蘇 杰, 崔永樂(lè), 田 亮, 劉鑫屏, 劉 潔

(華北電力大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院,保定071003)

近年來(lái),隨著電站燃煤機(jī)組容量的不斷增大,為滿足調(diào)峰的需要,負(fù)荷變化也更加頻繁.煤粉鍋爐在運(yùn)行時(shí),煤質(zhì)變化、爐膛受熱面結(jié)渣和制粉系統(tǒng)故障等均會(huì)影響鍋爐燃燒的穩(wěn)定性,引起熄火,甚至導(dǎo)致?tīng)t膛爆炸等危險(xiǎn).另外,在“廠網(wǎng)分離,競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”的運(yùn)行機(jī)制下,也需要不斷提高電站鍋爐燃燒效率,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗減排.這些要求使鍋爐低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性判斷、燃燒故障診斷以及燃燒控制優(yōu)化均成為研究的熱點(diǎn).

目前,鍋爐燃燒狀態(tài)的工程研究方法大致分為5類：①聲學(xué)法電站鍋爐溫度場(chǎng)檢測(cè)技術(shù),它是利用聲波與CT(computered tom ography)技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)爐膛“典型層面”溫度場(chǎng)的非接觸、可視化測(cè)量[1];②微壓探測(cè),它在燃燒振動(dòng)的基礎(chǔ)上,通過(guò)檢測(cè)燃燒中產(chǎn)生的微壓波動(dòng)對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行判斷[2];③火焰圖像識(shí)別系統(tǒng)研究,它利用CCD攝像機(jī)獲取爐膛火焰圖像,然后用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、光學(xué)層析技術(shù)等手段判斷火焰的燃燒狀態(tài)和溫度場(chǎng)分布[3-4];④利用爐膛內(nèi)輻射能,它采用彩色數(shù)字CCD攝像技術(shù)和圖像分析算法來(lái)獲取輻射能信號(hào),以此判斷爐內(nèi)燃燒組織情況,優(yōu)化鍋爐燃燒[5-6];⑤利用光譜分析、頻譜分析與小波變換方法對(duì)煤粉火焰進(jìn)行研究,并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法對(duì)煤粉火焰的燃燒狀況進(jìn)行診斷.

火焰檢測(cè)器是爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)的重要裝置,能直接反映鍋爐燃燒狀態(tài)的特征,但其只能對(duì)火焰的有/無(wú)進(jìn)行判斷.筆者通過(guò)對(duì)1臺(tái)600MW機(jī)組火檢信號(hào)進(jìn)行濾波分析后發(fā)現(xiàn)：除在判斷火焰有/無(wú)之外,火檢信號(hào)在一定程度上還能反映鍋爐燃燒狀態(tài)的變化.

1 濾波方法

1.1 對(duì)象的特性描述

電廠監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS(supervisory information system of p lant)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄了機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù);而火檢信號(hào)提供了火焰強(qiáng)度大小及波動(dòng)劇烈程度的信息.火焰強(qiáng)度伴隨著燃料量的變化而變化.由于爐膛火檢用于火焰有/無(wú)的判斷,一般需通過(guò)調(diào)整使其具有二值化的特點(diǎn).

在信號(hào)處理方面,濾波器在消除噪聲、抑制干擾以及提取原信號(hào)特征等方面的方法已成熟,且便于在DCS中組態(tài)和工程中實(shí)現(xiàn).通過(guò)對(duì)模擬濾波器的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)巴特沃思(Butterw orth)濾波器具有在通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線特別平坦、不起伏,而在阻頻帶則呈逐漸下降為零的特點(diǎn).巴特沃思模擬濾波器的概念清晰,適合對(duì)信號(hào)進(jìn)行低頻、中頻和高頻特性的選頻研究.因此,筆者選用了巴特沃思模擬濾波器,對(duì)火檢信號(hào)進(jìn)行分析.

濾波器的種類很多,且不同濾波器之間具有各自的特點(diǎn),其他類型的濾波器在火檢信號(hào)分析中也可用,這是對(duì)火檢信號(hào)進(jìn)行分析的下一步工作.

1.2 巴特沃思(Butterworth)濾波器

巴特沃思濾波器的|G(jΩ)|2表達(dá)式為：

式中：Ω為角頻率;C為待定系數(shù);N為待定的濾波器階次.

衰減函數(shù)為：

1.3 巴特沃思模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)

1.3.1 歸一化處理

將實(shí)際頻率 Ω歸一化,得到歸一化幅平方特性方程：

式中：λ為歸一化后的頻率,λ=Ω/Ωp.

引入歸一化的復(fù)數(shù)變量p,p=jλ=s/Ωp.

1.3.2 求C和N

式中 ：αp 、Ωp、αs、Ωs分別為給定模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo);其中αp為通帶允許的最大衰減,dB;αs為阻帶應(yīng)達(dá)到的最小衰減,dB;Ωp為通帶上限角頻率;Ωs為阻帶下限角頻率;λs=Ωs/Ωp.

1.3.3 確定G(s)

若N為偶數(shù),歸一化的轉(zhuǎn)移函數(shù)G(p)的極點(diǎn)是成對(duì)共軛出現(xiàn)的,即 pk,pN+1-k,且1≤k≤N/2.這對(duì)共軛極點(diǎn)構(gòu)成1個(gè)二階系統(tǒng)Gk(p)：

總的轉(zhuǎn)移函數(shù)是N/2個(gè)這樣二階系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)：

若 N為奇數(shù),它將由 1個(gè)一階系統(tǒng)和(N-1)/2個(gè)二階系統(tǒng)相級(jí)聯(lián)：

在求得G(p)后,用s/Ωp代替變量p,即得實(shí)際需要的G(s).

帶通和高通巴特沃思濾波器的設(shè)計(jì)方法為：首先由頻率轉(zhuǎn)換關(guān)系將其技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為低通模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo),進(jìn)而設(shè)計(jì)出模擬低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù),最后代入相應(yīng)的代換關(guān)系式,得到帶通和高通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù).由于篇幅限制,詳細(xì)的濾波器設(shè)計(jì)方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7],這里不再贅述.

在濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程中,頻率和階次的選擇是關(guān)鍵.從SIS中獲得的火檢數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為1 s,火檢信號(hào)的頻譜圖示于圖1.通過(guò)對(duì)火檢信號(hào)的頻譜分析和對(duì)濾波結(jié)果的觀察發(fā)現(xiàn)：低頻段選在0～0.005 Hz;中頻段選在 0.005～0.05 Hz;高頻段選在0.05～0.5 H z,濾波效果最佳,并以此分別設(shè)計(jì)低通、帶通和高通的濾波器.在階次的選擇方面,選用二階的濾波器即可.對(duì)于高于二階的濾波器,其濾波結(jié)果差別不大.

圖1 火檢信號(hào)頻譜圖Fig.1 The frequency spectrum of flame detection signal

1.4 研究過(guò)程

研究對(duì)象為大唐盤山電廠某600 MW單元機(jī)組,鍋爐為四角切圓燃燒方式,火焰檢測(cè)器包括24支煤火檢和16支油火檢.煤火檢有 A 、B、C、D、E和F共6層,油火檢為 A、B、C和D 共4層,其中每層各有角1、角2、角3和角4共4支火檢.

從SIS歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中找出1組機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),其包含了機(jī)組參與一次調(diào)頻、高負(fù)荷、低負(fù)荷和升降負(fù)荷4種不同工況,以便于進(jìn)行燃燒擾動(dòng)分析.需要說(shuō)明的是,文中所提到的火檢強(qiáng)度數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)標(biāo)幺化處理的,因而是無(wú)量綱.選用M atlab作為信號(hào)分析的平臺(tái),分別設(shè)計(jì)低通、帶通和高通的不同頻率段的巴特沃思濾波器,并分析信號(hào)不同頻段的特性.筆者分別進(jìn)行了同層火檢、鄰層火檢、火檢信號(hào)與本層燃料量信號(hào)以及火檢信號(hào)與總?cè)剂狭康南嚓P(guān)性分析.

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 低通特性分析

圖2為A層燃料量與煤火檢A 3火檢器強(qiáng)度低通濾波.從圖2可知：隨著A層燃料量的變化,煤火檢A 3的火焰強(qiáng)度也隨之變化,尤其在磨煤機(jī)停止和起動(dòng)時(shí),燃料量信號(hào)突然下降為零及突然上升,火焰強(qiáng)度信號(hào)表現(xiàn)為急劇的衰減和上升;另外,在燃料量信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)時(shí),火檢信號(hào)也產(chǎn)生了相似的變化趨勢(shì).在機(jī)組參與一次調(diào)頻的時(shí)間段內(nèi),煤火檢A 3的火焰強(qiáng)度信號(hào)與A層燃料量信號(hào)的變化趨勢(shì)相似.在后面的時(shí)間段內(nèi),由于火檢具有限幅特性,煤火檢強(qiáng)度信號(hào)趨平,且隨燃料量信號(hào)變化的趨勢(shì)不再明顯.在燃料量信號(hào)為零的情況下,火焰強(qiáng)度并不為零,火檢信號(hào)可能受到爐膛背景火焰的影響.

圖2 A層燃料量與煤火檢A 3火檢器強(qiáng)度低通濾波Fig.2 Low-pass filtering of A layer fuel am ount and A3 flam e detector in tensity

通過(guò)低通濾波分析發(fā)現(xiàn)：一方面,單火檢火焰強(qiáng)度信號(hào)可以對(duì)火焰的有/無(wú)進(jìn)行判斷;另一方面,其低頻段受到本層燃料量的影響,火檢強(qiáng)度信號(hào)與本層燃料量的變化趨勢(shì)大致相似,但由于受到現(xiàn)場(chǎng)安裝的影響及其他火檢的干擾,其靜態(tài)精確度不高.

2.2 帶通特性分析

2.2.1 一次調(diào)頻工況

一次調(diào)頻工況下A層燃料量與煤火檢A 3火檢強(qiáng)度帶通濾波示于圖3.

從圖3可知：在機(jī)組參與一次調(diào)頻的工況下,A層燃料量與煤火檢A 3火檢強(qiáng)度信號(hào)在中頻段內(nèi)具有較好的相關(guān)性.

2.2.2 升降負(fù)荷工況

圖4為升降負(fù)荷下E層燃料量與煤火檢E1火檢強(qiáng)度帶通濾波.從圖4可知：在機(jī)組升降負(fù)荷的工況下,E層燃料量與煤火檢E1火檢強(qiáng)度信號(hào)在中頻段內(nèi)具有較好的相關(guān)性.

2.2.3 高負(fù)荷工況

高負(fù)荷下E層燃料量與煤火檢E1火檢強(qiáng)度帶通濾波示于圖5.從圖5可知：在機(jī)組高負(fù)荷工況下,E層燃料量與煤火檢E1火焰強(qiáng)度信號(hào)在中頻段內(nèi)具有較好的相關(guān)性.

2.2.4 低負(fù)荷工況

圖3 一次調(diào)頻工況下A層燃料量與煤火檢A 3火檢強(qiáng)度帶通濾波Fig.3 Band-pass filtering of A layer fuelamoun t and A 3 flame detector in tensity under primary frequency modulation conditions

圖4 升降負(fù)荷下E層燃料量與煤火檢E1火檢強(qiáng)度帶通濾波Fig.4 Band-pass filtering of E layer fuel am ount and E1 flame detector in tensity under loading up/dow n conditions

低負(fù)荷工況下E層燃料量與煤火檢E1火檢強(qiáng)度帶通濾波示于圖6.從圖6可知：在機(jī)組低負(fù)荷工況下,E層燃料量與煤火檢E 1火檢強(qiáng)度信號(hào)在中頻段內(nèi)具有較好的相關(guān)性.

圖5 高負(fù)荷下E層燃料量與煤火檢E1火檢強(qiáng)度帶通濾波Fig.5 Band-pass filtering of E layer fuel amoun t and E1 flame detector intensity under high load conditions

圖6 低負(fù)荷下E層燃料量與煤火檢E1火檢強(qiáng)度帶通濾波Fig.6 Band-pass filtering of E layer fuel amoun t and E1 flame detector intensity under low load conditions

2.2.5 火檢信號(hào)的加權(quán)求和

對(duì)包括24支煤火檢和16支油火檢的火檢強(qiáng)度信號(hào)火焰檢測(cè)器進(jìn)行了加權(quán)求和,并取平均值得到了火檢平均強(qiáng)度信號(hào),結(jié)果分別示于圖7和圖8.由圖7和圖8可知：在機(jī)組低負(fù)荷、升降負(fù)荷、高負(fù)荷及參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的工況下,總?cè)剂狭颗c火檢平均強(qiáng)度信號(hào)在中頻段內(nèi)具有明顯的相關(guān)性.

圖7 高低負(fù)荷與升降負(fù)荷下總?cè)剂狭颗c火檢平均強(qiáng)度帶通濾波Fig.7 Band-pass filtering of total fuel amount and flame detector average intensity under high/low load and loading up/down conditions

圖8 一次調(diào)頻工況下總?cè)剂狭颗c火檢平均強(qiáng)度帶通濾波Fig.8 Band-pass filtering of total fuel amount and flame detector average intensity under p rim ary frequency modulation conditions

3 結(jié) 論

(1)單火檢的火焰強(qiáng)度信號(hào)的低頻段受到本層燃料量的影響,其變化趨勢(shì)與本層燃料量的變化趨勢(shì)大體一致,但由于受到現(xiàn)場(chǎng)安裝情況的影響,其靜態(tài)精確度不高.

(2)通過(guò)對(duì)機(jī)組在不同工況下的帶通特性分析,發(fā)現(xiàn)單火檢火焰強(qiáng)度與本層燃燒器燃料量信號(hào)中頻帶存在明顯的相關(guān)性,火檢平均強(qiáng)度信號(hào)與總?cè)剂狭啃盘?hào)中頻帶存在非常明顯的相關(guān)性.

(3)以上研究結(jié)果可用于信號(hào)重構(gòu).火檢信號(hào)的中頻段反映了燃料量信號(hào)中頻段的動(dòng)態(tài)變化;在燃燒穩(wěn)定性方面,火檢信號(hào)反映了燃料信號(hào)的擾動(dòng),為尋找燃燒擾動(dòng)信號(hào)和實(shí)現(xiàn)前饋控制提供新的思路.另外,文中對(duì)火檢信號(hào)的分析,從另一個(gè)角度驗(yàn)證了華中科技大學(xué)利用CCD攝像機(jī)獲取火焰圖像并從中提取輻射能信號(hào)以反映入爐燃料量和機(jī)組工況變化方案的可行性,得到輻射能信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性好而靜態(tài)精度較低的結(jié)論.

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