（控制理论与控制工程专业论文）基于信息融合燃烧稳定性映射关系模型的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电站锅炉燃烧是一个及其复杂的过程，燃烧稳定性的影响因素众多，本文根据煤粉 着火稳燃机理，对影响锅炉燃烧稳定性的因素进行了分析。从信息融合的角度出发，利 用解决不确定性问题的有力方法d s 证据理论建立燃烧稳定性评判模型，并结合现场的 热工测点，选取煤质、负荷、负压、煤粉浓度、火检信号、一次风温、一次风速、一次 风率作为d s 证据理论的证据体，利用模糊数学中的隶属函数给出了各个证据的基本概 率赋值。通过用现场7 2 小时内的运行数据对评判模型进行测评，测试结果表明，该模 型能够较准确的对燃烧稳定性进行评判。 关键词：信息融合。证据理论，燃烧稳定性 a b s t r a c t b o i l e rc o m b u s t i o ni sav e r yc o m p l e xp r o c e s s t h e r ea r em a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r si n c o m b u s t i o ns t a b i l i t y a c c o r d i n gt oc o m b u s t i o nm e c h a n i s mo fp u l v e r i z e d c o a l ，t h i sp a p e r a n a l y z e dt h ek e yf a c t o r st ot h e b o i l e rc o m b u s t i o ns t a b i l i t y i nt h i sp a p e ram e t h o do f s o l v i n gu n c e r t a i n t yp r o b l e m - - d e r n p s t e r - s h a f e r e v i d e n c e t h e o r y w a sa p p l i e dt o c o m b u s t i o ns t a b i l i t yj u d g e m e n tm o d e lc o n s t r u c t i o nf r o mt h ev i e wo ft h ei n f o r m a t i o n f u s i o n t a k et h el a y o u to ft h e r m o d y n a m i cm e a s u r i n gp o i n t si n t h ep o w e rp l a n ti n t o c o n s i d e r a t i o n , i tc h o s ec o a l ，l o a d ，f u r n a c en e g a t i v ep r e s s u r e ，t h e c o a lp o w d e r s c o n c e n t r a t i o n , f l a m ed e t e c t i n gs i g n a l ，p r i m a r ya i rt e m p e r a t u r e , p r i m a r ya i rf l o wa n dp r i m a r y a i rf l o wr a t ea se v i d e n c e so fd e m p s t e r - s h a f e re v i d e n c et h e o r y , a n dg a v eb a s i cp r ob a b i l i t y a s s i g n m e n to f e a c he v i d e n c et h r o u g hm e m b e r s h i pf u n c t i o no ff u z z ym a t h e m a t i c s f i n a l l y , t h e m o d e lw a st e s t e db y7 2 一h o u rd a t af r o mt h ep o w e rp l a n t t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h i sm o d e lc a l l j u d g et h eb o i l e rc o m b u s t i o ns t a b i l i t ya c c u r a t e l y l i a nq i a n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f s uj i e k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o nf u s i o n ，d e m p s t e r - s h a f e re v i d e n c et h e o r y , c o m b u s t i o n s t a b i l i t y 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电站锅炉燃烧是一个及其复杂的过程，燃烧稳定性的影响因素众多，本文根据煤粉 着火稳燃机理，对影响锅炉燃烧稳定性的因素进行了分析。从信息融合的角度出发，利 用解决不确定性问题的有力方法d s 证据理论建立燃烧稳定性评判模型，并结合现场的 热工测点，选取煤质、负荷、负压、煤粉浓度、火检信号、一次风温、一次风速、一次 风率作为d s 证据理论的证据体，利用模糊数学中的隶属函数给出了各个证据的基本概 率赋值。通过用现场7 2 小时内的运行数据对评判模型进行测评，测试结果表明，该模 型能够较准确的对燃烧稳定性进行评判。 关键词：信息融合。证据理论，燃烧稳定性 a b s t r a c t b o i l e rc o m b u s t i o ni sav e r yc o m p l e xp r o c e s s t h e r ea r em a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r si n c o m b u s t i o ns t a b i l i t y a c c o r d i n gt oc o m b u s t i o nm e c h a n i s mo fp u l v e r i z e d c o a l ，t h i sp a p e r a n a l y z e dt h ek e yf a c t o r st ot h e b o i l e rc o m b u s t i o ns t a b i l i t y i nt h i sp a p e ram e t h o do f s o l v i n gu n c e r t a i n t yp r o b l e m - - d e r n p s t e r - s h a f e r e v i d e n c e t h e o r yw a sa p p l i e d t o c o m b u s t i o ns t a b i l i t yj u d g e m e n tm o d e lc o n s t r u c t i o nf r o mt h ev i e wo ft h ei n f o r m a t i o n f u s i o n t a k et h el a y o u to ft h e r m o d y n a m i cm e a s u r i n gp o i n t si n t h ep o w e rp l a n ti n t o c o n s i d e r a t i o n , i t c h o s ec o a l ，l o a d ，f u r n a c e n e g a t i v ep r e s s u r e ，t h ec o a lp o w d e r s c o n c e n t r a t i o n , f l a m ed e t e c t i n gs i g n a l ，p r i m a r ya i rt e m p e r a t u r e , p r i m a r ya i rf l o wa n dp r i m a r y a i rf l o wr a t ea se v i d e n c e so fd e m p s t e r - s h a f e re v i d e n c et h e o r y , a n dg a v eb a s i cp r ob a b i l i t y a s s i g n m e n to f e a c he v i d e n c et h r o u g hm e m b e r s h i pf u n c t i o no ff u z z ym a t h e m a t i c s f i n a l l y , t h e m o d e lw a st e s t e db y7 2 一h o u rd a t af r o mt h ep o w e rp l a n t t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h i sm o d e lc a n j u d g et h eb o i l e rc o m b u s t i o ns t a b i l i t ya c c u r a t e l y l i a nq i a n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f s uj i e k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o nf u s i o n ，d e m p s t e r - s h a f e re v i d e n c et h e o r y , c o m b u s t i o n s t a b i l i t y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于信息融合燃烧稳定性映射关系模 型的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 砼逃赴进 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 本课题受到国家自然科学基金项目“基于信息融合的锅炉燃烧状态检测及控制 优化 ( 编号5 0 5 7 6 0 2 2 ) 的资助。 随着我国国民经济迅速发展，我国电力设备装机容量以每年7 8 的速率递 增，其中火电燃煤机组占有很大比重。虽然近年来核电、水电、风电、生物质发电 等新能源发电都发展迅速，我国的能源结构得到了优化和调整，燃煤发电所占比例 有所减小，但是由煤电扮演主角的局面在较长时间内还难以改变。按照我国电力工 业发展的总目标：2 0 1 0 年发电装机容量将达到4 5 亿k w ，预计到2 0 5 0 年我国装机容 量将达到1 6 亿k w ，其中火电机组仍将占总装机容量的6 0 以上，并且9 5 以上都是 燃煤机组川。 目前，我国的火力电站锅炉以亚临界和超临界大容量锅炉为主，由于设备本身 及操作管理等方面的原因，性能指标与发达国家相比有较大差距，主要表现在热效 率低。2 0 0 3 年，我国供电的平均标准煤耗为3 8 1 9 k w h ，与发达国家相比，多耗6 0 g k w h ，热效率低1 0 个百分点。2 0 0 3 年全国年发电量为1 9 0 8 0 亿千瓦时，以此推算， 全国一年发电就要多耗标准煤约1 2 亿吨，多花费购煤款1 0 0 多亿元【l 】。 火电厂中大量的煤炭燃烧，随之而来的是严重的环境污染问题。氮氧化物( n o x ) 就是煤炭燃烧过程中产生的主要污染物之一，它是一种危害人体健康和破坏大气环 境的有毒物质。随着我国火力发电量快速增长，n o x 的排放总量逐年增加。燃煤电 站n o x 的排放问题已引起社会各界的广泛关注。国家环保局在2 0 0 3 年1 2 月颁布的新 的火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) ，取代了1 9 9 6 年颁布的标准 ( g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 ) ，对我国火电厂机组的n o x 排放标准作出了新的规定，要求更加严 格。 电站煤耗的影响因素是多方面的，包括锅炉、汽轮机和发电机等设备的结构和 运行操作、使用寿命、自动化程度和生产管理水平等，其中主要因素是锅炉运行偏 离最佳工况，热效率降低。实践表明，受煤炭市场的影响，我国发电用煤的煤质往 往变化很大，电站锅炉偏离最佳工况的现象是时常发生的。当锅炉运行很长段时 间后，由于风机或燃烧器等机械部件的老化、烟道漏风、燃用煤种的变化等因素， 致使锅炉的运行工况偏离实际的最佳工况。 随着环境保护要求的日益严格，燃煤价格的不断上涨，在“厂网分开，竞价上 网的运行机制下，电站锅炉面临降低运行成本与降低污染物排放的双重要求，高 效低污染燃烧优化控制技术r 益引起人们的关注。所以，火电厂锅炉的燃烧及控制 华北电力大学硕士学位论文 优化一直是国内的研究热点。 锅炉燃烧优化系统的核心目标就在于提高燃烧的稳定性、经济性、环保性，锅 炉燃烧状况直接影响机组的经济性和安全性，成为火电机组性能优化的关键。目前， 电站锅炉燃烧工况的判断大多依靠运行人员的经验，这存在着判断不及时或误判的 危险，具有很大的局限性。为了解决这一问题，本文将信息融合技术引入到燃烧稳 定性评判领域，根据影响燃烧稳定性的因素来判断锅炉燃烧的工况。 1 2 锅炉燃烧优化控制技术的研究现状 锅炉燃烧优化有多种实现方案，但大体上可以分为两大类，即“硬”的方案和 “软的方案。“硬 的方案主要依赖设备改造，例如更换燃烧器、锅炉炉膛改造、 送引风设备改造等等。“硬一方案具有技术成熟，效果明显的优点，但一般需要大 量资金投入，同时设备也不可能无限升级。“软”的方案则更多地依赖于检测、控 制、操作、决策等，这是一门正在发展中的技术，风险相对大，但也能获得更大的 性能价格比，具有更为广阔的发展前景。下面仅对国内外燃烧控制优化方面“软 方案的研究进行介绍。 1 2 1 国外的燃烧优化控制技术 国外的燃烧优化控制技术发展较早，现在已经有成熟的优化软件，并在欧美地 区一些大型电厂得到推广应用，国内电厂也有引进。此类运行优化软件根据开发商 的不同大致可以分为两类，一是由国际上知名的d c s 厂商，基于其多年从事电厂控 制和计算机应用所积累的经验以及电厂生产过程和设备特性的知识，来进行多功能 模块集成化的火电厂优化软件【2 1 ，如a b b 公司推出的优化控制系统o p t i m a x 、通 用物理( g p ) 的优化运行和状态检测系统e t a p r o 等；二是由一些软件设计公司开 发的可用于火电厂过程优化的软件，这类软件以成熟的多目标最优理论为指导，以 模型预测和优化搜索为核心，以神经网络、概率统计等为建模手段来模拟燃烧的过 程反应，通过改变控制参数的设定值来达到优化燃烧降低污染物排放的目的，如美 国p e g a s u s 公司的p o w e rp e r f e c t e rt m 系统、美国俄亥俄州u l t r a m a x 公司的u l t r a m a x 燃烧优化系统等p j 。 美国p e a g a s u s 公司1 9 9 5 年开发的n e u s i g h t 燃烧优化控制系统，是全球电力 工业的第一套闭环监督控制系统，其核心技术基于c o m p u t e r a s s o c i a t e s 公司的神经 网络平台。该系统在美国中西部燃煤电厂中的应用，取得了降低煤耗、降低n o x 排放的明显效果，但是这种燃烧优化控制技术没有考虑机组运行的动态特性和过 程，所以这种优化只是稳态优化。为了能够实现动态过程优化，该公司开发的另一 套燃烧优化软件p o w e rp e r f e c t e rt m 系统，在基于与n e u s i g h t 系统类似的神经网 2 华北电力大学硕士学位论文 络技术基础上，增加了模型预测控制( m p c ) 技术，并能通过建立多目标的动态优 化控制器，动态调整d c s 设定参数与偏置。p o w e rp e r f e c t e rt m 系统的核心思想是 利用神经网络的离线建模功能建立燃烧控制目标量与锅炉可操作变量及干扰变量 的非线性模型，再利用非线性模型预测控制( m p c ) 技术，通过动态调整d c s 设 定参数与偏置，实现锅炉燃烧优化与降低排放，其工作原理如图1 1 所示。p o w e r p e r f e c t e rt m 系统首先利用历史数据站存储的大量来自d c s 的运行数据，建立锅炉 操作变量( 如：氧量设定、给煤机偏移量、风量偏移量等) 、干扰变量与反应锅炉 燃烧经济性、安全运行、污染物排放的控制目标量( 如：锅炉效率、飞灰含碳、排 放等) 之间的多变量非线性动力学模型。离线建模调试结束后，可在线利用模型进 行动态优化控制，通过对风、粉、氧量等影响锅炉燃烧特性的操作变量的设定值或 偏置进行动态优化调整，实现基于多目标的锅炉安全运行、低排放运行、经济运行。 优化的结果可以以开环操作指导、闭环监督控制两种工作模式与机组的d c s 控制系 统相连接。p e g a s u s 公司称p o w e rp e r f e c t e r t m 系统可以提高锅炉热效率0 5 , - - 2 5 ； 降低n o x 排放1 0 - 3 0 ，同时降低s o x 和c o x 的排放；降低飞灰含碳量；改善 再热蒸汽温度控制品质，减少两侧偏差；延长设备的使用寿命；减少事故，提高安 全生产率。目前我国山东省的华电莱城电厂和华能天津杨柳青电厂已引进该公司的 燃烧优化产品。2 0 0 6 年5 月2 6 日，美国n e u c o 公司收购了p e a g a s u s 公司，以 p r o c e s s l i n k 为技术平台，推出了燃烧优化系统c o m b u s t i o n o p t t m 。 4 , 5 1 d c s 系统 数据高速公路 薰l 商； 一了一j 侈 优化设定值过程数据 彳f生 动态控制 陋据有效性验证 彳产 多 优化 图1 - 1p o w e rp e r f e c t e rt m 系统工作原理 a b b 公司推出了其在线的电厂效率计算优化软件包o p t i m a x ，是以成本为核心， 将机组或整个电厂置于最优状态下运行，最大限度地优化电厂运行，燃烧优化只是 其中一部分。该软件包含多个功能模块，主要包括过程信息管理模块( p i m s ) 、性 能计算模块( p e r f o r m a n c e ) 、电厂负荷优化调度软件模块( p o w e rf i t ) 、锅炉清洁 模块( b o i l e rc 1 e a n l i n e s s ) 、锅炉寿命管理模块( b o i l e r “f e ) 、汽机寿命管理模块 3 华北电力大学硕士学位论文 ( t u r b i n el i f e ) 、基于模型的诊断专家系统( m o d i ) 、电厂设备测试模块( e q u i p m e n t t e s t ) 、调整数据模块( d a t ar e e o n c i l i a t i o nw i t hv a l i ) 、维护管理模块( m a i n t e n a n c e m a n a g i e e n tw i t ha p i ) 等。其中锅炉清洁模块主要是在线计算锅炉热交换面的清洁 度，结果用于锅炉优化吹灰。o p t i m a x m o d i 是一个实时的专家系统，具有专用于 电厂的知识库。通过状态监测和诊断，在故障早期就可为运行和管理人员提供有关 故障信息，避免重大事故发生【2 1 。 另外，u l t r a m a x 公司、艾默生过程控制有限公司、通用物理( g p ) 、h o n e y w e l l 公司、f o x b o r o 公司、h i t a c h i 公司、西门子公司等都提出了各自的优化控制解决 方案。这些d c s 厂商提供的优化软件包涵盖范围广，与国内提出的s i s 系统功能相 近。随着发展，d c s 厂家与软件开发商相联合，将其开发的燃烧优化系统纳入自己 整体的电厂运行优化软件包中，使其功能更加完备【6 ，7 1 。 1 2 2 国内的燃烧优化控制技术 寻找有效的锅炉燃烧优化运行技术，以实现锅炉稳定、高效而洁净的燃烧也一 直是国内热能工程领域专家学者的研究目标。目前国内该领域的研究文献大体分为 燃烧理论建模技术、火焰图像处理技术和人工神经网络技术三大类别【6 1 。 ( 1 ) 燃烧理论建模技术 国内一些学者对燃烧理论建模和求解方法进行了深入的研究，取得了可喜的研 究成果。哈尔滨工业大学陈炳华等人采用i p s a 两相流动模型和煤粉燃烧综合模型， 在不同的一次风率和煤粉细度的情况下，对1 台3 5 0 m w 锅炉煤粉燃烧过程进行了 数值模拟，分析了一次风率和煤粉细度对煤粉着火燃烧和飞灰含碳量的影响规律， 并确定了一次风率和煤粉细度的优化运行参数值【7 1 。 华中理工大学徐明厚、胡泰来等人以株洲电厂配1 2 5 m w 机组的4 2 0 t h 同心反 切圆锅炉为研究对象，对不同工况下，锅炉炉内空气动力锅炉场、温度场煤粉颗粒 轨迹等进行了数值计算，分析了该锅炉结渣的原因，提出了通过改变一次风、二次 风的动量矩，改善该锅炉结渣和燃烧经济性的措施【8 】。 华中科技大学郑楚光、赵海波建立了对实际锅炉煤粉燃尽率与飞灰含碳量预测 的一维计算方法j 将煤的燃烧特性与锅炉结构特性相结合，进行实际锅炉中煤粉燃 尽率与飞灰含碳量的预测【9 1 。 ( 2 ) 火焰图像处理技术 近年来，国内学者对炉膛火焰检测和燃烧诊断进行了广泛和深入研究，清华大 学吴占松在其博士论文中不仅对图像处理的方法的选择做出了很多的工作，还推导 了火焰图像亮度信号和火焰温度之间的关系。并置黑体炉内进行标定，最后建立了 多变量线性回归模型，得到了n o x 生成量与高温区面积、温度、边界距喷嘴的距离 及温度分布的方差之间的关系，为国内火焰图像研究丌创了先河i i0 1 。 4 华北电力大学硕士学位论文 华中理工大学的周怀春等借助于辐射定理，采用参考点法从火焰辐射能量分布 中计算出二维温度场，并根据温度场的信息诊断燃烧工况采用点双色法温度计进行 测量定标。计算机还将识别火焰的中心位置、火焰刷墙炉膛温度高、可能结焦等信 息通过自组织神经网络进行自学习从而提取燃烧工况的特征信息1 1 1 - 1 3 】。 杨宏民等人通过对炉膛火焰的图像采集，利用计算机数字图像处理技术及人工 神经网络模型分析方法，开发了炉膛火焰图像燃烧诊断系统为电站锅炉燃烧优化控 制提供了新途径【1 4 】。 ( 3 ) 人工神经网络技术 2 0 世纪9 0 年代，不少学者将人工神经网络应用于锅炉燃烧控制优化系统，在 这方面进行了广泛和深入的研究，取得了一些成果。赵利敏等人采用b p 人工神经 网络来预示锅炉燃烧特性，以煤元素分析成分、锅炉结构、锅炉运行参数等5 5 个 参数作为网络输入参数，以煤粉气流着火温度、燃烧切圆直径、无助燃油最低负荷、 未燃碳热损失作为网络输出，通过b p 网络对燃烧的稳定性、结渣性、燃尽性进行 预示【15 1 。 浙江大学热能工程研究所周昊等人采用b p 人工神经网络对某台3 0 0 m w 锅炉 飞灰含碳量特性进行建模，建立锅炉热效率和锅炉相关运行参数之间的关系，设定 锅炉热效率为优化目标，利用普通遗传算法进行寻优计算，实现燃烧优化，但是由 于受到b p 神经网络自身的限制，即使经过改进，其训练速度还是较慢、易陷于局 部最优，难以实现在线训练，为此没有实现在线训练建模【1 6 】。 东南大学的林波提出了遗传算法的p i d 参数整定寻优的方法，基于燃烧过程的 复杂性，采用b p 神经网络来逼近锅炉燃烧过程的非线性关系，在实际训练中采用 了改进的l m 算法来加快学习过程，分析了电站燃烧控制中风煤比对锅炉效率和 污染物排放的影响，为优化燃烧控制系统的设计和实现提供了一种较为新颖的途 型17 1 。 上海交通大学王强以锅炉燃烧系统为研究对象，利用三层b p 神经网络构造了 一个神经网络自适应控制器，使用从电厂锅炉运行所获得的实际运行数据训练神经 网络，经过训练网络建立了锅炉燃烧系统自适应控制器【1 8 】。 上面介绍的方法能够解决一些特性问题，如火焰图像处理技术指导锅炉燃烧优 化运行虽然是一种途径，但其大多用于火焰稳定性和燃烧安全性的监督。锅炉燃烧 过程十分复杂，影响锅炉燃烧的因素也十分复杂，有些燃烧机理尚不十分明确，难 以建立完善、精确的电站锅炉燃烧模型。国外的研究起步早，相关的技术、设备完 备。但优化软件、设备引进造价高，而且，相对于国外燃煤电站锅炉，目前我国电 站锅炉具有煤质多变，负荷大范围变化的特点，这导致一些进口的燃烧优化控制软 件在国内应用存在很多问题，主要表现为对煤种适应性差，对负荷大范围变化的适 应性差。 5 华北电力大学硕士学位论文 1 3 信息融合技术的研究现状 信息融合( i n f o r m a t i o nf u s i o n ) 也可称为多传感器融合( m s f ) ，这一概念是 7 0 年代初期提出来的，其产生和发展源于军事领域的需求。7 0 年代末8 0 年代初， 美军的军用c 3 i ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o na n di n t e l l i g e n c e ) 系统信息融 合和b e t a 系统的有关内容见于公开文献中。美国国防部早在1 9 8 4 年就成立了信 息融合专家小组( d f s ) ，指导、组织和协调信息融合技术的研究，并在1 9 8 8 年将 信息融合列入9 0 年代重点研究发展的二十项关键技术之一，并取得了一些成果。 在世界上几次局部战争中，信息融合显示了强大的威力。特别是在海湾战争中，多 国部队的c 3 i 融合系统发挥的作用已引起全世界的普遍关注【1 9 之1 1 。 根据国外研究成果，信息融合比较确切的定义可概括为：利用计算机技术对按 时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的 决策和估计任务而进行的信息处理的过程。按照这一定义：多传感器系统是数据融 合的硬件基础：多源信息是数据融合的加工对象；协调优化和综合处理是数据融合 的核心 1 9 , 2 0 】。通俗的说，信息融合技术就是将来自多个传感器的信息或多源信息进 行综合处理，从而得到更可信的结论。 信息融合技术自上世纪7 0 年代提出以来，在军事部门获得了成功的应用，在 处理多源、异类、异步、不确定的信息方面有着独特的优势，解决了如：目标模式 识别、航迹跟踪、态势判断及威胁估计等问题。另外，在民用方面如图形图像处理、 工业机器人研究、传感器技术、语音识别、医学、环境测试、导航和故障诊断等方 面都有广泛的应用和研究，取得了巨大的经济效益和社会效益【2 0 , 21 】。 电站锅炉燃烧优化是个复杂的过程，影响锅炉燃烧好坏的参数众多，锅炉燃烧 稳定性评判与信息融合技术所研究的问题有很大的相似性，。将信息融合技术应用到 锅炉燃烧稳定性评判领域有望取得良好的效果。 1 4 本文主要的研究内容 本基金项目在基于信息化的大背景下，利用信息融合技术结合机理分析，寻找 和构造锅炉燃烧过程的影响因素和表现特征，并建立两者之间的映射模型，以此为 基础进行优化燃烧控制系统设计，提高燃烧过程的稳定性、经济性和环保性。 燃烧优化是一项系统性工程，基于信息融合技术的燃烧控制优化系统层结构如 图1 - 1 所示， 6 华北电力大学硕士学位论文 1 ：燃烧优化指导层 2 ：燃烧状态评估层 3 ：控制系统优化层 4 ：关键信号构造层 5 ：原始信号校准层 图1 - 2 基于信息融合技术的燃烧控制优化系统层结构 该系统可以划分为5 层，自下而上各个层的作用是： ( 1 ) 原始信号校准层：对给水流量、主蒸汽流量、锅炉总风量、排烟氧量进 行校准，为燃烧优化提供基准参数。 ( 2 ) 关键信号构造层：利用信息融合技术，构造出与燃烧密切相关但难以直 接测量的信号，煤发热量、煤水分、煤可磨性、热量信号、炉膛出口烟温，引入燃 烧优化控制系统中。 ( 3 ) 控制系统优化层：包括基于热量前馈的汽温控制系统；基于煤质分析的 燃烧控制系统优化；一次风压、一次风量、排烟氧量定值优化。 ( 4 ) 燃烧状态评估层：寻找影响燃烧的关键信号和表现特征，包括负荷、煤 质、风量、设备结构、配煤配风、炉膛出口烟温、汽温、汽温偏差、氧量、排烟温 度、飞灰含碳量等。利用主元分析和聚类分析方法寻找机组运行的典型工况；利用 d - s 证据理论判断机组当前运行状态更接近于哪种工况。 ( 5 ) 燃烧优化指导层：建立燃烧模型计算各个典型工况下机组运行典型指标 应达值，如果当前工况运行值与应达值存在差别，则利用支持向量机指出改进方向。 本课题针对第2 层燃烧状态评估层做了部分研究工作，利用d s 证据理论在影 响燃烧的关键信号和机组燃烧典型工况之间建立起映射关系。从而为基于信息融合 技术的燃烧控制优化系统的燃烧优化指导层的研究工作做好准备。 电站锅炉燃烧是一个复杂的物理化学过程，涉及到燃烧学、流体力学、热力学、 传热传质学等学科领域。由于电站锅炉燃烧过程十分复杂，有些燃烧机理尚不十分 明确，同时燃用煤种的多变以及设备老化，造成采用传统的机理分析和实验分析比 较困难。2 0 0 3 年，厂级监控信息系统s i s ( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 丌始在 我国火电厂中安装应用，其实时历史数据库管理系统记录下大量的机组实际运行 数据，为我们提供了大量的数据信息。本文将采用数据分析和理论研究相结合的手 段，利用信息融合的方法对燃烧稳定性进行研究，为优化燃烧控制打好基础。 全文主要内容如下： 7 华北电力大学硕士学位论文 1 首先介绍了电站锅炉煤粉的燃烧过程，煤粉在炉内燃烧经历三个阶段：着火 前的准备阶段、燃烧阶段和燃尽阶段。其次，对煤粉迅速而又安全燃烧的条件进行 了分析，要达到完全燃烧就必须供应炉膛适量的空气，燃烧快慢和完全程度均与炉 膛温度有关，燃料和空气的混合程度对能否达到迅速完全燃烧起着很大的作用。最 后对影响煤粉气流着火与燃烧的主要因素进行了分析。 2 介绍了信息融合技术的基本原理、信息融合的级别、信息融合的主要方法； 详细介绍d s 证据理论的基本概念、证据融合推理方法及最终决策规则；详细介绍 粗糙集理论的基本概念，并讨论了粗糙集理论与d - s 证据理论的关系以及二者之间 的关系带给我们的启发。 3 建立基于d s 证据理论的燃烧稳定性评判模型，选取煤质、煤粉浓度、负荷、 负压、火检信号、一次风温、一次风速、一次风率作为证据体，利用模糊数学中的 隶属函数给出证据的基本概率赋值。用现场7 2 小时的运行数据对评判模型进行了 测评，测试结果表明，该模型能够准确的对燃烧稳定性进行评判。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 1 煤粉的燃烧过程 第二章燃烧理论基础 锅炉炉膛内煤粉燃烧是一个极其复杂的物理、化学反应过程。煤粉空气混合物 经由燃烧器以射流方式进入炉膛后，通过紊流扩散的外回流以及旋转射流卷吸周围 的高温烟气。若有钝体稳燃器，则由钝体稳燃器产生的内回流卷吸周围的高温烟气， 促使煤粉气流与炽热烟气产生强烈混合。同时煤粉气流又受到炉膛四壁和高温烟气 的辐射，而将悬浮在气流中的煤粉迅速加热。研究表明，煤粉气流的加热主要靠高 温烟气的对流传热，辐射传热是次要的。煤粉获得了足够的热量并达到一定温度后 就开始着火燃烧。将煤粉气流加热到着火温度所需的热量为着火热。它包括加热煤 粉和一次风所需热量以及煤粉中水分蒸发、过热所需热量。着火热由以下公式计算： 级叫矿0 5 訾+ 咯警煽一t o ) 吲罴【2 5 1 0 + 蚂1 0 0 卅而w y - w , f 2 5 1 0 + c q ( t o - 1 0 0 ) 】) + 哆 南【c 叮( l 一1 0 0 ) 卜而 一1 0 0 ) 】) 式中： b ，：每台煤粉燃烧器所燃用的燃料消耗量，堙s ； y o ：理论空气量，n m 3 k g ； 口：过量空气系数； 乃。：一次风率； q t ：一次风比热，k 3 姆。c ； g 。：机械未完全燃烧热损失， 巳，：煤的干燥基的比热，材培。c ； w y ：煤的应用基水分； ：着火温度，； 乞：过热蒸汽的比热，材堙。c ； ：煤粉与一次风气流的初温，： 睨，：煤粉水分，。 由上式可知，影响着火热的因素有着火温度t 。，煤粉与一次风气流的初温瓦， 一次风率巧。和煤的应用基水分矿，等。 要使煤粉气流着火快，一方面要尽量降低着火热，另一方面要尽快提供着火热。 煤粉在炉内的燃烧过程大致经历三个阶段，即着火前的准备阶段、燃烧阶段和 华北电力大学硕士学位论文 燃尽阶段。 ( 1 ) 着火前的准备阶段 煤粉进入炉内至着火这一阶段为着火前的准备阶段。在此阶段内，煤粉中的水 分要蒸发，挥发分要析出，煤粉的温度也要升高至着火温度。显然，着火前的准备 阶段是吸热阶段。要使煤粉着火快，可以从两方面着手：一方面应尽量减少煤粉气 流加热到着火温度所需要的热量，这可以通过对燃烧预先干燥、减少输送煤粉的一 次风风量和提高输送煤粉的一次风风温等方法来达到：另一方面应尽快给煤粉气流 提供着火所需要的热量，这可以通过提高炉温和使煤粉气流与高温烟气强烈混合等 方法来实现。 ( 2 ) 燃烧阶段 当煤粉温度升高至着火温度而煤粉浓度又合适时，煤粉就开始着火燃烧，进入 燃烧阶段。燃烧阶段是一个强烈的放热阶段。燃烧阶段包括挥发分和焦炭的燃烧。 首先是挥发分着火燃烧，放出热量，加热焦炭粒，使焦炭的温度迅速升高并燃烧起 来。焦炭的燃烧不仅时间长，而且不易燃烧完全，所以要使煤粉燃烧又快又好，关 键在于对焦炭的燃烧组织得如何。因此使炉内保持足够高的温度、保证空气充分供 应并使之强烈混合，对于组织好焦炭的燃烧都是十分重要的。 ( 3 ) 燃尽阶段 燃尽阶段是燃烧阶段的继续。一些内部未燃尽而被灰包围的炭粒在此阶段继续 燃烧，直至燃尽。这一阶段的特点是氧气供应不足，风粉混合较差，炉内温度较低， 以致这一阶段需要的时问较长。为了使煤粉在炉内尽可能燃尽，以提高燃料的利用 率，应保证燃尽阶段所需要的时间，并应设法加强扰动来击破灰衣，以便改善风粉 混合，使灰渣中的可燃物燃透烧尽。 实验研究发现，煤粉在炉内的加热升温速度很快，升温速度为( 0 5 1 0 ) * 1 0 4 c s ，仅在0 1 0 2 秒的时间内就能达到炉内燃烧时的温度水平1 5 0 0 ( 2 左右。在 这种条件下，挥发分燃烧和焦碳燃烧这两个环节很难截然分开，在很大程度上可能 是同时进行的【2 2 1 。 2 2 煤粉迅速而又安全燃烧的条件 ( 1 ) 要供给适量的空气 要达到完全燃烧就必须供应炉膛适量的空气，即保持适当的过量空气系数。如 果空气供应不足，即过量空气系数过小，将会造成不完全燃烧热损失；但空气供应 过多，不仅使炉温降低引起燃烧不完全，还将使排烟量增大，造成排烟热损失增加。 ( 2 ) 要维持足够高的炉温 燃烧快慢和完全程度均与温度有关。炉温过低不利于燃烧反应的进行，使燃烧 1 0 华北电力大学硕士学位论文 不完全，所以温度应高些。适当高的炉温，不仅可以促使煤粉很快着火，迅速燃烧， 而且可以保证煤粉充分燃尽。 ( 3 ) 燃料与空气的良好混合 燃料和空气混合是否良好，对能否达到迅速完全燃烧起着很大的作用。为了做 到使煤粉气流进入炉膛后迅速着火，着火后又迅速而完全地燃烧，煤粉炉一般都采 用一、二次风组织燃烧。即煤粉由一次风携带进入炉膛，由于高温烟气的辐射和混 入，使煤粉气流的温度很快达到着火点，使煤粉着火。所以一次风量不宜过大，只 能满足挥发分燃烧的需要即可，混入的热烟气则应温度高、数量大，这样才能使一 次风和煤粉很快升温、着火。煤粉着火后，一次风很快被消耗，这时二次风以很高 的速度喷入炉内与煤粉混合，形成强烈的扰动，冲破碳表面的烟气层和灰壳，以强 行扩散代替自然扩散，从而提高扩散混合速度，使燃烧速度加快并完全燃烧。除此 以外，炉内煤粉气流混合情况是否良好，还与炉膛形状、燃烧器的结构和布置等有 关。 ( 4 ) 足够的燃烧时间 煤粉由着火到全部燃烧完毕，需要有一定的时间。煤粉从燃烧器出口到炉膛出 口一般需要2 口3 s 。在这段时间内煤粉必须完全烧掉，否则到了炉膛出口处，因受 热面多，烟气温度很快下降，燃烧就会停止，从而造成不完全燃烧热损失。 为了保证煤粉燃尽，除了保持炉内火焰充满度和使炉膛有足够的空间和高度 外，还应设法缩短着火与燃烧阶段所需要的时间。 总之，要保证燃料的良好燃烧，就必须满足以上这些基本条件，为此就要求燃 烧设备具有合理的结构和布置，同时在运行中科学地组织整个燃烧过程【2 2 1 。 2 3 影响煤粉气流着火与燃烧的因素 因素，二是设备结构因素，三是运行因素。具体内容如下： ，r 挥发分 燃科p 腑t 巍 l 煤粉细度及煤粉颗粒分布 厂一次风量、一枚风温、一次风速 i 燃烧器? 二汝风速，二次风温 结构l 篓勰蓊挈戤 l 炉膛 鑫盏苏热强度 运行 糯 华北电力大学硕士学位论文 下面主要分析燃料因素与运行因素的影响。 ( 1 ) 燃料性质 影响煤粉着火特性的因素有很多，其中一部分是可调的环境因素，另一部分就 是煤本身的特性。挥发分、水分、灰分等成分对煤粉的着火有不同的影响。 煤中挥发分含量对煤粉气流的着火过程影响最大。可燃基挥发分越高的煤，着 火温度越低，火焰传播速度也快。因此挥发分高的煤不仅容易着火，而且着火稳定 性也好。挥发分的燃烧，对焦炭起加热作用，从而为焦炭的着火燃烧创造了有利条 件，一般而言，挥发分高的煤也易于燃尽。但烧挥发分高的煤，往往是炉膛结焦和 燃烧器出口结焦的一个重要原因。与此相反，当燃用煤种的挥发分低时，燃烧的稳 定性和经济性均下降，而锅炉的最低稳燃负荷升高。图2 - 1 为国内一些3 0 0 m w 以 上大机组实测锅炉燃烧损失与煤中挥发分含量的关系。图中数据的分散程度反映了 其他影响因素( 如锅炉结构、燃烧器型式、运行氧量、媒质、煤粉细度等) 的差异。 1 5 1 2 零9 j 6 3 0 一 ， 1 7 51 01 52 1 1 2 5 3 03 5 u d ， 图2 一l 飞灰含碳量与挥发分含量的统计关系 煤中水分越大，着火热也就越大。同时由于一部分燃烧热消耗在加热水分并使 其气化和过热上，也降低了炉内烟气的温度，从而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及 火焰对煤粉气流的辐射热都降低，这对着火显然是不利的。然而另方面，煤中水 分对着火稳定性又是有利的，煤粉内在水分的析出使煤的孔隙度增加即活性增大， 更容易着火。 煤中灰分含量越高，则挥发分开始析出的温度越高，析出速率大大降低。由于 挥发分析出延迟，着火温度也随着升高，使着火推迟。灰分含量影响着火速度，在 挥发分相同的情况下，灰分越多，其着火速度越低。灰分增加使火焰温度降低，因 为加热灰分会增加热量消耗，灰分越多，炉膛的燃烧温度越低，这不仅使燃烧稳定 性变差，还使锅炉出力下降。燃料发热量的降低将导致燃烧温度下降，炉内温度水 1 2 华北电力大学硕士学位论文 平降低。当降到一定程度时，就会引起燃烧不稳、火焰闪烁、灭火打炮，必须投油 助燃。 ( 2 ) 煤粉细度 煤粉越细，着火就越容易。这是因为在同样的煤粉质量浓度下，煤粉越细，进 行燃烧反应的表面积就越大，而煤粉本身的热阻却减小。因而加热时，细煤粉的温 升速度要比粗煤粉来得快，这样就可以加快化学反应速度和更快地达到着火。 煤粉越细，燃烧越完全。另外，煤粉的均匀性指数刀越小，粗煤粉就越多，燃 烧完全程度会降低。因此挥发分低的煤时，应该用较细较均匀的煤粉。 图2 2 是在一台燃贫煤的3 0 0 m w 机组锅炉上实测的煤粉细度影响曲线。从中 可以看出，当煤粉比较细( 如 1 5 ) 的时候，飞灰可燃物迅速增 大，煤粉细度越大，其对飞灰可燃物的影响越显著。因此，为了提高燃烧的稳定性 和经济性，严格控制煤粉细度是十分必要的。 薯 彝 鬟 矗 倦 严 户 ，r 一， y ，- _ ，一d 煤粉细度r m x 图2 2飞灰可燃物与煤粉细度的关系曲线 ( 3 ) 煤粉浓度 煤粉炉中，一次风中的煤粉浓度( 煤粉与空气的质量之比) 对着火稳定性有很大 影响。高的煤粉浓度不仅使单位体积燃烧释热强度增大，而且单位容积内辐射粒子 数量增加，导致风粉气流的黑度增大，可迅速吸收炉膛辐射热量，使着火提前。此 外，随着煤粉浓度的增大，煤中挥发分逸出后其浓度增加，也促进了可燃混合物的 着火。因此，不论何种煤，在煤粉浓度的一定范围内，着火稳定性都是随着煤粉浓 度的增加而加强的。图2 3 是国内研究人员的近期试验结果。图中着火指数定义为 喷入试验炉内的风粉气流能维持稳定着火的最低炉温。由图可知，随着煤粉浓度的 1 3 华北电力大学硕士学位论文 增加，各种煤的着火根数都降低，着火容易。对于高挥发分的褐