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基于人工神经网络的锅炉对流受热面污染监测研究 摘要 燃煤电站锅炉受热面积灰结渣对机组的安全经济运行有重大影响。在锅炉运行中， 吹灰是清除灰污和保持锅炉受热面传热性能的一种有效手段。目前，吹灰器的运作大多 是由运行人员根据经验，定时将全部受热面吹扫一遍，很难确定吹灰效益。如何准确监 测炉内各受热面的结渣积灰程度和发展趋势，并根据积灰结渣的状况和运行需要，及时 有效地采取吹灰清渣措施，显得十分重要。为了实现锅炉受热面的吹灰优化，本文主要 研究了电站燃煤锅炉受热面灰污状态在线实时监测的理论与方法： 采用人工神经网络对锅炉受热面的污染监测问题进行研究。根据传热学基本原理对 影响锅炉受热面灰污状态各参数之间的内在关联进行了分析。在分析的基础上，运用神 经网络按照锅炉受热面结构建立了锅炉受热面灰污监测模型。 在神经网络的训练上，采用了改进的b p 算法对锅炉受热面灰污监测模型进行训练。 b p 算法使网络的收敛速度大为改观，而且网络的适应性也有了很大的提高。 在面向对象的编程思想指导下，开发了包括神经网络类等类库，在神经网络的实现 上，可以生成复杂的多层前馈网络监测模型。运用v c + + 6 o 编制了锅炉受热面污染在 线监测系统程序。在现场实现了对p i 系统的数据实时采集，完成了吹灰试验和监测系 统的在线调试，并对监测结果进行了详细分析。 所开发的实时监测系统，已经应用于华电国际十里泉电厂3 0 0 m w 燃煤锅炉的实际 锅炉受热面污染吹灰指导，经过了大量实验的验证。监测结果表明，所建模型能正确反 映各级受热面的污染因子的变化，所开发的系统软件能够提供锅炉受热面的在线监测功 能，并给出吹灰优化操作指导。 关键词：电站锅炉；积灰结渣；吹灰优化；污染因子；在线监测；神经网络 1 1 晖 r 基于人工神经网络的锅炉对流受热面污染监测研究 a b s t r a c t f o u l i n ga 1 1 ds l a g g i n ga r ev e r yi m p o r t a n tt oe c o n o m i ca 1 1 ds a f ep e 墒n n a n c eo f c o a l - f i r e d b o i l e ro fp o w e rp l a l l t s o o t - b l o 谢n gi sa ne f f e c t i v em e t l l o dt oc l e a l lf o u l i n ga i l de i m a l l c e b o i l e rp e d o m l a n c e m o s te x i s t i n gs o o t - b l o 、i n gs y s t e m sm i i lr e g u l a rm o d ea n dc a i u l tc l e a n a s hd e p o s i t so fm eb o i l e rt u b e sa c c o r d i l l gt oi t sd e p o s i tc o n d i t i o n 1 1 1o r d e rt oc h a n g et 1 1 e b o i l e rs o o t - b l o w i l l gm 砌e r ，as o o t b l o 、杭n go p t i i l l i z a t i o ns y s t e ma st h em a i nw o r ko ft 1 1 i s m e s i si sd e v e l o p e d t h et h e o r i e sa 1 1 dm e t l l o d sa b o u tt 1 1 eo n - l i l l em o n j t o r i n go ff o u l i n ga 1 1 d s l a g g i n go nu t i l i t ) ，b o i l e rh e a ts u r f a c e s ，s o o t b l o 、衍n go p t i 工i l i z a t i o na r ed i s c u s s e d i nd e t a i l t h ef o c u so ft h j sm e s i si so ni n v e s t i g a t i n gm ea p p l i c a t i o no fn e u r a ln e 铆o r ka p p r o a c h e s t om o i l i t o r i n ga s hf o u l i n g b a s e do nt h eb a s i cm e o r i e so fh e a t 仃a 1 1 s f e r ，t h ec o e 伍c i e n i e sm a t d e s c r i b et h ed e 嚣e eo fh e a ts u r f a c ef o u l i n ga n ds l a g g i n ga r ea n a l y z e d b a s e do n 也ea 1 1 a j y s i s r e s u h s ，am o d e lt 1 1 a tm o n i t o r sm ea s hf o u l i n go nt 1 1 eb o i l e rc o n v e c t i v es u r f a c e su s i l l gn e u r a l n e t w o r l ( si sp r e s e n t e d t h em o i l i t o r i n ga s hf o u l i n gr n o d e l i s 仃a i n e dt h r o u 出a 工li m p r o v e dab a c kp r o p a g a t i o n ( b p ) a l g o r i t h m t h e r e f o r e ，m ea r i m m e t i ci s 铲e a t l yi m p r o v e da 1 1 dm o r es u i t a b l ef o rt 1 1 e 1 e 锄i n go f n e u r a ln e t w o r k sb yi n l p r o v e db pn e t w o r k s ac l a s sl i b r a r yt h a te n c a p s u l a t en e u r a ln e 觚o r ka l g o r i t i sd e v e l o p e d 谢也o b j e c t o r i e n t e dp r o 酽觚m i i l gt e c l l l l i q u e s ap r o g r a mu s e dt om o l l i t o ro n - 1 i r l ea s hf o u l i n go fb o i l e r s 1 删a c e s ，i n c l u d i n gt h ea s hf o u l i n gm o l l i t o r i n ga i l ds o o t - b l o 、杭n go p t i m i z a t i o n ，w a sd e v e l o p e d u 1 1 d e r 也ev c + + 6 0e n v i r o m e n t n l ei n t e r f a c e sb e t w e e na s hf o u l i n gm o m t o r i n ga 1 1 d s o o t - b l o w i n go p t i m i z a t i o ns y s t e ma n d p is y s t e m ，m i ss y s t e ma r ea l s oc o m p l e t e d t ov a l i d a t em ea s hf o u l i i l gm o m t o r i n gs y s t e m ，al a r g em h n b e ro fs o o t - b l o w i l l g e x p 耐m e n t si na30 0 m w b o i l e r 、e r et a l ( e n m o m t o r i n ga s hf o u l i n gm o d e l sa r e 、e ua c c o r d e d t ot h ep r o c e s so fa c t u a ls o o t b l o 、加n gp e r i o d s t h er e s u l t ss h o w 也a tt l l em o d e l sc o u l d c o r r e c t l yr e n e c tt 1 1 ea l t e r a t i o no fm es m u d g i n e s sc o e 伍c i e n c y ；t 1 1 es y s t e mc a nb eu s e dt o m o l l i t o rm eo n 1 i 1 1 ea s hf o u l i n go fb o i l e rc o n v e c t i v es u “k ea 1 1 dg i v et 1 1 ea d v i c eo fo n l i l l e s o o t b l o w i i l gt ot 1 1 eo p e r a t o r s k e yw o r d s ：f o u l i n ga 1 1 ds l a g 西n g ；s o o t - b l o 丽n go p t i i l l i z a t i o n ；s m u d g i 工l e s sc o e f ! f i c i e m ； n e u r a ln e 似o r k i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：关丛盟雒日期：出匦，口 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：雄导师签名：囱童运妇 期：缝：量，。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 ； 1 1 1 锅炉受热面积灰结渣的危害 根据我国能源政策，火力发电厂主要以煤为燃料，且质量偏劣 1 】。我国大型机组燃用的煤种约 5 0 属于易结渣煤，加之现有供煤和配煤系统尚有许多不完善之处，使电站锅炉燃用煤质难以得到保 证【lj ，经常偏离设计值，因此存在不同程度的结渣问题1 2 j 。同时，随着锅炉容量的增大，由于炉膛 的界面尺寸、高度不可能成正比增加，因而炉膛截面热负荷、水冷壁热负荷、炉膛内最高温度以及 对流受热面的烟温均随容量的增大而升高，进一步加剧了灰污问题。 水冷壁和对流受热面的结渣与积灰问题，一直是困挠电力行业而未妥善解决的问题。近年来， 国内外电力企业纷纷在降低发电成本方面挖掘潜力，在保证发电和安全运行的前提下，改烧品位较 低( 通常灰分高且灰熔点低) 价格低的煤，以追求更大的经济效益，由此带来的问题之一就是受热 面积灰结渣程度的加剧。 一台3 0 0 m w 锅炉其燃煤量约3 0 0 0 t d ( 热值大于2 0 m j k g ) ，即使所用煤的灰分仅为1 5 ，仍有 4 5 0 t d 的煤灰产生【3 j 。因此，即使极小比例的灰分沉积，对受热面也会产生巨大的影响。事实上， 保持受热面的清洁是不可能的，即使燃用不易结渣和积灰的煤也难例外。 轻度结渣和积灰对锅炉的影响首先是传热方面。从烟气侧到汽水侧的传热过程中，灰沉积物的 导热系数与管壁导热系数、蒸汽换热系数等相比小得多。因而所引起的附加热阻在受热面总传热热 阻中占主导地位，如得不到及时清除，必将显著地影响传热，研究表明当受热面积有3 唧疏松灰或 1 0 i i l l 熔融渣时，就可造成炉膛传热量下降4 0 ，相应的炉膛出口烟温升高近3 0 0 。而锅炉运行中 的实测也表明当炉膛积灰厚度由1 咖增至2 姗时，传热量减少2 8 【3 】。传热效率的降低必然导致经 济性下降，为满足负荷的要求往往还要增加燃料量以增加锅炉蒸发量，从而增加了机组的煤耗。 轻度的结渣和积灰，如不及时处理，则可能继续发展、恶化。受热面吸热量减少，导致各段烟 温升高，此外，因受热面吸热的不足和负荷的需要而增加燃料量，造成各段烟温的进一步升高，从 而促进结渣、积灰的进一步的发展( 结渣、积灰面积的增长) 。即使燃用不易产生灰沉积的煤种， 可能不具备产生严重结渣、积灰的条件，但因时效作用，已有的沉积层会烧结、部分熔融，粘性增 加而有利于后续飞灰的吸附，灰沉积也会逐渐恶化直至平衡。外国经验表明，一台设计良好的四角 切圆燃烧锅炉，燃用灰分为6 一1 0 ，挥发分为2 5 一3 8 的不结渣煤，在连续运行5 0 0 0 h 后，炉膛也 出现了轻微结渣，而炉膛出口烟温则由1 2 3 0 升至1 4 0 0 。我国有研究表明，长期不吹灰，灰沉积 使中等容量锅炉( 2 0 0 m w ) ，排烟温度升高1 5 一1 8 ，相当于锅炉效率降低0 9 一1 2 1 3 j ，当燃用有结渣积灰倾向 煤种时，锅炉效率则会降低更多。在有效控制灰沉积的条件下，换热热流损失减少1 ，效率可提高 1 ；而对于一台燃用易积灰褐煤的5 0 0 m w 锅炉，仅灰沉积一项所造成的损失就可达到8 0 0 万美元 年【川。我国虽然缺少类似的估计，但是由于劣质煤( 高灰分、高硫分、低热值) 的广泛使用和吹灰 东南大学硕士学位论文 不足，其损失应是相当巨大的，因此对轻度结渣积灰的影响也应给予高度重视。 锅炉受热面的积灰和结渣促进受热面的腐蚀。当煤中s ，c 1 和碱金属元素的含量较多时，往往 同时发生严重的灰污和高温腐蚀。煤中的碱金属化合物，在高温条件下发生升华，然后冷凝在温度 较低的受热面管壁上，形成复杂的低熔点复合物，常以液相状态存在，称为熔池。熔池中的碱金属 硫酸盐会与管壁金属发生强烈的腐蚀反应，形成所谓硫酸盐高温腐蚀。高温腐蚀可导致管壁金属迅 速减薄，降低受热面管子的使用寿命。 锅炉受热面的严重结渣和积灰还可能诱发运行事故，导致设备损坏，甚至造成人员伤亡。当炉 膛水冷壁上部有大渣块形成时，在自重和炉内压力波动或气流扰动的作用下，大渣块会突然掉落。 如果渣块足够大，对炉底冷灰斗的动态冲击力将非常大，有可能损坏设备；渣块掉落在冷灰斗上， 还会使水冷壁产生振动，引发更多的落渣。由于炉内结渣的温度很高，渣块的热容较大，短时间内 大量炽热渣块落入渣池，蒸发大量水蒸气，会导致炉内压力的大幅度波动。压力波动超过一定限制 时，会引发燃烧保护系统误动，切断燃料投放，导致锅炉灭火或停炉。 1 1 2 电站锅炉受热面吹灰现存问题 吹灰不仅是清除灰污、维持锅炉受热面清洁的有效措施，同时也是提高机组可用率，保证锅炉 经济、安全运行的一种手段，这已为国内外的实践所证明 2 】，【4 8 】。 国外在锅炉的设计、制造和运行中，都非常重视吹灰器的使用，并且在各方面积累了丰富经验， 国内对此却尚未引起足够的重视。在锅炉吹灰系统应用、吹灰介质的选用、吹灰器投用时间安排和 吹灰日常运行管理的各个环节上存在着不同程度地问题，未能充分发挥吹灰器的作用。 1 吹灰系统方面 吹灰器本体机械结构设计不合理，加之由于现场环境恶劣，热工电气元件质量不过关，国内电 站锅炉吹灰器不少存在运行卡死、卡涩，进退受阻，吹灰偏斜等问题，致使机械故障率过高，维护 量过大，甚至设备损坏。随机组配套的吹灰控制系统软件不完善，智能化程度低，故障率高，致使 吹灰系统投用率低甚至无法正常运行。据统计，我国火电站锅炉的吹灰器投用率普遍较低，平均投 用率仅为3 6 ，即使是5 0 0 m w 以上的机组也不过7 4 【3 j 。许多学者对吹灰器本体和控制系统的改造进 行了研究，给出了一些成功实施的方案 9 1 2 1 。 2 吹灰介质方面 传统的吹灰清扫方式包括蒸汽、压缩空气、水力除灰，以及震动和钢珠除灰等。一方面，这些 传统方法可能会严重磨损受热面，导致锅炉运行的可靠性下降；另一方面，由于锅炉内各种管道、管 束、漏斗、斜面及各种边角的存在，锅炉受热面组成形状复杂，大大限制了吹灰介质的活动范围， 往往难以均匀地清除积灰和结渣。有时粘附在管子后面和弯管区段的积灰和结渣不容易清除或者是 无法除净。上述功能上的限制和缺陷，导致一些电站吹灰系统使用效率很低，吹灰效果不理想。目 前研制了声波、氢爆法和燃气脉冲等新方法【1 3 - ”】，通过对比与分析，蒸汽吹灰、声波吹灰和高能燃 气脉冲吹灰，对锅炉受热面的清灰都有一定的作用，应根据不同的炉型和积灰的情况选用不同的吹 灰方式【1 6 】。 3 吹灰器投用方式方面 目前，我国大型电站锅炉吹灰操作一般采用定时定量的程序控制方式。由于这种运行方式是在 2 - i 第一章绪论 不了解受热面实际灰污状态的情况下进行的，不可避免地产生吹灰不足或吹灰过度，且吹灰时间、 部位大多凭经验决定，吹灰过程存在人为的主观性。合理使用吹灰器对增强锅炉受热面的换热效果 和提高运行经济性是相当明显的，但在锅炉运行过程中，如果吹灰器的投用次数太多，即吹灰周期 太短，将带来不必要的吹灰工质耗费和受热面炉管磨损侵蚀；若周期太长，则吹灰效果不好，受热 面的灰污引起的损失过大，因此，两者之间存在一个从锅炉运行经济性角度考虑最为有利的吹灰时 间间隔最佳吹灰周期【17 1 。吹灰系统的投用除取决于受热面实际灰污状况，还受机组负荷和受热 面寿命等多种因素限制，同时会对机组工况和经济性等多方面产生影响，其间关系较为复杂，因而 需要对锅炉受热面状态进行实时监测，利用监测结果并结合限制条件调整吹灰系统的投用，使其达 到最优。 4 锅炉吹灰优化方面 在安全性的前提下，吹灰器的运作必定有一个经济性平衡点。目前在电厂中，吹灰器的运作大 多是由运行人员根据经验，定时将全部受热面吹扫一遍，很难确定吹灰效益。故从经济角度考虑， 应该对吹灰器的运作加以优化。用计算机代替运行人员的经验判断，在安全性的前提下，根据经济 性的原则，用不定时的动态吹灰代替定时吹灰。由计算机根据实时参数进行判断，并给出吹灰运行 的经济效益。何时吹灰、吹扫哪块受热面、投运几个吹灰器就成了吹灰优化的核心内容。 一个完善的吹灰优化系统是个复杂的工程系统，应该包括积灰监测、电站热效率计算、锅炉计 算模型、灰沉积预测模型、成本分析与优化、自动控制操作等几部分【18 1 。积灰监测和在线灰沉积预 测模型给出详细沾污状态数据，锅炉计算模型分析沾污对锅炉传热和安全的影响，电站热效率计算 和成本分析给出吹灰成本数据，再经过优化模型选出几组最佳的吹灰方案，并同时给出方案的成本 和效益，解释选择理由。最后，由人工操作或自动控制系统实施吹灰方案，目前投用的吹灰优化系 统大都只含有其中的几个模块。积灰监测、锅炉计算模型和电站热效率计算方面研究进展较快，而 成本分析与优化模块的研究相对要弱一些，在线灰沉积预测模型也有待进一步发展和验证。 综上所述，由于没有对锅炉受热面的积灰状态进行实时监测，所以无法提供吹灰前后机组性能 变化数据，以及灰污和积灰对机组经济性影响的分析数据，管理人员和运行人员无法直观掌握吹灰 的效果，导致许多电厂对吹灰的必要性认识不足，锅炉吹灰投用也只是“例行公事”，没有发挥出 吹灰应有的功效。 1 2 国内外研究现状 在锅炉运行中，如何准确监测炉内结渣积灰的程度和发展趋势，并根据积灰结渣的状况和运行 需要，及时有效地采取吹灰清渣措施，既维持受热面的正常状况，又节约吹灰介质和降低烟尘排放 显得十分重要。因此，为大型电厂锅炉研究和开发基于在线监测参数、直接或间接地诊断炉内积灰 结渣的在线监测诊断技术，指导优化清渣吹灰是十分必要的。近年来一些工业发达国家十分重视燃 煤电厂锅炉结渣积灰在线监测和优化吹灰技术的开发与应用，已经在某些大型燃煤电厂锅炉上进行 了示范实施，取得提高锅炉安全经济运行的效果【l9 3 1 】。这些系统从功能上大至可以分为两类【l 】，【2 0 】， 一类针对炉膛水冷壁的灰污监测，另一类针对对流和半对流受热面的灰污监测。前者大多需要安装 额外的测量仪表，测量水冷壁接受的辐射热流等信号 2 们。后者大多依赖锅炉原有的数据采集系统提 3 东南大学硕士学位论文 供必要的测量信息，通过数学模型的计算确定受热面的灰污状态【2 _ 6 ， 2 1 。2 6 】。 国外的研究起步较早。早在二十世纪六十年代西方国家就开展了锅炉受热面灰污监测方面的工 作，但是由于仪表和自动化水平的限制，当时工作主要限于定期的离线状态评估，如d n m o n d p o 、阮r 基于直接测量方法的吹灰评估系统。七十年代后期以来，随着计算机技术和控制技术的发 展，美国电力科学研究院( e p ) 联合相关电力公司和电站共同开始对锅炉受热面灰污在线监测问 题进行全面研究。八十年代末，人工智能在电站锅炉受热面灰污监测中得到应用，此后e p 刚陆续 组织召开了多次智能吹灰专题研讨会，1 9 9 3 年美国国家科学基金会和e p r j 联合召开的专题会议已 把吹灰投用时间优化安排作为改善电站机组性能的重要研究内容【28 l 。第四届智能吹灰专题年会于 2 0 0 2 年3 月在美国休斯顿召开，会议交流了智能吹灰最新的研究动态与进展。目前e p 融已研究 开发出i s b ( 智能吹灰系统) ，并己在多家电厂投入试用恤吼w j 。 加拿大滑铁卢大学开发了专门针对炉膛结渣的监测系统1 32 | 。该系统在炉膛水冷壁的易结渣部位 安装了圆盘式热流计，这些热流计分为两类：一类是清洁热流计，另一类是灰污热流计。清洁热流 计装有压缩空气吹扫装置，保持热流计表面没有灰污沉积，用来测量锅炉受热面能够接受到的火焰 辐射热流。灰污热流汁和水冷壁一样遭到沾污，用来测量锅炉受热面实际吸收的热流。灰污热流计 的输出信号取决于两个因素的作用，一个是炉膛火焰的辐射热流，另一个是热流计表面的灰污沉积。 前者随着锅炉负荷、燃烧器摆角、烟气再循环量、过量空气系数等运行参数的调整而变化。清洁热 流计的信号，为过滤掉这些与灰污沉积无关的变化，提供了一个参考值，通过比较灰污热流计和清 洁热流汁的信号，可以判断出水冷壁的灰污程度。英国b m s 公司采用圆柱热流计测量水冷壁吸收 的辐射热流密度，并且结合锅炉负荷等运行参数的计算，实现了优化运行【33 1 。b m s 使用的热流计直 接安装在一段管子的表面，作成一个可以流通工质的测量段，使用时截掉一小段，水冷壁管用测量 段来代替。b m s 公司已经在多台锅炉上应用了这种灰污监测和吹灰优化系统，起到了提高锅炉效率、 减少喷水量、减轻受热面腐蚀、降低n o x 排放、预防结渣事故等作用。例如，美国威斯康星州d a i r y l a i l d p o w e r 公司下属脾m 电厂一台3 7 7 m w 锅炉，已安装了1 5 只b m s 公司的热流传感器及相应的软件 系统。基于灰污监测的吹灰优化将受热面的平均热流从2 8 0 0 h r ，m 2 提高到4 2 0 0 k w m 2 ，省煤器出口 烟温降低3 3 ，排烟温度降低2 2 ，接近最佳排烟温度。该系统一年的直接经济效益为18 0 万美元 ( 1 1 0 万英镑) 两个月收回成本。l e v e r t 等提出了另外一种监测方法，不再需要设置清洁热流计作为参 考值。该方法使用特制的热流测量装置，在热流计内部增加了一个脉冲加热器，利用热流计对脉冲 加热信号响应时间的长短来判断热流计表面的灰污程度【34 1 。这种热流计的结构比较复杂，在使用前 需要标定，确定热流计在不同灰污状态下对脉冲加热信号的响应时间。另一些人的研究集中在对流 受热面的灰污监测上。德国s t a u d i n g e r 电厂5 号机组上安装有用于保持受热面清洁的新型锅炉诊断 系统p 5 | 。 这一系统的基本原理是：依靠现有数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 简称d a s ) 的在 线测量数据，由分段热平衡计算得出受热面的实际换热系数，由传热计算得出无灰污时的理想换热 系数，比较二者得出表征受热面灰污程度的沾污系数。利用计算出的灰污程度数据，该系统可以实 现吹灰器的优化控制。e c x e r d 等报道了一个类似的吹灰器控制系统1 36 | 。与德国s t a u d i n g e r 电厂5 号 机组监测系统不同的是，该系统利用受热面的实际传热系数作为运行吹灰器的控制变量，实际传热 系数通过计算得出，计算中同样利用了d a s 采集的运行参数。 国内的研究则起步相对较晚。我国自二十世纪八十年代才开展了锅炉受热面灰污监测和吹灰优 4 一r 、 第一章绪论 化问题的研究 4 2 椰】，取得了一定的研究成果，有一些系统己投入使用【3 7 4 。近年来，我国建成投产 的3 0 0 m w 及以上的大型电厂锅炉，均安装了性能良好和运行可靠的受热面蒸汽吹灰清渣系统，并配 备了先进的计算机数据采集、处理、控制和运行管理系统，一次传感器和仪表的测量精度较以前大 幅度提高，这些都为实现在线监测分析和指导运行创造了有利的条件。 华北电力大学的阎维平教授等，以电站锅炉整体、局部的能量和质量平衡原理为基础，在线检 测和处理锅炉机组的运行数据，开发了燃煤电站锅炉结渣积灰计算机在线分析检测装置和吹灰优化 软件系统【2 j ，实时计算、分析和显示锅炉的经济与安全性能指标，系统目的是降低机组能源消耗， 提高锅炉运行的管理水平和机组运行经济性等。主要功能包括：监测锅炉热效率和提供锅炉能损分 析；监测各受热面的积灰、结渣状况并分析其对锅炉效率的影响，给出了优化吹灰指导；计算燃料 消耗量；锅炉内部各区段的烟气温度估计值；飞灰可燃物软测量值；回转式空气预热器的漏风率和 出口氧量软测量值；监测高温受热面炉内最高管壁温度；提示不可信测量参数；显示实时图形、曲 线；实时锅炉故障分析报警等，为锅炉机组运行提供动态优化管理。该系统已经在山西阳泉第二发 电厂的2 号3 0 0 m w 机组上成功实施并运行一年左右，通过电厂的验收，应用效果良好：清华大学， 东南大学和浙江大学等科研单位也先后开展了这方面的研究工作，建立了基于热平衡、烟气压差法 等新型方法的受热面灰污监测模型，并开发了一些应用软件，如清华大学开发的锅炉对流受热面积 灰状态的在线监测系统，应用于太原第一热电厂1 1 号炉，实现了受热面灰污状态在线监测【3 7 】，东 南大学周克毅等研究了锅炉积灰引起的热损失计算模型，并根据经济性确定最佳吹灰时间周期间隔 的方法i 3 引，开发了电厂锅炉吹灰优化管理系纠”j ，在扬州第二电厂2 号锅炉上实现了积灰结渣在线 监测和吹灰优化管理。这些系统都提供了锅炉受热面的在线监测功能，并给出吹灰优化初步的基本 操作指导。 近年来，人工智能领域研究空前活跃，国内外科研院所都开展了基于模糊系统、神经网络以及 专家系统等智能技术的灰污监测和智能吹灰系统的研列4 l ，4 5 ，46 4 引，取得了一些研究成果，这些成果 的应用对于优化并完善锅炉吹灰方案将提供重要的帮助。如西屋公司的s m a r tp r o c e s s l m ，它是一 套由优化器和顾问器模块组成的智能软件，其中包括吹灰优化和指导功能。吹灰优化器使用神经网 络工具确定吹灰频率和位置，以实现最小的热效率和过程损失，并延长机组设备的寿命。吹灰顾问 器利用神经网络计算得到锅炉各吹灰器区域的实际传热量，据此信息求出清洁系数并与理想值作比 较，形成吹灰指导建测4 6 i 。优化的结果可并入现有的d c s 形成闭环控制，也可供运行人员参考。西 屋公司还提出基于模糊逻辑的吹灰投用策略，使蒸汽温度和锅炉效率同时得到改善【47 1 。美国 h o n e y w e l l 公司于二十世纪九十年代开始进行燃煤电站吹灰影响的数据分析，主要利用神经网络对 炉膛结渣和对流受热面灰污建模，描述灰污动态特性以优化吹灰周期，并利用p c a 等数学分析方法 发现影响电站性能的主要因素j 。 1 3 主要研究内容 根据当前锅炉受热面结渣积灰在线监测技术的发展状况，本课题主要研究基于人工神经网络的 锅炉受热面结渣积灰在线监测系统。 5 东南大学硕士学位论文 1 3 1 课题的研究工作 1 充分考虑实时热力参数的不确定性 随着热力系统日益趋向复杂化，热力参数的不确定性越来越影响了热力系统的运行可靠性和可 利用率。这种不确定性对蒸汽压力测点的测量影响比较大，而对蒸汽侧温度的测量值影响比较小， 大部分电厂的蒸汽侧温度值测量比较准确。由于炉内燃烧烟气温度比较高，所以烟气侧温度测量值 有较大的误差。在建立受热面模型时，要充分考虑这些参数的不确定性。 检测参数变化较大有两方面的原因，一是锅炉运行状态发生了变化，二是热力参数本身的不确 定性引起监测参数的变化。如果不消除热力参数本身的不确定性，便会给计算模型和监测结果带来 误差，很难判断出锅炉的情况及各受热面的状态。 2 建立锅炉各个受热面的b p 神经网络模型 要建立各个受热面的神经网络模型，必须了解各受热面的结构特点、布置位置和可利用的在线 监测参数。更为重要的是选择合适的神经网络、网络结构和算法来进行受热面的系统辨识，选择的 合适与否直接影响到建立的受热面模型的准确性，进而影响到通过受热面模型计算而得出的受热面 洁净状况的结论。 3 实现灰污状态监测 针对锅炉受热面污染严重且得不到及时吹扫这一普遍现象，专门开发了锅炉受热面污染监测及 吹灰优化系统。该系统将锅炉各受热面的积灰程度进行量化处理，监测锅炉的污染状况，并实现可 视化。 4 优化吹灰模式 在实现锅炉受热面灰污状态实时监测的基础上，结合锅炉运行的状况和安全需要，对锅炉吹灰 需要和过程进行优化，提供锅炉吹灰优化指导。运行人员可以根据系统指导意见，确定锅炉各受热 面的吹灰需要，实现“按需吹灰”。 5 系统现场调试 在系统正式投运前，作者通过厂方安排了一系列的锅炉吹灰试验。通过试验对一些与炉型和煤 种等有关的参数进行了适当的调整，检验了锅炉参数在线计算在锅炉运行中的性能以及现场测点提 供的测量数据的正确性，确定了锅炉受热面积灰结渣形成的速度以及灰污上下限等，这对系统的正 式运行具有重要意义。 6 b p 网络模型的程序实现 运用面向对象的方法，建立了神经网络类及b p 训练算法，在神经网络的实现上，可以生成任意 复杂的多层前馈网络；运用s u a lc + + 6 0 编写模型的计算机程序代码，基于w i l l d o w s2 0 0 0 平台上开 发了“十里泉电厂锅炉受热面污染实时监测系统”，实现对3 0 0 m w 燃煤锅炉受热面积灰结渣在线监 测和吹灰优化管理；基于p i 实时数据库和电站m 【s 系统结构体系，通过接口和p i 实时数据库连接，实 现现场实时数据的采集。 6 第一章绪论 1 3 2 监测系统的主要功能 1 锅炉各主要受热面的结渣积灰程度的在线实时监测 系统主要对屏式过热器、屏式再热器、高温再热器、高温过热器、低温过热器、省煤器、空气 预热器等受热面的平均污染程度进行实时监测。 2 锅炉受热面吹灰优化指导 综合考虑吹灰带来的效率提高、蒸汽损失、金属管壁寿命消耗，吹灰操作次数、强度等影响， 综合吹灰优化策略和吹灰操作的方便可行性，实时提示当前锅炉是否需要吹灰，以及应该运行的吹 灰器组以及吹扫相应受热面等信息。 3 锅炉性能计算 系统计算炉膛出口和各级受热面出口截面烟气平均温度，实时计算包括机械未完全燃烧损失在 内的各项损失和锅炉效率，有利于运行人员了解当前锅炉内部的烟气温度分布状况等信息。 1 4 研究对象概况 1 4 1 锅炉本体简介 华电国际十里泉发电厂第四期工程安装了两台的燃煤汽轮机发电机组及配套设备，锅炉以m c r 工况为设计参数，在机组电负荷为3 3 l m w 情况下的锅炉最大连续蒸发量为1 0 2 l t h ；机组电负荷为 3 0 0 m w 时，锅炉额定蒸发量为9 0 8 t h 。本文以# 6 炉为研究对象。配套锅炉为h g l 0 2 1 1 8 2 一y m 9 型， 由哈尔滨锅炉厂设计制造，为亚临界压力一次中间再热自然循环汽包炉，燃用煤种为烟煤；锅炉设 计采用美国燃烧工程公司( c e ) 的引进技术，采用4 台3 5 0 6 0 0 钢球磨，两级分离，负压运行，中 间储仓式，乏气送粉，煤粉燃烧器为宽调节，全摆动直式，摆角2 7 0 ，四角布置，2 4 只分六层。 满负荷运行时，投运六层煤粉喷嘴；油燃烧器为蒸汽雾化式，油枪出力1 8 4 2 t h ，1 2 只分三层布置。 过热器分五级布置，即：顶棚及包墙过热器、低温过热器、分隔屏、后屏过热器和高温过热器；再 热器由三级组成，即：壁式再热器、中温屏式再热器与高温再热器；省煤器为一级蛇形管布置；两 台空气预热器为二分仓容克式，型号为2 9 一v i ( b ) 一1 6 3 0 型。锅炉本体结构如图卜1 所示，锅炉主要 设计参数如表1 _ 1 。 1 4 2 锅炉受热面吹灰系统和运行介绍 撑6 炉配有两套吹灰系统：其中一套用于控制炉膛水冷壁和对流受热面的蒸汽吹扫，另一套用于 控制空气预热器受热面的气脉冲击波吹扫。根据该厂锅炉设计煤种和校核煤种的特点，蒸汽吹灰系 统由9 8 只炉膛水冷壁的短伸缩式吹灰器( r 3 型) 和3 0 只对流受热面的长伸缩式吹灰器( 5 2 5 型) 构成。空气预热器的气脉冲击波吹灰系统，是用燃气( 乙炔气) 与空气混合后的气体经电火花 引爆产生的冲击波扩散到空预器波形板中，借助于对波形板的震动作用使灰垢脱落。该厂撑6 炉吹灰 器的布置位置如图1 2 所示。吹灰系统具有单独的减压、暖管、疏水及操作控制系统，其中用于炉 膛水冷壁和对流受热面吹灰系统的蒸汽来自分隔屏出口，而用于空气预热器吹灰系统的空气来自锅 7 东南大学硕士学位论文 炉本体的送风机出口。 根据该厂运行规程的要求，整台锅炉的吹灰流程为： ( 1 ) 空气预热器吹灰系统，每班吹灰一次，每次吹灰时间5 8 分钟。 ( 2 ) 炉膛短伸缩式吹灰器每周吹一次。 ( 3 ) 长伸缩式吹灰器，吹灰最低负荷大于2 1 0 m w ，每天吹一次。 在华电国际十里泉电厂开展项目的目的是，实现锅炉受热面污染状况的实时监测，并将锅炉各 受热面的积灰程度进行量化处理，实现可视化。在此基础上，结合锅炉运行的状况和安全需要，对 锅炉吹灰需要和过程进行优化，提供锅炉吹灰优化指导。运行人员可以根据系统指导意见，确定锅 炉各受热面的吹灰需要，实现按需吹灰。 图1 1 华电国际十里泉发电厂 f i 6 6 锅炉本体示意图 8 高再 高过 低过 省煤器 空预器 第一章绪论 表1 1 华电国际十里泉发电厂# 6 炉主要设计参数 设计煤种校核煤种高加全切 名称单位 8 9 m c r6 0 m c r4 3 m c r m c r m c r3 0 0 m w 主蒸汽流量 t l l1 0 2 11 0 2 19 0 86 0 9 34 4 3 07 0 9 3 主蒸汽出口压力 田a1 8 31 8 31 7 2 71 6 8 91 6 7 31 7 1 0 主蒸汽出口温度 5 4 05 4 05 4 05 4 05 3 5 5 4 0 给水压力 口a2 02 01 8 7 21 7 7 11 7 2 91 8 2 6 给水温度 2 7 9 42 7 9 42 7 2 1 2 4 82 2 9 41 7 5 1 再热蒸汽流量 恤8 2 4 7 58 2 4 7 57 3 9 85 0 7 6 93 7 4 3 67 6 1 5 4 再热蒸汽出口压力口a3 6 53 6 53 2 72 2 21 5 93 4 1 再热蒸汽出口温度 5 4 05 4 05 4 05 4 05 1 4 45 4 0 5 再热蒸汽进口压力 m 口a3 8 63 8 63 4 62 3 61 6 83 6 1 再热蒸汽进口温度 3 2 1 93 2 1 93 1 6 5 2 8 9 12 6 7 83 2 5 1 总耗煤量 咖1 4 1 51 5 8 21 2 8 49 1 5 56 7 4 31 3 2 7 4 炉膛漏风 k g m 6 0 4 3 66 1 1 1 1 5 4 8 3 54 3 3 3 63 1 1 0 95 6 7 0 7 汽包压力 口a1 9 6 51 9 6 51 8 3 81 7 4 21 7 0 21 7 9 3 空预器进口风量 k g 1 1 1 2 3 3 1 1 31 2 4 5 3 9 51 1 2 6 1 5 79 0 8 2 2 26 7 4 4 3 61 1 5 9 9 8 6 空预器进口烟气量 k g l l 1 3 0 6 9 6 0 1 3 2 1 9 7 81 1 8 6 7 7 49 3 4 3 2 46 7 5 0 5 01 2 2 6 3 0 9 空预器出口风量 k g 1 1 1 1 4 8 2 9 01 1 6 0 5 7 11 0 4 2 6 9 58 2 7 0 2 85 9 6 4 1 71 0 7 7 4 3 1 空预器出口烟气量 k g 1 1 1 3 9 1 7 8 31 4 0 6 8 0 11 2 7 0 2 3 61 0 1 5 5 1 87 5 3 0 6 91 3 0 8 8 6 4 空预器进口风温 2 2 82 2 82 5 63 1 13 9 42 8 3 空预器出口风温 3 3 03 3 13 2 5 63 1 4 43 0 13 0 8 9 空预器进口烟气温度 3 9 23 9 23 8 3 3 3 6 53 4 13 6 3 9 排烟温度( 修正前) 1 3 51 3 61 3 2 21 2 4 41 1 8 91 2 8 9 排烟温度( 修正后)1 2 91 3 01 2 5 61 1 7 81 1 1 11 2 3 3 环境空气温度 2 02 02 02 0 2 0 2 0 省煤器出口过量空气 2 52 52 53 8 53 52 5 一 锅炉效率( 高位) 8 8 0 78 7 4 38 8 2 58 8 3 98 9 0 78 8 5 5 锅炉效率( 低位) 9 2 1 69 1 4 69 2 3 59 2 5 0 9 3 2 1 9 2 6 6 炉膛断面热负荷 m w m 21 8 8 41 8 9 61 7 0 31 2 2 68 9 71 7 4 9 炉膛容积热负荷渊味 3 8 5 23 8 7 93 4 9 42 4 9 2 7 1 8 3 5 73 6 1 3 8 9 东南大学硕士学位论文 图1 2 华电国际十里泉发电厂撑6 炉吹灰器布置图 1 0 第二章用于锅炉受热面污染监测的人工神经网络 第二章用于锅炉受热面污染监测的人工神经网络 本章简要介绍了人工神经网络的发展历史及其信息处理能力，详细描述了用于锅炉受热面污染 监测研究的神经网络拓扑结构和学习方式，给出了本文所用神经网络模型采用的反向传播训练算法 的数学描述及一些改进措施。通过分析，本文采用了前馈型、三层结构、监督学习方式、改进了的 反向传播算法的神经网络模型。 2 1 人工神经网络简介 人的智能来自于大脑。r l i i l o n yc 旬a l 和s h e r r i n 舀o n 于2 0 世纪3 0 年代提出了大脑是由不同的基 本单元( 称之为神经元) 组成的思想p5 | 。人脑具有大约1 0 1 3 神经元，平均每个神经元有1 0 0 0 个突 触。每个神经元都可以看作为一个小的处理单元，它们中各神经元之间连接的强弱，按照外部的激 励信号作白适应变化，而每个神经元又随着接收到的多个激励信号的总和大小而呈现兴奋或抑制状 态。大脑的学习过程就是神经元之间连接强度随外部激励信息做自适应变化的过程，大脑处理信息 的结果由神经元的状态表现出来。神经元是信息处理系统中的最小单元，其基本结构如图2 1 所示。 图2 1 神经元结构示意图 神经元( 即神经细胞) 是由细胞体、树突、轴突和突触四部分组成。每个细胞体包括细胞核都 在进行着新陈代谢，产生能量并合成蛋白质，为整个神经元提供支援功能。从细胞体向外伸出许多 树突和一条长的轴突，树突和轴突分别负责传入和传出兴奋或抑制信息到细胞体。神经元的树突较 短，分支很多，是信息的输入端：轴突较长，是信息的输出端。突触是一个神经元与另一个神经元 相联系的特殊结构部位。树突与轴突一一对接，突触把神经元对输入信号的兴奋或抑制反应强加给 接受神经元，从而把众多的神经元连成一个神经网络。人脑正是由大量的神经元经过复杂的相互连 接而形成的一种高度复杂、非线性、并行处理的信息处理系统。 试图对生物神经系统进行模拟对于人工神经网络的产生有重要影响。由人脑的工作方式，人们 联想到，大脑的组织结构和运行机制必有其绝妙之处，从模仿人脑智能的角度出发，来探询新的信 息表示、存储和处理方式，设计全新的计算处理结构模型，构造一种更接近人类智能的信息处理系 东南大学硕士学位论文 统来解决传统的冯诺依曼计算机难以处理的问题，必将大大促进科学进步。这就促使人们研究人 工神经网络( a n i f i c i a ln e u r a ln e 觚o r k s ，简称a n n ) 。 神经网络领域研究的背景工作始于1 9 世纪末和2 0 世纪初。它源于物理学、心理学和神经生理 学的跨学科研究，主要代表人物有h e m a l lv o nh