王 波

(華電電力科學研究院，杭州 310030)

可拓工程方法在火電廠煤粉著火及時性評價中的應用

王 波

(華電電力科學研究院，杭州 310030)

考慮到煤粉能否及時著火對于電站鍋爐安全經(jīng)濟運行的重要程度，提出基于物元概念和可拓集合理論的可拓物元評價方法。在建立評價等級指標和評價模型的基礎上，通過計算與煤粉燃燒及時性有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)和各種評價等級之間的可拓關(guān)聯(lián)度，由關(guān)聯(lián)度的大小判斷鍋爐煤粉的著火狀態(tài)是否及時。最后通過實例表明，此方法用于評價鍋爐煤粉著火狀態(tài)的有效性、準確性及工程實用性。

煤粉；著火；狀態(tài)評價；可拓理論；物元

0 引 言

煤粉能否及時著火對電站鍋爐安全穩(wěn)定運行有重要作用。若煤粉著火過早，則燃燒器區(qū)域溫度過高，極易引起燃燒器區(qū)域結(jié)渣和水冷壁高溫腐蝕；反之，若著火推遲，則爐膛火焰中心上移，使得爐膛上部及出口結(jié)渣，而且容易引發(fā)過熱器超溫及爆管事故，增加了運行調(diào)節(jié)難度。電站鍋爐內(nèi)部燃燒機理極為復雜，即使是有較為先進的監(jiān)測手段和裝置，運行人員對爐內(nèi)燃燒過程的認識仍然比較模糊，經(jīng)常是憑借經(jīng)驗對燃燒工況進行調(diào)整。所以很有必要對燃煤鍋爐煤粉著火狀態(tài)進行評價，以確定其著火是否及時，這有利于評估燃燒器運行風險，為運行人員提供科學指導，亦可為維修決策提供相應的依據(jù)。文獻[1]中應用模糊數(shù)學理論，對某電廠EⅡ670-13.8-545KT型鍋爐煤粉著火狀態(tài)做了定量評價。然而這種方法在建立評價對象的隸屬函數(shù)問題上，顯示出其運算量很大而且主觀性較強的缺點。這樣很可能會使評價結(jié)果與實際運行狀況偏離。存在著主客觀相互矛盾的問題，為了克服這一缺陷，使評價更具客觀性，提出以可拓工程方法來評價燃煤鍋爐煤粉著火狀態(tài)。

可拓理論是中國學者蔡文等人為解決主客觀矛盾問題而于1983年所創(chuàng)立的，以物元理論和可拓集合理論為支柱，能夠同時研究“量”和“質(zhì)”兩者對所描述問題的影響程度，從而完整地認識系統(tǒng)特征，可拓評價方法常用于處理多參數(shù)、混合度大的矛盾問題[2-3],已廣泛應用于很多領(lǐng)域[4-5]。文中提出了火電廠煤粉著火及時性的可拓物元評價方法，建立了煤粉著火狀態(tài)等級的物元模型，通過計算影響著火及時性的參數(shù)與各評價等級之間的可拓關(guān)聯(lián)度，進而評價其著火狀態(tài)是否及時。

1 可拓理論簡介

1.1 物元[2]

1.2 可拓集合及初等關(guān)聯(lián)函數(shù)

設論域U中的任一元素u，對應一實數(shù)K(u)∈(-∞, +∞)，則A={(u,y)︱u∈U,Y=K(u) ∈(-∞, +∞)}為論域U的一個可拓集合。其中Y=K(u)為A的關(guān)聯(lián)函數(shù)，K(u)為u關(guān)于可拓集合A的關(guān)聯(lián)度。設x為(-∞, +∞)上的任意一點，區(qū)間X0=和X=為實域上任一區(qū)間，X0∈X且無公共端點，則初等關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

式中：ρ(x,X0)為點x與區(qū)間X0的距；D(x,X0,X)為點x關(guān)于區(qū)間X0,X的位值[3]。

(1)

(2)

關(guān)聯(lián)函數(shù)可以計算點x與X0的關(guān)聯(lián)程度，k(x)>0表示點x屬于X0的程度；k(x)<0表示點x不屬于X0的程度，且k(x)的值越大可能性就越大。

2 煤粉著火及時性評價指標及等級

煤粉著火過程極為復雜，其主要與燃料特性、運行因素和燃燒器特性有關(guān)。對于特定的煤質(zhì)，特定的爐膛結(jié)構(gòu)和特定的燃燒器，一次風速、二次風速、煤粉濃度等運行參數(shù)均存在最佳值，在最佳值下，煤粉著火狀態(tài)最好；此外，風粉溫度對著火及時性影響也較大。風粉溫度越高，一次風粉氣流著火熱越小，越有利于著火，但風粉溫度也不宜過高，否則容易引起煤粉自燃，導致燃燒器結(jié)渣，對低灰融點煤尤為嚴重。所以說運行參數(shù)實際值偏離最佳值的差異在一定程度上反映了煤粉著火狀態(tài)的優(yōu)劣。運行參數(shù)變化范圍及其最佳值確定后，就可以劃分與評價等級相對應的區(qū)間，依據(jù)實際運行參數(shù)與對應區(qū)間的偏離程度，即可拓關(guān)聯(lián)度的大小，進而對煤粉著火狀態(tài)進行評價。文獻[1]中通過實驗方法確定了機組在150 MW負荷下4號燃燒器一次風速、二次風速、煤粉濃度的最佳值，風粉溫度的最佳值根據(jù)運行經(jīng)驗得到,各參數(shù)變化范圍亦根據(jù)日常運行記錄得出[1]，見表1。但是，筆者認為，實驗總是存在誤差的，為了使著火及時性評價更具客觀性，各運行參數(shù)的最佳值亦應該由數(shù)值區(qū)間的形式給出。

表1 運行參數(shù)波動范圍及最佳值運行參數(shù)一次

根據(jù)該電廠運行經(jīng)驗，當一次風速u在17～18.5 m·s-1范圍內(nèi)時，燃燒器噴口易燒損，表明煤粉提前著火。而一次風速在19.5～23 m·s-1范圍內(nèi)時，鍋爐爐膛上部及出口易結(jié)渣，并且易發(fā)生過熱器超溫甚至爆管現(xiàn)象，這表明煤粉著火推遲而導致了火焰中心上移，故最佳一次風速應該是u∈(18.5,19.5)m·s-1；同理，最佳二次風速v∈(26.5,27.5)m·s-1；文獻[1]中采用實驗方法得到了爐膛溫度隨煤粉濃度變化的關(guān)系曲線，當煤粉濃度在0.58～0.6 kg·kg-1范圍內(nèi)時，曲線幾乎保持水平，并且此數(shù)值區(qū)間對應于150 MW負荷下爐膛溫度最高點，所以可以認為當煤粉濃度x∈(0.58,0.6) kg·kg-1時，煤粉著火及時；風粉溫度越高，對煤粉著火越有利，但是其值過高亦會引發(fā)煤粉自燃等不利因素。運行經(jīng)驗表明，比較合適的煤粉溫度T∈(182,188)℃；在影響著火及時性的各參數(shù)最佳值數(shù)量值區(qū)間確定后，可將著火狀態(tài)劃分為著火提前、著火及時和著火推遲三個狀態(tài)。每個狀態(tài)對應的運行參數(shù)數(shù)值區(qū)間見表2。

表2 運行參數(shù)波動范圍及最佳值評價指標

3 評價煤粉著火狀態(tài)的可拓物元模型

煤粉著火狀態(tài)的物元模型可用下列n維物元來描述：

式中：R為狀態(tài)物元；N為狀態(tài)等級；C為狀態(tài)評價指標，即影響煤粉著火狀態(tài)的運行參數(shù)：一次風速u、二次風速v、煤粉濃度x和風粉溫度T；P為評價指標的量值。

3.1 確定煤粉著火狀態(tài)優(yōu)劣等級的經(jīng)典域

結(jié)合表1中各指標在各評價等級的數(shù)值區(qū)間，分別建立煤粉著火狀態(tài)優(yōu)劣等級的經(jīng)典域,如下所示:

3.2 確定煤粉著火狀態(tài)的節(jié)域

在可拓學中，建立了“節(jié)域”和“質(zhì)度函數(shù)”兩個概念[3]。它們描述了客觀事物由量變到質(zhì)變的辯證規(guī)律。節(jié)域反映了研究對象的某種特征對應的數(shù)量值區(qū)間，當研究對象在某一狀態(tài)下的數(shù)學描述量值在節(jié)域范圍內(nèi)時，其性質(zhì)就保持穩(wěn)定。反之，當此量值的變化超越節(jié)域時，就會發(fā)生“質(zhì)”的變化[3]。依據(jù)可拓集合X0=，X=，Xo∈X且無公共端點這一要求，結(jié)合表2中各評價指標從提前到推遲的數(shù)值區(qū)間，簡言之，就是各評價指標的允許變化范圍，可建立評價煤粉著火狀態(tài)的節(jié)域：

3.3 計算關(guān)聯(lián)函數(shù)值及關(guān)聯(lián)度

可拓關(guān)聯(lián)函數(shù)可以表示為：

(3)

(4)

式中：Wij為各評價指標的權(quán)重，對于旋流燃燒器，其一、二次風同時噴入爐膛，不存在二次風推遲混合的情況，因此認為一次風速與二次風速所占權(quán)重相同。煤粉濃度、風粉溫度對煤粉氣流的著火有較大影響，權(quán)重應適當大一些，現(xiàn)給出權(quán)重向量為：[Wi1,Wi2,…,Wi4]=[0.2,0.2,0.3,0.3]。

為了使各狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度均處于[-1，1]之間，以利于更直觀的描述狀態(tài)評價結(jié)果，需要按下式做歸一化處理：

(5)

3.4 評價原則

煤粉著火狀態(tài)的優(yōu)劣，可根據(jù)最大化原則利用下式判斷：

IF(λ*k=1)THEN(S0=Sk)。

(6)

若λ*k=1，則判斷著火狀態(tài)等級為Sk,其它狀態(tài)等級的可能性可依據(jù)其關(guān)聯(lián)度的相對值大小決定，關(guān)聯(lián)度相對值越大，則意味著接近該狀態(tài)可能性越大。

4 應用實例分析

選取文獻[1]中EⅡ670-13.8-545KT型鍋爐4號燃燒器在某一時刻的運行數(shù)據(jù)：一次風速20 m/s，二次風速29 m/s，煤粉濃度0.65 kg/kg，風粉溫度193℃，以向量形式表示為：Y01=[20,29,0.65,193]，它對應的現(xiàn)狀物元[2]為：

按式(3)、(4)結(jié)合評價指標的權(quán)重，計算可拓關(guān)聯(lián)度，最后根據(jù)式(5)做歸一化處理，可得結(jié)果：λ*i=[-0.546,1,0.391]，此向量中的3個數(shù)值分別對應煤粉著火的“提前”、“及時”和“推遲”三個狀態(tài)，根據(jù)式(6)最大化原則可判斷此時煤粉著火狀態(tài)S01=S2=“及時”。與文獻[1]中采用模糊綜合評價方法得到的結(jié)果是一致的。

5 結(jié)束語

(1)以物元模型為基礎的煤粉著火及時性評價模型和可拓評價方法能夠定量評價煤粉燃燒是否及時。

(2)所建立的可拓物元模型不需要大量的狀態(tài)評價樣本，評價結(jié)果直觀；該模型算法簡單，計算時間短，是一種高效的狀態(tài)評價方法。

(3)可拓工程方法應用于煤粉著火及時性評價、燃燒器故障診斷及維修決策等方面具有可行性、準確性，其工程應用價值較高。

[1] 曹建波,周 寧,熊小鶴，等.基于模糊理論的煤粉著火及時性實驗研究[J].熱力發(fā)電,2010,39(12):17-22.

[2] 蔡 文. 物元模型及其應用[M].北京:科學技術(shù)文獻出版社,1994.

[3] 蔡 文,楊春燕,林偉初.可拓工程方法[M].北京:科學出版社,1997.

[4] 李元戎,李 偉,楊照芬.基于多級物元分析的火電廠安全性評價[J].中國電力教育,2006,研究綜述與技術(shù)論壇?？?114-117.

[5] 黃文濤,趙學增,王偉杰,等.基于物元模型的電力變壓器故障的可拓診斷方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(13):45-49.

Application of Extension Engineering Method to the Ignition Timeliness Evaluation of Pulverized Coal in Fossil Power Plant

WANG Bo

(HUADIAN Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China)

Considering the importance that pulverized coal can ignite or not to the safe and economy operation of power plant boiler, an extensive matter-element evaluation method is proposed based on the matter-element concept and the extensive set theory. On the basis of building evaluation level indicators and evaluation model, by calculating extensive correlation degree between the state parameters with the ignition timeliness of pulverized coal and every evaluation rank, we can decide the ignition timeliness of pulverized coal in boiler is timely or not according to correlation degree. Finally the effectiveness, accurateness and practicability of the method using in evaluating the ignition state of pulverized coal have been proved through an example.

Pulverized coal; Ignition; Condition evaluation; Extension theory; Matter-element

2014-09-11

2014-10-29

王 波(1984-)，男，工學碩士，從事電站熱力系統(tǒng)試驗研究工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.012

TK26

A

1009-3230(2014)12-0051-04