（控制理论与控制工程专业论文）基于支持向量机的电站锅炉燃烧稳定性研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 锅炉是火电厂重要的燃烧设备，它内部的燃烧状况直接影响着整个机组运行的 安全性、经济性和环保性，因此对锅炉的燃烧稳定性的研究历来都是研究的热点。 本文首先对燃烧稳定性的影响因素和反映因素进行了归纳总结。然后介绍了有关统 计学习理论和支持向量机算法，该方法与传统方法相比，克服了固有的模型选择与 过学习问题、非线性与维数灾难问题、局部极小问题。最后从火检强度和影响因素 着手，利用支持向量机( s v m ) 对燃烧状态识别分类。测试结果表明，支持向量机 方法用于锅炉燃烧稳定性的判别，具有很好的分类和泛化能力。 关键词：电站锅炉，支持向量机，交叉验证，燃烧稳定性，统计学习理论，火检信号 a b s t r a c t t h eb o i l e ri sa ni m p o r t a n tb u r n i n ge q u i p m e n ti nap o w e rp l a n t t h ec o m b u s t i o n c o n d i t i o no ft h eb o i l e rh a sad i r e c te f f e c tt ot h es a f e t y , e c o n o m ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n so ft h ep o w e rp l a n t s ot h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t yo ft h eb o i l e rh a sb e c o m et h e f o c u ss t u d i e si nt h ef e wy e a r s f i r s t l y , t h ea r t i c l es u m m a r i z e di n f l u e n c ef a c t o r sa n dt h e r e f l e c t i o nf a c t o r so ft h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t y , t h e ns t u d i e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n f u r n a c ep r e s sa n dc o m b u s t i o n s t a b i l i t y s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e ds t a t i s t i c a l l e a r n i n ga n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) t h e o r y i ti sa p p l i e dt ot h ec l a s s i f i c a t i o no f c o a lc o m b u s t i o ns t a b i l i t y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d ，s v mc l a s s i f i e rh a sb e t t e r c l a s s i f i c a t i o nr a t ea n da d v a n t a g e si ns e l e c t i n gm o d e l ，o v e r c o m i n go v e r f i t t i n ga n dl o c a l m i n i m u m ，e t c b a s e do nt h ed a t af r o mt h eb o i l e ro fc e r t a i n6 0 0 m wb o i l e r - t u r b i n eu n i t ， t h ew a yt oi d e n t i f yt h ef l a m ec o m b u s t i o ns t a t e s u s i n gs v mf r o mt h ef a c t o ro f c o m b u s t i o ns t a b i l i t yi sp u tf o r w a r d t h ef u r t h e ra n a l y s i ss u g g e s t st h a ts v mh a sg o o d c l a s s i f i c a t i o na n dg e n e r a l i z a t i o na b i l i t yo nj u d g i n go fc o m b u s t i o ns t a b i l i t yf o ru t i l i t y b o i l e r l iy u h u a ( 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 yp r o f c h a n gt a i h u a k e yw o r d s ：u t i l i t yb o i l e r , s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，c r o s s v a l i d a t i o n ，c o m b u s t i o ns t a b i l i t y ， s t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r y , f l a m ed e t e c t i n gs i g n a l 华北电力大学硕士学位论文 摘要 锅炉是火电厂重要的燃烧设备，它内部的燃烧状况直接影响着整个机组运行的 安全性、经济性和环保性，因此对锅炉的燃烧稳定性的研究历来都是研究的热点。 本文首先对燃烧稳定性的影响因素和反映因素进行了归纳总结。然后介绍了有关统 计学习理论和支持向量机算法，该方法与传统方法相比，克服了固有的模型选择与 过学习问题、非线性与维数灾难问题、局部极小问题。最后从火检强度和影响因素 着手，利用支持向量机( s v m ) 对燃烧状态识别分类。测试结果表明，支持向量机 方法用于锅炉燃烧稳定性的判别，具有很好的分类和泛化能力。 关键词：电站锅炉，支持向量机，交叉验证，燃烧稳定性，统计学习理论，火检信号 a b s t r a c t t h eb o i l e ri sa ni m p o r t a n tb u r n i n ge q u i p m e n ti nap o w e r p l a n t t h ec o m b u s t i o n c o n d i t i o no ft h eb o i l e rh a sad i r e c te f f e c tt ot h es a f e t y , e c o n o m ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n so f t h ep o w e rp l a n t s ot h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t yo ft h eb o i l e rh a sb e c o m et h e f o c u ss t u d i e si nt h ef e wy e a r s f i r s t l y , t h ea r t i c l es u m m a r i z e di n f l u e n c ef a c t o r sa n dt h e r e f l e c t i o nf a c t o r so ft h ec o m b u s t i o ns t a b i l i t y , t h e ns t u d i e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n f u r n a c ep r e s sa n dc o m b u s t i o ns t a b i l i t y s e c o n d l y , t h i s p a p e ri n t r o d u c e ds t a t i s t i c a l l e a r n i n ga n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) t h e o r y i ti sa p p l i e dt ot h ec l a s s i f i c a t i o no f c o a lc o m b u s t i o ns t a b i l i t y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d ，s v mc l a s s i f i e rh a sb e t t e r c l a s s i f i c a t i o nr a t ea n da d v a n t a g e si ns e l e c t i n gm o d e l ，o v e r c o m i n go v e r f i t t i n ga n dl o c a l m i n i m u m ，e t e b a s e do nt h ed a t af r o mt h eb o i l e ro fc e r t a i n6 0 0 m wb o i l e r - t u r b i n eu n i t ， t h ew a yt o i d e n t i f yt h ef l a m ec o m b u s t i o ns t a t e su s i n gs v mf r o mt h ef a c t o ro f c o m b u s t i o ns t a b i l i t yi sp u tf o r w a r d t h ef u r t h e ra n a l y s i ss u g g e s t st h a ts v mh a sg o o d c l a s s i f i c a t i o na n dg e n e r a l i z a t i o na b i l i t yo nj u d g i n go fc o m b u s t i o ns t a b i l i t yf o ru t i l i t y b o i l e r l iy u h u a ( 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 yp r o f c h a n gt a i h u a k e yw o r d s ：u t i l i t yb o i l e r , s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，c r o s s v a l i d a t i o n ，c o m b u s t i o ns t a b i l i t y ， s t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r y , f l a m ed e t e c t i n gs i g n a l 声明户口明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于支持向量机的电站锅炉燃烧稳 定性研究，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：导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论弟一早殖t 匕 进入2 1 世纪，科学技术突飞猛进，经济日新月异。电能作为经济发展最重要 的一种能源，可以方便、高效地转换成其他能源形式。提供电能的形式有很多种， 其中包括水利发电，火力发电，风力发电，核电等，随着人类社会跨进高科技时代 又出现了太阳能发电，磁流体发电等。但对于大多数发展中国家来说，火力发电仍 是今后很长一段时期内的必行之路。 随着我国经济的快速发展，对电力的需要呈现了增长的趋势；自建国以来，我 国的电力工业飞速发展。2 0 0 6 年，全国发电量达到2 8 3 4 4 亿千瓦时，同比增长1 3 4 。 其中，水电发电量4 1 6 7 亿千瓦时，约占全部发电量1 4 7 ，增长5 1 ；火电发电 量2 3 5 7 3 亿千瓦时，约占全部发电量8 3 2 ，增长1 5 3 ；核电发电量5 4 3 亿千瓦 时，约占全部发电量1 9 ，增长2 4 。 2 0 0 6 年发电设备利用小时数累计平均利用小时数为5 2 2 1 小时，同比降低2 0 3 小时。其中，水电设备利用小时数为3 4 3 4 小时，降低2 3 0 小时；火电设备利用小 时数为5 6 3 3 小时，降低2 3 3 小时；核电设备利用小时数为7 7 7 4 小时，增加1 9 小 时。 2 0 0 6 年中国电力消费情况：2 0 0 6 年全社会用电量达到2 8 2 4 8 亿千瓦时，同比 增长1 4 ，增幅比2 0 0 5 年上升0 4 个百分点。其中，第一产业用电量为8 3 2 亿千 瓦时，增长9 9 ：第二产业用电量为2 1 3 5 4 亿千瓦时，增长1 4 3 ，其中轻、重工 业用电量分别为4 1 3 3 亿千瓦时和1 7 0 2 1 亿千瓦时，增长1 1 9 和1 5 4 ，轻、重工 业增幅比2 0 0 5 年分别上升1 8 7 和下降o 1 4 个百分点；第三产业用电量为2 8 2 2 亿 千瓦时，增长1 1 8 ；城乡居民生活用电量为3 2 4 0 亿千瓦时，增长1 4 7 。 2 0 0 6 年中国电力设备装机容量：2 0 0 6 年中国发电装机容量达到6 2 2 0 0 万千瓦， 同比增长2 0 3 。其中，水电达到1 2 8 5 7 万千瓦，约占总容量2 0 7 ，同比增长9 5 ： 火电达到4 8 4 0 5 万千瓦，约占总容量7 7 8 ，增长2 3 7 ；水、火电占总容量的比 例分别下降了2 0 3 和上升了2 1 5 个百分点。全国2 2 0 千伏及以上输电线路回路长 度达到2 8 1 5 万公里，增长1 0 4 ，2 2 0 千伏及以上变电设备容量达到9 8 1 3 l 万千伏 安，增长1 5 7 【ij 。 而2 l 世纪头十年，中国电力工业出现了一次大的发展，虽然水电，核电及其 他新能源发电能力增长很快，但均赶不上火力发电增长的速度。电力体制改革后， 五大发电集团公司中的中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、 中国国电集团公司中均不约而同地规划各公司所属发电机组的容量在2 0 1 0 年均达 1 华北电力大学硕士学位论文 到6 0 0 0 万k w 左右的水平，比2 0 0 2 年前后增长近一倍；更有的公司规划到2 0 2 0 年其发电机组容量在2 0 1 0 年的基础上再增长一倍。因此，火力发电机组在今后很 长一段历史时期仍将是我国电力生产的主力军，火电机组中的三大主机之一的锅炉 的安全、经济、环保运行水平的提高是重要的课题【2 】。 锅炉是火电厂中的重要燃烧设备，锅炉运行的安全性和经济性在很大程度上决 定了整个机组运行的安全性和经济性。如果锅炉燃烧不稳定，不仅会降低热效率， 使进入炉膛的煤不能完全燃烧造成经济上的损失，而且会产生更多的污染物及噪 声，严重破坏周遭的环境；而一旦处理不当，则会造成炉膛灭火，更甚则会诱发炉 膛的爆炸，从而引发重大事故。为了预防潜在的危险，必须进行有效的燃烧火焰监 视和诊断，判断锅炉燃烧是否稳定。 1 2 相关研究 锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并保持稳定、均匀的火焰，燃烧调整不好 或者燃烧不稳定会导致锅炉热效率降低，产生更多的污染物、噪声等，在极端情况 下可能引起锅炉炉膛灭火，甚至诱发炉膛爆炸事故。为了预防潜在的危险，必须进 行有效的燃烧火焰监视和诊断【2 】【3 】【4 】。针对这一情况，国内外许多研究人员对锅炉燃 烧稳定性作出了许多研究。 1 2 1 煤粉燃烧稳定性理论研究 锅炉是火力发电厂的三大主机中最基本的能量转换设备，其良好稳定的燃烧是 锅炉安全性和经济性的基本要求，目前燃烧过程的稳定性备受关注。一方面，研究 人员从煤粉燃烧特性出发，提出了非均相着火理论。t h o m a s 等人用高速摄影的方法 对流动热空气褐煤粒着火及燃烧做了详细的观察，为煤粒的非均相着火提供了直接 依据。我国学者从8 0 年代开始用热天平研究煤粉的燃烧特性。文献 5 】把煤的燃烧 特性分为着火稳定性，结渣性和燃烬性，并对每种特性给出了综合判别指数。文献 6 】【7 提出了煤焦反应动力学的新思想，并给出了反应动力学参数与煤质的通用关 系，进而提出了煤焦着火温度与煤质之间的通用关系，为煤焦着火温度的确定提供 依据。另一方面国内外学者对火焰稳定机理进行研究，五六十年代c o w a r d 和 z a b e t a k i s 等人就从可燃性角度出发对燃烧稳定性问题进行了探讨1 8 儿引。l o c k w o o d 等 试验研究了旋流煤粉燃烧器的稳定性，他们定义的稳定燃烧是靠近旋流燃烧器的出 口，并通过试验分析了给煤率、过量空气系数、颗粒尺寸和燃烧器的几何结构等因 素对燃烧稳定性的影响。国内学者还提出了基于b i b o 稳定性理论的燃烧过程相对 稳定性评c s i 并从动态模拟结果和试验研究两方面对该指数的有效性进行验证【l o 】。 2 华北电力火学硕士学位论文 1 2 2 电站锅炉燃烧状态检测技术发展状况 现有的锅炉热工控制系统中，对燃烧的监控和判断是通过一个可直观反映火焰 燃烧情况的火焰电视( f t v ) 和整个控制系统中重要的一个组成部分一炉膛安全监 控系统( f u r n a c es a f e g u a r ds u p e r v i s o r ys y s t e m 即f s s s ) 来实现火焰的检测与控制。 它能在锅炉正常工作和启停等各种运行工况下，连续地密切监视燃烧系统的参数和 状态，不断地进行逻辑判断和运算，一旦监视到不正常的情况，就会发出警报，或 者直接按照预先设定的指令发出动作指令，以保证锅炉燃烧系统的安全，进而保证 运行人员的安全。f s s s 系统常用火焰强度和火焰的频率来综合判断火焰的存在状 态。 传统的锅炉燃烧稳定性的判断是对火焰的有无进行判断，但是由于检测方法单 一，它们具有很大的局限性。根据燃烧产生的声，光，热，电离等多种物理现象， 通过问接的方法得到炉膛内的燃烧状况。所以早期的火焰检测方法主要有利用火焰 本身特有的紫外线强度来判别火焰有无的紫外线火检器；利用燃料的第一燃烧区存 在离子，火焰导电原理的电离法；利用火焰高频闪烁原理的红外线火检器；同时对 火焰闪烁频率和可见光亮度进行逻辑加法运算的光电火检器等。随着技术与理论的 应用，后来又产生了比色法，相关分析法和基于c c d 摄像机的数字图像处理法， 在文献 1 1 1 2 1 3 】中对各种火焰检测方法有了详细的介绍与比较。 近年来，计算机技术和智能控制处理技术的飞速发展给电厂炉膛火焰状态的诊 断开辟了一个新的领域。像基于自组织神经网络的燃烧诊断，基于频谱分析的燃烧 诊断，基于模糊理论的燃烧诊断，基于主元分析方法的燃烧诊断以及全炉膛火焰探 测的燃烧诊断等。 一 ： ， 。 1 2 2 1 基于自组织神经网络的火焰燃烧诊断技术【1 4 】1 1 5 1 该技术是将原始的燃烧火焰信号通过自组织神经网络的处理，从中提取可反映 燃烧稳定与否的本质特征。诊断过程分为三个阶段：频谱分析、建立自组织神经网 络、应用自组织神经网络进行燃烧诊断。这是一种频谱分析技术和自组织神经网络 原理相结合的、定量的燃烧诊断技术。 应用自组织神经网络进行燃烧诊断的过程： 选取n 个已知( 稳定或不稳定) 燃烧工况的频谱估计值的频率分量构成n 个向 量( 只取低频部分的高能量频率) ，将它们作为m * n ( m n ) 神经元阵列的输入向 量，通过足够的神经网络训练，对每个输入向量进行特征匹配，它能清楚地表示出 稳定燃烧工况，不稳定燃烧工况和不定工况。在进行燃烧工况诊断时，只需要将相 应的图像向量作用于上述训练神经网络，看其落在哪一区域，便可知道该燃烧工况 是否稳定。 华北电力大学硕十学位论文 同时这种方法可有效的结合频谱分析，小波分析，d s 理论等方法，使其训练 和测试方法更加准确，有效。浙江大学白卫东【l6 j 等基于实验炉，根据火焰辐射光具 有脉动的特点，利用快速傅立叶变换算法和自组织神经网路状态识别相结合的方 法，对火焰燃烧是否稳定进行的诊断，并取得了不错的结果。 1 2 2 2 基于模糊理论的燃烧诊断技术【1 7 】 对煤粉火焰图像进行分析，提取表征燃烧稳定性的特征参数，并将燃烧稳定性 知识用语言形式描述出来，通过建立语言与特征参数之间的模糊关系，进而建立特 征参数与燃烧稳定性之间的模糊关系。 1 2 2 3 基于主元分析方法的燃烧诊断技术【1 8 】 主元分析方法是一种探讨多变量数据空间的技术，运用这种方法，可以使最本 质的成分得到分析，而抛弃大量不重要的影响因素和噪音。将反映过程正常运行的 历史数据收集起来，对这些数据进行主元分析，建立主元模型，利用此模型进行判 断。 1 2 2 4 基于火焰颜色定量分析的燃烧诊断技术【2 】 火焰颜色定量技术是在火焰光谱分析基础上发展起来的燃烧分析技术，它可对 同一色光进行表色，确定火焰的色度坐标，不同的色度坐标反映不同的煤粉浓度， 不同的燃烧品质。因此，火焰色度坐标可作为诊断风、煤匹配是否恰当的依据。比 如，火焰色度坐标变低，表明燃烧区域煤粉浓度低，不利于优化燃烧。 1 2 2 5 基于频谱分析的燃烧诊断技术【2 l 该技术根据火焰的频谱分布特性的低频波动能量和燃烧稳定性的本质特性联 系进行燃烧诊断，是一种全频范围内的诊断技术，它能获取更详尽的反映燃烧工况 的信息，因而弥补了仅根据火焰强度和频率的阈值判断有无火焰的不足。 1 3 研究内容及意义 近年来我国电力工业迅速发展，已经进入大电网、大机组、高度自动化的阶段。 随着机组安全运行重要性的不断提高，先进的机组保护系统得到广泛的应用。由于 煤价的上涨，我国燃煤电厂为节约成本，提高经济效益，多燃烧低品质煤，导致煤 质差且多变。而且机组大部分时间是在变负荷，变工况等复杂条件下运行，使得锅 炉更加难以控制。一旦检测不到位，就会发生投油过多，或者是锅炉灭火事故。因 此，判断锅炉燃烧状态，分析燃烧不稳定原因是目前电厂急需解决的一个问题。 4 华北电力大学硕士学位论文 燃烧有三种状态即燃烧稳定状态，临界状态和燃烧不稳定状态。当机组处于满 负荷时锅炉的各项指标都趋于设计的稳定值，锅炉抗扰动能力强，燃烧容易控制； 而当机组处于低负荷时，锅炉的很多指标( 特别是炉膛的温度) 都要下降，这时燃 烧不容易控制，燃烧处于临界状态，如果运行人员对此时的燃烧状态不够了解，不 该投油时投油了，运行的经济性就会下降；反过来，该投油时未投油，又会造成锅 炉灭火事故。所以对低负荷燃烧稳定性的判断对于现场运行人员来说尤为重要。本 论文的目的主要就是判断锅炉低负荷下燃烧的稳定性。 随着油价的上涨，为了节省燃油的费用，要求提高锅炉低负荷运行时的无油稳 燃能力。根据国内目前的技术水平，对于燃烧烟煤的锅炉，要求不投油稳燃的最低 负荷达到3 5 的额定负荷；对于采用普通燃烧技术燃烧低反应煤的锅炉，要求不投 油稳燃的最低负荷达到5 0 的额定负荷【l9 1 。这是根据平均水平来说的，实际上有些 电厂根本达不到5 0 的额定负荷就要投油，所以这里所提出的低负荷只是一个概 念，并没有规定是某一个数字，各个电厂所规定的低负荷都不尽相同。 本文首先对影响锅炉燃烧稳定性的因素进行了总结与分析，然后从中找出影响 稳定性的主要因素，以其为分析基础，利用支持向量机算法进行燃烧稳定性的分析 与判断。 主要研究有以下几个方面： 1 支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ，s v m ) 是以有限样本统计学习理论为 基础发展起来的通用学习方法，克服了神经网络学习合理结构难以确定和存在局部 极小点等缺点，较好地解决了小样本、非线性、高维数等实际问题，并且具有很强 的泛化能力【2 们。目前支持向量机已成功用于故障分类、时间序列预测、非线性系统 建模和辨识等领域【2 1 1 【2 舢 2 3 1 。本文首先分析了支持向量机算法的惩罚参数和核参数 的选择方法，并利用u c i 标准数据库分别得出了惩罚参数及核参数对训练精度及测 试精度的影响。为下一步的数据分析提供了一个选择参数的方法。 2 影响锅炉燃烧稳定性的相关因素分析。分析了不同工况下的火焰燃烧强度信 号及其能量谱密度。 3 将支持向量机方法应用于锅炉燃烧稳定性状态的分析当中，实验证明，可以 得到很好的分类结果，具有一定的实用性。 1 4 本章小结 本章首先介绍了选题的背景及意义，并从2 0 0 6 年的总装机容量及燃用煤的比 例等数据说明了火力发电在电力行业所占的地位及重要性。锅炉燃烧状态的稳定性 是火力发电厂安全与经济的重要体现。同时介绍了现代锅炉燃烧检测的发展及研究 现状，最后对本论文的主要内容进行了简单的概括。 华北电力大学硕士学位论文 第二章燃烧稳定性因素分析 锅炉燃烧系统是锅炉系统中最重要的部分，燃烧状态的好坏，直接影响电厂的 经济效益。实际运行当中，为了调节电负荷的峰谷差，机组处于频繁的变负荷运行 工况下，这就加重了锅炉燃烧的不稳定性。因此，分析锅炉燃烧不稳定的原因，对 找出燃烧不稳定的症结所在，指导现场运行人员进行正确的操作具有重要的意义。 2 1 影响因素分析 锅炉燃烧是一个复杂而多变的过程，且燃烧过程中，机组的某些指标是互相制 约互相影响的。锅炉运行人员能了解影响锅炉燃烧稳定性的主要因素，进而对实际 操作产生积极的影响。 锅炉燃烧稳定性既反映了锅炉着火的难易程度，又体现了着火后的燃烧状况。 保证燃料在炉膛内完全燃烧的条件，一是着火要及时稳定；二是要控制燃烧速度并 使燃料在炉内有足够的燃烧时间。 影响锅炉燃烧过程稳定性的因素除燃烧器的结构外，煤粉本身的因素和燃烧环 境起着重要的作用。燃料的着火和燃烧稳定性及燃烧环境是锅炉燃烧稳定性的最主 要因素，对锅炉的安全经济运行有着重要影响。本章节主要讨论煤粉本身的因素和 燃烧环境的因素对锅炉燃烧稳定性的影响。通过对煤粉着火及燃烧稳燃机理的研究 和对现场运行实际状况的了解，可知影响锅炉燃烧稳定性的因素如下：煤质变化、 煤粉浓度、煤粉细度、锅炉负荷、一次风速、煤粉气流的初温、二次风温和风速、 负压等，下面将进行详细的介绍与分析。 2 1 1 煤质变化 煤质变差，煤粉气流着火推迟，使煤粉在炉膛内燃烧时间缩短；煤的热值低、 灰分高又使得炉膛烟气温度降低，造成燃烧不稳定、不完全、甚至发生熄火事故。 煤质中对着火过程影响最大的是所含的挥发分，挥发分降低时，煤粉气流的着 火温度显著升高，着火热也随之增大。也就是说，必须把煤粉气流加热到更高的温 度才能着火。因此，低挥发分的煤着火要困难些，达到着火所需的时间也长些，着 火点离燃烧器喷口的距离自然也拉的长些。 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 其汽化和过热上，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。然而另一方面，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， 6 华北电力大学硕士学位论文 更容易着火。 煤质所含挥发分的析出温度除与可燃基挥发分含量有关外，还与灰分有关。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。 当前，煤炭供应紧张，电厂用煤来源不稳定，有文献对燃烧稳定性做了评判， 最后得出偏离锅炉设计的煤种是导致锅炉燃烧不稳定的主要原因。因此，国内有些 学者就对煤质特性和燃烧之间的关系进行的深入的研究，像傅维标【6 】【7 】等学者就在 试验分析的基础上，提出煤焦反应的活化能只是煤焦温度的函数而与煤质无关的新 思想，并给出了反应动力学参数与煤质的通用关系。他们给出了煤焦着火温度与煤 质之间计算公式：e = ( 一) 2 c 口dx l o 之其中，是分析基挥发分，是分析 基水分，巳是分析基固定碳。通过对煤质中的分析基挥发分、水分和固定碳的含 量代入公式计算，就可以得出无因次f 的指标值，通过f 的值就可以反映出煤质对 着火温度的影响，进而得出对燃烧稳定性的影响。实验表明，f 越大，着火温度越 低，着火特性越好，燃烧就会越稳定。 但是当前煤质的在线测量还很困难，因此在考虑燃烧稳定性的判断的问题时， 我们假定在一定的时间段内，进入炉膛的煤质不发生变化。 2 1 2 锅炉负荷 锅炉负荷发生变化时，炉膛平均烟温发生变化，燃烧器区域的烟温随之发生变 化，从而引起锅炉燃烧稳定性发生变化。锅炉负荷降低时，送入炉内的燃料消耗量 相应减少，而水冷壁总的吸热量也减少，但减少的幅度较小，相对于每公斤燃料量 来说，水冷壁的吸热量反而增加了。致使炉膛平均烟温下降，燃烧器区域的烟温也 降低。因而，锅炉负荷的降低，对煤粉气流的着火是不利的。随着负荷的下降，在 燃烧设备不变的条件下，燃烧过程能够克服的燃料和空气配比的扰动越来越小，在 额定负荷下某一大小的燃料扰动不至于破坏燃烧过程的稳定，但在低负荷的工况下 则影响可能非常大，运行人员会感到不易维持稳定的燃烧，因为此时的燃烧受到稍 大一点的扰动，就极易使火焰不稳定，甚至导致灭火。所以负荷的大小和变化情况 对锅炉的燃烧稳定有一定的影响【2 4 1 。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3煤粉浓度 一次风中的煤粉浓度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。有研究表明，对特定的煤种( 主要是挥发 分的含量) 和煤粉气流温度等对应工况存在一最佳的煤粉浓度。像对于低挥发分的 贫煤和无烟煤来说，其最佳煤粉浓度应高于常规的煤粉浓度；当采用热风送粉时( 热 风温度3 0 0 左右) ，各试验煤种的最佳煤粉浓度均比冷风送粉时高【2 5 1 。 虽然着火的温度随着煤粉浓度的提高而降低，但并不是越高越好。煤粉浓度过 高，会导致着火区严重缺氧，反而影响挥发分的充分燃烧，造成产生大量烟煤，此 时还会因为挥发分中的热量没有充分释放出来，影响颗粒温度的升高，延缓着火。 因挥发分燃烧时缺氧，导致火焰不能正常传播，从而引起火焰的不稳定。 2 1 4 一次风温与风速 提高煤粉的一次风温，可以减少煤粉气流的着火热，提高炉内温度水平。如果 不用热风送粉，加热空气和煤粉需要吸收炉膛大量的热量，使炉膛温度水平下降， 不利于炉膛燃烧的稳定。增加一次风速会使着火热增加，着火过程延迟；而一次风 速过低，会造成堵管。一般来说，一次风只要保证煤粉的挥发分燃烧即可，同时还 要满足输送煤粉的需要。对于直吹式制粉系统，还要考虑制粉系统干燥出力以及磨 煤机中通风量的要求。 下面我们来看一下锅炉在燃烧稳定状态和不稳定状态两种工况下的一次风温 及其功率谱密度的不同。 8 华北电力大学硕士学位论文 3 0 0 2 8 0 2 6 0 2 4 0 齑2 2 0 区 孥2 0 0 1 1 1 1 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o 5 0 01 0 0 01 5 0 0 一次风温采样点 图2 1 不稳定工况空预器出口一次风温采样值 3 0 0 0 o0 5 f r e q u e n c y 1 5 图2 2 不稳定工况下空预器出口一次风温对应的功率谱值 9 2 一芍一。刁：兰c翻墨l_暑1c_蔓-o考止 _ 赠 匠 蛞 1 华北电力大学硕十学倪论文 一次风温采样点 图2 3 稳定工况下空预器出口一次风温采样值 f r e q u e n c y 1 5 2 图2 - 4 稳定工况下空预器出口一次风温对应的功率谱 1 0 侣 佰 佗 竹 8 6 一口一。口：兰c西再=，c：i_oo口19，弓山 华北电力大学硕士学位论文 2 1 5 煤粉细度 煤粉的燃烧反应主要是在颗粒表面上进行，煤粉越细，单位质量的煤粉表面积 越大，煤粉颗粒就越容易被加热，火焰传播速度也就越快，燃烧放热越快，因而也 就越容易稳定燃烧。试验表明，煤粉燃烬时间与颗粒直径的平方成正比，当锅炉燃 用的煤质一定时，提高煤粉的颗粒细度能显著地提高煤粉气流的着火稳定性。特别 是在低负荷时，对保持燃烧的稳定性有很大的作用。不过，煤粉越细，磨煤机的耗 电量就越大，过度提高煤粉颗粒细度虽然对稳定燃烧有利，但磨煤机耗电大幅增加， 而且会降低磨煤出力，往往是得不偿失。 2 1 6 煤粉气流的初温 提高煤粉气流的初温，减少了把煤粉气流加热到着火温度所需的热量，从而加 快了着火，有利于煤粉的稳定燃烧。只有提高了煤粉气流的初温，才能迅速稳定着 火。实际中采用较高温度的预热空气来输送煤粉。 2 1 7 二次风风速和风温 二次风则应在煤粉着火后并把一次风中的氧消耗掉的情况下分批限量加入。二 次风混入时间不宜过早，并需保证部分燃烧的煤粉气流与新加入的二次风混合后的 温度不低于着火温度，以免中途熄火。由于煤粉气流着火后有一定粘度，所以，要 想混合强烈，二次风必须有一定速度。二次风风温高时，进入炉膛后吸热少些，有 利于燃烧。 2 1 8 其它因素 除了前面提到的煤质、负荷、煤粉浓度、煤粉细度、一次风温与风速这几种影 响因素外，还有像断粉、堵管、二次风量等因素。断粉信号是通过一次风混合前温 度与混合后温度以及一次风速和一次风压的变化来进行判断，若混合前风速很大， 风压也比正常小，而温度差又很小，则说明断粉：堵管信号是通过测量一次风速与 一次风压变化，如果一次风压异常增大，而一次风速又非正常减小，表示此时堵管。 2 2 反映燃烧稳定性的因素 燃烧不稳定会通过一些现象表现出来，比如炉膛的压力波动比较大，火焰温度 低，火焰飘忽不定，火焰的闪烁频率在低频段波动能量变大，炉膛振动加剧，结焦 结渣严重，主汽温、主汽压波动变大，飞灰含碳量偏高，炉膛出口烟温波动，尾部 烟气含氧量异常等。对燃烧稳定性的判断已经有一些基于检测和计算的方法，目前 1 1 华北电力大学硕士学位论文 的大量的研究主要集中在炉膛压力和火检信号与燃烧稳定性之间的关系上。 2 2 1 炉膛压力 炉膛压力是表征燃烧状况的重要参数。锅炉一旦燃烧上发生故障，最先从炉膛 压力上反映出来，然后才是汽包水位、蒸汽流量等参数的相应变化。引起炉膛压力 变化的原因主要有燃烧原因和送引风原因，而压力的变化又可分为正压和负压两 种。很显然，送引风方面的原因可直接影响锅炉炉膛的压力，但是燃烧状况与炉膛 压力的变化之间的关系就复杂的多，在锅炉运行中，尤其锅炉在全炉膛灭火前，局 部灭火和局部爆燃是经常发生的。局部灭火炉膛会出现负压；局部爆燃又会出现炉 膛正压。燃烧不稳定时炉膛正负压波动很大，若调整不当，会导致炉膛灭火。炉膛 灭火以后，炉膛温度会迅速下降，燃烧产生的气体急剧减少，从而导致炉膛内产生 较大的负压。炉膛负压变化情况与锅炉燃烧稳定状态不是严格一一对应的关系，尽 管多数情况下，锅炉灭火会引起负压偏大，但是，它们之间还是有一些规律可寻的。 我们可以把炉膛看成一个密闭容器，送引风机的丌度大小引起的充气和吸气会 使炉膛的压力产生变化，这是来源于锅炉外部的干扰。但是，使炉膛产生压力波动 变化的原因并不仅仅只有送引风和燃烧这两种，还有很多因素像炉膛的局部爆燃会 引起炉膛压力的突然增大，而局部灭火又会引起炉膛压力的突然减小。因为我们采 集的是炉膛压力的脉动信号，而导致信号脉动的因素也有好多，在有些文献里大概 归结了以下几种1 2 6 j 【27 j ( 1 ) 由于燃烧强度的变化，燃料的着火延迟以及风道阻力的变化均可能导致 燃料供应量的脉动，风量的脉动和燃烧场周围气压的脉动。 ( 2 ) 燃烧前后炉内气流的湍流强度是变化的，在着火后，湍流的速度、温度、 压力梯度都有所增加，从而湍流强度也有所增加，这也会使燃烧场产生脉动。 ( 3 ) 炉内火焰所激发出的烟气也能产生低频的振动。 ( 4 ) 大量高温渣块落入锅炉下的渣池中，使渣池中的水急剧汽化，产生大量 的水蒸汽，会使炉膛压力突然的波动。 ( 5 ) 大块灰渣脱落，会使炉膛内的气流发生变化，特别是在燃烧器周围的挂 焦，一旦脱落，会使燃烧器喷出的煤粉突然增大，燃烧也随之突然加剧，从而造成 炉膛压力的波动。 2 2 2 火检信号 燃烧火焰是表征燃烧状态稳定的最直接的反映，从人眼观火到各种火焰检测器 都是利用火焰的某种特征来判断燃烧的状态。它最为直接，所以只有对燃烧火焰检 测准确，才能对锅炉燃烧稳定性做出正确的判断。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 直接提取s i s 历史数据库中提取的火检强度信号，并对其进行离散的傅立叶变 换，分析其对应的能量谱的规律，找出反映燃烧的信息量。 高负荷稳定和高负荷波动时的采样值和能量谱。 4 0 3 0 鼍 密2 0 霉 1 0 o 1 1 0 3 莲1 0 2 盏例 寰 长1 0 0 9 9 i i o1 3 0 04 0 06 0 0 采样点教 00 0 60 10 1 50 20 2 50 30 3 50 40 4 5 0 5 频率( i l z ) 图2 5 高负荷稳定时的信号采样与能量谱 9 8 l 一一 o 4 3 摹 囊2 誓 o 1 0 0o3 0 04 0 06 0 0 采样点数 。| 一： i 以础螺删j砒樾基i i i通赢瓜矗认 工 oo 0 5o 10 1 50 2 0 2 50 30 3 50 40 4 50 5 频率( h z ) 图2 - 6 高负荷波动时的信号采样值与能量谱 1 3 r11t_11_啪 懈 懈 似 能 伽 一)魁蹑鬟长 华北电力大学硕士学位论文 由图2 5 ，2 - 6 我们可以看到，高负荷稳定时，火焰强度信号所对应的能量谱值 比较小，而且在各频率值都有分布；不稳定时，所对应的能量谱值相比稳定时变大 了。 图2 7 ，2 8 分别给出了低负荷稳定和低负荷波动时的燃烧火焰强度信号和对应 的能量谱。 由图2 7 ，2 8 可以明显的看到不稳定燃烧时能量谱值相比稳定燃烧时谱值要大， 且谱值较大的值明显集中在低频段。 特殊情况下的燃烧火检强度信号和对应的能量谱值如图2 - 9 ，图2 1 0 ，图2 1 l ，图 2 1 2 所示。由图我们可以看到，在启磨，停磨，点火三种燃烧不稳定工况下，燃烧 火焰波动强烈。而停炉工况下，炉内没有燃烧。 基 恻 憩 竣 1 5 0 捌 密 馨s o o 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0s 0 06 0 07 0 08 0 0 采样点数 00 0 50 10 1 5o 2o 2 s 0 3o 3 s0 40 4 60 5 频率( h z ) 图2 7 低负荷稳定时的采样信号和对应的能量谱 1 4 强 驺 豁 船 佰 华北电力大学硕士学位论文 1 1 0 1 0 0 邑 鬈 寝 孓 8 0啊驹蚪彬i |i|1雌 咿 。一一一一一一i 一 i 。一一一 i 。 1 1 一 广r 广 采样点数 1 5 0 0r 一一一r 一一r 一_ r r r 一r 一t r 一 趔 亵 棚 篁s 0 0 o 2 9 盖们 强 嫂1 7 长 1 6 kl 1 j 二 一一i ! ；一：i i oo 0 5o 1o 1 50 20 2 5 0 30 3 50 40 4 5o 5 频率( ) 图2 8 低负荷波动时采样信号及对应的能量谱 ，5l l j 一 01 0 02 0 0 趔 拯 捌 翟 8 2 o x1 一 一十一f 。一一一 【。_ 上。j ，。l 一。 4 0 0 5 湖 7 0 0 8 采样点数 oo 0 10 1 5 0 2 0 2 5 0 30 3 50 40 4 5 0 5 频率( h z ) 图2 - 9 停炉时的采样信号和对应的能量谱值 1 5 华北电力大学硕士学位论文 邑 魁 酮 竣 孓 划 密 翻 鬈 0 1 0 02 3 0 04 0 0 5 6 0 07 0 08 0 0 采样点数 1 5 0 墓t 0 0 魁 疆 壤 文 趔 密 棚 罄 o 图2 1