炉膛出口烟气温度信号软测量研究

第２６卷第１１期　电力科学与工程　Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．１１　２０１０年１１月　５５　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｎｏｖ．．２０１０　炉膛出口烟气温度信号软测量研究　刘　伟　，赵　征　，张振岩　，吴占松。　（１．新疆天富热电股份有限公司，新疆石河子８３２０００；２．华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定０７１００３；　３．清华大学热能工程系，北京１０００８４）　摘要：针对炉膛出口烟气温度信号不易在线连续测量的问题，利用电站锅炉的热力计算公式构造炉膛出　３１烟气温度软测量模型。根据某电厂实际数据进行计算，并采用间接验证的手段验证了软测量的结果能　够较好地反映炉膛出１３烟温的变化，并且响应速度比机组负荷信号快。为了进一步简化计算，构造了能　够反映炉膛出口烟气携带热量变化的信号，计算分析表明：该信号响应速度快，而且更能反映烟气侧对　汽水侧高温段温度的影响情况，利于运行人员对汽温系统进行优化控制。　关键词：炉膛出口烟温；软测量；间接验证　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　号作为前馈响应要快，可以优化汽温控制，提高　０　引　言　机组运行的经济性和安全性。　炉膛出口是锅炉辐射换热和对流换热的分界　１炉膛出口烟温信号机理建模　点，其出口烟气温度对高温段蒸汽参数有直接影　响。由于炉膛出口烟气温度较高，且含有大量灰　炉膛内燃烧机理复杂，影响因素众多，建立　尘，工作环境恶劣，机组在该处一般不设置温度　全炉膛温度场难度很大。商用软件Ｆｌｕｅ，以及采　测点。在无法预知炉膛出口烟气温度变化的情况　用声学测量温度场等，需要增加测量设备、购买　下，为防止调整不及时造成蒸汽和金属壁超温，　相关软硬件　ｌ４　Ｊ。如何在现有基础上，利用现有检　许多机组长期运行在较低蒸汽参数下，或使用大　测数据，经过相对简单的计算，就能得到相对准　量减温水，使得机组经济性变差。相对汽水侧，　确的炉膛出口烟温的软测量方法值得研究。国内　烟气侧属于快变过程。若能提前预知炉膛出口烟　采用的电站锅炉的设计与校核计算，炉膛出口烟　气温度的变化，使自动控制系统或运行人员有足　气温度是非常关键的一个数据，其准确与否直接　够的时问调整燃烧运行参数，则可使蒸汽温度运　影响整个锅炉热力计算的准确性，所以长期以来　行在较高的安全工作区间。　锅炉研究人员一直致力于相关理论及试验研究工　软测量技术是利用一些较易在线测量的辅助　作，希望得到准确的炉膛出口烟温计算方法，通　变量，通过在线分析，去估计不可测或难测变量　过锅炉热力计算得到炉膛出口烟气温度就是其中　的方法¨　Ｊ。其核心内容是发现和建立辅助变量与　一种方法。　主要变量之间的模型关系。随着厂级监控信息系　１．１　电站锅炉的热力计算公式　统ＳＩＳ（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ）在火电厂　炉内传热过程是与燃料燃烧过程，空气、煤　中安装应用，运行数据的获取变得非常容易，大　粉以及燃烧产物的流动过程同时进行，情况很复　量的监测数据蕴含了丰富的信息以供分析挖掘。　杂，一般是根据有试验数据整理出的经验公式来　将采用间接测量的原理，构造一个能反映炉膛出　计算。如果应用时未超出公式的有效范围，计算　口烟气温度的信号，可以以此调整燃烧，防止结　基本上是够精确的。　焦和爆管，以此信号前馈控制汽温比采用负荷信　文献［５］给出了适用于大型电站锅炉的炉　收稿日期：２０１０—０７—１５。　作者简介：刘伟（１９６７一），男，高级工程师，Ｅ—ｍａｉｌ：Ｌｗ６７＠１６３．ｃｏｍ。　电力科学与工程　膛出口烟温计算方法，其理论公式（容量为　第１层煤粉喷嘴高度２４．１９３　ｍ；　（１６０～１　６５０）ｔ／ｈ锅炉）为：　第２层煤粉喷嘴高度２５．７７９　ｍ；　【ｔ—　（　）　。］一２７３　第３层煤粉喷嘴高度２８．３８１　ｍ；　１＝　第４层煤粉喷嘴高度３０．０５１　ｍ；　式中：０：为炉膛出口烟气温度，ｑＣ；Ｔｏ为理论燃　第５层煤粉喷嘴高度３２．６５３　ｍ；　烧温度；Ｍ为炉膛火焰中心位置系数；６／，　为炉膛　第６层煤粉喷嘴高度３４．３３３　ｍ；　黑度；　为平均热有效系数；Ｆ。为炉墙总面积；　炉膛高度ｈ　，５５．４８６　ｍ。　曰；为计算燃料消耗量；Ｑ　为单位燃料带人炉内的　用该电厂两日的数据进行仿真计算验证，取　热量。　１　ｒａｉｎ的均值进行计算。由于该电厂没有炉膛出口　各系数的计算公式可参考文献［６］，本文不　烟温测点，采用间接验证的手段对该公式的计算　详细介绍。　进行的验证。　１．２实时计算需要的输入参数　图１为由软测量计算得到的炉膛出口烟温与　根据计算公式实时计算锅炉的炉膛出口烟温，　机组负荷的对比图，其中曲线１为软测量计算的　需要以下几方面的参数。　炉膛出口烟温０　，曲线２为机组负荷～。由图１　（１）锅炉炉膛结构参数　可见，计算的炉膛出口烟温信号与机组负荷的变　炉膛容积　，ｍ　；炉膛周界面积Ｆ　，ｍ　；各　化趋势相同，但整体趋势比机组负荷变化要快，　层燃烧器高度ｈ　（从冷灰斗中心或炉底计算）；　在其局部放大图中超前量清晰可见，整体大约提　炉膛高度ｈ　（从冷灰斗中心或炉底到炉膛出口中　前１～２　ｒａｉｎ　心的高度）；水冷壁管管径ｄ，ｍｍ；水冷壁管管　距ｓ，ＩＢｍ；水冷壁管中心距炉墙的距离ｅ，ｌ／ｉａｒ。　（２）煤质情况　；Ａ　；Ｃ　；　；０　；Ｎ　；Ｓ　；Ｑ　。　（３）锅炉测点参数　燃料输入量，ｋｇ／ｓ；热空气温度，℃；冷空气　温度，ｏＣ；一次风量；二次风量；炉膛压力，　ｔ／ｍｉｎ　ＭＰａ；各层燃烧器的投运状况，及燃烧器摆角。　（４）锅炉在线性能计算模块　图１　软测量的炉膛出口烟温与机组负荷的对比图　Ｆｉｇ．１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　０ｌ　ａｎｄ　Ｎ　ｇ２；　ｇ３；　ｇ４；　ｇ５；　ｇ６。　（５）计算所需表格　烟气焓一温表。　由于炉膛出口烟温没有测点，只能间接地验　（６）各处漏风系数及过量空气系数　证其变化趋势的正确性。炉膛出口烟温发生变化，　炉膛漏风系数；制粉系统漏风系数；炉膛过　会影响以对流吸热为主的再热汽温的变化。所以　量空气系数。　将同时间段的左、右两侧再热汽温的均值７１Ｍ和再　１．３实际计算　热减温水量Ｑ　的变化与计算的炉膛出口烟气温度　某发电有限责任公司选用哈尔滨锅炉有限责　来进行比较，如图２所示。由图可见，炉膛烟温　任公司制造的ＨＧ一２０２３／１７．６一ＹＭ４型锅炉。锅　高时，再热蒸汽温度也较高，减温水用量变大；　炉为亚临界压力、一次中间再热、固态排渣、单　在中间位置（１　５００　ｒａｉｎ）时，炉膛烟温低时，再　炉膛、Ⅱ型布置、全钢构架悬吊结构、半露天布　热蒸汽温度也较低，即使减温水量减到零也无法　置、控制循环汽包炉。采用三分仓回转式空气预　将温度提高到给定值。由此可见，烟气侧的温度　热器，平衡通风，摆动式燃烧器四角切圆燃烧。　变化对过热汽温和再热汽温的影响是很大的。同　设计燃料为准格尔烟煤。６套制粉系统为正压直　时证明，软测量计算的炉膛烟温信号的变化趋势　吹式制粉系统，配置ＺＧＭ一１２３型中速磨煤机。　是正确的。　第１１期　刘伟，等炉膛出口烟气温度信号软测量研究　５７　２５　二　０　１　０００　２　０００　ｔ／ｍ１ｎ　图２软测量的炉膛出口烟温验证图　Ｆｉｇ．２　Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｏｕｔｌｅｔ　ｌｆｕｅ　ｇａｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　其存在的缺点：所需测点比较多，计算较复　杂，需煤质元素分析结果，对煤质变化较大的情　况，计算结果将受到不同程度的影响。　２新的炉膛出口热量信号构造　计算炉膛出口烟温信号的过程中，虽然对锅　炉热力计算进行了适当的简化，但其计算起来仍　然所需测点多，计算相对来说还是比较复杂，而　且对煤质的元素分析结果要求很高，还有如各级　的过量空气系数等因素无法在线测量，只能根据　设计值来设定，虽然仿真结果效果很好，但还是　在一定的假设条件下进行的计算，而且用ＤＣＳ直　接组态难度还是很大。另外，对汽水侧温度的影　响不但和烟气的温度有关，还和烟气的流量相关，　即汽水侧温度的变化实际是受烟气所携带热量的　影响，构造一个反映烟气热量变化的信号比单点　出口烟气温度信号对汽水侧温度控制更有意义。　在分析过程中，发现入炉风携带的热量与负　荷变化有很大的相关性。且热量是通过烟道尾部　空预器与烟气进行热交换得到的，可以利用尾部　烟气热量的变化反映炉膛出口的热量变化趋势。　２．１原理　三分仓回转式空气预热器左右两半部分分别　为烟气和空气通道。空气侧又分为一次风通道和　二次风通道，当烟气流经转子时，烟气将热量释　放给蓄热元件，烟气温度降低；当蓄热元件旋转　到空气侧时，又将热量释放给空气，空气温度升　高。如此周而复始的循环，实现烟气和空气的热　交换。　同样是焓和温度的变化，在烟气侧进行得较　快，而在汽水侧进行的很慢。对于现代锅炉来说，　从燃料量扰动开始，经过５～１０　ｓ后，锅炉各区受　热面接触到的差不多已全部是扰动后所产生的新　烟气了。由于三分仓式回转式空气预热器的换热　方式，使得一、二次风吸收的热量与烟气侧的热　量变化速度相近，炉膛尾部的烟气热量变化同样　能反映炉膛出口烟气热量的变化。所以用空预器　风量的吸热量来反映炉膛出口烟气热量的变化　情况。　Ｑｋ＝∑Ｑ　（，　一Ｉｌｋ）＋Ｑｚ（，２一Ｉ２ｋ）　式中：Ｑ　各台磨入口一次风量；ｌｌｉ各台磨入口一　次风焓值；Ｑ　二次风量；，２二次风焓值；Ｉｌｋ空预　器入口一次风温；，２　空预器人口二次风温。　２．２仿真验证　图３是利用某日００：００～０２：０Ｏ，１　Ｓ一个　采样点的数据进行计算的结果。　图３炉膛出口热景信号　Ｆｉｇ．３　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｒｅｌｅａｓｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｏｕｔｌｅｔ　曲线１为风量携带的热量Ｑ　，曲线２为负荷　Ⅳ。可以看出曲线１有明显的超前性，大约　有１００　ｓ。　３　结论　采用间接测量的原理，构造出一个能反映炉　膛出口烟气热量变化的信号，计算结果表明该信　号可以很好的反映炉膛出口烟气热量的变化。利　用此信号可以预知烟气携带热量的变化，运行人　员提前干预燃烧控制，如燃烧器摆角的角度来调　５８　电力科学与工程　２０１０年　整火焰的中心位置等，使过热器及再热器的温度　Ｇａｏ　Ｚｈｅｎｇｙａｎｇ，Ｃｕｉ　Ｗｅｉｃｈｕｎ，Ｙａｎｇ　Ｙｉｌｉ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　控制在合理的范围内，防止超温以减少再热器减　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｎｍｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｆｌａｍｅ　ｃｅｎｔｅｒ　温水的喷入量，达到优化汽温控制系统，提高机　ｈｅｉｇｈｔ　ｕｐｏｎ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｗ—ｓｈａｐｅｄ　ｆｌａｍｅ　ｂｏｉｌｅｒ［Ｊ］．　组运行的经济性和安全性的目的。　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，２００９，３８（１１）：２３—２７．　［４］沈国清，安连锁，张波，等．基于少量声学数据的炉　膛温度场重建［Ｊ］．动力工程，２００７，２７（５）：　参考文献：　７０２－７０６．　Ｓｈｅｎ　Ｇｕｏｑｉｎｇ，Ａｎ　Ｌｉａｎｓｕｏ，Ｚｈａｎｇ　ｂｏ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅｃｏｎ—　［１］李海青，黄志尧．软测量技术原理及应用［Ｍ］．北　ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　京：化学工业出版社，２０００．　ｆｅｗ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｄａｔａ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，２７　［２］赵征，曾德良，田亮，等．基于数据融合的氧量软测　（５）：７０２—７０６．　量研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（７）：　［５］邓广发．炉膛出口烟温计算方法的对比研究［Ｊ］．热　７—１２．　力发电，２００４，３３（４）：１７—１９．　Ｚｈａｏ　Ｚｈｅｎｇ，Ｚｅｎｇ　Ｄｅｌｉａｎｇ，Ｔｉａｎ　Ｌｉａｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｄｅｎｇ　Ｇｕａｎｇｆａ．Ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｏｎ　ｓｏｆｔ．ｓｅｎｓｉｎｇ　ｏｆ　ｏｘｙｇｅｎ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄａｔａ　ｆｕｓｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｏｕｔｌｅｔ　ｌｆｕｅ　ｇａｓ　ｆｒｏｍ　ｂｏｉｌｅｒｓ［Ｊ］．Ｔｈｅｒｍａｌ　［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＥＥ，２００５，２５（７）：７　１２．　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，２００４，３３（４）：１７—１９．　［３］高正阳，崔伟春，杨毅栎，等．火焰中心高度对ｗ　［６］冯俊凯，沈幼庭．锅炉原理及计算［Ｍ］．北京：科　型火焰锅炉燃烧影响的数值模拟研究［Ｊ］．热力发　学技术出版社，２００３．　电，２００９，３８（１１）：２３—２７．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓｏｆｔ－－ｓｅｎｓｉｎｇ　ｏｆ　Ｂｏｉｌｅｒ　Ｏｕｔｌｅｔ　Ｆｌｕｅ　Ｇａｓ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｌｉｕ　Ｗｅｉ　，Ｚｈａｏ　Ｚｈｅｎｇ　一，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｅｎｙａｎ　，Ｗｕ　Ｚｈａｎｓｏｎｇ。　（１．Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｔｉａｎｆｕ　Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｈｅｚｉ　８３２０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１００３，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００８４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｉｎｓｔ　ｔｈｅ　ｑｕｅｓｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｏｒ　ｂｏｉｌｅｒ　ｏｕｔｌｅｔ　ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｅａｓｉｌｙ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｃｏｎ—　ｔｉｎｕｏｕｓｌｙ，ｓｏｆｔ—ｓｅｎｓｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｏｕｔｌｅｔ　ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ｃａｌ—　ｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｓｔａｔｉｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ａｃｔｕａｌ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｃａｎ　ｂｅｔｔｅｒ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｏｕｔｌｅｔ　ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅ—　ｓｐｏｎｓｅ　ｓｐｅｅｄ　ｉｓ　ｆａｓｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｕｎｉｔ　ｌｏａｄ．Ａ　ｎｅｗ　ｈｅａｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｓｉｍｐｌｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅ—　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｏｉｌｅｒ　ｏｕｔｌｅｔ　ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｂｅｔｔｅｒ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｅａｍ　ｔｅｍｐｅｒａ—　ｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｏｉｌｅｒ　ｏｕｔｌｅｔ　ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｓｏｆｔ—ｓｅｎｓｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ；ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ