容易受到鍋爐和汽輪機兩側(cè)的雙重影響，在FCB過程中，鍋爐和汽輪機兩側(cè)相關參數(shù)變化劇烈.因此，機組相關運行參數(shù)對主蒸汽流量的影響較大.

5 結(jié) 論

(1)利用小波理論對火電機組FCB過程主要運行參數(shù)分解后進行灰色關聯(lián)分析能夠從頻率尺度上定量的得到參數(shù)之間的關聯(lián)程度.

(2)火電機組FCB過程中，高壓旁路閥門在高頻和低頻時對主蒸汽壓力的影響較大，機組FCB過程應有一套快速響應的旁路控制系統(tǒng).

(3)汽包水位是高頻信號，主蒸汽流量瞬時變化率對汽包水位的影響較大，應該盡量控制主蒸汽流量變化速率.

(4)火電機組FCB過程中，不同參數(shù)的瞬態(tài)變化對主蒸汽流量的影響較大，要合理控制參數(shù)的動態(tài)變化，以保障主蒸汽流量變化速率不超出安全值.