丁會(huì)成

(國能寧東第一發(fā)電有限公司,寧夏 靈武 750408)

輸煤系統(tǒng)是火力發(fā)電廠的重要組成部分,現(xiàn)階段我國火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)有關(guān)的控制方法欠缺合理性。隨著經(jīng)濟(jì)增長緩慢以及煤炭行業(yè)開采能力的提升,造成煤炭行業(yè)產(chǎn)能過剩日益加劇,資源消耗增多。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo),提升能源清潔度,需要對火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能控制[1-2]。

為此,國內(nèi)相關(guān)專家對此進(jìn)行了深入研究。索新良[3]等為了有效解決鍋爐燃燒問題,展開一次風(fēng)調(diào)平以及煤粉細(xì)粒度調(diào)整,同時(shí)展開實(shí)驗(yàn)分析,獲取最佳優(yōu)化調(diào)整方案。鮑小麗[4]等對熱力學(xué)的基本原理展開分析推導(dǎo),同時(shí)選擇典型燃煤機(jī)組和運(yùn)行數(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型,通過模型展開分析計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定節(jié)能方案。包海龍[5]等分析鍋爐的運(yùn)行狀態(tài),獲取對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,以此為依據(jù)制定優(yōu)化方案。但上述方法均未對采集到的圖像進(jìn)行去噪處理,控制效果有待提升。

為解決上述方法存在的問題,提出一種火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制方法。利用相機(jī)采集輸送帶運(yùn)煤圖像,采用一維小波分析方法去除圖像噪聲,Canny邊緣檢測算法獲取圖像邊緣信息,通過PLC模糊控制器對輸入頻率和輸出頻率進(jìn)行控制。

1 鍋爐輸煤系統(tǒng)節(jié)能控制方法

1.1 火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)輸送帶煤流檢測

通過相機(jī)采集火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)中輸送帶運(yùn)煤圖像,由于采集到的兩幅圖像為相鄰圖像,需要根據(jù)圖像特點(diǎn)將其劃分處理。需要首先分析煤流、膠帶以及背景三個(gè)部分的分布特點(diǎn),進(jìn)而獲取目標(biāo)的描述方法,可以通過計(jì)算相鄰圖像的絕對值,獲取剔除背景后的圖像,詳細(xì)的計(jì)算式如下:

U=abs|u1(x,y,z)-u2(x,y,z)|

(1)

式中:U為剔除背景后的圖像;abs| |為絕對值計(jì)算;u1(x,y,z)和u2(x,y,z)為兩幅相鄰的圖像。

采用一維小波分析方法對采集的圖像去噪處理[6-7],詳細(xì)的分析過程如下:

(1)由于采集到的火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)中輸送帶運(yùn)煤圖像中煤塊具有比較高的反射率,所以研究的目標(biāo)圖像中部分區(qū)域的灰度值相對較高。設(shè)定煤塊所在的區(qū)域即為煤流范圍,以此為依據(jù)計(jì)算圖像閾值uβ(x,y,z),則有

(2)

式中:u(x,y)為原始圖像。

(2)在輸送帶運(yùn)行一段時(shí)間后,膠帶會(huì)出現(xiàn)一定程度的磨損,同時(shí)灰度值和煤塊亮點(diǎn)兩者基本吻合,尤其是完成閾值分割處理之后,磨損部分表現(xiàn)更加明顯。

(3)由于煤塊亮點(diǎn)并不是隨機(jī)分布的,所以,將以上三者設(shè)定為火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)中輸送帶運(yùn)煤圖像分割依據(jù),在完成差值計(jì)算后,將取值相近的劃分為一類,同時(shí)引入一維小波分析方法對其去噪處理,進(jìn)而得到去噪處理后的圖像[8-9]:

(3)

式中:φ(x,y,z)為去噪后的圖像。

通過強(qiáng)度圖像中有效邊緣信息修復(fù)深度圖像中不可靠數(shù)據(jù),引入Canny邊緣檢測算法獲取深度和強(qiáng)度圖像的邊緣信息[10-11],同時(shí)識別各個(gè)圖像的強(qiáng)弱邊緣部分,分析強(qiáng)弱邊緣之間的坐標(biāo)位置關(guān)系,以此為依據(jù)得到目標(biāo)圖像完整的邊緣信息。對深度圖像進(jìn)行掃描后,將8鄰域范圍內(nèi)的強(qiáng)度圖像放置到對應(yīng)的候選集合中,完成邊緣校正。深度圖像邊緣校正原理圖如圖1所示。

圖1 深度圖像邊緣校正原理圖

校正深度圖像[12-13]邊緣過程如下式所示:

(4)

式中:N(A)為圖像邊緣點(diǎn)深度值的平均取值;T8a為8鄰域范圍;P為候選集合。

完成校正處理后,采用Navier-Stokes方程修復(fù)圖像的非邊緣部分,即可獲取高精度的深度圖像。

將輸送帶空載狀態(tài)下的高精度深度圖像和當(dāng)前圖像像素Sd和S0相減同時(shí)乘以轉(zhuǎn)換系數(shù),獲取煤料的實(shí)際高度圖像x,如式(5)所示:

x=α|Sd-S0|

(5)

式中:α為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

計(jì)算煤料的實(shí)際面積Sm,如式(6)所示:

(6)

式中:m為圖像的像素總數(shù)。對煤料像素級分割處理[14-16]即可得到煤料體積Vm,如式(7)所示:

(7)

在得到煤料體積后,通過輸送帶速度即可獲取煤流量,對應(yīng)的計(jì)算式如下:

(8)

式中:G(u,v)為煤流量;I為深度圖像像素總數(shù);Δρ(x)代表深度圖像分辨率。

1.2 火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制

為了確?；鹆Πl(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)輸送帶處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài),需要利用煤流量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸送帶運(yùn)行速度,輸送帶變頻調(diào)節(jié)控制原理圖如圖2所示。

圖2 輸送帶變頻調(diào)節(jié)控制原理圖

模糊控制被廣泛應(yīng)用于不同的研究領(lǐng)域內(nèi),尤其是非線性或者時(shí)變系統(tǒng)中。以下將模糊控制應(yīng)用到火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制中,不僅可以有效抵抗外界干擾,同時(shí)還可以提升算法的計(jì)算效率。分析當(dāng)前煤流量變化趨勢,確定傳感器的數(shù)據(jù)運(yùn)行速度,經(jīng)過計(jì)算得到兩者的偏差和偏差變化率,將其設(shè)定模糊控制器的輸出;輸入則為變頻率輸出頻率,則輸入輸出變量對應(yīng)的模糊矩陣E如公式(9)所示:

(9)

在PLC模糊控制器中,將三角形函數(shù)作為隸屬度函數(shù),獲取各個(gè)變量對應(yīng)的模糊子集為[NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB]。從火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制的角度出發(fā),需要將誤差降至最低,同時(shí)還要避免超調(diào)情況的發(fā)生。在掌握被控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的情況下,引入相關(guān)先驗(yàn)知識構(gòu)建符合需求的模糊規(guī)則,如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

將上述獲取的模糊規(guī)則存儲(chǔ)在PLC模糊控制器中,在已知輸送帶計(jì)算偏差和偏差率的情況下,引入模糊推理計(jì)算變頻器的輸出頻率,如式(10)所示:

f=ρ(s)·l(x)+[NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB]

(10)

式中:f為變頻器輸出頻率;ρ(s)為輸送帶額定輸送量;l(x)為期望輸送帶速度。

根據(jù)調(diào)節(jié)變頻率輸出頻率完成電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸送帶運(yùn)行速度調(diào)節(jié),最終達(dá)到火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制的目的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制方法的有效性,利用Matlab仿真軟件展開測試分析。選取A城市某煤礦的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù),年產(chǎn)煤量為150萬t,工作面采煤量為240 t/h,以此為基礎(chǔ),利用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法測試24 h內(nèi)火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)的功率變化情況。

2.1 功率誤差變化分析

火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)采用不同控制方案后,功率誤差變化情況如圖3所示。

圖3 不同方法的功率誤差對比結(jié)果

分析圖3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在經(jīng)過4種方法對火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制后,相對另外3種方法而言,所提方法的誤差較低,充分驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。

2.2 電能節(jié)約比率與電費(fèi)消耗比率分析

火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電費(fèi)一直以來是大家關(guān)注的熱點(diǎn)話題,如果控制方案有效,則對應(yīng)的電量呈現(xiàn)下降趨勢,電費(fèi)也會(huì)隨之降低。以下實(shí)驗(yàn)測試分析各個(gè)方法的電能節(jié)約比率和電費(fèi)消耗比率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和圖4所示。

表2 不同方法的電能節(jié)約比率測試結(jié)果對比

圖4 不同方法的電費(fèi)消耗比率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

由表2可知,隨著測試時(shí)間的增加,四種方法的電能節(jié)約比率也隨之升高,文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法的電能節(jié)約比率最高值分別為1.49%、1.54%和1.51%,而所提方法的電能節(jié)約比率最高達(dá)到1.63%,證明所提方法可以有效減少電能消耗。

分析圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,經(jīng)過各個(gè)方法優(yōu)化節(jié)能控制后,各個(gè)方法的電費(fèi)消耗比率均得到明顯改善,但是相比而言,所提方法的電費(fèi)消耗比率始終低于3.0%,證明所提方法的節(jié)能效果更好。

2.3 優(yōu)化節(jié)能控制效果分析

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的節(jié)能控制效果,測試2022年1月1日至6日控制前后日均煤流量變化情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法控制前后的煤流量變化情況對比

由圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在采用不同方法優(yōu)化節(jié)能控制后,對應(yīng)的煤流量均有所改善。但是所提方法的煤流量相比之前的煤流量下降幅度最大,進(jìn)一步說明所提方法具有良好的控制效果。

2.4 優(yōu)化節(jié)能控制耗時(shí)分析

在不同環(huán)境下,控制耗時(shí)是測試各個(gè)方法控制能力的重要指標(biāo),利用上述三種方法隨機(jī)選取15個(gè)區(qū)域中進(jìn)行耗時(shí)測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同方法的火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制耗時(shí)測試結(jié)果對比

由表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,由于測試區(qū)域不同,采用各個(gè)方法獲取的優(yōu)化控制耗時(shí)也完全不同。對于環(huán)境比較復(fù)雜的區(qū)域,耗時(shí)相對就會(huì)長一些,而對于比較簡單的區(qū)域,則用時(shí)就相對低一些。分析以上4種優(yōu)化節(jié)能控制方法可知,文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[3]方法的最低耗時(shí)分別為126、130和134 ms,而所提方法的最低耗時(shí)為102 ms。因?yàn)樗岱椒ㄔ趦?yōu)化節(jié)能控制前提對采集到的火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)中輸送帶運(yùn)煤圖像展開了去噪處理,這樣不僅可以有效濾除圖像中噪聲,同時(shí)也可以有效避免優(yōu)化節(jié)能控制過程中噪聲對控制性能產(chǎn)生影響,簡化控制步驟,為火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),可以有效優(yōu)化控制流程,確保優(yōu)化節(jié)能控制耗時(shí)得到有效降低。

3 結(jié) 語

為了確?；鹆Πl(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)在應(yīng)用過程中達(dá)到節(jié)能的目的,提出一種火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制方法。利用相機(jī)采集圖像信息,根據(jù)一維小波方法去除圖像噪聲,采用Canny邊緣檢測算法搜尋深度圖像和強(qiáng)度圖像,通過PLC模糊控制器完成火力發(fā)電廠鍋爐輸煤系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,采用所提方法可以有效降低電能和電費(fèi)的消耗,同時(shí)還能夠減少煤流量,實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制。