基于局部模型網(wǎng)絡(luò)的煙氣含氧量軟測量模型的建立與應用*

丁承剛，　黃曉瑩，　王景成，　王博輝

1.上海電氣電站環(huán)保工程有限公司　上?！?01612 2.上海交通大學自動化系 系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點實驗室　上?！?00240

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基于局部模型網(wǎng)絡(luò)的煙氣含氧量軟測量模型的建立與應用*

丁承剛1，黃曉瑩2，王景成2，王博輝2

1.上海電氣電站環(huán)保工程有限公司上海201612 2.上海交通大學自動化系 系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點實驗室上海200240

煙氣含氧量作為燃煤電站重要的出口參數(shù)，反映了燃煤電站鍋爐的熱效率。針對煙氣含氧量測量儀測量不準的問題，提出了基于局部模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立煙氣含量多模型的軟測量模型。貴州某電廠的2#鍋爐真實的現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)被用于建模和驗證，MATLAB仿真結(jié)果證明，此方法能夠較精準地測量空預器出口處的煙氣含氧量。

軟測量； MATLAB； 局部模型網(wǎng)絡(luò)； 煙氣含氧量

在燃煤鍋爐中，煤粉和空氣很難混合得非常均勻，如果僅僅供給理論空氣量，則必然有部分煤粉因得不到充足的氧氣而無法完全燃燒。因此在實際工業(yè)操作中，常用的方法是通入過量的空氣(即實際供給的空氣量大于理論計算值)，以保證煤粉的完全燃燒。實際空氣量與理論空氣量的比值被稱作過量空氣因數(shù)，它對鍋爐的燃燒安全和經(jīng)濟運行有很大的影響。由熱力學理論可知，過量空氣因數(shù)與燃燒煙氣中氧的容積成分基本一一對應，為避開復雜的熱力學計算，工業(yè)中直接通過測量煙氣含氧量來表征過量空氣因數(shù)所代表的含義。煙氣含氧量過大，說明過量空氣因數(shù)偏大，過多的空氣會導致排煙損失過大；反之，煙氣含氧量過低，說明過量空氣因數(shù)偏小，給風量不足會引發(fā)不完全燃燒，降低熱效率[1]。

煙氣含氧量是鍋爐運行的一項重要參數(shù)，是現(xiàn)代燃煤電站控制的主要指標之一。煙氣含氧量的優(yōu)化控制，對整個燃煤鍋爐熱效率的提升有著重要的作用。我國火電廠的煙氣含氧量一般采用氧氣傳感器直接測量，氧氣傳感器主要有熱磁式氧氣傳感器和氧化鋯氧氣傳感器兩種[2]。熱磁式氧氣傳感器根據(jù)煙氣組分中氧氣的磁化率特別高這一物理特性來測定煙氣中的氧氣含量；氧化鋯氧氣傳感器由氧化鋯陶瓷敏感元件和護套組成，利用氧化鋯陶瓷敏感元件，測出氧濃電勢差來測定煙氣中的含氧量。

為實現(xiàn)鍋爐煙氣含氧量的監(jiān)測和控制，氧氣傳感器應具備準確、抗干擾、快速響應、耐用等基本性能。熱磁式氧氣傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡單的氧氣傳感器，雖然有著生產(chǎn)和調(diào)試方便的優(yōu)點，但是受限于反應不靈敏、測量精度過低、測量環(huán)室易堵塞和熱敏元件抗腐蝕能力極差等缺點，很少應用在火電鍋爐上。目前，在我國火力燃煤鍋爐上應用最廣泛的是氧化鋯氧氣傳感器，氧化鋯氧氣傳感器具有結(jié)構(gòu)和采樣預處理系統(tǒng)較簡單、靈敏度和分辨率高、測量范圍寬、響應較快等優(yōu)點，但它也存在投資大、壽命短、探頭螺栓會出現(xiàn)燒結(jié)、本底電勢離散性大、易出現(xiàn)裂紋或鉑電極脫落和測量誤差較大等問題[1]。由此可見，在工業(yè)現(xiàn)場氧氣傳感器測量不準確的情況下，為實現(xiàn)煙氣含氧量的優(yōu)化控制，首先需要建立煙氣含氧量的軟測量模型[3]。通過該模型，可以較為精確地解決復雜工況下實時煙氣含氧量的測量問題。

1　燃煤鍋爐特性及熱力系統(tǒng)簡介

燃燒系統(tǒng)是一個非線性、大滯后、強耦合和多變量的系統(tǒng)，為了能對燃煤鍋爐的煙氣含氧量軟測量模型進行研究，首先要了解鍋爐和燃燒熱力系統(tǒng)的工作原理，進而分析影響煙氣含氧量測量的關(guān)鍵因素。

燃煤電站的鍋爐是一個復雜的控制對象，以貴州某電站2#鍋爐為研究對象。該電站一期工程裝機容量為4臺300MW汽輪發(fā)電機組，機組年利用小時數(shù)按6000h設(shè)計。2#鍋爐如圖1所示，是哈爾濱鍋爐有限責任公司生產(chǎn)的HG-1025/17.3-WM18型鍋爐，該鍋爐為亞臨界、自然循環(huán)、中間一次再熱、雙拱單爐膛、“W”型火焰燃燒方式、尾部雙煙道、煙氣擋板調(diào)溫、平衡通風、固態(tài)排渣、露天布置和全鋼架懸吊式汽包爐。2#鍋爐配備4臺BBD-4060型雙進雙出鋼球磨煤機、2臺離心式一次風機、2臺動葉可調(diào)軸流送風機、2臺靜葉可調(diào)軸吸風機、2臺100%容量密封風機、8臺稱重式給煤機、2臺290m2雙室四電場靜電除塵器。鍋爐為“W”型火焰燃燒，在前后拱上分別布置燃燒器。

圖1　鍋爐示意圖

2#鍋爐采用雙進雙出球磨機正壓直吹燃燒系統(tǒng)，選用的燃燒器將旋風分離式(旋風子)燃燒器和直流縫隙式燃燒器兩者的特點結(jié)合起來，既利用旋風分離器來濃縮煤粉，又用直流縫隙式燃燒器將煤粉氣流噴入爐膛。煤粉空氣混合物經(jīng)過分配器后分成兩路，各進入一個旋風分離器，經(jīng)離心分離，大約有50%的空氣從煤粉氣流中分離出來，其中只有少量含有煤粉，并通過旋風分離器上部的抽氣管送至通風燃燒器(乏氣燃燒器)，進入爐膛。大部分煤粉和剩余的一次風空氣流從旋風分離器下部流出，然后垂直向下流向直流縫隙式燃燒器(主燃燒器)的噴嘴，這時進入直流縫隙式燃燒器的煤粉，其風煤比提高到0.5至0.75，一次風速可降低到10m/s左右。這樣，含有少量一次風的高濃度煤粉被以較低的速度引到一次風噴嘴(位于兩個相互平行的高速二次風噴嘴之間)，垂直向下噴射，同時兩個高速的二次風也垂直噴射，對一次風并不形成干擾。

鍋爐工況是指鍋爐工作運行狀態(tài)，可以通過相關(guān)的運行參數(shù)來表示。由于鍋爐運行是一個復雜的工業(yè)過程，所以能夠反映當前工況的運行參數(shù)很多，如負荷、蒸汽壓力和溫度、燃料量、風量和氧量等，但是無論是由于控制作用變動或者內(nèi)外擾動，都將引起鍋爐工況的變化。隨著工況的變化，各項運行參數(shù)也會發(fā)生相應變化，由于鍋爐是一個復雜對象，所以工況參數(shù)的改變對各項運行參數(shù)的影響沒有一個顯式的關(guān)系。然而，從以上分析可以得知，氧量的變化不僅受風煤比值控制，也隨著工況變動而變化。

2　數(shù)據(jù)清洗

針對煙氣含氧量進行建模時，需要通過分析數(shù)據(jù)，確定與煙氣含氧量相關(guān)的變量，并對相關(guān)參數(shù)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行預處理。

集散控制系統(tǒng)技術(shù)在國內(nèi)大型火電機組中得到廣泛應用，使獲取燃燒鍋爐運行中的海量數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實。由于電廠的測量儀表經(jīng)常工作在高溫、振動、腐蝕等惡劣環(huán)境下，容易發(fā)生故障，導致數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到很多錯誤數(shù)據(jù)；此外，測量數(shù)據(jù)還可能因受到干擾、漂移和測量環(huán)境的影響而產(chǎn)生隨機誤差，這種誤差往往很難被直觀地檢測出來[4]。因此，從現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)在應用前需要進行分析和處理。貴州某電廠采用了新華公司的Netwin數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所采用的歷史數(shù)據(jù)均從該電廠電站系統(tǒng)現(xiàn)場采集而來。根據(jù)燃燒系統(tǒng)的熱力學原理和氧量控制回路的原理可知，煙氣含氧量主要與風量和給煤量的比值相關(guān)，并且受到負荷波動的影響，而實質(zhì)上引起負荷波動的主控因素是給煤量與風量的變化。因此，確定三個參數(shù)為二次風量、給煤量和含氧量。預處理數(shù)據(jù)包括2009年4月14日—4月19日共14400組采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理的主要步驟如下。

① 數(shù)據(jù)點合并。由于同一參數(shù)有多個探測點，根據(jù)各個參數(shù)和檢測儀表的特點，分別進行求和或求均值的處理，具體工作見表1。

表1　數(shù)據(jù)點合并表

② 單位轉(zhuǎn)換。為了統(tǒng)一參數(shù)單位為國際單位，將二次風量和給煤量的單位進行簡單處理，二次風量km3/h→m3/s，給煤量t/h→kg/s。

③ 小波濾波降噪。小波濾波能夠更好地消除工業(yè)環(huán)境帶來的高頻噪聲，相對滑動平均等去噪算法，它更能夠保證原始信息不失真，筆者選用了小波濾波進行參數(shù)數(shù)據(jù)的降噪處理。利用MATLAB工具箱中的“wden”函數(shù)進行小波去噪；選用heursure閾值形式及軟閾值處理方法；選用mln，在不同的小波分解層次分別估計噪聲水平；作分解的小波信號選為sym8；分解層數(shù)設(shè)定為10，形式如下：

O2=wden(O2，‘heursure’，‘s’，‘mln’，10，‘sym8’)。

以給煤量為例： 圖2(a)為去噪前仿真曲線，毛刺較多，波動大；圖2(b)為去噪后的仿真曲線，保持了處理前的基本波形，經(jīng)小波去噪后，仿真曲線的毛刺明顯減少，波動更為平緩。由處理前后的數(shù)據(jù)對比(表2)可以看出，各項參數(shù)在小波去噪前后的均值基本相同，但是標準差明顯減小，這說明預處理去噪效果明顯，并且保證了去噪后數(shù)據(jù)不失真。本文的預處理工作使數(shù)據(jù)使用更方便，可信度更高。

圖2　給煤量預處理對比圖

處理前處理后參數(shù)名稱最大值最小值均值標準差最大值最小值均值標準差煙氣含氧量6.38%2.94%4.41%0.664%5.98%3.30%4.41%0.578%二次風量/(m3·s-1)98.22449.72286.9873.08364.72135.86287.0854.44給煤量/(kg·s-1)49.6115.7635.826.1147.3221.5935.825.67

3　基于局部模型網(wǎng)絡(luò)多模型建模

通過模糊C均值聚類的方法對調(diào)度變量分類，通過迭代計算當前輸入和調(diào)度變量對子模型的隸屬度，最后利用最小二乘法建立局部子模型。連接基函數(shù)與對應的子模型組建全局模型，用以實現(xiàn)煙氣含氧量的軟測量。

局部模型網(wǎng)絡(luò)為非線性系統(tǒng)的辨識提供了一個通用的結(jié)構(gòu)，局部模型網(wǎng)絡(luò)由不同的局部模型加權(quán)合成，每一個局部模型僅在固定的一塊空間分區(qū)有效。該方法將系統(tǒng)的輸出描述為基函數(shù)與其對應的局部模型乘積的總和，來反映系統(tǒng)輸入輸出之間的非線性關(guān)系?；窘Y(jié)構(gòu)如下[5]：

(1)

式中：y(k+1)為下一步的預測值；ρi為基函數(shù)表示局部模型權(quán)值；Mi為第i個局部模型輸出；n為局部模型的個數(shù)；Φ(k)為調(diào)度變量。

針對煙氣含氧量的實際問題，選取k-1時刻的二次風量、給煤量、負荷作為k時刻的調(diào)度變量。

4　仿真驗證

利用貴州某電廠2#鍋爐的2009年4月14日0時至2009年4月17日0時，一共三天歷史數(shù)據(jù)進行離線建模，每30s采集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)前面的數(shù)據(jù)預處理工作，得到二次風量、給煤量、含氧量三組數(shù)據(jù)，每組各8640個數(shù)據(jù)。由于鍋爐啟動和停運過程中鍋爐內(nèi)的燃燒化學反應變化復雜，此時考察煙氣含氧量也無實際意義，因此，含氧量模型建立在鍋爐穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，只考慮工況正常變動范圍。負荷是反映工況變化的一項指標，所研究的2#鍋爐負荷正常范圍為170～320MW。

由圖3可以看出，2009-04-14～2009-04-17三天高低負荷工況基本全覆蓋，煙氣含氧量的范圍為[3.540，5.981]，基本覆蓋了鍋爐正常運行范圍，因此采用這三天建立的離線模型具有一定的代表作用。

圖3　負荷示意圖

由圖4可見，煙氣含氧量的模型輸出與其實際輸出基本吻合，證明了此軟測量方法的有效性。

圖4　軟測量仿真示意圖

5　結(jié)論

針對煙氣含氧量的軟測量問題，提出了一種基于局部模型網(wǎng)絡(luò)的多模型建模方法，通過在300MW機組數(shù)據(jù)下的實時仿真，證明了這種方法可以有效地解決復雜工況下實時煙氣含氧量的測量問題。

[1] 程啟明，郭瑞青，杜許峰，等.火電廠煙氣含氧量測量的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電站系統(tǒng)工程，2008，24(6)： 1-4.

[2] 楊慶柏，厲鵬.氧氣傳感器及其在火電廠的應用[J].傳感器世界，2001，7(9)： 19-21.

[3] 章云鋒，王景成，史元浩，等.基于狀態(tài)約束的滑動時間窗軟測量模型[J].控制工程，2014，21(S1)： 115-117，120.

[4] 李輝，陳教超，司風琪，等.數(shù)據(jù)預處理技術(shù)在電廠運行優(yōu)化系統(tǒng)中的應用研究[J].華東電力，2007，35(11)： 110-113.

As an important output parameter，oxygen content in the flue gas of coal-fired power plants reflects the thermal efficiency of boilers in coal-fired power plant. Aim at the poor measurement by meter for oxygen content in flue gas it proposes a multi-model solution which was based on a local model network structure to measure the contents in fuel gas by soft measurement. Historical on-site data of #2 boiler in a power plant at Guzhou is used for modeling and verification, MATLAB simulation results show that this method can measure more accurately the oxygen content in the flue gas at the outlet of the air preheater.

Soft Measurement； MATLAB； Local Model Network； Oxygen Content in Fuel Gas

*國家自然科學基金資助項目(編號： 61533013)；

丁承剛(1965—)，男，高級工程師，主要從事燃煤電站環(huán)保工程工作，

E-mail: dingchg@shanghai-electric.com

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1674-540X(2016)01-018-04