基于鍋爐火檢信號濾波的燃燒特征提取方法研究

蘇 杰, 崔永樂, 田 亮, 劉鑫屏, 劉 潔

(華北電力大學控制科學與工程學院,保定071003)

近年來,隨著電站燃煤機組容量的不斷增大,為滿足調峰的需要,負荷變化也更加頻繁.煤粉鍋爐在運行時,煤質變化、爐膛受熱面結渣和制粉系統故障等均會影響鍋爐燃燒的穩定性,引起熄火,甚至導致爐膛爆炸等危險.另外,在“廠網分離,競價上網”的運行機制下,也需要不斷提高電站鍋爐燃燒效率,以實現節能降耗減排.這些要求使鍋爐低負荷燃燒穩定性判斷、燃燒故障診斷以及燃燒控制優化均成為研究的熱點.

目前,鍋爐燃燒狀態的工程研究方法大致分為5類：①聲學法電站鍋爐溫度場檢測技術,它是利用聲波與CT(computered tom ography)技術相結合實現爐膛“典型層面”溫度場的非接觸、可視化測量[1];②微壓探測,它在燃燒振動的基礎上,通過檢測燃燒中產生的微壓波動對燃燒狀態進行判斷[2];③火焰圖像識別系統研究,它利用CCD攝像機獲取爐膛火焰圖像,然后用計算機圖像處理技術、光學層析技術等手段判斷火焰的燃燒狀態和溫度場分布[3-4];④利用爐膛內輻射能,它采用彩色數字CCD攝像技術和圖像分析算法來獲取輻射能信號,以此判斷爐內燃燒組織情況,優化鍋爐燃燒[5-6];⑤利用光譜分析、頻譜分析與小波變換方法對煤粉火焰進行研究,并結合神經網絡等智能算法對煤粉火焰的燃燒狀況進行診斷.

火焰檢測器是爐膛安全監控系統(FSSS)的重要裝置,能直接反映鍋爐燃燒狀態的特征,但其只能對火焰的有/無進行判斷.筆者通過對1臺600MW機組火檢信號進行濾波分析后發現：除在判斷火焰有/無之外,火檢信號在一定程度上還能反映鍋爐燃燒狀態的變化.

1 濾波方法

1.1 對象的特性描述

電廠監控信息系統SIS(supervisory information system of p lant)歷史數據庫中記錄了機組的運行數據;而火檢信號提供了火焰強度大小及波動劇烈程度的信息.火焰強度伴隨著燃料量的變化而變化.由于爐膛火檢用于火焰有/無的判斷,一般需通過調整使其具有二值化的特點.

在信號處理方面,濾波器在消除噪聲、抑制干擾以及提取原信號特征等方面的方法已成熟,且便于在DCS中組態和工程中實現.通過對模擬濾波器的對比,發現巴特沃思(Butterw orth)濾波器具有在通頻帶內的頻率響應曲線特別平坦、不起伏,而在阻頻帶則呈逐漸下降為零的特點.巴特沃思模擬濾波器的概念清晰,適合對信號進行低頻、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,對火檢信號進行分析.

濾波器的種類很多,且不同濾波器之間具有各自的特點,其他類型的濾波器在火檢信號分析中也可用,這是對火檢信號進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表達式為：

式中：Ω為角頻率;C為待定系數;N為待定的濾波器階次.

衰減函數為：

1.3 巴特沃思模擬低通濾波器的設計

1.3.1 歸一化處理

將實際頻率 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.

引入歸一化的復數變量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指標;其中αp為通帶允許的最大衰減,dB;αs為阻帶應達到的最小衰減,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,歸一化的轉移函數G(p)的極點是成對共軛出現的,即 pk,pN+1-k,且1≤k≤N/2.這對共軛極點構成1個二階系統Gk(p)：

總的轉移函數是N/2個這樣二階系統的級聯：

若 N為奇數,它將由 1個一階系統和(N-1)/2個二階系統相級聯：

在求得G(p)后,用s/Ωp代替變量p,即得實際需要的G(s).

帶通和高通巴特沃思濾波器的設計方法為：首先由頻率轉換關系將其技術指標轉化為低通模擬濾波器的技術指標,進而設計出模擬低通濾波器的轉移函數,最后代入相應的代換關系式,得到帶通和高通濾波器的轉移函數.由于篇幅限制,詳細的濾波器設計方法見參考文獻[7],這里不再贅述.

在濾波器的設計過程中,頻率和階次的選擇是關鍵.從SIS中獲得的火檢數據采樣時間為1 s,火檢信號的頻譜圖示于圖1.通過對火檢信號的頻譜分析和對濾波結果的觀察發現：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,并以此分別設計低通、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.對于高于二階的濾波器,其濾波結果差別不大.

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

1.4 研究過程

研究對象為大唐盤山電廠某600 MW單元機組,鍋爐為四角切圓燃燒方式,火焰檢測器包括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歷史數據庫中找出1組機組的實際運行數據,其包含了機組參與一次調頻、高負荷、低負荷和升降負荷4種不同工況,以便于進行燃燒擾動分析.需要說明的是,文中所提到的火檢強度數據是經過標幺化處理的,因而是無量綱.選用M atlab作為信號分析的平臺,分別設計低通、帶通和高通的不同頻率段的巴特沃思濾波器,并分析信號不同頻段的特性.筆者分別進行了同層火檢、鄰層火檢、火檢信號與本層燃料量信號以及火檢信號與總燃料量的相關性分析.

2 數據分析

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的火焰強度也隨之變化,尤其在磨煤機停止和起動時,燃料量信號突然下降為零及突然上升,火焰強度信號表現為急劇的衰減和上升;另外,在燃料量信號產生波動時,火檢信號也產生了相似的變化趨勢.在機組參與一次調頻的時間段內,煤火檢A 3的火焰強度信號與A層燃料量信號的變化趨勢相似.在后面的時間段內,由于火檢具有限幅特性,煤火檢強度信號趨平,且隨燃料量信號變化的趨勢不再明顯.在燃料量信號為零的情況下,火焰強度并不為零,火檢信號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

通過低通濾波分析發現：一方面,單火檢火焰強度信號可以對火焰的有/無進行判斷;另一方面,其低頻段受到本層燃料量的影響,火檢強度信號與本層燃料量的變化趨勢大致相似,但由于受到現場安裝的影響及其他火檢的干擾,其靜態精確度不高.

2.2 帶通特性分析

2.2.1 一次調頻工況

一次調頻工況下A層燃料量與煤火檢A 3火檢強度帶通濾波示于圖3.

從圖3可知：在機組參與一次調頻的工況下,A層燃料量與煤火檢A 3火檢強度信號在中頻段內具有較好的相關性.

2.2.2 升降負荷工況

圖4為升降負荷下E層燃料量與煤火檢E1火檢強度帶通濾波.從圖4可知：在機組升降負荷的工況下,E層燃料量與煤火檢E1火檢強度信號在中頻段內具有較好的相關性.

2.2.3 高負荷工況

高負荷下E層燃料量與煤火檢E1火檢強度帶通濾波示于圖5.從圖5可知：在機組高負荷工況下,E層燃料量與煤火檢E1火焰強度信號在中頻段內具有較好的相關性.

2.2.4 低負荷工況

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

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

低負荷工況下E層燃料量與煤火檢E1火檢強度帶通濾波示于圖6.從圖6可知：在機組低負荷工況下,E層燃料量與煤火檢E 1火檢強度信號在中頻段內具有較好的相關性.

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

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

2.2.5 火檢信號的加權求和

對包括24支煤火檢和16支油火檢的火檢強度信號火焰檢測器進行了加權求和,并取平均值得到了火檢平均強度信號,結果分別示于圖7和圖8.由圖7和圖8可知：在機組低負荷、升降負荷、高負荷及參與電網一次調頻的工況下,總燃料量與火檢平均強度信號在中頻段內具有明顯的相關性.

圖7 高低負荷與升降負荷下總燃料量與火檢平均強度帶通濾波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 一次調頻工況下總燃料量與火檢平均強度帶通濾波Fig.8 Band-pass filtering of total fuel amount and flame detector average intensity under p rim ary frequency modulation conditions

3 結 論

(1)單火檢的火焰強度信號的低頻段受到本層燃料量的影響,其變化趨勢與本層燃料量的變化趨勢大體一致,但由于受到現場安裝情況的影響,其靜態精確度不高.

(2)通過對機組在不同工況下的帶通特性分析,發現單火檢火焰強度與本層燃燒器燃料量信號中頻帶存在明顯的相關性,火檢平均強度信號與總燃料量信號中頻帶存在非常明顯的相關性.

(3)以上研究結果可用于信號重構.火檢信號的中頻段反映了燃料量信號中頻段的動態變化;在燃燒穩定性方面,火檢信號反映了燃料信號的擾動,為尋找燃燒擾動信號和實現前饋控制提供新的思路.另外,文中對火檢信號的分析,從另一個角度驗證了華中科技大學利用CCD攝像機獲取火焰圖像并從中提取輻射能信號以反映入爐燃料量和機組工況變化方案的可行性,得到輻射能信號的動態特性好而靜態精度較低的結論.

[1] 安連鎖,宋志強,姜根山,等.考慮聲波折射的聲學鍋爐溫度場測量技術的研究[J].動力工程,2005,25(3)：378-381.

[2] 高翔,駱仲泱,陳亞非,等.應用微壓探測診斷燃燒狀況的試驗研究[J].動力工程,1998,18(4)：27-31.

[3] 王飛,馬增益,衛成業,等.根據火焰圖像測量煤粉爐截面溫度場的研究[J].中國電機工程學報,2000,20(7)：40-43.

[4] 甄成剛,韓璞,牛玉廣.爐膛火焰圖像處理技術及溫度場重構[J].動力工程,2003,23(4)：2548-2551.

[5] 周懷春,韓才元.電站燃煤鍋爐燃燒計算機控制問題探討[J].熱能動力工程,1994,9(2)：111-116.

[6] 羅自學,楊超,周懷春.爐膛輻射能信號的提取原理及其應用研究[J].動力工程,2005,25(3)：374-377.

[7] 胡廣書.數字信號處理——理論、算法與實現[M].北京：清華大學出版社,1997.