李?yuàn)檴櫍?巖，郭慶華，于廣鎖

(華東理工大學(xué) 潔凈煤技術(shù)研究所，上海 200237)

0 引 言

氣流床水煤漿氣化技術(shù)具有原料適應(yīng)性廣、碳轉(zhuǎn)化率高、單爐容量大、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。其中，華東理工大學(xué)與兗礦集團(tuán)開(kāi)發(fā)的對(duì)置式多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)已在全球近60個(gè)項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用[3-5]。目前已運(yùn)行的水煤漿氣化裝置中，制約氣化爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一是工藝燒嘴的使用壽命。工藝燒嘴作為水煤漿氣化裝置的核心設(shè)備之一，其主要任務(wù)是輸送煤漿和氧氣，并由氧氣將煤漿霧化實(shí)現(xiàn)物料的充分混合。多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化工藝采用三流道式工藝燒嘴，最外通道和中心通道為氧氣，水煤漿走中間通道；通過(guò)內(nèi)外通道高速的氧氣對(duì)水煤漿剪切霧化，實(shí)現(xiàn)漿滴破碎。工藝燒嘴頭部設(shè)置增加冷卻水盤管和端部腔室冷卻保護(hù)，燒嘴冷卻水采用脫鹽水將高溫爐膛輻射到燒嘴頭部的熱量吸收并轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步保護(hù)燒嘴[6-7]。

由于工藝燒嘴在高溫、高壓、易燃易爆的環(huán)境中運(yùn)行，易受到物料沖刷磨損、氣體高溫?zé)彷椛浜陀泻怏w侵蝕等共同作用，如不及時(shí)更換燒嘴，工藝燒嘴頭部及燒嘴冷卻水系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損及冷卻水泄漏等現(xiàn)象，高溫、高壓可燃?xì)怏w將竄入燒嘴冷卻水系統(tǒng)，可能導(dǎo)致冷卻水出口管線超溫?fù)p壞，引起管線破裂，繼而引發(fā)火災(zāi)爆炸及人員傷害事故[8]。實(shí)際生產(chǎn)中，主要通過(guò)燒嘴冷卻水進(jìn)出口流量、燒嘴冷卻水出口溫度、燒嘴冷卻水進(jìn)出口流量等工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)燒嘴來(lái)判斷是否已經(jīng)泄漏，但氣化裝置運(yùn)行時(shí)無(wú)法對(duì)燒嘴的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，目前也無(wú)可判斷燒嘴運(yùn)行狀況的方法，燒嘴泄漏前，只能靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷來(lái)更換燒嘴。

定性趨勢(shì)分析是一種基于過(guò)程歷史的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從測(cè)量信號(hào)中提取重要特征(趨勢(shì))并評(píng)估趨勢(shì)[9]。定性趨勢(shì)分析的主要任務(wù)包括：① 提取趨勢(shì)，將信號(hào)分割成不重疊的片段；② 分析趨勢(shì)，為每個(gè)片段分配基元，并設(shè)計(jì)從原始序列到處理狀態(tài)的映射圖[10-11]。最早在20世紀(jì)90年代，Janusz等[12]開(kāi)發(fā)了一種基本的定性趨勢(shì)描述語(yǔ)言，7個(gè)一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的常量符號(hào)被用來(lái)描述過(guò)程趨勢(shì)中重要的定性信息，趨勢(shì)被表示為這7個(gè)基元的序列。Rengaswamy等[13]提出了一個(gè)過(guò)程趨勢(shì)描述框架，并將方法應(yīng)用于催化裂化裝置的數(shù)據(jù)分析。王興等[14]將定性趨勢(shì)分析用于化工過(guò)程裝置的監(jiān)測(cè)和故障診斷。除上述應(yīng)用外，定性趨勢(shì)分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的過(guò)程監(jiān)控、故障診斷和故障檢測(cè)等領(lǐng)域[15-18]。煤氣化運(yùn)行過(guò)程中生產(chǎn)數(shù)據(jù)包含了大量有價(jià)值的信息，這些信息對(duì)于分析、監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行、預(yù)警、故障診斷等具有重要意義。本文提出了將定性趨勢(shì)分析應(yīng)用于煤氣化工業(yè)數(shù)據(jù)分析的方法，探究不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)燒嘴的工業(yè)氣化裝置數(shù)據(jù)的差異，并使用定性趨勢(shì)分析算法分析氣化運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)波動(dòng)方面的差異來(lái)輔助判斷燒嘴運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)從依賴經(jīng)驗(yàn)判斷到計(jì)算機(jī)輔助判斷的轉(zhuǎn)變，探索煤化工行業(yè)與智能制造、工業(yè)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的結(jié)合，對(duì)保障氣化裝置安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行有重要意義。

1 定性趨勢(shì)分析算法

定性趨勢(shì)分析技術(shù)是從大量過(guò)程數(shù)據(jù)中提取和解釋高級(jí)信息的有效工具，已成功應(yīng)用于過(guò)程監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域。定性趨勢(shì)分析中將數(shù)據(jù)趨勢(shì)分為7種基元。本方法的主要流程是將數(shù)據(jù)點(diǎn)添加到當(dāng)前窗口統(tǒng)計(jì)誤差，之后逐個(gè)向窗口內(nèi)加入新數(shù)據(jù)點(diǎn)并計(jì)算擬合誤差，直到擬合誤差超過(guò)預(yù)定義閾值且在當(dāng)前近似值不再可接受時(shí)為窗口內(nèi)數(shù)據(jù)分配基元，并開(kāi)始新的基元分段計(jì)算。定性趨勢(shì)分析簡(jiǎn)要流程如圖1所示，7種基元符號(hào)與趨勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

圖1 定性趨勢(shì)分析流程

表1 定性趨勢(shì)分析7種基元

2 燒嘴數(shù)據(jù)對(duì)比及算法分析

2.1 燒嘴數(shù)據(jù)對(duì)比

本文分析數(shù)據(jù)來(lái)源為某多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化工業(yè)裝置，操作壓力6.5 MPa，單爐日處理煤1 500 t。主要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括：煤漿流量、燒嘴壓差、渣口壓差、出口合成氣組分及其他與燒嘴相關(guān)數(shù)據(jù)。工業(yè)上一般使用電磁流量計(jì)測(cè)量煤漿流量，壓力表測(cè)量壓力，在線質(zhì)譜分析儀測(cè)量出口氣體組分。所選取的數(shù)據(jù)中，氣化爐A爐燒嘴運(yùn)行時(shí)間較B爐燒嘴運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)約1個(gè)月。分別從1個(gè)月和8 h兩個(gè)不同時(shí)間周期開(kāi)展數(shù)據(jù)分析，主要從數(shù)據(jù)的波動(dòng)趨勢(shì)、波動(dòng)頻率、波動(dòng)幅度等方面進(jìn)行對(duì)比，探究不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)燒嘴的各項(xiàng)數(shù)據(jù)差異，結(jié)果如圖2～4所示?？芍狝爐的煤漿流量、燒嘴壓差和渣口壓差相比于B爐同組數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度更大，波動(dòng)頻率也更高。雖然此時(shí)燒嘴還處于正常運(yùn)行狀態(tài)，但對(duì)比2臺(tái)氣化爐8 h運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度明顯增大，表明受燒嘴自身磨損及頭部工藝尺寸變化等影響較大。其他燒嘴相關(guān)數(shù)據(jù)如燒嘴冷卻水流量、溫度等沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明燒嘴運(yùn)行時(shí)間對(duì)其不產(chǎn)生影響。

圖2 氣化爐煤漿流量對(duì)比

圖3 氣化爐燒嘴壓差對(duì)比

圖4 氣化爐渣口壓差對(duì)比

2.2 定性趨勢(shì)分析算法結(jié)果對(duì)比

選擇煤漿流量、燒嘴壓差、渣口壓差、出口合成氣CH4含量使用定性趨勢(shì)分析算法進(jìn)行計(jì)算，分析對(duì)比了基元序列和每個(gè)基元分段的變化率，計(jì)算結(jié)果如圖5所示(實(shí)線為定性趨勢(shì)分析的基元分段)，可知A爐煤漿流量的定性趨勢(shì)提取準(zhǔn)確。2臺(tái)氣化爐的煤漿流量和燒嘴壓差的基元序列結(jié)果對(duì)比及煤漿流量變化率對(duì)比如圖6、7所示。

圖5 氣化爐單只燒嘴煤漿流量定性趨勢(shì)分析

圖6 氣化爐煤漿流量定性趨勢(shì)分析

圖7 氣化爐燒嘴壓差定性趨勢(shì)分析

由圖6(a)可知，兩爐基元序列均頻繁出現(xiàn)除A之外的基元，說(shuō)明這段時(shí)間內(nèi)兩爐數(shù)據(jù)均存在一定波動(dòng)，波動(dòng)頻率差別不大。由圖6(b)可知，燒嘴運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的A爐每個(gè)基元分段的變化率均超過(guò)燒嘴運(yùn)行時(shí)間短的B爐，A爐煤漿流量變化率在3.5%～6.0%，而B(niǎo)爐變化率均不超過(guò)1%，A爐煤漿流量變化率可以達(dá)到B爐的10倍左右。由圖7可知，2臺(tái)氣化爐燒嘴壓差波動(dòng)情況與煤漿流量相似，波動(dòng)頻率差別不大而波動(dòng)幅度相差較多。在燒嘴運(yùn)行過(guò)程中，煤漿顆粒會(huì)逐漸磨損燒嘴頭部管道，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，磨損越嚴(yán)重。A爐燒嘴運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)于B爐，雖然燒嘴還可以正常使用，但從煤漿流量及燒嘴壓差變化率增大，說(shuō)明燒嘴磨損。

圖8 渣口壓差定性趨勢(shì)分析

圖9 氣爐出口合成氣CH4含量定性趨勢(shì)分析

渣口壓差及出口合成氣CH4含量都是判斷氣化狀態(tài)的重要指標(biāo)，具體如圖8、9所示?？芍獰爝\(yùn)行時(shí)間在這2組重要指標(biāo)上有所體現(xiàn)。由圖8(a)可知，B爐基元穩(wěn)定為A，而基元A代表數(shù)據(jù)處于水平不變的狀態(tài)，所以可以判定B爐的渣口壓差一直處于穩(wěn)定狀態(tài)；而A爐基元?jiǎng)t多次交替出現(xiàn)上升或下降趨勢(shì)的基元，說(shuō)明A爐一直處于波動(dòng)狀態(tài)。由圖8(b)可知，A爐渣口壓差變化率是B爐的2～3倍。

由圖9可知，出口合成氣CH4含量同渣口壓差類似，B爐基元較穩(wěn)定而A爐基元頻繁出現(xiàn)變化，A爐數(shù)據(jù)變化率遠(yuǎn)超B爐，達(dá)到B爐變化率的10倍。工業(yè)燒嘴逐漸磨損會(huì)影響水煤漿的霧化性能，進(jìn)而對(duì)氣化過(guò)程造成一定影響，運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)對(duì)工業(yè)燒嘴的影響在氣化指標(biāo)得以體現(xiàn)。

綜上所述，燒嘴運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的波動(dòng)頻率增加和波動(dòng)幅度增大兩方面，波動(dòng)頻率明顯增加在出口合成氣CH4含量中體現(xiàn)，波動(dòng)幅度明顯增大則在4組數(shù)據(jù)中均有體現(xiàn)。A爐出口合成氣CH4含量變化率平均可達(dá)到B爐的10倍，A爐的煤漿流量、燒嘴壓差及渣口壓差變化率平均也可達(dá)到B爐的2倍。

定性趨勢(shì)分析計(jì)算結(jié)果可以直觀反映生產(chǎn)數(shù)據(jù)中重要信息，即時(shí)反映目前的生產(chǎn)運(yùn)行狀況。用定性趨勢(shì)分析技術(shù)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析可以用于判斷燒嘴運(yùn)行狀況。在燒嘴運(yùn)行初始階段就采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行定性趨勢(shì)分析，記錄燒嘴運(yùn)行初始階段的平均波動(dòng)情況作為標(biāo)準(zhǔn)模板，在氣化裝置運(yùn)行時(shí)可以通過(guò)定性趨勢(shì)分析算法實(shí)時(shí)監(jiān)控分析上述3組關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)與模板進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)基元序列出現(xiàn)明顯頻繁的波動(dòng)或數(shù)據(jù)變化率已達(dá)到模板的數(shù)倍量級(jí)時(shí)，說(shuō)明燒嘴使用時(shí)間足夠長(zhǎng)，已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，可以考慮更換燒嘴。不同氣化裝置的參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，本文分析了多噴嘴氣流床水煤漿氣化裝置的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)前文所述設(shè)定參數(shù)，如設(shè)置為出口合成氣CH4含量及煤漿流量變化率倍數(shù)為10、渣口壓差變化率倍數(shù)為2、出口合成氣CH4含量基元序列中相反趨勢(shì)基元連續(xù)出現(xiàn)個(gè)數(shù)為10。如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的定性趨勢(shì)分析計(jì)算結(jié)果同時(shí)滿足設(shè)定的各參數(shù)時(shí)，即可判定燒嘴運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可以給出更換燒嘴的建議。

3 結(jié) 論

本文基于某多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化工業(yè)裝置，以所選取的裝置A爐及B爐連續(xù)運(yùn)行1個(gè)月和8 h的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了煤漿流量、燒嘴壓差、渣口壓差及出口合成氣中CH4含量等4組關(guān)鍵數(shù)據(jù)，結(jié)合定性趨勢(shì)分析手段提出了通過(guò)分析運(yùn)行數(shù)據(jù)判斷工藝燒嘴壽命的方法。結(jié)果表明：

1)不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的氣化爐與燒嘴運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的波動(dòng)頻率及波動(dòng)幅度存在明顯差異。燒嘴運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，燒嘴煤漿流量、燒嘴壓差、渣口壓差及出口合成氣CH4含量4組數(shù)據(jù)的波動(dòng)幅度越大，波動(dòng)頻率越高。A爐渣口壓差及出口合成氣CH4含量2組數(shù)據(jù)的基元序列中相反趨勢(shì)基元連續(xù)出現(xiàn)的情況明顯多于B爐，A爐出口合成氣CH4含量變化率平均可達(dá)到B爐的10倍，A爐的燒嘴煤漿流量、燒嘴壓差及渣口壓差變化率平均達(dá)到B爐的2倍。

2)采用定性趨勢(shì)分析算法處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，可以燒嘴初始運(yùn)行數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，以本文氣化裝置的數(shù)據(jù)分析結(jié)果為例，設(shè)置參數(shù)出口合成氣CH4含量變化率倍數(shù)為10，煤漿流量、燒嘴壓差及渣口壓差變化率倍數(shù)為2，基元序列中相反趨勢(shì)基元連續(xù)出現(xiàn)個(gè)數(shù)為10。

3)定性趨勢(shì)分析計(jì)算結(jié)果不滿足或部分滿足設(shè)定參數(shù)時(shí)，說(shuō)明燒嘴運(yùn)行狀態(tài)整體穩(wěn)定；當(dāng)計(jì)算結(jié)果已經(jīng)同時(shí)滿足設(shè)定的每個(gè)參數(shù)時(shí)，即可初步判定燒嘴運(yùn)行已趨于不穩(wěn)定，需監(jiān)控運(yùn)行或更換燒嘴，為工程中實(shí)現(xiàn)氣流床水煤漿氣化裝置計(jì)算機(jī)輔助判斷在線運(yùn)行狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。