（检测技术与自动化装置专业论文）一种基于炉膛压力分析的燃烧特征信号提取方法.pdf

r 时 奄岁 ， 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文一种基于炉膛压力分析的燃烧特征信 号提取方法，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： 壶li 盔 e l期：塑! ! ：兰12 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：壹li 堇 日期：塑! 翌! 至肇 导师签名：立备孚 e l期：塑丝：至12 气 0 气一。i矿 ， ， 华北电力1 入学硕士学位论文摘要 摘要 受机组参与一次调频和煤质变化影响，大型机组锅炉炉膛压力波动剧烈，同时大量 的运行经验表明现场许多故障都会使炉膛压力发生变化，炉膛压力是反映燃烧状态的重 要特征信号之一。采用机理分析和数据分析的方法，建立了炉膛压力与锅炉燃料量，通 风量之间的非线性动态模型。在机组多个负荷点对模型进行线性化后，求取燃烧扰动对 炉膛压力的传递函数并对其进行频域特性分析发现：对象呈现带通滤波特性，并且燃烧 扰动的主要频率分布在其通带内，控制系统本身难以直接对燃烧扰动进行有效地抑制。 通过对现场信号数据分析发现炉膛压力信号和燃料量信号存在明显相关性，此信号可用 于燃烧优化控制及故障诊断。 关键词：炉膛压力，机理分析，燃烧扰动，数据分析 a b s t r a c t i n f l u e n c e db yt h eu n i ti n v o l v e di nt h ep r i m a r yf r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dt h ec o a lq u a l i t y v a r i a t i o n , t h ef u l 3 1 a c ep r e s s u r eo ft h el a r g eg e n e r a t i n gu n i t si sv o l a t i l e , w h i l eal a r g en u m b e ro f e x p e r i e n c eo ft h eo p e r a t i o ns h o w st h a tm a n yf a u l t sw i l lc a u s e t h ef u r n a c ep r e s s u r ec h a n g e s ， a n df u r n a c ep r e s s u r ei so n eo ft h ei m p o r t a n tf e a t u r e so ft h es i g n a lr e f l e c t i n gt h es t a t eo f c o m b u s t i o n u t i l i z i n gm e c h a n i s ma n a l y s i sa n ds t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o d s ，an o n l i n e a r d y n a m i cm o d e lo ff u r n a c ep r e s s u r e ，f u e la n da i rq u a n t i t yw a sc o n s t r u c t e d t h et r a n s f e r f u n c t i o no fc o m b u s t i o nd i s t u r b a n c ev a s u sf u r n a c ep r e s s u r ew a so b t a i n e da f t e rm o d e l l i n e a r i z a t i o nu n d e rd i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n s ，w h i c hw e r ea n a l y z e db ym e a l l so ff r e q u e n c y d o m a i nc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ef r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m o d e lh a v eb a n d - p a s sf i l t e rc h a r a c t e r i s t i c s ， f o rt h e m a j o rf r e q u e n c yo fc o m b u s t i o n d i s t u r b a n c ei sw i t h i nt h ep a s sb a n do ft h eo b j e c t , s oi ti sd i f f i c u l tf o rt h ec o n t r o ls y s t e mt o e f f e c t i v e l yc o n q u e rt h ec o m b u s t i o nd i s t u r b a n c e i ti sf i n dt h a tt h ef u r n a c ep r e s s u r ei sv e r y c o r r e l a t i v ew i mt h et o t a lf u e la m o u n t ，t h r o u g ht h eo n - s i t es i g n a ld a t aa n a l y s i s t h ef u m a c e p r e s s u r es i g n a lc a nb eu s e df o rc o m b u s t i o no p t i m i z a t i o nc o n t r o la n df a u l td i a g n o s i s l i uj i e ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f y ux i n i n ga n dl i ux i n p i n g k e yw o r d s ：f u r n a c ep r e s s u r e ，m e c h a n i s ma n a l y s i s ，c o m b u s t i o nd i s t u r b a n c e ，d a t a a n a l y s i s 蔷 _ j 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题背景研究1 1 2 相关研究领域及其发展现状2 1 2 1 燃烧状态监测的研究现状2 1 2 2 反映燃烧稳定性的研究现状4 1 2 3 信息融合技术的研究现状5 1 3 本文研究内容及目的5 第二章炉膛压力基本模型的建立7 2 1 炉膛压力的动态特性及其求取方法7 2 1 1 过程控制系统建模的两个基本方法7 2 1 2 炉膛压力系统的控制任务8 2 1 3 炉膛压力系统对象特性9 2 1 4 炉膛压力的调节方式9 2 2 炉膛压力动态模型的建立1 0 2 2 1 机理分析方法1 0 2 2 2 基本模型的建立1 1 2 2 3 模型的线性化及参数求取1 4 2 3 基于m a t l a b 分析的模型验证1 5 2 4 本章小结1 7 第三章基于炉膛压力的特征信号提取1 8 3 1 燃烧稳定性因素分析1 8 3 1 1 影响炉内燃烧的因素1 8 3 1 1 1 煤质1 8 3 1 1 2 煤粉浓度1 9 3 1 1 3 锅炉负荷1 9 3 1 1 4 一、二次风的配合1 9 3 1 1 5 一次风温与风速1 9 i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 1 2 反映燃烧稳定性的因素2 0 3 1 2 1 炉膛压力2 0 3 1 2 2 火检信号2 0 3 2 数字信号处理的相关原理2 0 3 2 1 傅里叶变换2 1 3 2 2 频谱分析的相关原理2 2 3 2 3 滤波器原理2 2 3 3 炉膛压力系统的频域特性分析2 3 3 3 1 炉膛压力闭环控制特性分析2 4 3 3 2 燃烧扰动信号频谱分析2 7 3 4 本章小结3 7 第四章数据分析3 8 4 1 数据分析过程3 8 4 2 相关分析的基本理论3 8 4 2 1 相关系数3 8 4 2 2 自相关函数3 9 4 2 3 互相关函数3 9 4 3 炉膛压力信号的相关性分析4 0 第五章结论与研究展望4 8 5 1 结论4 8 5 2 研究展望4 9 参考文献5 0 致谢5 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 i i ， 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景研究 第一章绪论 本课题受到国家自然科学基金项目“复杂热力系统信息相关性分析及状态重构”( 编 号5 0 7 7 6 0 3 0 ) 的资助。 能源与环境是制约人类发展的重要问题，是中国进行可持续发展所面临的重要课 题。我国煤炭储存量大但是总煤炭消耗量也在逐年递增，作为煤炭消耗大户的火力发电 厂是我国电力生产的主要组成部分。我国发电设备装机容量和发电量列居世界第二，但 是供电煤耗我国现在为3 5 5 9 ( k w h ) ，世界先进水平为3 2 0 9 ( k w h ) ，存在着很大的节 能潜力。同时，随着我国电力行业改革的不断深入，正在由计划经济体制逐步向市场经 济体制过渡，发电企业一方面面临厂网分开、竞价上网的电力市场竞争，另一方面由于 能源紧张导致煤价上涨，加大了发电企业的生产成本，因此，各发电企业迫切要求挖掘 机组运行的潜力，提高机组运行效率，降低生产成本，提高竞争能力，当前我国的燃煤 发电效率为3 5 - 4 0 离国际先进水平5 5 有很大的差距，大力开展节能降耗对国民经济 的发展有很重要的意义。在锅炉燃烧稳定性、经济性提高的同时，降低燃煤锅炉排放的 污染物也是刻不容缓的，当燃烧温度不稳时产生的氮氧化物等会污染环境。因此，提高 发电机组的热效率，节约煤炭资源，同时降低燃煤过程产生的污染，是我国能源实现可 持续发展的一项重要课题【l 】。火力发电厂燃烧系统的优化控制可以解决这些问题，符合 国家提出的电力发展方针“坚持节约优先，煤为基础，优化发展煤电，重视生态环境保 护，提高能源利用率 。 我国火力发电厂多以燃煤为主，锅炉则是火电厂中的燃烧设备，因其内部燃烧工况 复杂并且难于精确控制，所以锅炉就成为火电厂监视和控制的重点。由于我国煤种多变、 劣质煤多，以及经济因素、市场因素及人为因素等影响，使得电厂实际运行时燃烧波动 很大，给锅炉运行的安全带来了一系列问题，比如：炉膛掉焦【2 】、水冷壁高温腐蚀、发 电煤耗增加、过热器再热器超温爆管、尾部烟道空气预热器等设备损坏。特别是在锅炉 运行中，由于煤质变差、操作不当或机组调峰等原因，出现炉内局部缺氧、风煤比不合 适等情况时，很容易导致炉膛局部熄火或完全熄火，严重影响锅炉安全运行。 锅炉的燃烧优化运行是现代电站“节能减排最重要的一项技术，但优化有效性的 前提保证是燃烧状态的准确监测与科学评判，其中燃烧稳定性监测是最重要的环节，因 为燃烧不稳定不仅在极端情况下会引起锅炉炉膛灭火，甚至诱发炉膛爆燃造成事故，而 且燃烧稳定性直接关系到锅炉热效率的高低，以及所生成污染物和噪声的多少【3 5 1 。针 对这些问题，需要对锅炉燃烧稳定性进行更深入的研究，对锅炉燃烧状况做出及时准确 1 华北电力火学硕+ 学位论文 的判断，以便提高机组运行的安全性和稳定性，使锅炉稳定地燃烧，减少炉膛灭火和投 油的次数，从而提高整个机组运行的经济效益。 为了保证锅炉燃烧安全稳定的运行，需要在试验研究和运行分析的基础上针对燃烧 设备的具体情况，对影响锅炉燃烧的各个因素进行分析。随着对燃烧过程研究的不断深 入，国内外专家陆续研发了一些燃烧管理系统，实现了锅炉燃烧运行一些重要参数的监 测，但是在现场实际运行中，仍然存在着一些问题： ( 1 ) 缺乏一套完整的对燃烧状态可视化监测的有效方法。燃烧火焰是燃烧状态 稳定与否的最直接反映，为此现在电站锅炉都配置了工业电视和炉膛安全监测系统 f f s s s ) 。但是当前的火焰检测装置的可靠性不高，导致火焰丧失误报及误跳等情况， 达不到安全监测的目的。又如一次风管中的回火、自燃、断粉、堵管等异常状态这 些都只能通过相关参数间接诊断不直观，使得运行人员不能快速、准确的判断实际 燃烧状态，给锅炉的运行带来了极大的事故隐患和经济损失。 ( 2 ) 无法对燃烧稳定性进行分析评价。机组大部分时间是在变负荷、参与一次 调频的工况下运行的，运行条件复杂多样，但是现在电厂只能通过一些小指标从某 个侧面反映燃烧状态，当前主要是通过炉膛温度和炉膛压力来反映燃烧状态。但是 温度是分布式的参数，各个点的差值很大不利于监测分析，而压力则是集中式参数， 炉内各处的压力可看作是均等的，有利于监测分析。目前还没有一整套合理可行的 方法对燃烧稳定性进行分析评价，也不能很好的调节控制燃烧总体状态。 ( 3 ) 调整影响锅炉燃烧稳定的因素时，无法预知调整的结果。 由以上情况看出，研究出更加安全、稳定、可靠的电站锅炉炉膛安全监测手段 已经成为一项紧迫的任务。 1 2 相关研究领域及其发展现状 1 2 1 燃烧状态监测的研究现状 科学合理的评价燃烧状态的稳定性能，需要有可靠的稳定性检测做保证。所以电站 锅炉燃烧状态的检测同样很重要。燃烧状态诊断技术是上世纪8 0 年代兴起的- - f 新技术， 它能在锅炉正常运行的情况下，通过使用先进的技术手段，对燃烧设备的状态参数进行 监测和分析，判断燃烧系统是否处于最佳的燃烧状态；燃烧系统可能存在的异常、故障 的部位和原因以及故障发展的趋势，为运行人员提供相应的对策方案，从而达到减少事 故停机损失、提高燃烧效率、降低污染物排放的目的。 从诊断原理角度分析，目前国内外科研人员主要开展了以下几个研究方向【6 1 8 l ： ( 1 ) 基于炉膛微压波动的燃烧状念诊断 2 华北电力大学硕士学位论文 此方案是以日本学者太谷启一为代表，主要思路是认为锅炉内微小压力的波动很大 程度上受燃烧状况的影响，利用采集到的锅炉微压波动信号进行脉动频谱分析，可以获 得与n o x 、c o 排放量相关的函数关系式。 浙江大学的高翔等在研究中，注意到燃烧脉动信号可以作为燃烧稳定性诊断的依据， 提出了利用频谱分析方法获得偏离水平轴线的程度指标臁直接判定锅炉燃烧状态的稳 定性【9 】。 ( 2 ) 基于工业电视监控检测技术 工业电视技术利用视频图像显示技术将炉膛内的燃烧状态实时显示在监视屏幕上， 供操作人员直观判断。电视监视火焰状况只能看到火焰的有无，而对燃烧波动情况并不 能很好的反映，可靠性低，效果不好。 ( 3 ) 基于计算机图像处理技术的燃烧监控技术 上世纪9 0 年代初，计算机图像处理技术被应用到了电站锅炉的燃烧诊断上，日立公 司研制的h i a c s 3 0 0 0 系统采用了火焰图像识别技术，可以得到火焰温度场分布，燃烧 经济性估算等信息，对稳定燃烧，提高燃烧效率起到了一定的作用【1 0 1 。我国的科研人员在 此方向进行了大量的研究，目前已经在火焰图像采集和处理、温度场测量和重构等方面 取得了初步的进展。 ( 4 ) 基于光学相关原理的诊断技术 我国学者宋文忠采用高灵敏度的光敏元件，对炉膛及燃烧器区域的火焰光信号的相 关性进行分析处理，从而确定燃烧状态。该方法不仅能检测燃烧器是否熄灭，而且可提供 着火位置和着火状态变化的相关信息。 ( 5 ) 基于检测火焰特定频谱光强脉动的检测技术 该技术主要针对燃烧器区域的火焰光脉动的强弱来判断燃烧的好坏。燃料或燃烧状 态不同，其燃烧光辐射频谱特性也不同。美国f o r n e y 公司利用煤粉着火区火焰的红外 线亮度和闪烁频率来判断，可以利用滤波方法将喷燃器火焰与背景火焰区别开来。美国 c e 公司和b a i l e y 公司利用煤粉着火区的可见光亮度和闪烁频率来判断。我国目前生产 的火焰检测器基本上都是仿制上述两种检测器。目前在电站锅炉上广泛使用的炉膛安全 监测系统( f s s s ) 就是此方法的代表，已成为大型锅炉必备的一种监控系统。 ( 6 ) 基于智能化理论的燃烧诊断技术 。当前火电机组燃烧诊断优化系统所用的智能诊断方法很多，有模糊逻辑法、专家系 统、人工神经网络等。周怀春等尝试将自组织神经网络原理应用到燃烧诊断技术当中， 网络的输入信号采用了火焰辐射信号的频谱估计值，成功地将燃烧状态划分为稳定、过 3 华北电力大学硕士学位论文 度和不稳定3 个区域。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f 1 1 。12 1 。 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、设备都 比较完善。 1 2 2 反映燃烧稳定性的研究现状 目前，对燃烧稳定性的研究，主要可以分成两方面的研究，通过温度和压力来分析 锅炉燃烧的稳定状况。温度方面的研究主要集中在通过辐射能信号反映燃烧强度，通过 分析三维温度场反映燃烧状况；压力方面通过分析炉膛压力的波动跟燃烧状况之间存在 的相关性关系来反映燃烧状况。 华中科技大学的周怀春、张师帅等人从研究温度场入手，通过对火焰图像的分析， 得到了炉内燃烧实时的三维温度场，并以此获得燃烧的辐射能信号，他们还提出运用计 算机图像处理技术可以从火焰图像中提取炉内辐射能信号，进而得到辐射能与机组相关 参数之间的关系。炉内三维数值模拟技术能够得到某个稳态燃烧工况下炉内流场、温度 场等分布式参数信息，但是运算时间很长，不能实时提供。基于火焰处理得到的辐射能 信号多数情况下反映的是炉膛某个断面或局部的燃烧强度信息【1 3 】。 浙江大学的高翔等人分析的是炉膛压力，利用自相关函数有效地滤除了噪声信号的 影响后，对燃烧过程的压力脉动信号进行了分析，做出了点火和熄火以及改变风量、燃 料量等宏观参数的燃烧压力脉动信号自相关函数曲线。通过分析函数曲线，得出当燃烧 稳定时，压力脉动信号表现出稳定的特征，信号幅值的均轴线接近水平、周期性特征较 强和低频信号比重增加等现象。在微压探测诊断燃烧实验中发现，燃烧微压脉动信号可 以较好的反应出燃烧状况。山东电建的李伟全通过研究机组锅炉的几次灭火跳闸记录， 针对炉膛灭火时炉膛压力变化的过程进行了分析，指出锅炉的灭火往往伴随着炉膛压力 的增大，最后得出了三种灭火原因与炉膛压力变化情况的规律性关系。东南大学动力工 程系的肖隽等人分别对不同工况下的炉膛压力脉动数据进行频谱分析，做出了它们的幅 度谱和功率谱密度。得出结论，炉膛压力的变化的确可以反映出锅炉的燃烧状况，不同 燃烧状况下的炉膛压力具有各自的频谱特征。最近华北电力大学的刘吉臻等人提出了一 种基于分型理论的炉膛压力r s 分析，计算相应的h u r s t 指数，来监测电站燃烧状态【1 4 1 。 根据分形理论，提出一种针对炉膛压力信号定量分析的方法，由于负压与燃烧状态的紧 密关联性，可借助实时变化的负压h u r s t 指数监测并评价大型锅炉燃烧的稳定性能。并 4 华北电力大学硕士学位论文 通过6 0 0m w 机组的实例计算验证方法的可行性和有效性。在理论研究的基础上，目前 也开发出了一些与燃烧稳定性有关的系统，但这些系统一般仅限于监测与燃烧稳定性有 关的一些参数，并没有开发出根据运行参数直接评判燃烧稳定性的系统。 从以上的分析中发现，根据信息融合技术的相关知识，炉膛温度和压力可以看做是 反映炉膛燃烧状况的特征信号，通过它们可以诊断燃烧状况。 1 2 3 信息融合技术的研究现状 信息融合也可称为多传感器融合，这一概念是七十年代初期提出来的，产生和发展 于军事领域。根据国外的研究成果，信息融合可以定义概括为：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、综合来完成所需的决策和 估计任务而进行的信息处理的过程。也即是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1 1 5 】。 信息融合技术自上世纪七十年代提出以来，在军事方面获得了成功应用，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。 电站锅炉燃烧是个复杂的过程，影响锅炉燃烧好坏的参数很多，锅炉燃烧稳定性分 析诊断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 稳定性诊断领域有望取得较好的效果。 1 3 本文研究内容及目的 随着我国电力行业的发展，锅炉的容量和参数不断提高，但是在电站锅炉的运行中 如何提高锅炉燃烧效率、运行稳定性和降低污染是有待解决的关键问题，使得锅炉燃烧 优化成为一项重要而紧迫的研究课题。由于锅炉燃烧是一个非常复杂的物理和化学过程， 因此，实现燃烧优化的基础就是燃烧的监测，采用必要的检测手段保证燃烧的稳定性是 实现大容量机组安全运行的关键。 通过分析影响燃烧稳定性的主要因素，发现在燃烧过程中，压力脉动信号内含有丰 富的燃烧状况信息。通过建立炉膛压力模型可消除通风平衡影响，得到炉膛压力和燃烧 状况的唯一对应关系。然后对炉膛压力信号进行频域分析，得到炉膛压力波动的频率和 燃烧信号的频率存在一定程度的相关性。 本文的研究工作主要为以下几个方面： ( 1 ) 炉膛压力动态特性分析及模型的建立 5 华北电力大学硕士学位论文 根据炉膛压力系统的热力特性和物理特性，利用质量守恒、动量守恒、能量守恒、 热力学定律等相关理论知识，推导对象动态模型的形式，建立了炉膛压力的三入两出的 锅炉燃烧的数学模型，经分析该模型可消除通风平衡影响，得到炉膛压力和燃料量的唯 一对应关系。根据盘山电厂机组的现场运行数据，可计算出炉膛压力模型中的重要参数， 验证模型的可行性，得出对象数学模型的具体形式，并进行简化。 ( 2 ) 炉膛压力闭环控制系统频域分析 炉膛压力的变化是最快的，对稳定性也是最敏感的。煤粉的燃烧过程可以看作是一 个剧烈的化学反应过程，从固体到气体，体积要膨胀，直接就反应到炉膛的压力上。但 是，影响炉膛压力的因素有很多，燃烧状况与炉膛压力的关系还不是十分明确，所以要 进一步探究炉膛压力，并尽可能地找出其与燃烧稳定性之间的关系。通过对炉膛压力信 号时域和频域的分析，找出了反映稳定情况的特征量。首先通过炉膛压力闭环控制系 统的频域分析发现呈带通滤波特性，经分析扰动信号的频率几乎在带通里，因此对炉膛 压力扰动很难抑制。正因如此，我们可以利用分析炉膛压力来反映燃烧状况。 ( 3 ) 数据分析 利用厂级监控信息系统s i s 取回的现场数据，通过数据分析对以上得出的结论加 以验证，利用信息融合的方法对反映燃烧稳定性的特征信号进行研究。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章炉膛压力基本模型的建立 2 1 炉膛压力的动态特性及其求取方法 热工过程控制系统的品质，是由被控对象和控制系统各环节的特性及系统的结 构决定的。不同的被控对象在某一扰动下，其参数具有不同的变化过程，此过程特 性称之为被控对象的动态特性。对被控对象输出变量与输入变量之间关系的数学描 述，称为对象的数学模型。 被控对象的数学模型，对控制系统的设计和分析有着极为重要的意义。随着自 动控制系统的复杂化，它已越来越受到人们的重视。一个自动控制系统设计的成功 与否，与设计者对被控对象数学模型的了解程度有很大关系。对于简单的被控对象， 若知道它的数学模型，对控制器参数则可以整定得更好些。对于复杂的被控对象， 更要求知道其数学模型，这样才能设计出合理的控制系统，才能顺利地投入控制系 统，并取得好的控制品质。 2 1 1 过程控制系统建模的两个基本方法 获取被控对象动态特性的数学模型主要有机理法和实验法两种建模方法【l6 1 。 ( 1 ) 机理法建模 用机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡 方程如：物质平衡方程、能量平衡方程，动量平衡方程以及反应流体流动、传热、 传质、化学反应等基本规律的运动方程，特性参数方程和某些设备的特性方程等， 从中获得所需的数学模型。由此可见，用机理法建模的首要条件是生产过程的机理 必须已经为人们充分掌握，并且可以比较确切地加以数学描述。而热工对象内部的 工艺过程比较复杂，要准确地得到描述对象的微分方程很困难。另外，采用机理法 在推导和估算时，常用一些假设和近似，加上在实际运行中不可避免地会有一些难 以全面考虑的影响因素，使得用机理法很难得到动态特性的精确数学表达式。 ( 2 ) 实验法建模 通过实验来获取对象的动态特性，即实验法建模。实验法一般只用于建立输入 输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的 模型。它的主要特点是把被研究的工业过程视为一个黑箱，完全从外特性上测试和 描述它的动态性质，而不需要深入掌握其内部机理，因此实验法建模在工程实践中 广泛应用。目前有时域法、频域法和相关统计法等。时域法是在对象的输入端加一 阶跃扰动，记录对象的阶跃响应曲线( 或称飞升曲线) ，经数据处理求得对象的传 7 华北电力大学硕士学位论文 递函数，这种方法的特点是简单适用，因此目前为工程中所广泛采用。频域法是通 过实验求得对象的频域特性来研究对象的动态特性，对一些惯性大的对象则因实验 时问很长而影响生产的正常进行，因此频域法用的较少。相关统计法是在对象的输 入端加一伪随机信号，用相关计算求得对象的脉冲响应函数，这种方法的最大优点 是不影响生产，因而越来越受到人们的重视。 2 1 2 炉膛压力系统的控制任务 锅炉燃烧优化是火电机组性能优化的关键，其目标提高燃烧的稳定性、经济性 和环保性。燃烧优化可分为硬件方案和软件方案。硬件方案主要依赖设备改造，软 件方案更多依赖于测量、控制、运行和管理。在软件方案中，测量是基础，它能得 到反映燃烧状况的状态信号【1 7 】，但这些状态信号很难用物理方法测得。 锅炉燃烧中，有些是原因，如通风量平衡、燃烧状况等，称为集合a 的元素； 有些是结果，如炉膛压力、温度等，称为集合b 的元素，集合a 与集合b 元素之 间存在着较复杂的映射关系，耦合严重，因此很难直接进行分析。如果通过对炉膛 压力进行机理分析建立模型，则可消除通风平衡影响，从而得到压力与燃烧的唯一 对应关系。 锅炉燃烧状态监测的方法大体有以下几类：通过对炉膛压力波动测得的数据进行 频谱分析，得到炉膛压力信号变化与燃烧状况之间的关系；基于火焰图像特征量， 采用模糊综合评判法对燃烧状态进行识别【1 8 4 9 l ；基于s i s 历史数据用炉膛压力信号进行 燃烧诊断【2 0 】；根据由煤粉火焰辐射光谱得到的火焰黑度、温度及辐射强度，采用神经 网络方法诊断燃烧状况各种诊断方法对实现燃烧状态监测自动化具有一定的实际意 义。 电厂中，由于吹灰时掉焦引起炉底水在很短时间内急剧汽化会造成炉膛压力突 变【2 1 ；当炉内有燃烧不稳或煤粉气流脱火，爆燃现象发生时，炉内的平衡瞬间被打 破，导致炉膛负压在瞬间产生急剧变化【2 1 1 。燃烧是个复杂的过程，如何寻找能够反 映燃烧特征的参数、建立恰当的数学模型是诊断方法成功的关键。在上述文献中， 只是通过一些现象分析来诊断燃烧状况，并未深入到锅炉燃烧过程的内部机理。本 文通过建立模型得到炉膛压力和燃烧状况的唯一对应关系，从而得到燃烧的特征信 号，为研究燃烧优化提供了更准确的监测方案。 锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供热量适应蒸汽负荷的需要，又要保证 燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。为了达到上述目的，燃烧过程的控制系统应包括三 个调节任务：即维持汽压、保持最佳空燃比和保证炉膛负压不变。负压控制系统的任务 在于调节烟道吸风机导叶丌度以改变引风量，维持炉膛压力一定【2 2 】。 8 华北电力大学硕士学位论文 6 0 0 m w 锅炉都采用平衡通风方式，炉膛与烟道是处于负压状态。炉膛负压应维持 在烟气不外逸的前提下，其值小些好，一般保持1 0 0 + 5 0 p a 。在燃烧产生烟气及其排除 的过程中，如果排出炉膛烟气量等于燃烧产生的烟气量，则进、出炉膛的物质保持平衡， 此时炉膛风压就相对的保持不变。若上述两个量中有一个量发生变化，则平衡就会遭到 破坏，炉膛风压就要发生变化。运行中即使送、引风量保持不变( 平衡) ，但由于燃烧工 况总会有少量的变动，故炉膛压力也总是脉动的。 2 1 3 炉膛压力系统对象特性 运行中引起炉膛压力波动的重要原因是燃烧工况的变化，在送、引风机保持不变的 情况下，由于燃烧工况的变化总有小量的变化，故炉膛压力总是波动的，当燃烧不稳定 时炉膛压力将产生强烈波动，炉膛压力即相应作出大幅度的剧烈的波动。当炉膛压力发 生剧烈脉动时，往往是灭火的前兆，这时必须加强监视和检查炉内燃烧状况【2 3 。2 4 】，分析 原因，并及时进行运行调整和处理。 炉膛负压是反映炉内燃烧工况是否正常的重要运行参数之一。正常运行时炉膛负压 一般维持在3 0 - 5 0 p a 。如果负压过大，将会增大炉膛和烟道的漏风。若冷风从炉膛底部 漏入，会影响着火稳定性并抬高火焰中心，尤其是低负荷运行时极易造成锅炉灭火。若 冷风从炉膛上部或氧量测点之前的烟道漏入，会使炉膛的主燃烧区相对缺风，使燃烧损 失增大，同时汽温降低。反之，炉膛负压偏正，炉内的高温烟火就要外冒，这不但会影 响环境、烧毁设备，还会威胁人身安全。 炉膛负压除影响漏风外，还可直接指示炉内燃烧的状况。运行实践表明，当锅炉燃 烧工况变化或不正常时，最先反映出的现象是炉膛负压的变化。如果锅炉灭火，首先反 映出的是炉膛负压剧烈波动并向负方向到最大，然后才是汽压、汽温、水位、蒸汽流量 等的变化。因此运行中加强对炉膛负压的监视是十分重要的。 确定炉膛负压的控制值时应考虑负压测点的位置。大容量锅炉的负压测点通常装在 炉膛上部的大屏下方。在炉膛的不同高度上的负压是不相同的。为使炉顶不冒烟灰，则 炉膛下部必存在较大的负压值，且负荷越高，上、下负压的差值越大。由此可见，为维 持相同的炉内负压状况，当负压测点较高时，负压值应控制得小些，以确保炉膛下部的 燃烧器区域不致有过大负压；当负压测点较低时，负压值则可控制得适当高些。 2 1 4 炉膛压力的调节方式 ( 1 ) 引风量调节 当锅炉增、减负荷时，随着进入炉内的燃料量风量的改变，燃烧后产生的烟气量也 随之改变。此时，若不相应调节引风量，则炉内负压将发生不能允许的变化【2 5 1 。 9 华北电力大学硕士学位论文 引风量的调节方法与送风量的调节方法基本相同。对于离心式风机采用改变引风机 进口导向挡板的开度进行调节；对于轴流式风机则采用改变风机动叶安装角度的方法进 行调节。大型锅炉装有两台弓lj x l 机。与送风机一样，调节引风量时需要根据负荷大小和 风机的工作特性来考虑引风机运行方式的合理性。 当锅炉负荷变化需要进行风量调节时，为避免炉膛出现正压，在增加负荷时应先增 加引风量，然后再增加送风量和燃料量；减少负荷时则应先减少燃料量和送风量，然后 再减少引风量。 对多数大型锅炉的燃烧系统，炉膛负压的调节也是通过炉膛与风箱间的差压而影响 n - - 次风量的( 辅助风挡板用炉膛与风箱间的差压控制) ，影响燃烧器出口的风煤比以及 着火的稳定性，因此，有一定调节速度的限制，不可操之过急。 ( 2 ) 送风量调节 进入炉内的总风量主要是有组织的燃烧风量，其次是少量的漏风。当锅炉负荷发生 变化时，伴随着燃料量的改变，必须对送风量进行相应的调节。 送风量调节的依据是炉膛出口过量空气系数，一般按最佳过量空气系数调节风量， 以取得最高的锅炉效率。锅炉氧量定值是锅炉负荷的函数。运行人员通过氧量偏置对其 进行修正，以便在某一负荷下改变氧量。 一般情况下，增负荷时应先增加风量，再增加燃料量；减负荷时应先减少燃料量再 减少风量，这样动态中始终保持总风量大于总燃料量，确保锅炉燃烧安全并避免燃烧损 失过大。对于调峰机组，若负荷增加幅度较大或增负荷较快时，为了保持汽压不致很快 下降也可先增加燃料量，然后再紧接着增加送风量。低负荷情况下，由于炉膛内过量空 气相对较多，因而在增加负荷时亦允许先增加燃料量，然后增加风量【2 6 】。 2 2 炉膛压力动态模型的建立 2 2 1 机理分析方法 锅炉燃烧系统是一个受多种因素制约的复杂系统。我们可以把炉膛看成一个密闭容 器，送引风机的开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。除去送引风机引起的炉膛压力的影响，主要研究的是送入炉膛的燃料燃烧 所引起的压力变化。很细的煤粉以一定的速度喷入炉膛，在氧气、温度等条件满足时煤 粉颗粒就会着火并迅速燃烧，在炉膛里发生剧烈的物理和化学反应，同时放出大量的光 和热。这时炉膛内的气体体积一定会发生变化，对于可以看作是一个密闭容器的炉膛来 说，炉墙壁会产生一定波动的压力。如果保持送引风机的挡板开度不变，即保持一定的 炉膛压力下进行燃烧反应，燃烧过程也不是连续的定压过程，当火焰周围的气压出现波 1 0 华北电力大学硕士学位论文 动时，火焰就会受气压的影响产生摆动【2 7 】，而火焰的摆动反过来又会影响周围的气压， 形成一个类似自激振荡的过程。况且，煤粉颗粒的燃烧也不是一个均匀连续的过程，这 种不均匀导致燃烧的脉动，燃烧的脉动又会引起气流的波动，进而影响到炉膛的压力。 这就是我们通过检测炉膛压力的脉动来判断燃烧稳定性的原因。 通常可以通过试验和理论分析两种方法获得炉膛压力的动态特性。试验时，可以人 为地输入一个特定的扰动，用一些测定设备机理输出的响应曲线，根据响应曲线求得对 象动态模型，试验方法都需要对设备输入较为明显的扰动。机理分析方法是从分析锅炉 燃烧的内部物理过程出发，分析有关参数在动态过程中的关系，建立动态数学模型，再 根据炉膛压力的己知数据，包括锅炉设计参数数据、热力计算数据及结构尺寸等进行模 型方程的系数计算，然后根据数学模型进行动态过程仿真【2 8 l 。具体步骤为： ( 1 ) 确定建立动态模型的目的和范围 根据模型的用途不同，锅炉燃烧动态模型的复杂程度差异也很大，确定各环节的大 致范围。 ( 2 ) 提出合理的简化假设 根据实际的燃烧设备的结构、传热方式以及介质的性质等将设备划分为若干环节， 构成简化的物理模型，然后从各环节内部的热物理过程出发，并抓住其过程的主要特征 和本质。提出合乎实际的若干假定，这样既能合理地简化问题，又能在不失真的情况下 建立反映动态过程的数学表达式。 ( 3 ) 建立动态数学模型 应用描述燃烧及热传递过程的动量、质量和能量守恒方程、传热方程、状态方程等 建立各个参量之间的关系，组成动态方程组，分通道、分环节地建立动态数学模型。 ( 4 ) 选取计算方法并确立仿真模型 对上述建立的模型进行简化、变换、整理等数学处理，选取适合的求解方法，作 出相应的仿真模型。 2 2 2 基本模型的建立 在炉内这个特殊的定容开放系统稳定运行状况下，进入炉内的风量、煤粉量与流出 炉膛的高温烟气量维持平衡，炉内流动气体的状态不变，炉膛负压才能维持稳定。 炉内燃烧过程是热力学中有燃烧反应的定容开放系统，为得到燃烧的基本模型，假 定机组运行j 下常即锅炉负荷稳定且炉内燃烧稳定时，送入的煤粉能完全燃烧，通过风粉 系统送入炉内的空气量和煤粉流量不变，由引风机排除炉膛的烟气体积流量不变，滞留 在炉内的高温烟气的体积、温度维持稳定。该模型的输入是送风量q i 、引风量q 2 及燃 1 1 华北电力大学硕士学位论文 料量g c ，输出是炉膛压力p 和炉膛温度凡 图2 1 炉膛燃烧示意图 具体各参数的物理意义如下： m 一介质的质量( 蛐； 印一炉膛内烟气介质的平均温度( 1 ( ) ； 互一炉膛换热壁面积( m 2 ) ； 如一炉膛辐射壁面温度( 1 ( ) ； 吼一玻耳兹曼常量 q i 一送风量质量流量( k 咖) ； 吼一燃料消耗l ( k g s ) ： c p 一燃烧产物的平均比热容o 【g o c ) ) ； j i i i 一送风的比焓( k j k g ) ； q i 一燃料煤的发热量( 1 【w ) ； 殿一炉膛压力( p a ) ； 哆一炉膛体积( 肌3 ) ； q 一炉膛系统黑度； a 一为炉膛漏风系数； = 5 6 7 1 0 k w ( m 2 * k 4 ) ； 劬一引风量质量流量( k g s ) ； 疋一l 千克燃料煤的发热l ( k j k g ) ： k 一为平衡系数； j 1 2 一送风的比焓( k j k g ) ； 易一炉膛辐射热量( k w ) ； 经分析得知，由于工况变化、煤粉成分不同等因素，炉膛温度总在变化，因此应该 把温度当作一个影响因素考虑进去，此时就有两个变量p f 和职改进后模型的输入是送 风量g i 、引风量9 2 和燃料量吼，输出是炉膛压力册和温度t r o 质量守恒方程 根据质量守恒定律，在单位时间内流入微元体介质的质量，应等于流出微元体介质 的质量，于是有炉膛内烟气质量变化方程【2 8 l ： d m = g i 一9 2 = g i 一及9 2 ( 2 1 ) “ 由克拉伯龙方程得： m = k p f v f 0 1 2 ( 2 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中k 为平衡系数，对( 2 2 ) 式求导得质量方程： 百dm=等盟一等生-gi一t、lflt d t t d t 一= j _ 一= l l = 疗一 出 r，2 引“ 生t 盟一等生确魄 (2-3)f d t t d t ，2 i” 2卜。， 由于锅炉燃烧中燃料煤所含的物质成分如碳元素、氮元素和硫元素等，在炉膛内与 氧气燃烧反映后生成的烟气的体积比原来增大了。由于炉膛内的压力是负压，因此在锅 炉尾部的空气预热器以及引风机这些设备存在漏入风量现象，所以引风量会比送风量 大，一般是一倍多，这里用一个系数a 来平衡。 能量守恒方程 针对炉膛换热的基本物理模型，应用传热学知识，考虑燃料燃烧放出的热量主要通 过辐射方式传给炉膛受热面中的工质1 2 9 。 高温烟气与辐射受热面间的辐射换热方程为： q , k o = o o 口s f t ( t f 4 一气4 ) ( 2 - 4 ) 炉膛烟气放热量层： e = c p m ( f f t o ) ( 2 5 ) t o 为环境温度。燃烧的温度很高时，t o 的影响可以忽略不计。得到： e = c p m t f 根据热力学第一定律得到炉膛内介质能量的变化方程： 譬确一l-92iil2+qlq2(2-6)h 瓦2 g il 9 2 矗2 + 踢一锡 其中： q l = q 。k 。 q 2 = k 2 ( f f 一t b 4 ) 把( 2 - 2 ) 式带入( 2 5 ) 式并求导得： i d e = c p 机警 由式( 2 6 ) 、( 2 - 9 ) 得能量守恒方程： c p 机百d p f = 柏一g ：岛+ q l q 2 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 把( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 代入( 2 1 0 ) 得： c 警”咖：+ g f p k ：( t f