劉鑫屏，孟令虎

?

大型煤粉鍋爐爐膛壓力波動(dòng)特性分析

劉鑫屏，孟令虎

（華北電力大學(xué)自動(dòng)化系，河北 保定 071003）

為研究大型煤粉鍋爐爐膛壓力波動(dòng)的形成機(jī)理，并定量分析各擾動(dòng)因素對(duì)爐膛壓力的影響程度，提出一種聯(lián)合獨(dú)立分量分析(ICA)、多尺度延時(shí)相關(guān)和頻譜分析的爐膛壓力特性分析方法。該方法將爐膛壓力波動(dòng)視為各種獨(dú)立波動(dòng)分量的疊加，通過(guò)ICA分離出爐膛壓力信號(hào)中相互獨(dú)立的波動(dòng)分量，然后利用多尺度延時(shí)相關(guān)將獨(dú)立分量與爐膛壓力擾動(dòng)因素進(jìn)行逆向匹配，確定各獨(dú)立分量對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)源，最后結(jié)合頻譜分析得到各擾動(dòng)源對(duì)爐膛壓力波動(dòng)的動(dòng)態(tài)增益。對(duì)某600 MW機(jī)組煤粉鍋爐分析表明：相較于給煤量信號(hào)的中頻分量，爐膛壓力波動(dòng)與一次風(fēng)量、送風(fēng)量、引風(fēng)量信號(hào)的中頻分量的關(guān)系更密切；單位送、引風(fēng)量波動(dòng)對(duì)爐膛壓力的影響基本相同，但單位一次風(fēng)量變化對(duì)爐膛壓力的影響大于單位送、引風(fēng)量變化對(duì)爐膛壓力的影響。

煤粉鍋爐；爐膛壓力；獨(dú)立分量分析；多尺度延時(shí)相關(guān)；頻譜分析；動(dòng)態(tài)增益

大型煤粉鍋爐爐膛壓力表征入爐燃料量、總風(fēng)量與鍋爐出口高溫?zé)煔饬康墓べ|(zhì)平衡關(guān)系，是判斷鍋爐燃燒穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[1-2]。但爐膛壓力是多種因素共同作用的結(jié)果[3]，同時(shí)其動(dòng)態(tài)特性變化快，靈敏度高，且易受干擾，這造成爐膛壓力呈現(xiàn)較強(qiáng)的波動(dòng)性[4]。因此，分析其波動(dòng)特性對(duì)提升爐膛壓力穩(wěn)定性具有重要意義。

目前有關(guān)爐膛壓力的時(shí)域[5]、頻域[6]分析法都將爐膛壓力作為一個(gè)整體來(lái)考察各影響因素在其整體上的表現(xiàn)情況，即使采用時(shí)-頻分析法[7]也只將爐膛壓力分成不同頻段上的分量。在鍋爐燃燒的多變量系統(tǒng)中，爐膛壓力會(huì)受到多種擾動(dòng)的影響，各擾動(dòng)不完全可控，并且不同擾動(dòng)引起的爐膛壓力波動(dòng)分量無(wú)顯著的頻率差異。因此，利用時(shí)-頻分析法難以單獨(dú)分析不同擾動(dòng)與對(duì)應(yīng)的爐膛壓力波動(dòng)分量間的關(guān)系。通過(guò)機(jī)理分析法建立爐膛壓力數(shù)學(xué)模型[8]，研究鍋爐掉焦[9]、內(nèi)爆[10]、煤粉氣流爆燃[11]、脫火[12]等與爐膛壓力的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)與爐膛壓力波動(dòng)的單獨(dú)分析，但在機(jī)理分析過(guò)程中通常需要對(duì)實(shí)際系統(tǒng)做簡(jiǎn)化，同時(shí)模型參數(shù)需要通過(guò)工程試驗(yàn)確定，若實(shí)際系統(tǒng)偏離原工況點(diǎn)，則會(huì)使模型失配，使分析結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

本文將爐膛壓力波動(dòng)視為多種波動(dòng)分量的疊加，提出一種聯(lián)合獨(dú)立成分分析（ICA）、多尺度延時(shí)相關(guān)和頻譜分析的爐膛壓力波動(dòng)特性分析法，首先通過(guò)ICA分離出爐膛壓力信號(hào)中的波動(dòng)分量，再利用多尺度延時(shí)相關(guān)和頻譜分析確定波動(dòng)分量對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)源及其對(duì)爐膛壓力的動(dòng)態(tài)增益，該方法實(shí)現(xiàn)了擾動(dòng)與爐膛壓力波動(dòng)分量的單獨(dú)分析，并有效避免了文獻(xiàn)[5-7]中多變量耦合和文獻(xiàn)[8-12]中機(jī)理模型失配對(duì)結(jié)果的影響，最后通過(guò)對(duì)比機(jī)理建模法的分析結(jié)果，對(duì)本文方法的有效性和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 爐膛壓力波動(dòng)分析

1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為某超臨界直流鍋爐HG-1900/25.4- YM4的爐膛壓力，該600 MW機(jī)組煤粉鍋爐配備 6臺(tái)ZGM113G型中速磨煤機(jī)、2臺(tái)PAF18-11.8-2型兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)、2臺(tái)FAF25-14-1型動(dòng)葉可調(diào)軸流送風(fēng)機(jī)和2臺(tái)AN37e6(V19+4?)型靜葉可調(diào)軸流引風(fēng)機(jī)。爐膛壓力取樣口布置在爐膛分割屏過(guò)熱器下方，爐墻標(biāo)高47 m處，左右各3個(gè)，每個(gè)取樣口對(duì)應(yīng)1臺(tái)或多臺(tái)壓力變送器，其中3臺(tái)壓力變送器的信號(hào)引入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）。鍋爐本體和部分輔機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖1中：冷、熱一次風(fēng)混合后攜帶煤粉進(jìn)入爐膛燃燒；二次風(fēng)通過(guò)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器換熱后進(jìn)入爐膛，為爐內(nèi)燃燒提供所需的氧量；鍋爐尾部煙氣經(jīng)過(guò)脫硝、除塵等處理后，由引風(fēng)機(jī)加壓送入煙囪，引風(fēng)是爐膛壓力的調(diào)節(jié)量，與送風(fēng)共同作用，維持爐內(nèi)通風(fēng)平衡。

1.2 爐膛壓力擾動(dòng)

1.2.1 燃料擾動(dòng)

在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，假定送入爐膛燃料的速率和成分等保持恒定，燃燒在開(kāi)放的定容系統(tǒng)中穩(wěn)定地發(fā)生，且鍋爐送、引風(fēng)量保持平衡，則爐膛壓力為一常數(shù)。但鍋爐燃燒無(wú)法達(dá)到這種理想的燃燒狀態(tài)，主要原因是制粉系統(tǒng)的時(shí)域波動(dòng)，造成送入爐膛的燃料量發(fā)生小幅變化，這種小幅變化引起的熱量變化，不影響鍋爐的燃燒率，但足以使?fàn)t膛壓力劇烈變化。文獻(xiàn)[7]研究表明，對(duì)于典型的600 MW機(jī)組煤粉鍋爐，燃料量變化±4 t/h時(shí)，爐膛壓力波動(dòng)將超過(guò)±50 Pa。

1.2.2 風(fēng)量擾動(dòng)

鍋爐的總風(fēng)量主要包括一次風(fēng)量和送風(fēng)量，送風(fēng)量變化對(duì)爐膛壓力波動(dòng)具有導(dǎo)前性，因此在單回路爐膛壓力控制系統(tǒng)中，送風(fēng)量作為前饋量，引風(fēng)機(jī)控制器輸出調(diào)節(jié)引風(fēng)量，將爐膛壓力控制在合理范圍內(nèi)，爐膛壓力單回路控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2中：s、r、f、m分別為送風(fēng)機(jī)控制器輸出、爐膛壓力設(shè)定值、爐膛壓力反饋值和引風(fēng)機(jī)控制器輸出；v*()、s*()、o*()分別為送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù)；sv()、ss()分別為送風(fēng)量、引風(fēng)量對(duì)爐膛壓力的傳遞函數(shù)。

圖2 爐膛壓力單回路控制系統(tǒng)

由圖2可見(jiàn)，送、引風(fēng)量與爐膛壓力關(guān)系密切。但對(duì)該600 MW機(jī)組煤粉鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析表明，即使在鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，送、引風(fēng)量波動(dòng)的幅度一般分別在10.0、22.5 t/h左右。

1.2.3 燃燒擾動(dòng)

鍋爐內(nèi)煤粉燃燒后釋放的光、熱、氣體直接影響爐內(nèi)氣流場(chǎng)，進(jìn)而影響爐膛壓力，燃燒擾動(dòng)主要表現(xiàn)在以下方面：

1）煤粉在爐內(nèi)燃燒是非連續(xù)均勻的過(guò)程，當(dāng)燃燒器周?chē)l(fā)生微小氣壓擾動(dòng)，燃燒火焰會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)，火焰擺動(dòng)同時(shí)又帶動(dòng)周?chē)鷼鈮簲[動(dòng)，該現(xiàn)象類(lèi)似一個(gè)穩(wěn)定的自振蕩；

2）入爐煤粉質(zhì)量濃度的不均勻會(huì)引起局部燃燒增強(qiáng)，這種隨機(jī)的燃燒不均勻會(huì)打破局部壓力平衡，引起爐膛壓力變化；

3）在爐內(nèi)溫度和煤粉質(zhì)量濃度低的區(qū)域，煤粉著火推遲，形成局部滅火，隨著未燃燒煤粉累積，又會(huì)發(fā)生局部爆燃。

2 分析方法及模型設(shè)計(jì)

2.1 獨(dú)立分量分析

根據(jù)非高斯信號(hào)混合后高斯性增強(qiáng)的原理，ICA可在系統(tǒng)和源信號(hào)未知的情況下，通過(guò)非高斯最大迭代算法[13]分離出混合信號(hào)中的獨(dú)立分量。假設(shè)引起爐膛壓力波動(dòng)的個(gè)擾動(dòng)源信號(hào)組成的矩陣為=[1,2,…,s]T，個(gè)爐膛壓力測(cè)點(diǎn)信號(hào)去均值后組成的波動(dòng)量信號(hào)矩陣為=[1,2,…,x]T，ICA模型的混疊及分離過(guò)程[14-15]如圖3所示。

圖3中：為×維信號(hào)混合矩陣；=[1,2,…,z]T為矩陣的白化矩陣；=[1,2,…,u]T為線性變換矩陣。設(shè)矩陣的協(xié)方差矩陣為，和分別是的特征值矩陣和特征向量矩陣，則=-1/2T；=[1,2,…,w]T為解混矩陣；=[1,2,…,y]T為分離得到的爐膛壓力獨(dú)立分量。

圖3 ICA混疊及分離模型

采用負(fù)熵g(y)衡量獨(dú)立分量（=1,2…,）的非高斯性，

式中：y,Gauss為和y具有相同方差的高斯隨機(jī)信號(hào)；(y)為獨(dú)立分量y的熵。

為計(jì)算解混矩陣，使獨(dú)立分量的負(fù)熵取得極大值，可采用式(2)近似表示的負(fù)熵，

式中，(·)為非線性函數(shù)，通常1()=tanh(·)。

由式(2)可得，g(y)的極大值點(diǎn)通常在{(T)}的極值點(diǎn)取得。{(T)}在約束{(T)2}=||||=1條件下的極值點(diǎn)滿(mǎn)足

式中為拉格朗日乘子。利用牛頓迭代法，簡(jiǎn)化可得

式中w為w的更新值。根據(jù)式(4)可得解混矩陣，進(jìn)而從爐膛壓力信號(hào)中分離出獨(dú)立分量。

2.2 多尺度相關(guān)分析

將各個(gè)擾動(dòng)源信號(hào)做5層db1小波分解，同時(shí)尺度因子按2的冪級(jí)數(shù)進(jìn)行離散，平移因子按等間距均勻離散，則在尺度上的和可表示為

對(duì)近似小波系數(shù)5和各尺度上的細(xì)節(jié)小波系數(shù)進(jìn)行單支重構(gòu)，得到各擾動(dòng)源信號(hào)的低頻分量、中頻分量、高頻分量，設(shè)采樣頻率為s，則、、的頻帶范圍為:

多尺度延時(shí)相關(guān)以小波多分辨率分析為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)步驟為：1）將擾動(dòng)源信號(hào)分解為不同尺度空間和小波空間中的分量；2）通過(guò)時(shí)間延遲將擾動(dòng)源信號(hào)的不同頻段分量與爐膛壓力獨(dú)立分量在時(shí)域內(nèi)對(duì)齊；3）利用互相關(guān)系數(shù)在多個(gè)尺度上衡量信號(hào)間的相關(guān)性。計(jì)算式為

式中：A|D(–k)表示以爐膛壓力為參考信號(hào)，延遲k個(gè)采樣點(diǎn)后的擾動(dòng)源信號(hào)分量(包括A、M、D)；為A|D(–k)與爐膛壓力獨(dú)立分量y的互相關(guān)系數(shù)；、表示信號(hào)編號(hào)。

2.3 分析模型設(shè)計(jì)

爐膛壓力波動(dòng)主要與燃料、風(fēng)量和燃燒狀態(tài)有關(guān)，燃燒狀態(tài)在一定程度上又是由燃料和風(fēng)量決定的[16]。故可初步假設(shè)給煤量1、一次風(fēng)量2、送風(fēng)量3、引風(fēng)量4為爐膛壓力獨(dú)立分量對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)源信號(hào)。

爐膛壓力信號(hào)反應(yīng)靈敏，但仍具有遲延特性，為準(zhǔn)確獲得1、2、3、4與各獨(dú)立分量的相關(guān)性，需將它們?cè)跁r(shí)域內(nèi)對(duì)齊。爐膛壓力波動(dòng)特性分析模型如圖4所示。

圖4 爐膛壓力波動(dòng)特性分析模型

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 分離爐膛壓力獨(dú)立分量

設(shè)該600 MW機(jī)組煤粉鍋爐送入CCS的3個(gè)爐膛壓力信號(hào)經(jīng)去均值后分別為1、2、3，采集該鍋爐負(fù)荷在350 MW附近某段時(shí)間內(nèi)的1、2、3信號(hào)，結(jié)果如圖5所示。該工況下鍋爐負(fù)荷相對(duì)較低，爐膛壓力信號(hào)呈現(xiàn)較強(qiáng)的波動(dòng)性，具有較好的代表性。圖5中采樣間隔為1 s，采樣點(diǎn)為600個(gè)。

圖5 爐膛壓力信號(hào)

對(duì)圖5中的爐膛壓力信號(hào)1、2、3進(jìn)行獨(dú)立分量分析，得到統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立的分量1、2和3，如圖6所示。

圖6中獨(dú)立分量1、2、3具有不同的波動(dòng)頻率，通過(guò)機(jī)理分析可知，不同波動(dòng)頻率代表影響爐膛壓力的不同因素，但I(xiàn)CA分析結(jié)果具有幅值和排序不確定性[17]，單純對(duì)波動(dòng)信號(hào)1、2、3進(jìn)行ICA處理得不到較多的有用信息，因此需要進(jìn)一步對(duì)獨(dú)立分量1、2、3進(jìn)行幅值恢復(fù)，并確定對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)源信號(hào)。

圖6 爐膛壓力信號(hào)中的獨(dú)立分量

3.2 獨(dú)立分量來(lái)源確定

以爐膛壓力波動(dòng)信號(hào)1的起點(diǎn)為參考零點(diǎn)，經(jīng)尋優(yōu)計(jì)算，分別將給煤量1、一次風(fēng)量2、送風(fēng)量3、引風(fēng)量4延時(shí)31、19、12、14 s，使其與爐膛壓力信號(hào)在時(shí)域內(nèi)對(duì)齊，并使對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值。1、2、3、4及其各頻段分量如圖7所示。

圖7中，給煤量1、一次風(fēng)量2、送風(fēng)量3、引風(fēng)量4的低頻、中頻、高頻分量分別代表該信號(hào)的平均量、波動(dòng)量和噪聲量。由機(jī)理分析可知，平均量不會(huì)引起爐膛壓力波動(dòng)，噪聲量主要是由測(cè)量造成的，因此與爐膛壓力波動(dòng)有關(guān)的可能是1、2、3、4的中頻分量。由式(10)分別計(jì)算擾動(dòng)源信號(hào)中頻分量與爐膛壓力獨(dú)立分量的相關(guān)系數(shù)，不同信號(hào)間相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 熱工信號(hào)及其不同頻段分量

表1 信號(hào)間相關(guān)系數(shù)

Tab.1 The cross correlation coefficient between signals

由表1可見(jiàn)，1、2、3分別對(duì)應(yīng)與3、4、2具有較好的相關(guān)性，均與1的相關(guān)性較小。這表明：相對(duì)于給煤量信號(hào)的中頻分量，爐膛壓力波動(dòng)與一次風(fēng)量、送風(fēng)量、引風(fēng)量信號(hào)的中頻分量的關(guān)系更密切，進(jìn)而可知獨(dú)立分量1、2、3對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)源信號(hào)應(yīng)分別為送風(fēng)量3、引風(fēng)量4與一次風(fēng)量2信號(hào)。

3.3 計(jì)算動(dòng)態(tài)增益

借助頻譜分析，選取各個(gè)信號(hào)頻譜峰值所在位置為特征點(diǎn)，然后分析各個(gè)特征點(diǎn)上譜值的數(shù)量關(guān)系，可得到獨(dú)立分量在混合信號(hào)中的比重。爐膛壓力信號(hào)1、2、3及其獨(dú)立分量1、2、3的幅頻特性|1()|、|2()|、|3()|和|1()|、|2()|、|3()|如圖8所示。

圖8 爐膛壓力信號(hào)及其獨(dú)立分量頻譜

根據(jù)圖8中對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)上的譜值，列出矩陣 方程

可得爐膛壓力獨(dú)立分量1、2、3對(duì)其波動(dòng)信號(hào)1、2、3的增益矩陣為

對(duì)增益矩陣各列取平均得

圖6中獨(dú)立分量1、2、3的幅值分別約為2、4、2 Pa，根據(jù)式(13)可得，1、2、3幅值恢復(fù)后分別約為7.3、14.8、28.3 Pa，且根據(jù)圖7可知，與之對(duì)應(yīng)的3、4、2的幅值分別約為10.0、22.5、7.5 t/h。

為檢驗(yàn)本文方法的分析結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)[8]中爐膛壓力的機(jī)理模型，得到一次風(fēng)量2、送風(fēng)量3、引風(fēng)量4發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，爐膛壓力的頻率特性（圖9），圖9中對(duì)應(yīng)標(biāo)注本文計(jì)算的2、3、4波動(dòng)頻率及采用機(jī)理建模法得到的動(dòng)態(tài)增益。同時(shí)將本文方法與通過(guò)機(jī)理建模法得到的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，通過(guò)機(jī)理建模法得到的動(dòng)態(tài)增益大于本文方法得到的動(dòng)態(tài)增益。但二者差值在合理的范圍內(nèi)，印證了本文方法的有效性。

圖9 不同擾動(dòng)對(duì)爐膛壓力的頻率特性

表2 本文方法與機(jī)理建模方法分析結(jié)果對(duì)比

Tab.2 Comparison of the analytical results between the mechanism method and the proposed method

由于本文方法是基于數(shù)據(jù)分析進(jìn)行的，可以有效避免在機(jī)理分析過(guò)程中模型簡(jiǎn)化、近似及參數(shù)辨識(shí)不精確對(duì)分析結(jié)果的影響，因此分析結(jié)果相對(duì)于機(jī)理建模法更準(zhǔn)確。此外，當(dāng)分析不同煤粉鍋爐爐膛壓力波動(dòng)特性時(shí)，機(jī)理建模法需重新辨識(shí)參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，而本文方法只需采集鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，提升了計(jì)算效率。

4 結(jié) 論

1）文中利用ICA分離爐膛壓力信號(hào)中的獨(dú)立波動(dòng)分量，相當(dāng)于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦，有效解決了多變量耦合分析的難度。

2）相對(duì)于制粉系統(tǒng)給煤量波動(dòng)，爐膛壓力波動(dòng)與一次風(fēng)量波動(dòng)、送風(fēng)量波動(dòng)、引風(fēng)量波動(dòng)的關(guān)系更密切，但單位送、引風(fēng)量波動(dòng)對(duì)爐膛壓力的影響基本相同，單位一次風(fēng)量波動(dòng)對(duì)爐膛壓力的影響約為單位送、引風(fēng)量波動(dòng)的6倍。

3）由于進(jìn)、出鍋爐氣體體積變化對(duì)爐膛壓力影響大致相同，因此一次風(fēng)對(duì)爐膛壓力影響大的原因可能是其波動(dòng)導(dǎo)致入爐煤量在時(shí)域產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而引起爐內(nèi)熱量的波動(dòng)。

［1］ 黃勇理, 劉杰, 柳朝暉, 等. 富氧燃燒電站鍋爐風(fēng)煙燃燒過(guò)程控制方案設(shè)計(jì)[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2015, 35(10): 786-791. HUANG Yongli, LIU Jie, LIU Zhaohui, et al. Design of control programs for air/gas circulation and combustion subsystem of an oxy-fuel combustion boiler[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2015, 35(10): 786-791.

［2］ TAN W, FANG F, TIAN L, et al. Linear control of a boiler-turbine unit: analysis and design[J]. ISA Transactions, 2008, 47(2): 189-197.

［3］ 李應(yīng)保, 王東風(fēng). 一種改進(jìn)型LSSVM模型在電站鍋爐燃燒與優(yōu)化中的應(yīng)用[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2018, 38(4): 258-264. LI Yingbao, WANG Dongfeng. Application of an improved LSSVM in combustion modeling and optimization of utility boilers[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2018, 38(4): 258-264.

［4］ 郝祖龍, 郝雷, 常太華, 等. 電站鍋爐爐膛壓力信號(hào)的復(fù)雜性測(cè)度分析[J]. 現(xiàn)代電力, 2007, 24(1): 53-57. HAO Zulong, HAO Lei, CHANG Taihua, et al. Analysis of pressure signals in furnace of utility boiler using complexity measure[J]. Modern Electric Power, 2007, 24(1): 53-57.

［5］ 高建強(qiáng), 張晨. 300 MW機(jī)組富氧煤粉鍋爐燃燒和煙氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真分析[J]. 熱力發(fā)電, 2017, 46(2): 94-99. GAO Jianqiang, ZHANG Chen. Numerical simulation on dynamic performance of combustion and flue gas system in a 300 MW oxy-coal fired boiler[J]. Thermal Power Generation, 2017, 46(2): 94-99.

［6］ ERIC M D, CVETINOVIC D B, STEFANOVIC P L, et al. Investigation of pressure pulsations in the furnace and flue gas tract of the pulverized coal combustion utility boiler[J]. Thermal Science, 2010, 14(1): 261-270.

［7］ 田亮, 劉鑫屏, 王琪. 基于多尺度相關(guān)和機(jī)理建模的爐膛壓力分析[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2012, 32(11): 853-858. TIAN Liang, LIU Xinping, WANG Qi. Analysis of furnace pressure based on multi-scale correlation and mechanism modeling[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2012, 32(11): 853-858.

［8］ 劉鑫屏, 劉潔, 田亮, 等. 燃燒擾動(dòng)下?tīng)t膛壓力的特性分析[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2010, 30(5): 357-362. LIU Xinping, LIU Jie, TIAN Liang, et al. Analysis on furnace pressure characteristics under combustion disturbance[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2010, 30(5): 357-362.

［9］ 朱林忠, 胡平, 顧德東, 等. 掉焦對(duì)爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)熱沖擊的分析和計(jì)算[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2007, 27(6): 881-884. ZHU Linzhong, HU Ping, GU Dedong, et al. Analysis and calculation of thermal impacts inflicted on dynamic flow fields in furnaces by dropping-off of clinker[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2007, 27(6): 881-884.

［10］ 程星星, 金保升, 趙振宙. 鍋爐內(nèi)爆動(dòng)態(tài)模擬與分 析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(2): 46-49. CHENG Xingxing, JIN Baosheng, ZHAO Zhenzhou. Numerical simulation and analysis of furnace implosion [J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(2): 46-49.

［11］ 王春昌. 煤粉氣流爆燃與爐膛負(fù)壓變化的數(shù)學(xué)模型研究[J]. 中國(guó)電力, 2006, 39(12): 44-47. WANG Chunchang. Study on the mathematic models for the relation between furnace pressure and coal combustion condition[J]. Electric Power, 2006, 39(12): 44-47.

［12］ 王春昌, 宋志強(qiáng), 馬光榮. 煤粉氣流脫火與爐膛負(fù)壓波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型研究[J]. 熱力發(fā)電, 2008, 37(3): 22-25. WANG Chunchang, SONG Zhiqiang, MA Guangrong. Study on mathematical model under blowing-off fire from flow stream of pulverized coal with air and under fluctuation of furnace draft[J]. Thermal Power Generation, 2008, 37(3): 22-25.

［13］ 朱文龍, 周建中, 肖劍, 等. 獨(dú)立分量分析-經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解特征提取在水電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(29): 95-101. ZHU Wenlong, ZHOU Jianzhong, XIAO Jian, et al. An ICA-EMD feature extraction and its application to vibration signals of hydroelectric generating units[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(29): 95-101.

［14］ JONES N B, LI Y H. A review of condition monitoring and fault diagnosis for diesel engines[J]. Lubrication Science, 2000, 6(3): 267-291.

［15］ 趙建文, 劉永佳, 梁靜, 等. 基于改進(jìn)FastICA及Romanovsky準(zhǔn)則的故障選線[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(19): 5209-5218.ZHAO Jianwen, LIU Yongjia, LIANG Jing, et al. Fault line selection based on improved FastICA and Romanovsky guidelines[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(19): 5209-5218.

［16］ 高建強(qiáng), 薛楠楠, 王立坤, 等. 富氧煤粉燃燒鍋爐爐內(nèi)過(guò)程仿真模型研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2014, 26(8): 1831-1835. GAO Jianqiang, XUE Nannan, WANG Likun, et al. Research on simulation model of inter-boiler process of oxygen-enriched combustion of pulverized coal[J]. Journal of System Simulation, 2014, 26(8): 1831-1835.

［17］ 焦衛(wèi)東, 楊世錫, 錢(qián)蘇翔, 等. 基FFT-MCC分析的ICA(BSS)盲不確定性消除[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2006, 17(7): 673-677. JIAO Weidong, YANG Shixi, QIAN Suxiang, et al. A new method for recognition of independent noise sources of complex system under strong noisy environment[J]. China Mechanical Engineering, 2006, 17(7): 673-677.

Fluctuation characteristics of furnace pressure in large-scale pulverized coal boiler

LIU Xinping, MENG Linghu

(Department of Automation, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

To study the fluctuation mechanism of the furnace pressure and to quantitatively analyze the influence of various disturbance factors on furnace pressure, a characteristic analysis method of furnace pressure based on independent component analysis (ICA), multi-scale delay correlation and spectrum analysis was proposed. Firstly, the fluctuation of furnace pressure was regarded as the superposition of various independent fluctuation components, and the independent fluctuation components were obtained by using ICA. Secondly, the disturbance factors of furnace pressure were matched with the independent components by using multi-scale delay correlation to determine the corresponding perturbation source of each independent component. Finally, the spectrum analysis was used to obtain the dynamic gain of each disturbance source to the furnace pressure fluctuation. The analysis results of a 600 MW pulverized coal boiler show that, the furnace pressure fluctuation is more closely related to the intermediate frequency component of the primary air, forced-draft air and induced-draft air than that of the coal feed. The unit forced-draft air fluctuation and unit induced-draft air fluctuation has the same effect on furnace pressure, but the effect of changing unit primary air on the furnace pressure is greater than that of changing unit forced-draft air or unit induced-draft air.

pulverized coal fired boiler, furnace pressure, independent component analysis, multi-scale delay correlation, spectrum analysis, dynamic gain

National Key Research and Development Program (2017YFB0902102); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2017MS132)

劉鑫屏(1975—)，女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜熱力系統(tǒng)建模、仿真與優(yōu)化控制，liuxinpingtyl@163.com。

TK312; TK227

A

10.19666/j.rlfd.201807138

劉鑫屏, 孟令虎. 大型煤粉鍋爐爐膛壓力波動(dòng)特性分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(4): 77-83. LIU Xinping, MENG Linghu. Fluctuation characteristics of furnace pressure in large-scale pulverized coal boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(4): 77-83.

2018-07-21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0902102)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(2017MS132)

孟令虎(1995—)，男，碩士研究生，menglinghu1000@163.com。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）