李曉莉，王 迪

(1.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

21世紀(jì)以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)自動化水平的提高，我國的電力發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了大電網(wǎng)、大機(jī)組、自動化和信息化的新時(shí)代[1].在各行各業(yè)用電量提高的同時(shí)，對電網(wǎng)供電的可靠性也提出了更高的要求.電網(wǎng)在運(yùn)行過程中，一旦出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)引發(fā)停電事故，將會給人民生產(chǎn)生活造成重大損失，公眾的日常生活被打亂.火電機(jī)組FCB功能能夠在電網(wǎng)出現(xiàn)事故后快速降負(fù)荷至廠用電，待事故解除后迅速升負(fù)荷，保障電網(wǎng)及時(shí)供電[2～5].

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國火力發(fā)電量占總發(fā)電量的70%左右，全國大約有5 000臺火力發(fā)電機(jī)組，而這些機(jī)組中幾乎沒有能夠?qū)崿F(xiàn)FCB功能，其原因是到目前為止還缺乏FCB控制技術(shù).為提出FCB控制技術(shù)，就要掌握FCB過程機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)的動態(tài)特性.目前，針對火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)相關(guān)分析的研究已經(jīng)逐步開展，田亮[6]利用小波理論和機(jī)理建模相結(jié)合獲得爐膛壓力與燃燒率之間的關(guān)系；余南華[7]對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)余熱鍋爐(HRSG)汽包水位現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了水位波動的不確定成分主要來源于低頻的壓降引起的諧波及隨機(jī)噪聲兩部分；王瑞琪[8]通過選取Kolmogorov復(fù)雜性、樣本熵和標(biāo)準(zhǔn)差對AGC指令信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而定量地分析電廠的發(fā)電質(zhì)量；王強(qiáng)[9]對HRSG汽包水位利用EMD分解后，提取有用的IMF分量重構(gòu)得到無干擾成分的水位真實(shí)趨勢信號，使得汽包水位的信號分析不再依賴機(jī)組工況.上述研究工作對機(jī)組運(yùn)行過程參數(shù)進(jìn)行了分析，但是，針對火電機(jī)組FCB工況機(jī)組運(yùn)行參數(shù)動態(tài)特性的研究還尚未報(bào)道.

由于FCB工況下機(jī)組運(yùn)行參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，很難通過機(jī)理建模的方法得到參數(shù)之間的關(guān)系.本文利用小波分析理論對FCB過程典型信號進(jìn)行不同尺度的分解，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析方法對同頻率上的不同信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)度的計(jì)算，分析參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系，為控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供借鑒.

1 火電機(jī)組FCB功能

一般而言，火電機(jī)組FCB運(yùn)行方式是指在電網(wǎng)解列后可以迅速降負(fù)荷至廠用電，待電網(wǎng)事故解除后重新恢復(fù)負(fù)荷，并網(wǎng)發(fā)電.這種運(yùn)行方式不但解決了當(dāng)電網(wǎng)解列后被迫停爐停機(jī)的問題，而且可以在鍋爐啟動過程中解決無啟動電源問題，對于電網(wǎng)和電廠都是大有裨益的.在機(jī)組FCB過程中，由于負(fù)荷的快速變化導(dǎo)致運(yùn)行參數(shù)很容易超出安全值.所以，火電機(jī)組的設(shè)備結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)對于FCB的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要.

本文對某電廠FCB實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[10]，鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界壓力、一次再熱、單爐膛∏型、中儲式、燃煤、“W”型火焰鍋爐，20臺燃燒器布置于下爐膛前后拱上.汽輪機(jī)為日本富士山公司生產(chǎn)的亞臨界、單軸、三缸、雙排汽中間再熱凝汽反動式汽輪機(jī).機(jī)組在進(jìn)行FCB功能性實(shí)驗(yàn)前的負(fù)荷為304MW，控制系統(tǒng)為CCS模式，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)處于自動狀態(tài)，F(xiàn)CB信號動作后維持一分鐘.自動逐步切除預(yù)先設(shè)定的給煤機(jī)，投入預(yù)定的油槍，30 s內(nèi)粉嘴運(yùn)行數(shù)量從19支切換至6支，45 s內(nèi)油槍從4支投至12支，已達(dá)到穩(wěn)燃效果.高旁快開4 s，機(jī)組相關(guān)運(yùn)行參數(shù)未超出安全值.

本文選擇發(fā)電機(jī)功率(k1/MW)，主蒸汽壓力(k2/MPa)，總給水量(k3/(t/h))，汽包水位(k4/mm)，主蒸汽流量(k5/(t/h))，過熱器工質(zhì)溫度(k6/℃)，燃料總量(k7/%)，高壓旁路閥門開度(k8/%)等8個(gè)參數(shù)進(jìn)行火電機(jī)組FCB過程關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的關(guān)聯(lián)性分析，機(jī)組FCB過程參數(shù)運(yùn)行曲線，如圖1所示.

圖1 機(jī)組FCB運(yùn)行數(shù)據(jù)

2 多尺度小波分解

分析信號之間的相關(guān)性，從時(shí)域考慮，是從整體趨勢和局部波動這兩個(gè)方面來分析信號之間的相關(guān)性；從頻域考慮，就是從低頻和高頻這兩個(gè)方面來分析信號之間的相關(guān)性.小波變換具有多分辨率特性，它可以將信號分解到不同頻率下，適用于對熱工信號進(jìn)行多尺度分析[11].

本文選擇具有緊支撐的Daubechies小波函數(shù)對現(xiàn)場選擇的8項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行5層小波分解[12]，分解結(jié)果，如圖2所示.

圖2 原始信號小波分解結(jié)果

3 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色理論的基本內(nèi)容，其基本思想是根據(jù)數(shù)據(jù)曲線之間的相似程度來判斷因素間的灰關(guān)聯(lián)度，而灰關(guān)聯(lián)度描述了發(fā)展過程中因素之間相對的變化，該方法簡單、直觀，對于樣本量的大小沒有過高的要求[13～15].

設(shè)Xi為系統(tǒng)因素，其在序號k上的觀測數(shù)據(jù)為xi(k)，k=1，2，…，n，則稱Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))為因素Xi的行為序列；同理，定義系統(tǒng)特征序列Xo=(xo(1)，xo(2)，…，xo(n)).對于兩組序列Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))與Xo=(xo(1)，xo(2)，…，xo(n))之間的關(guān)聯(lián)程度定義為實(shí)數(shù)，其中γ(xo(k)，xi(k))為Xo和Xi在k處的關(guān)聯(lián)系數(shù)，關(guān)聯(lián)系數(shù)的解法沒有固定的公式，需要符合以下四條灰色關(guān)聯(lián)公理：

(1)規(guī)范性：0<γ(Xo，Xi)≤1，γ(Xo，Xi)=1?Xo=Xi；

(3)偶對稱性：對于Xi，Xj∈X，有γ(Xi，Xj)=γ(Xj，Xi)?X={Xi，Xj}；

灰色關(guān)聯(lián)度是用來描述系統(tǒng)因素間關(guān)系密切程度的量，是系統(tǒng)變化態(tài)勢的一種度量.一般而言，可以用序列的變化態(tài)勢來表征，而各個(gè)序列的變化態(tài)勢總是按一定的量級和趨勢變化的.關(guān)聯(lián)度模型主要有鄧氏關(guān)聯(lián)度、廣義絕對關(guān)聯(lián)度、T型關(guān)聯(lián)度等.

本文選擇鄧氏關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法，該方法充分體現(xiàn)了灰色關(guān)聯(lián)公理的約束條件，其計(jì)算著重考慮了點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離對關(guān)聯(lián)度的影響，Xi與Xo的關(guān)聯(lián)度為

(1)

4 火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)多尺度灰色關(guān)聯(lián)分析

針對選取的火電機(jī)組FCB過程運(yùn)行參數(shù)，利用小波分解理論進(jìn)行不同頻率尺度的分解，選取具有FCB過程代表性的參數(shù)作為參考信號，而后利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法計(jì)算同頻率尺度上與其他信號的關(guān)聯(lián)度，具體計(jì)算流程如圖3所示.

4.1 主蒸汽壓力多尺度關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)以往現(xiàn)場快速甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在FCB初期，主蒸汽壓力飛升速度及幅度都是比較大的，由于主蒸汽壓力的飛升使得汽包出口流量的減少從而影響汽包壓力、水位等參數(shù).這對FCB的過程控制系統(tǒng)提出了很高的要求，對鍋爐設(shè)備的損傷也是非常嚴(yán)重的.因此，在FCB動作過程中，鍋爐側(cè)參數(shù)的變化并不是“同步”的，而是類似于“遞進(jìn)”關(guān)系.所以，研究主蒸汽壓力動態(tài)過程是十分必要的.

本文選擇發(fā)電機(jī)功率、總給水量、汽包水位、主蒸汽流量、過熱器出口溫度、總?cè)剂狭?、高旁開度作為主蒸汽壓力的相關(guān)性分析參數(shù).根據(jù)小波分解不同頻率尺度結(jié)果，同頻率條件下其灰色關(guān)聯(lián)度，如表1所示.

圖3 多尺度灰色關(guān)聯(lián)分析流程圖

K1 K3 K4 K5 K6 K7 K810.89910.85180.78410.43000.41300.41250.935020.95030.94680.89260.89660.99500.98800.986030.94940.92600.80830.83960.97950.96650.975140.99580.99480.97320.96380.98880.99470.995550.99440.98330.95570.87340.95460.95780.991160.99500.99640.98700.92640.98680.98240.9967

通過觀察表1發(fā)現(xiàn)，火電機(jī)組在FCB過程中，低頻階段的主蒸汽流量，過熱器工質(zhì)溫度，燃料量對于主蒸汽壓力的影響較小，高壓旁路流量對主蒸汽壓力的影響較大；當(dāng)頻率升高時(shí)，對于主蒸汽壓力的影響明顯提高；無論頻率高低，高壓旁路閥門開度對主蒸汽壓力的影響都很大.主要是由于在火電機(jī)組FCB過程中，主蒸汽壓力受主蒸汽管道進(jìn)出口蒸汽流量影響較大.因此，旁路流量對其影響明顯.火電機(jī)組FCB過程中，為了更好的控制主蒸汽壓力，要有很好的一套旁路系統(tǒng)控制方案，可以通過增大旁路容量的方法減小主蒸汽壓力飛升幅度，通過縮短旁路閥門快開時(shí)間減小主蒸汽壓力飛升速率.

4.2 汽包水位多尺度關(guān)聯(lián)分析

火電機(jī)組FCB過程汽包水位變化劇烈，對于汽包鍋爐而言，汽包水位是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)非常重要的參數(shù)，維持汽包水位是保持汽機(jī)和鍋爐安全運(yùn)行的必要條件.

選擇功率、總給水量、主蒸汽壓力、主蒸汽流量、總?cè)剂狭?、高壓開度作為鍋爐汽包水位的關(guān)聯(lián)因素，不同頻率尺度關(guān)聯(lián)度如表2所示.

表2 不同頻率下運(yùn)行參數(shù)與汽包水位關(guān)聯(lián)度

通過觀察表2可知，隨著頻率尺度的提高，關(guān)聯(lián)度相應(yīng)的增大，說明鍋爐汽包水位屬于高頻信號，即高頻信號對其影響較大；觀察主蒸汽流量(K5)對于汽包水位影響的分析發(fā)現(xiàn)，高頻階段的影響明顯高于低頻階段，在FCB過程中，鍋爐主蒸汽流量的瞬時(shí)快速變化對汽包水位的影響比較大.所以，在保證負(fù)荷變化在安全值范圍的情況下，要盡量控制主蒸汽流量速率變化，實(shí)際運(yùn)行過程中，通過調(diào)節(jié)旁路閥門流量或增設(shè)PCV閥門能夠有效改善機(jī)組對主蒸汽流量調(diào)節(jié)的靈活性.

4.3 主蒸汽流量多尺度關(guān)聯(lián)分析

在火電廠機(jī)組運(yùn)行過程中，主蒸汽流量是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，對于機(jī)組運(yùn)行狀況、性能監(jiān)測、過程控制起著至關(guān)重要的作用.當(dāng)機(jī)組發(fā)生FCB時(shí)，主蒸汽流量變化迅速，根據(jù)機(jī)理過程，選擇發(fā)電機(jī)功率、總給水量、主蒸汽壓力、汽包水位、燃料量、高旁開度作為關(guān)聯(lián)因素，其關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 不同頻率下運(yùn)行參數(shù)與主蒸汽流量關(guān)聯(lián)度

通過觀察表3可知，在機(jī)組發(fā)生FCB時(shí)，隨著頻率尺度的增大，關(guān)聯(lián)度先減小后增大；參數(shù)對于主蒸汽流量的影響，參數(shù)高頻尺度的影響程度幾乎相同.也就是說，當(dāng)機(jī)組發(fā)生FCB時(shí)，對于主蒸汽流量的影響，瞬態(tài)快速改變關(guān)聯(lián)因素的任何變量對主蒸汽流量的影響結(jié)果都很大.主要原因是主蒸汽流量容易受到鍋爐和汽輪機(jī)兩側(cè)的雙重影響，在FCB過程中，鍋爐和汽輪機(jī)兩側(cè)相關(guān)參數(shù)變化劇烈.因此，機(jī)組相關(guān)運(yùn)行參數(shù)對主蒸汽流量的影響較大.

5 結(jié) 論

(1)利用小波理論對火電機(jī)組FCB過程主要運(yùn)行參數(shù)分解后進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析能夠從頻率尺度上定量的得到參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)程度.

(2)火電機(jī)組FCB過程中，高壓旁路閥門在高頻和低頻時(shí)對主蒸汽壓力的影響較大，機(jī)組FCB過程應(yīng)有一套快速響應(yīng)的旁路控制系統(tǒng).

(3)汽包水位是高頻信號，主蒸汽流量瞬時(shí)變化率對汽包水位的影響較大，應(yīng)該盡量控制主蒸汽流量變化速率.

(4)火電機(jī)組FCB過程中，不同參數(shù)的瞬態(tài)變化對主蒸汽流量的影響較大，要合理控制參數(shù)的動態(tài)變化，以保障主蒸汽流量變化速率不超出安全值.