350 MW超臨界機(jī)組磨煤機(jī)堵煤智能預(yù)警模型研究與應(yīng)用

郭云飛,羅俊然,王 林,李 昭,孫龍飛,趙如宇,藺奕存,譚祥帥,冷 靜,桑秀軍

(1.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054;2.華能桂林燃?xì)夥植际侥茉从邢挢?zé)任公司,廣西 桂林 541199;3.華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司,河南 濟(jì)源 459012)

由于新能源發(fā)電存在不穩(wěn)定、不連續(xù)、不可控性[1-3],而大規(guī)模的電力儲(chǔ)能技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)真正的工業(yè)化與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[4-5],因此,當(dāng)前階段火力發(fā)電在我國電力供應(yīng)體系中仍然占有重要地位。利用人工智能技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)環(huán)保指標(biāo),提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性,增強(qiáng)能源電力保供能力,依然是當(dāng)前電力領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6-8]。

某電廠新建燃煤機(jī)組,在基建調(diào)試期間因運(yùn)行監(jiān)視不到位,磨煤機(jī)發(fā)生了嚴(yán)重堵煤,后續(xù)疏通過程操作過快,導(dǎo)致爐內(nèi)燃燒短時(shí)間內(nèi)大幅增強(qiáng),最終觸發(fā)鍋爐“折焰角集箱溫度高高”保護(hù),機(jī)組跳閘。針對(duì)上述故障,結(jié)合大數(shù)據(jù)建模與深度學(xué)習(xí)技術(shù),構(gòu)建了磨煤機(jī)堵煤智能預(yù)警模型,對(duì)設(shè)備異常狀態(tài)進(jìn)行提前報(bào)警。應(yīng)用上述模型后,機(jī)組磨煤機(jī)再未出現(xiàn)嚴(yán)重堵煤故障,該模型大大提高了操作員的監(jiān)盤效率,提升了鍋爐制粉設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 鍋爐簡(jiǎn)介

某電廠建設(shè)有兩臺(tái)350 MW超臨界參數(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組,選用了哈爾濱鍋爐廠有限公司生產(chǎn)制造的HG-1145/25.8-YM3型直流鍋爐,主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐采用四角切圓方式組織燃燒,角式煤粉燃燒器分層布置。編號(hào)為A、B、C、D、E的磨煤機(jī),自下往上分別對(duì)應(yīng)鍋爐的A層、B層、C層、D層、E層燃燒器,其中A、B磨煤機(jī)配備有等離子點(diǎn)火裝置。

1.2 磨煤機(jī)簡(jiǎn)介

機(jī)組選用了冷一次風(fēng)正壓直吹式中速磨制粉系統(tǒng),每臺(tái)爐配5臺(tái)中速磨煤機(jī),運(yùn)行方式采用4運(yùn)1備。磨煤機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 磨煤機(jī)性能參數(shù)

2 堵煤過程與分析

2.1 事故過程

機(jī)組在AGC功能投入情況下,負(fù)荷320 MW,磨煤機(jī)B、C、D、E運(yùn)行,按網(wǎng)調(diào)指令逐步升負(fù)荷至350 MW。因入爐煤質(zhì)與實(shí)際煤質(zhì)偏差較大,升負(fù)荷過程中機(jī)組總煤量增加至160.6 t/h,各臺(tái)磨煤機(jī)出力均超過設(shè)計(jì)值,達(dá)到銘牌最大出力。

機(jī)組負(fù)荷升至345 MW,E磨煤機(jī)進(jìn)出口差壓由升負(fù)荷前的6.1 kPa逐步增大至8.3 kPa,電機(jī)電流由39.5 A升高至55.2 A,綜合磨煤機(jī)各運(yùn)行參數(shù),判斷E磨煤機(jī)已出現(xiàn)嚴(yán)重堵磨。

機(jī)組負(fù)荷維持340 MW不變,操作員對(duì)E磨煤機(jī)開始進(jìn)行手動(dòng)疏通,將給煤量由41.2 t/h快速降低至35.5 t/h,并隨后進(jìn)一步降低至23.3 t/h。大幅減少給煤量后,疏通效果明顯,E磨煤機(jī)出口一次風(fēng)速逐漸上漲。

機(jī)組此時(shí)仍然處于協(xié)調(diào)控制模式,E磨煤機(jī)疏通后,爐膛燃燒短時(shí)間內(nèi)大幅增強(qiáng),主蒸汽壓力明顯升高,機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)主蒸汽壓的變化自動(dòng)減少了鍋爐給水流量,導(dǎo)致鍋爐水煤比失調(diào)愈加嚴(yán)重。

折焰角集箱溫度快速升高至470 ℃, DCS畫面發(fā)“溫度高”重報(bào)警。十幾秒鐘后,折焰角出口集箱A側(cè)3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),有兩個(gè)475.1 ℃、475.3 ℃,滿足“折焰角集箱溫度高高”MFT保護(hù)動(dòng)作條件,鍋爐跳閘,機(jī)組解列。

2.2 原因分析

本次跳機(jī)事故最直接的原因在于運(yùn)行人員未能及早發(fā)現(xiàn)堵煤跡象,并及時(shí)采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)整措施,最終導(dǎo)致了E制粉系統(tǒng)運(yùn)行惡化,出現(xiàn)嚴(yán)重堵煤。

運(yùn)行人員根據(jù)堵煤嚴(yán)重程度,采用了快速的疏通措施:短時(shí)間內(nèi)將E磨給煤量大幅減少了約20 t/h,磨煤機(jī)本體內(nèi)長時(shí)間積存的大量煤粉,被快速地吹入爐膛,顯著增強(qiáng)了爐內(nèi)燃燒,使得鍋爐主汽壓和主汽溫升高。機(jī)組在協(xié)調(diào)控制模式下,根據(jù)主汽壓變化自動(dòng)減少了給水流量,這使得現(xiàn)時(shí)的水量與爐內(nèi)熱負(fù)荷嚴(yán)重不匹配,最終觸發(fā)了“折焰角集箱溫度高高”保護(hù),機(jī)組跳閘。

3 BPNN模型建立

磨煤機(jī)是否堵磨需要結(jié)合磨煤機(jī)電流、進(jìn)出口差壓、出口風(fēng)速等多個(gè)參數(shù)綜合判斷[9-11],對(duì)運(yùn)行人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)要求較高。為減輕操作人員工作壓力,避免堵磨跳機(jī)事故,利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)結(jié)合人工智能算法,建立磨煤機(jī)堵磨智能預(yù)警模型,有效提高了磨煤機(jī)異常工況的監(jiān)控可靠性。

3.1 數(shù)據(jù)特征工程

提取電廠2019年7月1日至和2020年12月31日的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理:首先分類測(cè)點(diǎn)“B給煤機(jī)給煤率實(shí)測(cè)值”小于30的數(shù)據(jù),對(duì)測(cè)點(diǎn)“B給煤機(jī)給煤率實(shí)測(cè)值”小于30,同時(shí)下一秒又大于32的數(shù)據(jù)以及后面的30 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理,刪除測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)集中的冗余項(xiàng)和空值數(shù)據(jù),刪除“B磨煤機(jī)分離器出口壓力”小于0.001的時(shí)刻數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后總數(shù)據(jù)量為746萬條,每條數(shù)據(jù)包含5個(gè)特征項(xiàng),分別為給煤機(jī)給煤率實(shí)測(cè)值、磨煤機(jī)分離器出口壓力、磨煤機(jī)分離器進(jìn)口壓力、磨一次風(fēng)流量、磨煤機(jī)電流。

3.2 BPNN模型設(shè)計(jì)

如圖1所示,本模型采用四層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)堵煤進(jìn)行訓(xùn)練,其中,輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3,經(jīng)過交叉驗(yàn)證及考慮計(jì)算效率第一層隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)定為30,第二層隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為4,經(jīng)過動(dòng)態(tài)神經(jīng)元激活層后輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1。結(jié)合機(jī)理分析,本模型采用的建模參數(shù)如表3所示。

圖1 模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表3 磨煤機(jī)運(yùn)行特性建模參數(shù)說明

將樣本數(shù)據(jù)集通過輸入層進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)模型中,在隱含層中通過加權(quán)求和后的結(jié)果為

(1)

式中:WSuj為第一層第j個(gè)隱含層神經(jīng)元的加權(quán)求和值;xj為大數(shù)據(jù)集輸入項(xiàng);wmj為第一層第j個(gè)隱含層神經(jīng)元不同輸入項(xiàng)的權(quán)重;cj為第j個(gè)隱含層神經(jīng)元的偏置,通過激活函數(shù)后的輸出值作為輸出層的輸入值,隱含層的輸出結(jié)果為

(2)

第一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸出作為第二層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入,其加權(quán)求和后的結(jié)果為

(3)

式中:WSvj為第二隱含層第i個(gè)神經(jīng)元的加權(quán)求和值;ui為第一隱含層輸出項(xiàng);wki為第二隱含層第i個(gè)神經(jīng)元不同輸入項(xiàng)的權(quán)重;ai為第二隱含層第i個(gè)神經(jīng)元的偏置,通過激活函數(shù)后的輸出值作為輸出層的輸入值,隱含層的輸出結(jié)果為

(4)

經(jīng)過動(dòng)態(tài)神經(jīng)元激活層后在輸出層中通過加權(quán)求和后的結(jié)果為

(5)

式中:WSy為輸出層神經(jīng)元的加權(quán)求和值;vl為隱含層的輸出項(xiàng);wl為輸出層神經(jīng)元不同輸入項(xiàng)的權(quán)重;bo為輸出層神經(jīng)元的偏置,通過激活函數(shù)后的輸出值作為輸出層的輸出結(jié)果為

(6)

對(duì)訓(xùn)練集產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)集y及期望數(shù)據(jù)集yr通過均方誤差公式:

(7)

若誤差結(jié)果E不滿足模型精度要求,則對(duì)誤差反向進(jìn)行傳播,更新輸出層及隱含層的權(quán)重與偏置,通過不斷的迭代訓(xùn)練,直至誤差滿足模型精度要求。

3.3 模型訓(xùn)練結(jié)果分析

以表3中的測(cè)點(diǎn)樣本,選取某電廠大數(shù)據(jù)平臺(tái)歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)集作為輸入,磨煤機(jī)進(jìn)出口差壓作為期望值輸出。以2019—2020年80%的數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練集,剩余20%的數(shù)據(jù)集作為測(cè)試集,2021年的數(shù)據(jù)集作為驗(yàn)證集,基于BPNN模型,采用ADAM優(yōu)化算法,學(xué)習(xí)率為0.001,經(jīng)EPOCH=30 000次訓(xùn)練得到最終模型,對(duì)給煤機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行分析,結(jié)果如表4及圖2所示。

圖2 模型訓(xùn)練過程誤差圖

表4 給煤機(jī)運(yùn)行特性模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)值

由圖2可知對(duì)于ADAM-BPNN模型在迭代過程中能夠快速收斂。均方誤差在迭代的前期能快速下降,使得粒子能夠快速拉近與最低點(diǎn)之間的距離,同時(shí)避免陷入局部最優(yōu)解,在后期維持穩(wěn)定從而得到最優(yōu)解,準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上,由此可知模型預(yù)測(cè)能力較好。

利用新數(shù)據(jù)測(cè)試模型,提取2021年1月1日至2022年7月15日數(shù)據(jù),按照與建模過程同樣的數(shù)據(jù)特征工程方式,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后總數(shù)據(jù)量變?yōu)?37萬條。將模型載入,將新數(shù)據(jù)經(jīng)過與訓(xùn)練模型相同歸一化方式后輸入到模型中,選取數(shù)據(jù)集中2021年1月1日數(shù)據(jù),對(duì)各模型進(jìn)行預(yù)測(cè)并繪圖,無異常數(shù)據(jù),模型預(yù)測(cè)值及實(shí)際值曲線如圖3所示。

圖3 磨煤機(jī)堵煤模型預(yù)測(cè)值及實(shí)際值曲線圖

4 結(jié) 語

火電機(jī)組作為電力保供的主體,其運(yùn)行的安全穩(wěn)定對(duì)于居民的生產(chǎn)生活十分重要。本文對(duì)某電廠350 MW超臨界燃煤機(jī)組磨煤機(jī)堵煤引發(fā)跳機(jī)的過程進(jìn)行了分析,認(rèn)為制粉系統(tǒng)異常運(yùn)行工況未做到“早發(fā)現(xiàn)、早處理”是事故的根本原因。由此提出了基于大數(shù)據(jù)與人工智能算法的“磨煤機(jī)堵煤智能預(yù)警模型”,該模型基于BPNN-ADAM方法,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備異常狀態(tài)的早期預(yù)警,經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證,模型準(zhǔn)確率能夠滿足電廠運(yùn)行需求,在實(shí)際生產(chǎn)中效果良好,相關(guān)建模調(diào)試經(jīng)驗(yàn)可供后續(xù)同類機(jī)組參考。