基于锅炉火检信号滤波的燃烧特征提取方法研究

苏 杰, 崔永乐, 田 亮, 刘鑫屏, 刘 洁

(华北电力大学控制科学与工程学院,保定071003)

近年来,随着电站燃煤机组容量的不断增大,为满足调峰的需要,负荷变化也更加频繁.煤粉锅炉在运行时,煤质变化、炉膛受热面结渣和制粉系统故障等均会影响锅炉燃烧的稳定性,引起熄火,甚至导致炉膛爆炸等危险.另外,在“厂网分离,竞价上网”的运行机制下,也需要不断提高电站锅炉燃烧效率,以实现节能降耗减排.这些要求使锅炉低负荷燃烧稳定性判断、燃烧故障诊断以及燃烧控制优化均成为研究的热点.

目前,锅炉燃烧状态的工程研究方法大致分为5类：①声学法电站锅炉温度场检测技术,它是利用声波与CT(computered tom ography)技术相结合实现炉膛“典型层面”温度场的非接触、可视化测量[1];②微压探测,它在燃烧振动的基础上,通过检测燃烧中产生的微压波动对燃烧状态进行判断[2];③火焰图像识别系统研究,它利用CCD摄像机获取炉膛火焰图像,然后用计算机图像处理技术、光学层析技术等手段判断火焰的燃烧状态和温度场分布[3-4];④利用炉膛内辐射能,它采用彩色数字CCD摄像技术和图像分析算法来获取辐射能信号,以此判断炉内燃烧组织情况,优化锅炉燃烧[5-6];⑤利用光谱分析、频谱分析与小波变换方法对煤粉火焰进行研究,并结合神经网络等智能算法对煤粉火焰的燃烧状况进行诊断.

火焰检测器是炉膛安全监控系统(FSSS)的重要装置,能直接反映锅炉燃烧状态的特征,但其只能对火焰的有/无进行判断.笔者通过对1台600MW机组火检信号进行滤波分析后发现：除在判断火焰有/无之外,火检信号在一定程度上还能反映锅炉燃烧状态的变化.

1 滤波方法

1.1 对象的特性描述

电厂监控信息系统SIS(supervisory information system of p lant)历史数据库中记录了机组的运行数据;而火检信号提供了火焰强度大小及波动剧烈程度的信息.火焰强度伴随着燃料量的变化而变化.由于炉膛火检用于火焰有/无的判断,一般需通过调整使其具有二值化的特点.

在信号处理方面,滤波器在消除噪声、抑制干扰以及提取原信号特征等方面的方法已成熟,且便于在DCS中组态和工程中实现.通过对模拟滤波器的对比,发现巴特沃思(Butterw orth)滤波器具有在通频带内的频率响应曲线特别平坦、不起伏,而在阻频带则呈逐渐下降为零的特点.巴特沃思模拟滤波器的概念清晰,适合对信号进行低频、中频和高频特性的选频研究.因此,笔者选用了巴特沃思模拟滤波器,对火检信号进行分析.

滤波器的种类很多,且不同滤波器之间具有各自的特点,其他类型的滤波器在火检信号分析中也可用,这是对火检信号进行分析的下一步工作.

1.2 巴特沃思(Butterworth)滤波器

巴特沃思滤波器的|G(jΩ)|2表达式为：

式中：Ω为角频率;C为待定系数;N为待定的滤波器阶次.

衰减函数为：

1.3 巴特沃思模拟低通滤波器的设计

1.3.1 归一化处理

将实际频率 Ω归一化,得到归一化幅平方特性方程：

式中：λ为归一化后的频率,λ=Ω/Ωp.

引入归一化的复数变量p,p=jλ=s/Ωp.

1.3.2 求C和N

式中 ：αp 、Ωp、αs、Ωs分别为给定模拟低通滤波器的技术指标;其中αp为通带允许的最大衰减,dB;αs为阻带应达到的最小衰减,dB;Ωp为通带上限角频率;Ωs为阻带下限角频率;λs=Ωs/Ωp.

1.3.3 确定G(s)

若N为偶数,归一化的转移函数G(p)的极点是成对共轭出现的,即 pk,pN+1-k,且1≤k≤N/2.这对共轭极点构成1个二阶系统Gk(p)：

总的转移函数是N/2个这样二阶系统的级联：

若 N为奇数,它将由 1个一阶系统和(N-1)/2个二阶系统相级联：

在求得G(p)后,用s/Ωp代替变量p,即得实际需要的G(s).

带通和高通巴特沃思滤波器的设计方法为：首先由频率转换关系将其技术指标转化为低通模拟滤波器的技术指标,进而设计出模拟低通滤波器的转移函数,最后代入相应的代换关系式,得到带通和高通滤波器的转移函数.由于篇幅限制,详细的滤波器设计方法见参考文献[7],这里不再赘述.

在滤波器的设计过程中,频率和阶次的选择是关键.从SIS中获得的火检数据采样时间为1 s,火检信号的频谱图示于图1.通过对火检信号的频谱分析和对滤波结果的观察发现：低频段选在0～0.005 Hz;中频段选在 0.005～0.05 Hz;高频段选在0.05～0.5 H z,滤波效果最佳,并以此分别设计低通、带通和高通的滤波器.在阶次的选择方面,选用二阶的滤波器即可.对于高于二阶的滤波器,其滤波结果差别不大.

图1 火检信号频谱图Fig.1 The frequency spectrum of flame detection signal

1.4 研究过程

研究对象为大唐盘山电厂某600 MW单元机组,锅炉为四角切圆燃烧方式,火焰检测器包括24支煤火检和16支油火检.煤火检有 A 、B、C、D、E和F共6层,油火检为 A、B、C和D 共4层,其中每层各有角1、角2、角3和角4共4支火检.

从SIS历史数据库中找出1组机组的实际运行数据,其包含了机组参与一次调频、高负荷、低负荷和升降负荷4种不同工况,以便于进行燃烧扰动分析.需要说明的是,文中所提到的火检强度数据是经过标幺化处理的,因而是无量纲.选用M atlab作为信号分析的平台,分别设计低通、带通和高通的不同频率段的巴特沃思滤波器,并分析信号不同频段的特性.笔者分别进行了同层火检、邻层火检、火检信号与本层燃料量信号以及火检信号与总燃料量的相关性分析.

2 数据分析

2.1 低通特性分析

图2为A层燃料量与煤火检A 3火检器强度低通滤波.从图2可知：随着A层燃料量的变化,煤火检A 3的火焰强度也随之变化,尤其在磨煤机停止和起动时,燃料量信号突然下降为零及突然上升,火焰强度信号表现为急剧的衰减和上升;另外,在燃料量信号产生波动时,火检信号也产生了相似的变化趋势.在机组参与一次调频的时间段内,煤火检A 3的火焰强度信号与A层燃料量信号的变化趋势相似.在后面的时间段内,由于火检具有限幅特性,煤火检强度信号趋平,且随燃料量信号变化的趋势不再明显.在燃料量信号为零的情况下,火焰强度并不为零,火检信号可能受到炉膛背景火焰的影响.

图2 A层燃料量与煤火检A 3火检器强度低通滤波Fig.2 Low-pass filtering of A layer fuel am ount and A3 flam e detector in tensity

通过低通滤波分析发现：一方面,单火检火焰强度信号可以对火焰的有/无进行判断;另一方面,其低频段受到本层燃料量的影响,火检强度信号与本层燃料量的变化趋势大致相似,但由于受到现场安装的影响及其他火检的干扰,其静态精确度不高.

2.2 带通特性分析

2.2.1 一次调频工况

一次调频工况下A层燃料量与煤火检A 3火检强度带通滤波示于图3.

从图3可知：在机组参与一次调频的工况下,A层燃料量与煤火检A 3火检强度信号在中频段内具有较好的相关性.

2.2.2 升降负荷工况

图4为升降负荷下E层燃料量与煤火检E1火检强度带通滤波.从图4可知：在机组升降负荷的工况下,E层燃料量与煤火检E1火检强度信号在中频段内具有较好的相关性.

2.2.3 高负荷工况

高负荷下E层燃料量与煤火检E1火检强度带通滤波示于图5.从图5可知：在机组高负荷工况下,E层燃料量与煤火检E1火焰强度信号在中频段内具有较好的相关性.

2.2.4 低负荷工况

图3 一次调频工况下A层燃料量与煤火检A 3火检强度带通滤波Fig.3 Band-pass filtering of A layer fuelamoun t and A 3 flame detector in tensity under primary frequency modulation conditions

图4 升降负荷下E层燃料量与煤火检E1火检强度带通滤波Fig.4 Band-pass filtering of E layer fuel am ount and E1 flame detector in tensity under loading up/dow n conditions

低负荷工况下E层燃料量与煤火检E1火检强度带通滤波示于图6.从图6可知：在机组低负荷工况下,E层燃料量与煤火检E 1火检强度信号在中频段内具有较好的相关性.

图5 高负荷下E层燃料量与煤火检E1火检强度带通滤波Fig.5 Band-pass filtering of E layer fuel amoun t and E1 flame detector intensity under high load conditions

图6 低负荷下E层燃料量与煤火检E1火检强度带通滤波Fig.6 Band-pass filtering of E layer fuel amoun t and E1 flame detector intensity under low load conditions

2.2.5 火检信号的加权求和

对包括24支煤火检和16支油火检的火检强度信号火焰检测器进行了加权求和,并取平均值得到了火检平均强度信号,结果分别示于图7和图8.由图7和图8可知：在机组低负荷、升降负荷、高负荷及参与电网一次调频的工况下,总燃料量与火检平均强度信号在中频段内具有明显的相关性.

图7 高低负荷与升降负荷下总燃料量与火检平均强度带通滤波Fig.7 Band-pass filtering of total fuel amount and flame detector average intensity under high/low load and loading up/down conditions

图8 一次调频工况下总燃料量与火检平均强度带通滤波Fig.8 Band-pass filtering of total fuel amount and flame detector average intensity under p rim ary frequency modulation conditions

3 结 论

(1)单火检的火焰强度信号的低频段受到本层燃料量的影响,其变化趋势与本层燃料量的变化趋势大体一致,但由于受到现场安装情况的影响,其静态精确度不高.

(2)通过对机组在不同工况下的带通特性分析,发现单火检火焰强度与本层燃烧器燃料量信号中频带存在明显的相关性,火检平均强度信号与总燃料量信号中频带存在非常明显的相关性.

(3)以上研究结果可用于信号重构.火检信号的中频段反映了燃料量信号中频段的动态变化;在燃烧稳定性方面,火检信号反映了燃料信号的扰动,为寻找燃烧扰动信号和实现前馈控制提供新的思路.另外,文中对火检信号的分析,从另一个角度验证了华中科技大学利用CCD摄像机获取火焰图像并从中提取辐射能信号以反映入炉燃料量和机组工况变化方案的可行性,得到辐射能信号的动态特性好而静态精度较低的结论.

[1] 安连锁,宋志强,姜根山,等.考虑声波折射的声学锅炉温度场测量技术的研究[J].动力工程,2005,25(3)：378-381.

[2] 高翔,骆仲泱,陈亚非,等.应用微压探测诊断燃烧状况的试验研究[J].动力工程,1998,18(4)：27-31.

[3] 王飞,马增益,卫成业,等.根据火焰图像测量煤粉炉截面温度场的研究[J].中国电机工程学报,2000,20(7)：40-43.

[4] 甄成刚,韩璞,牛玉广.炉膛火焰图像处理技术及温度场重构[J].动力工程,2003,23(4)：2548-2551.

[5] 周怀春,韩才元.电站燃煤锅炉燃烧计算机控制问题探讨[J].热能动力工程,1994,9(2)：111-116.

[6] 罗自学,杨超,周怀春.炉膛辐射能信号的提取原理及其应用研究[J].动力工程,2005,25(3)：374-377.

[7] 胡广书.数字信号处理——理论、算法与实现[M].北京：清华大学出版社,1997.