（控制理论与控制工程专业论文）基于模型的锅炉汽包水位软测量技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 将软测量技术应用于电厂锅炉汽包水位测量。本文从基本的质量平衡和能量平 衡关系出发，将汽包水位动态解析为汽包中饱和水量和饱和蒸汽量综合作用的结 果。研究了一种利用风量和排烟氧量构造热量信号的方法，利用过冷水从省煤器出 口经由水冷壁循环至汽包出口变为饱和蒸汽的焓差作为水冷壁吸热量的计算方法， 发现该构造热量信号同水冷壁吸热量之间存在一定的函数关系。最终建立了一个基 于机理分析与数据统计分析方法相结合的汽包水位软测量模型，实验验证了该软测 量模型能较好的反映汽包水位动态。 关键词：软测量，汽包水位，机理分析，热量信号，实验分析 a b s t r a c t t h es o rs e n s i n gt e d m o l o g yi sa p p l i e dt 0d i u ml e v e lm e 嬲删舳铋ti np o w e rp l 孤t a c c d i l l gt 0m eb 豁i c 心l 撕o f 鳓b s t a l 磁i b a l 锄趾d 锄盯g yb a l 锄c e ，l i sp a p 盯锄a l y z 嚣d r 哪l e v e l d y n 跏i c si i l t 0t l l er e s u ho fc h a n g 韶山ea m o 1 to fs a t 啪a 锕、a t 盯锄ds a t i | 朋【t e ds t e a mi nt h ed n l m a m e t l l o di sb e i i l gr 髓e 缸c h e df o rs 协l c t i l m lh e a ts i g n a lb ym e a n so fk n o w n 锄0 l m to fa i rn o w ；t o g e m c rw i t h t l l e0 x y g e nc o n t 锄ti nt i 坞f h 瑭g 懿；t h ec a l c i l l a t e dm e t h o do f 曲屺h e a tn 佣rt ot l l e s e 璐b 髂e d 傩t h e e n m a l p yd i 伍盯e n c e w h ic _ hf e e d 、a t e rf r o m 也e t l c to ft h ec o a la 沁小如缸珊吞b s 删b i n gt h ea m 咖to fh e a t m ：r o u g h 也ew a t 盱w a l l 硼恼c h 姐g s a t i l r a t e ds 渤m s 锄s 吐c 跚l t si n d i c a t ei h a tt h e 他a 坞s o m er c l a t i o 地 b 曲黜s t l l l c t u r a lh e a ts i g n a la n dt h eh 铭tn o wt 0t l l er i s e 埽f i i l a n y as o f t8 e 璐i n gm o i i c l 董o rd n l m 二b o i l e 培 l e v e lb 豁e d 皿m e c h a n i s m 锄a l y s i s 锄d 讹s t a t i s d ca 越l y 8 i si 3c 伪塔l c 硼e ：叩幽e n tr 嚣u l t ss h o wt h a t m e 咖t o f s o m s 饥s i n g m o d e l f i t s w e n 谢t h n 怆嘲l 蛔l c v e l d y n 锄i c w a n gs h a o h u a ( c o n t r o lt h e o 巧a n dc o n t r 0 1e n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z e n gd e l i a n g k e yw o r d s ：s o f ts e n s o r d r u mi e v e l ，m e c h a n i s ma n a l y s i s ，h e a ts i g n a l ，e x p e r i m e n t 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 将软测量技术应用于电厂锅炉汽包水位测量。本文从基本的质量平衡和能量平 衡关系出发，将汽包水位动态解析为汽包中饱和水量和饱和蒸汽量综合作用的结 果。研究了一种利用风量和排烟氧量构造热量信号的方法，利用过冷水从省煤器出 口经由水冷壁循环至汽包出口变为饱和蒸汽的焓差作为水冷壁吸热量的计算方法， 发现该构造热量信号同水冷壁吸热量之间存在一定的函数关系。最终建立了一个基 于机理分析与数据统计分析方法相结合的汽包水位软测量模型，实验验证了该软测 量模型能较好的反映汽包水位动态。 关键词：软测量，汽包水位，机理分析，热量信号，实验分析 a b s t r a c t t h es o rs e n s i n gt e d m o l o g yi sa p p l i e dt 0d i u ml e v e lm e 嬲删舳铋ti np o w e rp l 孤t a c c d i l l gt 0m eb 豁i c 心l 撕o f 鳓b s t a l 磁i b a l 锄趾d 锄盯g yb a l 锄c e ，l i sp a p 盯锄a l y z 嚣d r 哪l e v e l d y n 跏i c si i l t 0t l l er e s u ho fc h a n g 韶山ea m o 1 to fs a t 啪a 锕、a t 盯锄ds a t i | 朋【t e ds t e a mi nt h ed n l m a m e t l l o di sb e i i l gr 髓e 缸c h e df o rs 协l c t i l m lh e a ts i g n a lb ym e a n so fk n o w n 锄0 l m to fa i rn o w ；t o g e m c rw i t h t l l e0 x y g e nc o n t 锄ti nt i 坞f h 瑭g 懿；t h ec a l c i l l a t e dm e t h o do f 曲屺h e a tn 佣rt ot l l e s e 璐b 髂e d 傩t h e e n m a l p yd i 伍盯e n c e w h ic _ hf e e d 、a t e rf r o m 也e t l c to ft h ec o a la 沁小如缸珊吞b s 删b i n gt h ea m 咖to fh e a t m ：r o u g h 也ew a t 盱w a l l 硼恼c h 姐g s a t i l r a t e ds 渤m s 锄s 吐c 跚l t si n d i c a t ei h a tt h e 他a 坞s o m 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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：劢孵，；) i 导师签名：迹赵旦醪导师签名：型丝：沙、 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究意义 第一章绪论弟一早三百 t 匕 高温高压锅炉汽包水位的准确测量问题一直是个难题，目前尚未很好地解决。 发电机组的汽包水位控制是火力发电厂控制系统中十分重要的环节之一，汽包水位 控制的好坏直接影响到火电厂整机的安全、稳定运行。而锅炉汽包满、缺水事故是 长期困扰火力发电厂安全的恶性频发事故之一【l 】。多年来的事故统计结果表明，事 故原因往往是由于对汽包水位测量技术缺乏较为透彻的理解，而最为重要的原因就 是因为汽包水位测量技术尚有一些不完善的地方。 解决工业过程测量问题的另外一种途径就是采用间接测量的思路，利用易于获 取的其它测量信息，通过计算来实现对被测变量的估计。软测量技术便是近年来在 过程控制和检测领域中涌现出来的集中体现这种思想的新技术【2 】。将软测量技术应 用于锅炉汽包水位测量有着十分重要的意义： 1 目前，汽包水位测量技术尚有一些不完善的地方【l 】。火电生产过程中一般都是 采用云母水位计、差压水位计和电接点式水位计等测量汽包水位，而这三种水位计 常常会出现指示不一样的情况，一种基于软测量技术的汽包水位测量系统能够为现 有的汽包水位测量传感器提供更多，更可靠的冗余信息。 2 发电机组的汽包水位控制是火力发电厂控制系统中十分重要的环节之一， 汽包水位控制的好坏直接影响到火电厂整机的安全、稳定运行。为适应目前机组参 与电网调峰和一次调频的需要，机组负荷大范围波动，“虚假水位 现象常有发生， 直接影响到汽包水位控制品质。本课题的研究能够为一些工业实用化的控制策略和 方法，提供一条有效的解决途径。 3 1 9 9 7 年1 2 月1 6 日秦皇岛热电厂4 号锅炉发生严重的缺水爆管事故，现场 三种水位计同时失效是造成水位保护拒动，事故扩大的主要原因【l 】。因此，一种基 于软测量技术的汽包水位测量系统可以为现场运行人员提供辅助决策。 4 同时，本课题的研究有一定的理论应用价值。综合运用多个可测信息对汽 包水位做出状态估计、故障诊断和趋势分析，以适应现代工业发展对汽包水位动态 特性日益提高的测量要求。该模型可作为火电厂信息化建设软件开发的理论模型。 随着厂级监控信息系统( s u p e r v i s o r yi n f o m a t i o ns y s t e m ) 在火电厂中的应用， 来自d c s 系统的大量生产过程数据可以非常方便的得到，为分析数据本身的特点和 相互之间的关系提供了良好的条件，同时为我们提供了丰富的数据再挖掘功能。这 使得汽包水位软测量技术的实现成为了可能。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 课题现状 1 2 1 软测量技术的研究现状 软测量技术作为一个概括性的科学术语被提出是始于8 0 年代中后期，至此， 它迎来了一个黄金时期，并且在世界范围内掀起了一股软测量技术研究的热潮。 1 9 9 2 年国际过程控制专家t j m a c v o y 在文献【3 l 中，明确指出了软测量技术将是今后 过程控制的主要发展方向之一，对软测量技术研究起了重要的促进作用。9 0 年代以 来，有关软测量技术方面的研究十分活跃，在理论研究和实际应用方面均取得了迅 速发展，显示了良好的工业应用前景。 信号构造，其实质就是一个软测量问题。即利用易测过程变量( 常称为辅助变 量或二次变量s e c o n d a r yv 撕a b l e ) ，依据这些易测过程变量与难以直接测量的待测 过程变量( 常称为主导变量p r i m a r yv a r i a b l e ) 之间的数学关系( 软测量模型) ，通 过各种数学计算和估计方法，从而实现对待测过程变量的测量。 软测量系统构造的核心是如何建立软测量模型。建模的方法多种多样，且各种 方法互相交叉，目前又有相互融合的趋势。主要可分为：机理建模型、回归分析、 对象数学模型、模式识别、人工神经网络、模糊数学、相关分析、过程层析成像、 信息融合技术等九种。 1 基于工艺机理分析的软测量【4 5 l 该方法主要是运用化学反映、动力学、物料平衡、能量平衡原理，通过对过程 对象的机理分析，找出不可测主导变量与可测辅助变量之间的关系，从而实现某一 参数的软测量。对于机理研究不充分，尚不完全清楚的复杂工业过程，建立模型难 度较大，需要与其他参数估计方法相结合。 2 基于对象数学模型的软测量【4 1 1 l 这里的对象数学模型包括：状态空间模型，线性模型，非线性模型等。假定已 知系统的状态空间模型，若系统的主导变量作为系统的状态变量关于辅助变量是完 全可观的，软测量问题就转化为典型的状态观测和状态估计问题，多采用k a l m a n 滤波器和l u r n b e r g e r 观测器的解决方法。 3 基于回归分析的软测量【4 5 ，1 1 】 经典的回归分析是一种建模的基本方法，应用范围十分广泛。以最小二乘原理 为基础的一元或多元线性回归技术目前已相当成熟，常用于线性模型的拟合。为简 化模型，也可采用主元回归分析法和部分最小二乘回归法。此方法建模简单实用， 但需要大量的过程生产数据，对测量误差较为敏感。 4 基于人工神经网络的软测量i 孓6 j 2 华北电力大学硕士学位论文 近年来，人工神经网络在控制领域中的应用有了很大的发展。将辅助变量作为 人工神经网络的输入，将主导变量作为其输出，通过网络的学习来解决不可测变量 的软测量问题。但是，训练样本的空间分布和训练方法对人工神经网络的性能有着 极大的影响。对于大规模的复杂过程，则可以采用多个网络与局部训练的方法，以 避免整体网络神经元数目太大和学习速度过缓的问题。需要指出的是：目前火电厂 过程控制广泛应用的d c s ( 分散控制系统) ，其主要功能是针对实时控制的，计算 能力和计算精度都十分有限，不适合进行复杂的计算工作，限制了人工神经网络在 d c s 中的应用。 5 基于模式识别的软测量【7 8 】 在缺乏系统先验知识的情况下，可以采用模式识别的方法对系统的操作数据进 行处理，从中提取系统的特征，构成以模式描述分类为基础的模式识别模型，这方 面已有了一些应用结果。 6 基于模糊数学的软测量【9 】 模糊数学是处理复杂系统的一种有效手段，在过程软测量中也在大量的应用。 此方法常常被应用于工业过程中被测对象呈现亦此亦彼的不确定性，难以用常规数 学定量描述的场合。此外，模糊数学还和神经网络技术以及模式识别技术结合构成 模糊神经网络和模糊模式识别方法。 7 基于相关分析的软测量【4 _ o 】 基于相关分析的软测量技术是以随机过程中的相关分析理论为基础，利用两个 或多个可测随机信号间的相关特性来实现某一参数的在线测量。目前这种方法主要 应用于难测流体流速或流量的在线测量和故障诊断等。 8 基于过程层析成像的软测量【1 0 1 1 】 基于过程成像的软测量技术是一种以医学层析成像技术为基础的可在线获取 过程参数二维或三维的实时分布信息的先进检测技术，两项流多项流测量上应用较 多。 9 基于信息融合技术的软测量【4 】 在机理不是很明晰的情况下，依靠对现场收集到的试验和历史数据进行统计分 析，发现数据间的潜在的规律和关系，建立信息融合技术的软测量模型已经在锅炉 燃烧状态检测及优化中取得了良好的效果。所谓信息融合，是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过程。信息融合中使用的数学工具或方法包括很 多种，主要方法有概率论、推理理论、模糊理论、神经网络等。目前，比较通用的 几种信息融合的方法介绍如下：估值理论；经典推理和统计方法；贝叶斯推理技术； 华北电力大学硕士学位论文 d e m p s t e r s h a f e r 技术；模糊逻辑；聚类分析；人工神经元网络技术等。 1 2 2 软测量辅助变量的选择 辅助变量的选择在软测量模型建立过程中起着重要作用。它包括变量类型、数 目及测点位置三个方面。应当注意的是，这三个方面是互相关联的，并且在实际应 用中，还受经济性、维护的难易等额外因素的制约。 1 变量类型的选择 辅助变量类型的选择范围是过程的可测变量集，包括可测过程扰动、可测过程 输入、可测过程输出等。文献【7 】给出了进行辅助变量选择的若干指导原则。目前， 软测量模型中使用最广泛的是与主导变量动态特性相近、关系紧密的可测参数。例 如【们，火电厂送风机风量软测量模型中，选取与风量相关性很高的送风机电机电流， 导叶开度和送风机出口风压为辅助变量。需要明确的是，应用软测量技术的目的不 单单是为了得到主导变量的估计值，更多时候是要得到辅助变量同主导变量之间的 内在关联，以便进行主导变量的误差补偿处理、故障诊断、趋势分析，甚至能够为 一些目前停留在理论探讨而不能工业实用化的控制策略和方法，提供一条有效的解 决途径。本文鉴于此种目的，辅助变量类型的选取原则为可控可测变量集或与可控 变量直接相关的可控可测变量集。 2 变量数目的选择 辅助变量的最佳数目显然与过程的自由度、测量噪声以及模型的不确定性有 关。直接使用过多辅助变量会出现过参数化问题。 3 测点位置的选择 在软测量模型建立过程中，辅助变量的数目和位置常常是同时确定的，用于选 择变量数目的准则往往也适用于测点位置的选择。进行测点位置选择的另一重要方 法是s s v ( s 饥l c t u r e ds i n g u l a rv a l u e ) 理论，文献【1 2 】对该方法进行了详细的讨论。本文 不再赘述。 1 2 3 汽包水位测量系统概述 目前，火电生产过程中一般都是采用云母水位计、差压水位计和电接点式水位 计等测量汽包水位【1 3 】。 1 云母水位计：该水位计是锅炉汽包一般都装设的就地显示水位表。它是一 连通器，结构简单，显示直观。显示部分用云母玻璃制成。由于云母水位计温度低 于汽包内温度，因此云母水位计的示值水柱高度低于汽包重量水位高度。该水位计 的误差不但与云母水位计的温度有关( 根本原因) ，而且还与汽包工作压力和云母水 位计的测量基准线位置及汽包内的重量水位有关。 4 华北电力大学硕+ 学位论文 2 差压水位计：该水位计在火电生产过程中是应用最为普遍的一种水位计。 它是静压式液位测量仪表，在汽包水位、高加水位、除氧器水位测量中都能得到应 用。在火力发电厂，差压水位系统一般有三种组成形式：就地显示、信号远传显示 记录、信号远传输出。 3 电接点水位计：该水位计是一种电气式水位测量仪表，它将水位直接转换 成不连续的相应数目的电接点信号。这种水位计组成的测量系统结构简单，工作原 、理简单，电接点信号可以远传，时延很小，不存在仪表的机械变差及分度误差，不 存在仪表复杂的校验和调整，显示直观，可靠性高，是火电厂水位测量普遍应用的 一种水位计。电接点水位计是由水位测量筒( 水位传感器) 和显示仪表组成的。电接 点水位测量系统的测量误差主要来自水位测量筒。影响水位测量准确性的因素主要 有：水位测量筒内水柱的温度、锅炉汽包的工作压力、相临电接点的间距。 除此之外，还产生了一系列诸如汽包水位内置电极传感器，汽包内置式平衡容 器，w d p 低偏差水位计和g j t 高精度电极传感器等【1 】新型汽包水位测量装置。这些 装置的成功应用，基本上解决了汽包水位计测量误差大的问题。从锅炉汽包水位测 量的基本原理来看，这些方式沿袭了传统的检测技术发展思路，通过研制新型的过 程测量仪表，以硬件形式实现过程参数的直接在线测量。可见，传统锅炉汽包水位 测量技术涉及传感器传感机理研究，硬件仪表的设计，制造，维护以及成本核算等 各个环节。这几个环节是相互影响和制约的，若一种测量仪表虽研制成功但成本过 高，则其过程应用也将是有限的。同时该类仪表的针对性非常明确，测量对象范围 和功能均具有一定的局限性，且难以适应被测对象的多种变化。 文献f 1 4 】根据汽包水位动态过程中的质量平衡机理，利用水位与汽包进水量和出 汽量之间的关系建立了软测量理论模型，但未对模型的动态特性以及模型有效性进 行分析，是锅炉汽包水位软测量的初探。文献【”】针对锅炉汽水系统，建立了基于机 理分析的汽包水位软测量模型，在稳定工况下仿真验证得到了较好的效果，但非稳 定工况下产生了较大的偏差，主要原因在于模型中锅炉蓄热系数很难动态的求得。 文献【1 6 】将建立的汽包水位软测量模型用以解决汽包水位传感器故障检测问题，取得 了较好的应用，但汽包水位动态模型仍不完善。 1 3 本文的主要内容 本文通过分析影响汽包水位的各种因素，深入研究汽包水位变化机理，结合现 场海量数据，建立了一个基于机理分析与数据统计分析的锅炉汽包水位软测量模 型，该模型能较好的反映真实汽包水位变化。本文主要内容如下： ( 1 )介绍了基于i h i s t o r i a n 实时数据库i he x c e l 加载的数据采集方法，简单 实用；介绍了过程数据的数据滤波、数据一致性检验等过程数据处理方 5 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) ( 3 ) 法，用以提高原始数据的可靠性，准确性。 针对汽包水位测量对象的复杂性，通过详尽的机理分析，从基本的质量 平衡和能量平衡关系出发，将汽包水位动态解析为汽包中饱和水量和饱 和蒸汽量综合作用的结果。 水冷壁吸热量对于燃油机组较容易得到，但对于燃煤机组而言，水冷壁 吸热量同时需要考虑众多参数的影响。本文引用一种利用锅炉风量和排 烟氧量构造的热量信号，该信号具有足够的静态精度，比d e b 热量信号 具有更好的动态特性。通过对1 1 个月的数据统计，利用过冷水从省煤器 出口经由水冷壁循环至汽包出口变为饱和蒸汽的焓差作为水冷壁吸热量 的计算方法，发现该信号同水冷壁吸热量之间存在一定的函数关系，最 终建立了一个基于机理分析与数据分析方法相结合的汽包水位软测量模 型。 在s i m u l i n k 平台下搭建汽包水位软测量模型。分别对模型进行了开环中 高负荷工况下主蒸汽流量、水冷壁吸热量阶跃扰动仿真分析，得出该模 型可以很好的捕捉到“虚假水位现象，通过中高负荷仿真对比，得出 “虚假水位现象在低负荷工况比高负荷工况更易发生；同时对软测量 模型进行了大范围稳定负荷工况与变负荷工况下的实验分析，结果表明， 模型能够正确地反映汽包水位在典型扰动工况下的动态特性。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章数据采集及数据处理方法 分布参数特性是锅炉的本质特性，在火电厂各个运行环节分布的生产运行数据 具有如下特征【1 7 】： ( 1 ) 数据量大。分散控制系统( d c s ) 和火电厂厂级优化控制系统中存储了大 量的实时、历史运行数据。例如一台3 0 0 m w 的火力发电机组，其中数字量测点超过 1 5 0 0 0 个，模拟量测点超过3 0 0 0 0 个，运行过程监控点在6 0 0 0 1 2 0 0 0 个。 ( 2 ) 测量数据含有噪声。火电厂生产过程工作环境复杂，电、磁等噪声干扰较 强，数据易受污染，要求有去噪性能好的数据校正方法。 ( 3 ) 动态特性和数据类型多样。火电厂的运行参数处于不断变化中，动态平衡 过程是系统本质的反映，因此必须考虑过程的变化趋势，才能得到正确的结果；且 数据类型也是多样的，有温度，压力，流量等等。 2 1 数据的采集 目前我国火电机组普遍进行了d c s ( 集散控制系统) 控制改造，单机容量2 0 0 m w 及以上的机组几乎都采用了d c s 作为控制系统，机组的可控性得到了很大的提高。 d c s 中大量的运行数据是了解机组运行状况、分析机组故障的宝贵资源，但是 由于d c s 网络有很高的安全可靠性要求，通过通讯接口直接从d c s 获取数据增加 了电厂的生产风险，而且需要另外购买通讯接口卡件、开发通讯接口软件等。如华 北电力大学开发的i n f l 9 0 数据采集系统，数据最终以a c c e s s 的方式存储，存储量 很小，可以实时采集现场调试试验中的数据段，但满足不了大量采集的需要。 许多电厂的管理信息系统( m i s ) 中也已经有了部分生产实时数据，然而m i s 是 面向管理人员的信息系统，它主要完成办公自动化、物资管理、人事管理、财务管 理和综合查询等功能，对数据通讯的实时性要求不高。 s i s ( s u p e i s o r yi n f o m a t i o ns y s t e m ) 是近几年才出现的专用名词，是指电厂 厂级监控信息系统，是属于厂级生产过程自动化的范畴。是关联d c s 和m i s 的中 间环节。系统通过接口机从d c s 、p l c 等数据源中采集数据，并按一定时间间隔采 用单向数据传输方式写入到数据库中。s i s 系统采集的数据实时性较好，几乎不影 响安全生产，白有的实时历史数据库可以提供大量的历史数据以供分析。 内蒙古包头东华热电厂的d c s 系统是f o x b o r o 公司推出的新一代开放式智能控 制系统i as e r i e sd c s 。实时数据库平台采用美国g e 公司的i h i s t o r i a n 实时数据库 软件，以d e l l 公司的p o w e r e d g e6 6 5 0 服务器为硬件平台，2 台p o w e r e d g e6 6 5 0 共同组成双机集群系统，并安装运行w i n d o w s2 0 0 3s e n r c r 操作系统，以保证实时数 7 据系统的稳定、可靠运行。在d c s 接l l 机处配置标准的】0 0 。b a s c r 以太刚卡按照 t c p i p 协议与i ，as e n e sd c s 进行物理通信，基于u d p 协议的点对点通讯将d c s 侧数据服务器采集的d c s 牛产数据实时传输到s i s 侧的接口机r ，存设定压缩比例 后，通过调用数据库厂商提供的s d k ( s o r w a r ed e v e l o p m e n tk l t ) 函数存储到 l h i s t o m n 数据库叶j 。 图2 一ll h e x c e l 加载界面 如图2 一l ，l h l s t o 眦n 实时数据库提供i he x c e l l 加载，这是对i h 功能和特性 的般性访问进行了扩展直接送到微软e x c e l 的计算机上。i he x c e l 加栽包括 如r 特性：提供i h 实时值、i h 历史值、算出的平均值、最小和最大值，以及在 一个特定的r 十问【日】隔的值。1 he x c e l 加被直接观看i h 实时值，并在其变化的时候 监视它。 华北电力大学硕士学位论文 作为i h i s t o r i a n 实时数据库的分布式理念，决定着数据采集端可为s i s 系统的任 何一个客户终端。本文所需数据采集端为s i s 系统的镜像服务器，基于i he x c e l 加 载实现。 2 2 数据的处理方法 软测量模型融合了大量的现场数据，同时传感器和数据采集系统的非理想性， 而任意一组数据的失效都会导致整体性能的大幅度下降，因此对过程数据的处理就 非常重要了。 首先介绍一下四个基本概念【1 8 】： 1 协方差：e 砌( 2 - 2 ) 式中口为常数，其大小视系统的精度要求而定，一般可取为0 5 ，1 o ，2 0 等值。 测量数据序列剔除了疏失误差后，余下的数据被认为是有效的。 这种方法同样适用于一个测点在一个计算周期中的多次采样数据的一致性判 断处理。 2 2 2 数据滤波 来自实际生产过程的测量数据不可避免的会带有噪声，因此造成测量记录下来 的数值往往会是“假的 ，或者是脉动的。为此首先应该对数据进行降噪处理。采 用数据滤波的方法来消除或者削弱这些噪声，干扰对测量造成的影响，从而提高测 量值的可靠性。 滤波的方法很多，对压力和流量等周期脉动的采样值进行平滑加工的方法比较 i o 华北电力大学硕士学位论文 常用的是：滑动平均值法【2 0 1 。该方法首先定义一个移动窗口，起长度为七。设x ( f ) 为 第f 时刻变量的测量值，用f 到f + 七时刻的移动窗口内的样本平均值来代替石( f ) 的观 测值，从而达到了消除测量噪声的目的。其降噪声的过程可以用式( 2 3 ) 来进行描述： 丝 工( f ) = 芝：石( 一，) 七 ( 2 3 ) 面 为验证汽包水位软测量模型的有效性，有必要通过其他的测量方法获得汽包水 位的真实值。对于传统的锅炉汽包水位测量，一般都用云母水位计、电接点水位计 和差压水位计三种，所以汽包水位真实值的确定也可用三者之_ 。云母水位计是锅 炉汽包一般都装设的就地显示水位表。电接点水位计是一种电气式水位测量仪表， 它将水位直接转换成不连续的相应数目的电接点信号。差压水位计在火电生产过程 中是应用最为普遍的一种水位计。它是静压式液位测量仪表，在汽包水位、高加水 位、除氧器水位测量中都能得到应用，最方便最直接。因此，可以设计用差压水位 计测定模型所需的水位真实值。 对于汽包水位测量系统，随着大容量锅炉的推出，无论是现场观察还是采样数 据均表明：不仅仅在汽包表面存在不确定性波动现象，而且分布式布置的多传感器 测量得到的水位信号之间也存在较大的差异。如图2 2 所示，四支压差传感器a 、b 、 c 、d 置于汽包的四个不同位置，其中a 、b 两支及c 、d 两支分别i 临近，采样周期丁= 1 0 j ， 样本数目为= 4 3 2 0 。由于汽包水位变动的复杂性及测点分布的远距离，测点信号 这种由于不同测点位置引起的大差异直接用求均值方法得到汽包水位测量真实值 无疑是缺乏线性依据的，必须结合水位变化的物理机理进行有效的分析处理后，再 进行合理的数据融合。 例如，本文所示的这个长约2 0 1 8 4 米的汽包，各上升管、下降管进入的工质 均不可能保持实时平衡，一定有些位置高而另一些位置底，因此，水位先在某些位 置上升，而在其他位置水位暂时偏低，即水位与水质量直接相关，这便是真正反映 水质量的理想水位。实际上，由于水的可压缩性，在水位上升或下降过程中会伴随 着滞后的上下波动，在汽包各处水质量不均引起的水位上下变化同时，这种滞后的 波动也伴随而至，并在表面沿横向传播，形成表面波。从而使汽包水位的实际变化 更复杂，无法真正地表征当地水质量。传感器所测到的水位正是这种包含表面波的 水位，不同位置的表面波便具有复杂的差异( 如非线性相位差) 。相邻越远差异性越 大，称为表面波差异。由于持续的给水、蒸发，靠近进水口或汽水分离器出口的汽 包水位要高于其他部位水，该位置的传感器信号就会显得要高；靠近蒸发剧烈的位 置，水位波动幅度就偏大。这便是不同传感器信号均值位置和振幅有明显差异的基 本原因，称为位置差异。如图2 2 所示。由于a 、b 侧持续给水多，水位高于c 、d 侧。 l l ： 1 。 美 划 i 兰 珈 ： 2 0 0 6 年8 月2 0 日口d 口0 - 1 20 0 d 01 0 0 01 卿2 0 0 02 印口卸0 咖04 04 6 时问( 1 0 s ) 图2 2 实测汽包水位 由上述分析可知，传感器信号包括三个成分：第是丁况变动使汽包山水质量 整体r 柱7 卜变化，从而水位电发生变化，称为理想水何成分。它表征汽包水位在l 。 况变动f 的理想变化，这个成分对十位置不同的a 、b 、c 、d 信号来| 兑是致的： 第二是山于表面波引起的附加水位，称为表面波水位。第= 是由丁位置差片引起的 附加水位。传感器的测量误差值很小，可计入表面波水位成分。l h 此每个传感器信 号分解为： y 2yf + ，。+ y 。 式巾：只为实测水位信号； 异成分。欲从a 、b 、c 、d 分和位置差异成分。 r 2 4 1 m 为理想水位成分：几为表面波差异成分；儿为位置差 信号中分离出理想水位成分”，需要同时消除表【b 1 波成 丧2 1 三组数据各传感器信号甲值 二组数据异传感器信号均值( m m ) 测点 l42 6 8 0 82 59 3 49 1 9 9 3 5 2 3 计现场数据进彳t 统计学分析，发现传感器问明显的位置差异，选取二组数据蜘 表2 1 、2 2 所示。从表2 1 、2 2 中以得出结论：a 、b 、c 、d 信号平均值位置分 别为：a d c b ；a 、b 、c 、d 信号的变化幅度大小皋奉满足：d ，a c b 。 表2 2 ：纽数据备传感器信号平值 王纽数据各传感器信号标准差f m m ) i 测点 l 245 7 7 5 7 443 9 8 6 9 951 3 5 3 3 9 359 8 7 4 5 358 0 9 9 4 858 9 6 0 9 26 4 4 2 7 4 6 由以上规律可以认为，在很小的误差范围内，四个传感器信号的位置差异足近 似确定的，这与传感器安装位置有关。安装位置离蒸发剧烈的波动位置小h ，其均 值位置和波幅也不同d 传感器离的蛀近，所以信号变化幅度最大；a 、c 端进水 多，所以水位偏高。由于四个传感器均匀前一置，则取其平均位置及变化l 幅度作为基 准，以图22 样本为例，若将a 、b 、c 、d 信号的均值似置、幅度按相应天系线性 变换纠十h 问的均值年标准芹，如图2 3 所示比较图2 2 和罔2 - 3 ，经过预处理后四 个信号的位置差异得到很大的消除。同时看刮，信弓间仍存在无规律的细竹差并， 返f 是吲为各个传感器位簧上主存在复杂的表面波差异口“。 言 e 型 * 坷 蜒 ii 川 洲 黼： 0 础 l | i i i “虬m l l i 删 一 闭1 硎 御 啊 。”。2 器。，署“。3 “。4 “ 幽2 3 消除传感器位置差异后的汽包水位 1 想成分，的获墩只需要将表面波叶j 的脉动信号从以l 结果巾分离出柬即叫 13 们 。 佃 华北电力大学硕士学位论文 可以利用脉动信号的方差近似不变的规律来进行分离。表面波的方差定义为： 圪= 专姜c 羹2 ，= 专善c 乃一只，2 c 2 哪 式中，圪为石处表面波的方差；允是以以为均值的脉动值；为样本数目。 脉动的一个典型特征是其方差值变化小，而缓慢的理想水位的方差随工况变化 而变动【2 。由式( 2 4 ) 水位信号乃中逐渐移除理想成分只，计算剩余的方差，则发现 当只完全被去除后只剩下表面波水位项凡时，该方差便会由变动趋于稳定。因此， 根据表面波处于更高频区域的特点，可以从低频0 勉开始，由样本的频率分辨率五 为递增步长，以计算式为； 厶= 击 ( 2 6 ) 在频域上观测方差变化，从而可以确定理想成分的截止频率正。因此，利用能 量分析的方法对a 、b 、c 、d 均值信号s 进行傅立叶展开： s = 口o + 吒s 诚2 石矾f ) + 吃c o s ( 2 万矾f ) 一皇1月i l 式中，是常数项；刀= 1 ，2 时的对应项为频率以玎的各个成分。由式( 2 6 ) 知，在 各个信号中逐步去掉s 低频成分并计算剩余项方差，得到图2 4 。 i - 0 0 30 0 3 5 0 0 40 0 4 50 0 5 图2 4 传感器信号均值的方差分析 1 4 5 0 筠 触 声 b i 叠 t 多b 麓砥 一 堋椒博露 瓣 陀05100l005 00 华北电力大学硕士学位论文 在图2 4 中o 0 3 5 舷左侧变化剧烈，反映了这部分能量分布不均匀，这正是理 想水位成分变化的特征；在高于o 0 3 5 勉的右边区域，变化开始趋于一致、平稳， 这正是表面波( 含高频噪声) 接近脉动变化的特征，因此可以估计出理想水位的截止 频率，：= o 0 3 5 从图2 5 看来，误差是非常小的。这便解决了理想成分截止频率的确 定问题。 图2 5a b 传感器信号消除表面波差异后的局部放大 以图2 2 a 、b 传感器原数据为例进行截止频率计算可得到图2 5 ，发现两者之 间无规律的细节差异基本消除。对于图2 5 中这种真正反映汽包水质量的理想水位， 完全可以用传统的求均值法进行数据融合，最终得到控制器所需要的一个合理的理 想水位信号，从而得到了软测量模型的目标真实值。 2 3 小结 本章介绍了火电厂生产数据的采集方法，针对内蒙古包头市东华热电厂的厂级 监控系统，重点介绍了基于i h i s t o r i 锄实时数据库i he x c e l 加载的数据采集方法， 简单实用；介绍了数据一致性检验、数据滤波等过程数据处理方法，用以提高原始 数据的可靠性，准确性。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章锅炉汽包水位软测量模型 自然循环锅炉汽包水位动态须考虑的两个因素为：汽包一上升管一下降管循环系 统中的汽水总量；蒸汽量从该循环系统中的分离。这两个因素受到给水流量，主蒸 汽流量，以及锅炉水冷壁吸热量的影响。当其中任何一个或多个量阶跃改变的时候， 汽包水位会呈现“虚假 现象。同缸仃6 m 燃油机组建模方法类似，本章将分别针对 汽水系统，上升管下降管系统建立了质量平衡方程和能量平衡方程，针对汽包建立 了质量平衡方程，从中解析出汽包水位软测量模型。并指出了模型中水冷壁吸热量 对于a m m 燃油机组较容易得到，但对于燃煤机组而言，水冷壁吸热量同时需要考 虑众多参数的影响，很难通过传感器准确测量。 3 1 机理分析 除氧器里的水由给水泵送出，经过高压加热器后进入省煤器，水经过省煤器加 热后，进入汽包。汽包中的水沿着下降管进入下联箱。下联箱的水，向上经过水冷 壁。水冷壁是锅炉的主要受热面，布置于炉膛四周，吸收大部分辐射热。水在水冷 壁内上升流动，被加热成饱和蒸汽与水的混合物进入汽包，在汽包内分离成饱和水 和饱和蒸汽，前者将继续参加循环，后者由汽包上部进入加热器进一步被加热。省 煤器、下降管中主要是过冷水，上升管中过冷水、饱和水、饱和蒸汽都存在，汽包 中主要为饱和水和饱和蒸汽，过热器中为过热蒸汽。如图3 1 所示。 汽包水位是反映输入能量与输入物质之间平衡关系的指标，当两者失去平衡 时，表现为汽包水位的升高或降低。因此针对整个