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        基于灰色模型的鍋爐煤粉細(xì)度測量的不確定度評定

        2020-12-26 03:02:20周大慧
        關(guān)鍵詞:飛灰細(xì)度煤粉

        張 林,周大慧

        (銅陵有色金屬集團股份有限公司,安徽銅陵244000)

        燃煤發(fā)電鍋爐是發(fā)電廠的三大主機設(shè)備之一,目前我國電力生產(chǎn)主要以燃煤發(fā)電為主,且會在較長時間內(nèi)保持這一現(xiàn)狀[1]。但煤粉質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)難以達(dá)到要求,導(dǎo)致爐效下降[2]、能耗過高以及粉塵和有害氣體大量排放,嚴(yán)重污染環(huán)境[3-4]。對于煤粉含量的測量及影響其燃燒的因素目前得到了國內(nèi)外學(xué)者的較多關(guān)注,如崔曉鋼等[5]提出采用一種具耐磨損、低放射特點的微波測量法測量煤粉含量;劉靖昀[6]分析了氧氣含量對煤粉燃燒反應(yīng)速度、煤粉燃盡率以及廢氣排放量的影響,得出增加氧氣含量可促進煤粉燃盡;陳輝等[7]數(shù)值模擬分析不同負(fù)荷下煤粉細(xì)度對鍋爐燃燒的影響,得到低氮燃燒狀態(tài)下,降低煤粉細(xì)度有利于降低飛灰含碳量和省煤器出口NO和NO2的含量;Syrodoy等[8]數(shù)值模擬了煤和水煤燃料燃燒產(chǎn)物向內(nèi)部環(huán)境的傳熱,結(jié)果表明煤粉在燃燒過程中形成大量強烈的灰燼沉積。

        煤粉細(xì)度的適度變化是提高燃煤鍋爐燃燒效率的一項重要手段,不同工況條件下使用不同細(xì)度的煤粉可有效提高煤粉的燃燒效能。對煤粉細(xì)度進行快速準(zhǔn)確測量不僅可提高燃煤鍋爐的可靠性和穩(wěn)定性,且具節(jié)能減排降本增效的作用[9-10]。煤粉細(xì)度的測量主要分為離線測量和在線測量。其中:在線測量以光學(xué)測量為代表,測量動態(tài)范圍大、速度快、重復(fù)性較好,但由于在線法測量分辨率較低,不宜測量粒度分布范圍較窄的樣品,只能測量低準(zhǔn)度的工況;離線測量以篩分法為代表,測量原理簡單,可相對準(zhǔn)確地得到常用篩號下煤粉的細(xì)度,同時可客觀評價煤粉磨制質(zhì)量。因此,文中針對小樣本、分布類型未知的煤粉細(xì)度,基于篩分法建立煤粉細(xì)度測量不確定的灰色評定模型,基于灰色模型的不確定度評定方法對煤粉細(xì)度進行測量,以期方便準(zhǔn)確地對其進行評定。

        1 煤粉細(xì)度的測量原理

        我國鍋爐煤粉細(xì)度常用孔徑為200,90 μm的兩種篩子來表示,表示符號分別為R200和R90,其中R90為電廠鍋爐運行最常用的控制指標(biāo)[11-12]。我國采用的篩子規(guī)格和煤粉細(xì)度表示符號如表1。

        表1 常用篩子規(guī)格及煤粉細(xì)度表示符號Tab.1 Common sieve specifications and pulverized coal fineness indication symbols

        使用單一孔徑篩子現(xiàn)場檢測煤粉細(xì)度不能得到準(zhǔn)確的結(jié)果,磨煤機磨制的煤粉顆粒粒徑差異較大,要準(zhǔn)確測定煤粉的顆粒平均水平,就需計算煤粉的平均粒徑。燃煤電廠的煤粉顆粒特性可用式(1)表示

        若R90與R200已知,則

        式中:Rx為顆粒尺寸(即煤粉細(xì)度);x 為篩孔孔徑;b 為煤粉細(xì)度的系數(shù);n 為煤粉均勻性系數(shù),與煤的種類和磨煤方式有關(guān)。由式(4)可知:n 越大,煤粉顆粒分布越均勻;n 越小,煤粉顆粒分布越不均勻,存在較多過粗和過細(xì)的煤粉。一般n=0.8~1.3,具體取決于磨煤機和分離器的結(jié)構(gòu)[13-14]。

        2 煤粉細(xì)度不確定度灰色評定模型的建立

        2.1 煤粉細(xì)度的檢驗算法

        實際測量煤粉細(xì)度的過程中,由于無法保證測量在理想情況下進行,導(dǎo)致測量結(jié)果存在誤差,采用數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)剔除異值數(shù)據(jù),然后按從小到大的順序排列得到實際煤粉細(xì)度檢測值數(shù)列Z0,如

        其中Z0(i)表示第i 次測量時實際煤粉細(xì)度檢測值。逐次計算式(5)數(shù)列Z0(i)的m 項和,得到實際煤粉細(xì)度累加數(shù)Z1(i),如

        將煤粉細(xì)度檢測次數(shù)i 作為橫坐標(biāo)、前m項和Z1(i)作為縱坐標(biāo)繪制檢測誤差分布曲線,結(jié)果如圖1。圖1中:S2表示實際煤粉細(xì)度的檢測結(jié)果;S1表示理想情況下煤粉細(xì)度的檢測結(jié)果。

        2.2 檢測分散性及不確定度算法

        圖1中,曲線S1和S2在縱坐標(biāo)軸方向上的差異Δ(i)反映在重復(fù)檢測煤粉細(xì)度時,由于各種誤差而產(chǎn)生檢測值的分散性。理想情況下煤粉細(xì)度檢測過程與實際情況下煤粉細(xì)度檢測過程的最大分散性用最大距離Δmax表示,如

        假設(shè)與最大距離Δmax對應(yīng)的最小橫向坐標(biāo)為m,則Δ(m)>Δ(m-1),且Δ(m)≥Δ(m+1),由于Z0(i) 為遞增數(shù)列,令為這組數(shù)列的平均數(shù),則Z0(i)<(i=1,2,…,m),且Z0(i)>(i=m+1,m+2,…,t)。

        圖1 累加檢測序列Fig.1 Cumulative detection sequence

        令Z1(m)=Z0(i)+…+Z0(m),則式(7)可轉(zhuǎn)化為式(8)。

        定義灰色標(biāo)準(zhǔn)差SGrey表示煤粉細(xì)度檢測數(shù)據(jù)的分散程度,如式(9)

        式中:c為示灰色系數(shù);u為一組測量數(shù)據(jù)總數(shù)。參考文獻[15]可看出,煤粉細(xì)度的分布類型與灰色系數(shù)c的關(guān)聯(lián)度不高,通?;疑禂?shù)c取2.5,則煤粉細(xì)度的灰色不確定度UGrey為

        3 實驗與結(jié)果分析

        3.1 煤粉細(xì)度的測定

        在燃煤電廠采集經(jīng)磨煤機研磨后的煤粉標(biāo)本作為檢測樣本,采用篩分法測量煤粉細(xì)度,即把一定量的煤粉放在篩孔尺寸為x的標(biāo)準(zhǔn)篩上篩分,留在篩面上的煤粉質(zhì)量占原煤粉樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)即為煤粉細(xì)度Rx。

        式中:A為留在篩面煤粉的質(zhì)量;B為從篩孔掉落煤粉的質(zhì)量。根據(jù)式(11)求出煤粉細(xì)度。對同一組樣本煤粉細(xì)度進行8次測量,去除其中的離群值,得到的煤粉細(xì)度如表2。

        表2 測定的煤粉細(xì)度Tab.2 Measured fineness of pulverized coal

        3.2 煤粉細(xì)度的評定

        3.2.1 不確定度的灰色評定結(jié)果

        根據(jù)表2測定的煤粉細(xì)度,采用本文提出的基于灰色模型不確定度評定方法對表中4組數(shù)據(jù)進行評定。先計算表2中第一組煤粉細(xì)度的平均值,后根據(jù)步驟2.2找出相差的最大值Δmax,再根據(jù)定義的灰色標(biāo)準(zhǔn)差,計算出灰色不確定度。

        同理得到另3組煤粉樣本細(xì)度的不確定度分別為0.130,0.109和0.117,如表3。

        3.2.2 不確定度的標(biāo)準(zhǔn)評定

        為檢驗基于灰色模型的不確定度評定方法的評定結(jié)果,采用常規(guī)的不確定度方法,即標(biāo)準(zhǔn)不確定度的統(tǒng)計評定方法,又稱A類不確定度對表2中的4組煤粉細(xì)度進行評定。根據(jù)式(12)計算出煤粉細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)差,推導(dǎo)出煤粉細(xì)度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,如式(13)。

        同理得到另3 組煤粉樣本細(xì)度的不確定度為0.140,0.130 和0.121,如表3。比較表3 中的數(shù)值可知,采用基于灰色模型的不確定度評定方法和標(biāo)準(zhǔn)不確定度的統(tǒng)計評定方法對煤粉細(xì)度的不確定度進行評定,兩種方法的評定結(jié)果無顯著性差異,驗證了灰色模型在評定煤粉細(xì)度不確定度是科學(xué)可行的。與標(biāo)準(zhǔn)不確定度的統(tǒng)計評定方法相比,基于灰色模型的不確定度評定方法中,計算煤粉細(xì)度Δmax的過程相對簡單方便,對煤粉細(xì)度不確定度評定速度較快。

        表3 灰色不確定度和標(biāo)準(zhǔn)不確定度的對比Tab.3 Comparison between grey uncertainty and standard uncertainty

        3.3 實際工況應(yīng)用

        煤粉燃燒的不完全損失對實際工況有重要影響,煤粉細(xì)度是煤粉燃燒損失的主要作用因素。為研究煤粉細(xì)度變化對燃煤鍋爐燃燒的影響,進行燃煤燃燒優(yōu)化實驗,實驗條件如表4。

        表4 煤粉細(xì)度變化對燃燒特性影響的實驗條件Tab.4 Experimental conditions for the influence of fineness of pulverized coal on combustion characteristics

        實驗過程中,在燃煤鍋爐著火壁溫1 320 ℃、給粉量143 g·h-1、配風(fēng)量1.01 m3·h-1的條件下,改變煤粉細(xì)度,測量煤粉細(xì)度變化時的飛灰含碳量。測量結(jié)果為:煤粉細(xì)度R90的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%時,飛灰含碳量為7.21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同);煤粉細(xì)度R90的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,飛灰含碳量為6.24%,煤粉細(xì)度R90的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時,飛灰含碳量降低到0.45%。由此可見:煤粉細(xì)度R90的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時,煤粉燃燒效果較為理想;在燃煤鍋爐著火壁溫、給粉量、配風(fēng)量條件確定時,通過測量飛灰含碳量可得燃燒時的最佳煤粉細(xì)度。在已知最佳煤粉細(xì)度時,需盡量避免不完全燃燒時的損失,依據(jù)采用灰色模型不確定度對煤粉細(xì)度的評定結(jié)果,對鍋爐燃燒過程進行相應(yīng)調(diào)整,可使鍋爐保持最佳燃燒工況,提高燃煤鍋爐的經(jīng)濟運行效率。

        4 結(jié) 論

        針對煤粉細(xì)度的不確定度,提出一種基于灰色模型的不確定度測量方法,對煤粉細(xì)度數(shù)據(jù)的不確定度進行評定。結(jié)果表明:煤粉細(xì)度不確定度的灰色評定值與標(biāo)準(zhǔn)評定結(jié)果相比無顯著性差異,驗證了灰色模型在評定煤粉細(xì)度不確定度是科學(xué)可行的,且灰色不確定度準(zhǔn)確度高、簡單易行??筛鶕?jù)準(zhǔn)確度明確的煤粉細(xì)度,指導(dǎo)運行人員適時調(diào)整燃燒過程,使鍋爐保持最佳燃燒工況,提高燃煤鍋爐的經(jīng)濟運行效率。

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