基于小波分析的爐膛壓力異常分析與處理

李恩長，何郁晟，韓 峰，劉成柱

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121；3.浙江浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316131）

0 引言

某1030MW 電廠在AGC 工況時(shí)爐膛壓力波動(dòng)較大。鍋爐爐膛壓力表征入爐燃料量、總風(fēng)量與鍋爐出口高溫?zé)煔饬康墓べ|(zhì)平衡關(guān)系，是判斷鍋爐燃燒穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。當(dāng)爐膛壓力波動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，將危及機(jī)組的運(yùn)行。為了適應(yīng)電網(wǎng)AGC 指令的變化，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，亟需解決爐膛負(fù)壓波動(dòng)大的問題。

爐膛壓力是多種因素共同作用的結(jié)果，同時(shí)其動(dòng)態(tài)特性變化快，靈敏度高，且易受干擾，這造成爐膛壓力呈現(xiàn)較強(qiáng)波動(dòng)性[1]。

在爐膛壓力的研究上，郝祖龍[2]利用小波變換的多分辨率特性，提出了一種適用于熱工信號的多尺度相關(guān)分析方法，發(fā)現(xiàn)信號的低頻成分能較好地反映信號的整體趨勢，高頻成分則反映了信號的局部波動(dòng)信息，利用信號在特征頻段上的相關(guān)性，更好地分析復(fù)雜熱力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

田亮[3]借鑒小波變換多尺度分析的思想，提出一種首先通過多尺度濾波器將信號分解為不同頻率范圍的分量，然后再進(jìn)行各分量間線性相關(guān)分析的方法。通過分析與爐膛壓力相關(guān)的信號，發(fā)現(xiàn)爐膛壓力與燃料量、送風(fēng)量、引風(fēng)量之間存在著特定的相互作用關(guān)系。

本文利用小波分析方法分解爐膛壓力相關(guān)信號的總風(fēng)量、總煤量、總一次風(fēng)流量并進(jìn)行等尺度分析，同時(shí)以連續(xù)小波時(shí)頻圖的可視化分析，確定主要影響因素后進(jìn)行后續(xù)進(jìn)一步地調(diào)整，進(jìn)而改善爐膛壓力調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1 小波理論

小波變換利用一組稱為基函數(shù)或母小波的有限長度波形對函數(shù)進(jìn)行分解。母小波可以通過縮放和平移得到一組子小波。

通過對信號用不同尺度的子小波進(jìn)行求積運(yùn)算，可以獲得信號在時(shí)域和頻域上的多分辨率分析結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)信號的時(shí)頻分析。

小波分析有較好的時(shí)頻局部化能力、多分辨率分析能力，使其成為信號處理、故障檢測的重要工具[4]。

1.1 離散小波分析

離散小波變換是一種離散化的小波分解方法，通過一系列的低通濾波和高通濾波操作來實(shí)現(xiàn)。它將信號分解成不同尺度的近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)，可以通過迭代分解和重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多尺度分析。

本文采用db4 小波進(jìn)行5 層分解。

1.2 相關(guān)性分析

相關(guān)技術(shù)是一種常用的信號處理方法，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，通常用來定量描述信號波形之間的相似程度。

對于兩組有限零均值的離散信號x(k)、y(k)，長度為N，ρxy為其歸一化的相關(guān)系數(shù)，則有[5]

區(qū)別于陳剛[6]分別計(jì)算各臺(tái)磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量信號與爐膛壓力的等尺度信號相關(guān)系數(shù)，本文將各磨入口一次風(fēng)量求相加后，計(jì)算總一次風(fēng)量信號與爐膛壓力的等尺度信號相關(guān)系數(shù)，并通過連續(xù)小波變換的時(shí)頻圖加以可視化分析。

1.3 連續(xù)小波分析

連續(xù)小波變換將小波函數(shù)與信號進(jìn)行卷積，得到一系列連續(xù)尺度和頻率的小波系數(shù)。這種變換提供了信號在時(shí)頻域上的全局信息，但計(jì)算量較大。本文利用Matlab 的連續(xù)小波分析工具，基于Morse 分析小波來繪制連續(xù)小波時(shí)頻圖。

2 工程應(yīng)用

2.1 設(shè)備情況

該公司2×1030MW 超超臨界燃煤機(jī)組，鍋爐為北京B&W 公司制造的超超臨界參數(shù)、螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的Π 型鍋爐，型號為B&WB-3048/26.15/605-M，每臺(tái)爐配置6 臺(tái)HP1163-Dyn 型中速磨煤機(jī)，采用前后墻對沖燃燒方式。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文將機(jī)組的爐膛壓力、總風(fēng)量、給煤量、各磨煤機(jī)一次風(fēng)量導(dǎo)入Matlab，并計(jì)算各磨一次風(fēng)流量相加得到總一次風(fēng)流量，利用小波分析工具進(jìn)行具體分析。

2.3 小波分析

2.3.1 離散小波分析

以1s 為采樣周期，取1200 組數(shù)據(jù)，對爐膛壓力、總煤量、總風(fēng)量、一次風(fēng)流量等進(jìn)行db4 小波5 層分解，將原始信號分解為不同頻率尺度下的波形。圖1 為爐膛壓力分解示意圖。其中，ai 為低頻分量，di 為高頻分量。

圖1 爐膛壓力小波分解示意圖Fig.1 Schematic diagram of furnace pressure wavelet decomposition

由于高頻分量主要來自于噪聲，對信號相關(guān)性分析影響不大，因此忽略高頻分量d1，將爐膛壓力與其他參數(shù)的小波分解分量做等尺度信號相關(guān)系數(shù)。

表1 中，d2 ～d5 為高頻分量，a5 為低頻分量，s 為原始信號。從表1 中可見一次風(fēng)流量的d5 高頻分量與爐膛壓力的d5 高頻分量相關(guān)性最大，總煤量的a5 低頻分量與爐膛壓力的a5 分量相關(guān)性次之。

表1 爐膛壓力與各相關(guān)參數(shù)的等尺度相關(guān)系數(shù)Table 1 Lsoscale correlation coefficients between furnace pressure and various related parameters

2.3.2 時(shí)頻圖可視化分析

根據(jù)離散小波的相關(guān)性分析，爐膛負(fù)壓的波動(dòng)與一次風(fēng)系統(tǒng)的擾動(dòng)、煤量的擾動(dòng)相關(guān)性較大。以1s 為采樣周期，取10000 組數(shù)據(jù)，將爐膛壓力、一次風(fēng)流量、總煤量數(shù)據(jù)，繪制分析小波為Morse 的CWT（連續(xù)小波變換）時(shí)頻圖，如圖2（a）所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為頻率，顏色表征強(qiáng)度。從圖中可以明顯地看到，爐膛負(fù)壓的頻率分布基本是一次風(fēng)流量和總煤量頻率分布的疊加，這也佐證了通過等尺度相關(guān)性分析得出的結(jié)果。

圖2 某電廠爐膛壓力與相關(guān)測點(diǎn)的CWT時(shí)頻圖Fig.2 CWT Time-frequency diagram of furnace pressure and related measurement points in a certain power plant

2.4 問題處理

2.4.1 一次風(fēng)流量周期波動(dòng)的問題

在圖2 的時(shí)頻圖中，一次風(fēng)流量有非常明顯的固定周期的波動(dòng)，周期約為1min，與空預(yù)器的轉(zhuǎn)動(dòng)周期一致，經(jīng)后續(xù)綜合判斷由空預(yù)器漏風(fēng)引起[7]。

停機(jī)檢查更換空預(yù)器徑向密封片后，爐膛壓力相關(guān)參數(shù)的時(shí)頻尺度圖如圖2（b）所示。由圖可見，一次風(fēng)流量的周期波動(dòng)大大緩解，爐膛壓力的波動(dòng)強(qiáng)度也有較大緩解，但仍受到煤量波動(dòng)的影響。

檢修后的爐膛壓力與相關(guān)參數(shù)的等尺度相關(guān)系數(shù)見表2，從表2 中也看到一次風(fēng)對爐膛壓力的影響大大減弱，但總煤量與爐膛壓力在低頻分量a5 上有較大的相關(guān)性。

表2 空預(yù)器檢修后爐膛壓力各等尺度相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of furnace pressure on various equal scales after air preheater maintenance

2.4.2 煤量波動(dòng)的問題

出于負(fù)荷調(diào)節(jié)的需要，煤量需要頻繁地調(diào)整，而在投入AGC 時(shí)，由于AGC 指令較頻繁，煤量的調(diào)節(jié)也勢必更加頻繁。而對引風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉調(diào)節(jié)來說，單純靠反饋調(diào)節(jié)無法很好地適應(yīng)這種工況，需要適當(dāng)?shù)靥岣咚惋L(fēng)前饋量。

因此為了減少煤量波動(dòng)對負(fù)壓的影響，采取了以下措施：

1）判斷AGC 動(dòng)態(tài)/穩(wěn)態(tài)[8]，在非連續(xù)升降負(fù)荷工況時(shí)，適當(dāng)減少前饋量以減少煤量的波動(dòng)。

2）適當(dāng)提高送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉反饋至負(fù)壓控制的前饋量。

采取優(yōu)化措施后的時(shí)頻尺度圖如圖2(c)所示。由圖可見，雖然在AGC 工況下，煤量不可避免地有所波動(dòng)，但爐膛壓力的波動(dòng)已明顯地減弱。

控制優(yōu)化后的爐膛壓力與相關(guān)參數(shù)的等尺度相關(guān)系數(shù)見表3。相比表2，煤量與爐膛壓力在低頻分量a5 上的相關(guān)系數(shù)也有減弱。

表3 控制優(yōu)化后爐膛壓力各等尺度相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of furnace pressure at various equal scales after control optimization

2.4.3 時(shí)序數(shù)據(jù)中爐膛壓力調(diào)整效果對比

為了在時(shí)域下比較爐膛壓力的控制效果，圖3 羅列了調(diào)整前、空預(yù)器漏風(fēng)問題處理后及控制參數(shù)優(yōu)化后的爐膛壓力、一次風(fēng)流量、總煤量等數(shù)據(jù)。

圖3 最初爐膛壓力相關(guān)參數(shù)時(shí)序圖Fig.3 Time sequence diagram of initial furnace pressure related parameters

調(diào)整前，爐膛壓力波動(dòng)頻繁，且爐膛壓力最高超過200Pa，如圖3（a）所示。

空預(yù)器漏風(fēng)問題處理后，一次風(fēng)流量的周期波動(dòng)緩解，爐膛壓力波動(dòng)減弱，波動(dòng)幅度有所減弱但依然經(jīng)常超過100Pa，如圖3（b）所示。

控制優(yōu)化后，爐膛壓力波動(dòng)減弱，波動(dòng)幅度有所減弱且基本在100Pa 以下，如圖3（c）所示。

由此可見，從時(shí)域數(shù)據(jù)上看，爐膛壓力的控制品質(zhì)也在逐步改善，與小波分析的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本研究利用小波分析工具分析了導(dǎo)致某電廠爐膛負(fù)壓波動(dòng)的影響因素。具體來說，通過離散小波分解后進(jìn)行各參數(shù)同尺度相關(guān)性分析，通過連續(xù)小波時(shí)頻圖進(jìn)行可視化分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空預(yù)器漏風(fēng)導(dǎo)致一次風(fēng)母管壓力和一次風(fēng)流量的周期性波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致爐膛壓力同尺度波動(dòng)，而通過檢修時(shí)更換空預(yù)器密封片解決了該問題。此外，AGC工況下變負(fù)荷前饋引起的波動(dòng)導(dǎo)致負(fù)壓波動(dòng)較大，通過減弱變負(fù)荷前饋量和增加送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉反饋至負(fù)壓控制的前饋量，負(fù)壓調(diào)節(jié)品質(zhì)得到提高。

綜上所述，小波分解工具及其相應(yīng)的分析方法成功地識別和解決了導(dǎo)致爐膛負(fù)壓波動(dòng)的關(guān)鍵因素，展示了良好效果。相比傳統(tǒng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析，小波分析能剔除噪聲干擾，從不同尺度上單獨(dú)比較分析信號間關(guān)系，而通過連續(xù)小波時(shí)頻圖的可視化分析也可以更清晰地顯示信號的時(shí)頻關(guān)系。這些研究結(jié)果為爐膛壓力的監(jiān)控和調(diào)整提供了有力的支持，并為改進(jìn)爐膛運(yùn)行質(zhì)量提供了有益的參考。