CN108302522B

CN108302522B - 一种循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法

Info

Publication number: CN108302522B
Application number: CN201711386866.0A
Authority: CN
Inventors: 田亮
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-10-08
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: CN108302522A

Abstract

一种循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，所述方法首先依据各床温测点测量值与所有床温信号平均值偏差的分布规律，将床温测点划分到偏高温区、正常温区和偏低温区，然后将每个温区的床温测点进行分组，再分别对各组床温测点的床温信号进行三选中处理，得到此组的代表床温信号，之后对分属相同温区的代表床温信号求算术平均值，得到每个温区的平均床温信号，最后对三个温区的平均床温信号进行加权平均，得到优化计算床温。本发明将传统的平均值法与中值法有机结合在一起，不仅兼有平均值法与中值法的优点，而且具有高负荷下优先反映局部偏高床温信号变化、低负荷下优先反映局部偏低床温信号变化的特点，可有效提高循环流化床锅炉的控制品质。

Description

一种循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法

技术领域

本发明涉及一种对循环流化床锅炉多点床温信号进行处理，以获取床温控制系统优化计算所需床温信号的方法，属于控制技术领域。

背景技术

循环流化床锅炉因具有煤种适应性强、低负荷稳燃性能好、燃料低温燃烧氮氧化物生成量小、炉内脱硫环保成本低等优点，近年来得到了迅速发展。炉床温度是循环流化床锅炉的一个重要监控信号。床温过高易导致床料熔化结焦、床内受热面金属超温等故障，同时也会降低炉内脱硫效率、增加氮氧化物生成量；床温过低易导致锅炉灭火、床料低温结焦等故障，同时也将降低燃烧效率和脱硫效率。循环流化床锅炉运行的最佳床温在850℃～950℃之间，负荷越高对应的床温也越高。

循环流化床锅炉炉床为斗型结构，一次风经过布风板调整风压后从床底正下方向上吹入，下层二次风分左右两侧从床底部侧二次风口送入，上层二次风分左右两侧从床顶部侧二次风口送入，燃料及石灰石从左侧上下二次风之间的给料口送入，循环床料从右侧上下二次风之间的返料口送入。床料在床内被风吹起呈循环流化状态，床温是指上下层二次风口之间床料的温度，采用带耐磨套管保护的热电偶从炉墙侧插入床内进行测量。

炉床面积很大，300MW机组配套循环流化床锅炉，炉床横截面为宽5830mm、深27840mm的长方形；床料温度很高，存在局部超温烧坏热电偶的可能；床料容易结焦，存在局部结焦黏糊热电偶的可能；同时床料在床内剧烈翻腾，对热电偶保护套管的磨损非常严重。工程上采用安装多支热电偶的方法确保床温测量的可靠性和准确性。300MW机组配套的循环流化床锅炉炉床左右侧各安装16支热电偶，每一支热电偶可以测量安装位置处的床温，共有32个单点床温信号。

目前普遍采用平均值法或中值法对多个床温信号进行处理。具体过程是：首先对每一支热电偶测量得到的单点床温信号进行质量检测，剔除因热电偶或信号线短路或开路导致坏质量的单点床温信号，然后对无故障的单点床温信号求算术平均值或者按照大小排序后取其中间值，得到平均床温信号或中值床温信号。床温控制系统通过修正一次风量以及调整上下层二次风的比例将平均床温或中值床温控制在850℃～950℃之间。

采用求平均值法得到的床温信号能够反映床温基准及整体变化趋势，也能够消除随机扰动的影响，但存在以下弊端：(1)由于制造、安装工艺及运行条件的限制，床内物料分布和燃烧强度并不均匀，存在局部的高温区和低温区，高温区和低温区温度偏离平均床温往往超过±50℃，经常出现高负荷运行时平均床温正常但局部高温区床温测点超温报警、低负荷运行时平均床温正常但局部低温区床温测点欠温报警的情况；(2)由于热电偶测量条件恶劣，出现故障的类型多种多样，实际运行过程中经常出现某点测量温度值明显异常但信号质量检测却正常的情况，这样的异常信号点也会参与计算，导致平均床温发生偏离。

采用求中值法得到的床温信号能够克服几个单点床温测量值明显异常带来的问题，但存在以下弊端：(1)由于床内物料分布和燃烧强度不均匀，变负荷过程中经常出现某一单点床温同平均床温的变化方向及变化速率不一致的情况，如果某一时刻恰好选择到此信号作为中值床温，则会导致控制系统沿错误的方向施加控制输出，从而降低了控制品质；(2)求中值不能消除单点床温信号中包含的随机干扰成分，由于床温属大惯性大迟延被控对象，控制系统必须采用强微分调节作用以保证控制品质，而微分调节作用会放大随机干扰成分导致控制输出剧烈波动；(3)求中值需要对多个(三个以上)输入信号按大小进行排序，排序编程实现比较容易，但组态实现却非常困难，大型机组广泛使用的DCS(分散控制系统)中没有多输入排序功能模块或多输入取中值功能模块，在DCS中设计求中值床温的组态逻辑非常复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术之弊端，提供一种循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，以提高循环流化床锅炉的控制品质。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，所述方法首先依据各床温测点测量值与所有床温信号平均值偏差的分布规律，将床温测点划分到偏高温区、正常温区和偏低温区，然后将每个温区的床温测点进行分组，每组包括安装位置相临近的3个床温测点，再分别对各组床温测点的床温信号进行三选中处理，得到此组的代表床温信号，之后对分属相同温区的代表床温信号求算术平均值，得到每个温区的平均床温信号，最后对三个温区的平均床温信号进行加权平均，得到优化计算床温。

上述循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，所述方法包括以下步骤：

a.观察机组运行数据或历史数据，分别采集锅炉高负荷段(100％～85％)、中负荷段(85％～65％)、低负荷段(65％～50％)内稳定负荷工况点下各正常床温测点的测量值；

b.分别在三个负荷段对床温测点进行初步分类

①在高负荷段对每一个床温测点进行初步分类：

计算高负荷段所有正常床温测点测量值的算术平均值和均方差，得到高负荷段平均床温t_vH(℃)和高负荷段床温均方差d_vH(℃)，如果某床温测点高负荷段测量值大于等于t_vH+d_vH，则归入偏高类；如果小于t_vH+d_vH大于t_vH-d_vH，则归入正常类；如果小于等于t_vH-d_vH，则归入偏低类；

②同理计算中负荷段平均床温t_vM(℃)、中负荷段床温均方差d_vM(℃)和低负荷段平均床温t_vL(℃)、低负荷段床温均方差d_vL(℃)，采用与步骤①相同的方法分别在中负荷段和低负荷段对每一个床温测点进行初步分类；

c.依据三个负荷段下初步分类的结果，按照三选二表决的原则判断每一个床温测点的最终类别：若某床温测点有两个或两个以上负荷段的初步分类结果为同一类，则将此床温测点归入到此类中；当某床温测点在三个负荷段的初步分类结果各不相同时，若高负荷段初步分类结果为偏高类则最终分类为偏高类；若低负荷段初步分类为偏低类则最终分类为偏低类；其余情况最终分类为正常类，这里允许将一个床温测点同时分为两类，将所有偏高类床温测点所在的位置称为偏高温区，所有正常类床温测点所在的位置称为正常温区，所有偏低类床温测点所在的位置称为偏低温区；

d.对每一温区的床温测点进行分组，每组包括3个安装位置相临近的床温测点，同一床温测点允许被分入不同的组；

e.分别对各组的3个床温测点的床温信号进行三选中处理，得到此组的代表床温信号；

f.分别对偏高温区、正常温区和偏低温区的各组床温测点的代表床温信号求算术平均值，得到偏高温区平均床温、正常温区平均床温和偏低温区平均床温信号；

g.对偏高温区平均床温、正常温区平均床温、偏低温区平均床温信号进行加权平均处理，得到床温控制系统所需的优化计算床温信号。

上述循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，对偏高温区平均床温、正常温区平均床温、偏低温区平均床温信号进行加权平均处理的方法是：

在锅炉高负荷段，偏高温区平均床温的权值大于偏低温区平均床温的权值；在锅炉中负荷段，偏高温区平均床温的权值等于偏低温区平均床温的权值；在锅炉低负荷段，偏高温区平均床温的权值小于偏低温区平均床温的权值。

上述循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，采集锅炉高负荷段、中负荷段和低负荷段内稳定负荷工况点下各正常床温测点的测量值时，为了避免偶然性，每一个负荷段内每一床温测点至少记录10个不同时间点的测量值，将这些测量值的算术平均值作为此负荷段内此床温测点的测量值。

本发明将传统的平均值法与中值法有机结合在一起，不仅兼有平均值法与中值法的优点，而且具有高负荷下优先反映局部偏高床温信号变化、低负荷下优先反映局部偏低床温信号变化的特点，可有效提高循环流化床锅炉的控制品质。

据测定，本发明的实用效果好。本发明给出的优化计算床温信号具有高负荷下优先反映局部偏高床温信号变化、低负荷下优先反映局部偏高低床温信号变化的特点，并且兼有求平均值计算方法能够克服随机扰动且能够反映整体床温变化趋势以及求中值计算方法能够剔除个别异常信号点的优点，适合作为循环流化床锅炉床温控制系统的反馈信号。

本发明组态、调试简单。本发明组态简单，可以在任何DCS中实现。现场调试简单，只需对一个多点折线函数模块的参数进行调试即可。

附图说明

图1是单点床温信号划分区域示意图(俯视)；

图2是优化计算床温的逻辑。

图中和文中各符号清单为：3SEL1～3SEL3为第一三选中模块～第三三选中模块；AVG1～AVG4为第一算术平均值模块～第四算术平均值模块；SUM为求和模块；MUL1为第一乘法模块；MUL2为第二乘法模块；LAG为一阶惯性模块；F(x)为多点折线函数模块；H为偏高类；M为正常类；L为偏低类；H1～H3为偏高类第一组～偏高类第三组；M1～M4为正常类第一组～正常类第四组；L1～L4为偏低类第一组～偏低类第四组；t_vH为高负荷段平均床温；d_vH为高负荷段床温均方差；t_vM为中负荷段平均床温；d_vM为中负荷段床温均方差；t_vL为低负荷段平均床温；d_vL为低负荷段床温均方差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

针对现有循环流化床锅炉采用求平均值或求中值计算床温信号的弊端，本发明提出一种循环流化床锅炉多点床温信号处理方法。该方法首先依据各床温信号测量值与所有床温信号平均值偏差的分布规律，将安装位置相临近的床温信号按3个一组划分到偏高温区、正常温区、偏低温区，可将某个或某几个床温信号重复划分到不同区内，以保证所有床温信号都能够被划分。再分别对各组3个床温信号进行三选中处理，得到此组的代表床温信号，然后对分属相同区的代表床温信号求算术平均值，得到偏高温区平均床温、正常温区平均床温、偏低温区平均床温信号。最后对偏高温区平均床温、正常温区平均床温、偏低温区平均床温信号进行加权平均处理，高负荷时偏高温区平均床温的权值大而偏低温区平均床温的权值小，低负荷时偏高温区平均床温的权值小而偏低温区平均床温的权值大。最终得到优化计算床温信号。优化计算床温信号具有高负荷下优先反映局部偏高床温信号、低负荷下优先反映局部偏低床温信号的特点，并且兼有求平均值及求中值计算床温的优点，适合作为床温控制系统的反馈信号。

控制原理

针对求平均值能够反映所有信号整体变化趋势、消除单点信号随机扰动的特点和求中值能够克服个别信号异常的特点，信号处理过程中采用先将单点信号分组求中值，再对各组的中值求平均值的信号处理过程，可以兼顾两者的优点。DCS中没有对3个以上输入信号求中值或进行排序的模块，但都有三选中模块。三选中模块的功能是：当三个输入信号质量都为好时，输出信号为三个输入信号按数值大小排列后为中间值的输入信号；当某一个输入信号质量为坏时，输出信号为其余两个输入信号的平均值；当某两个输入信号质量为坏时，输出信号为其余一个输入信号；当三个输入信号质量都为坏时，输出信号保持上一时刻值不变。所以分组时将3个信号分为一组以方便组态设计。另外允许将某一个或几个信号划分到两个不同的组内，以保证所有的信号都能够被划分。

对于进入稳定运行期的循环流化床锅炉，由床内物料分布和燃烧强度不均匀导致的高温区和低温区的分布往往存在规律，即在某一负荷下，总是某几个特定的区域温度偏高或偏低。循环流化床锅炉炉床中心区域燃烧强度大，从正视的方向观察炉床，床温整体呈倒“V”型分布，中间床温高两边床温低。所以高负荷时中间床温更容易超温，低负荷时两边床温更容易欠温。另外由于原煤及石灰石颗粒进入床内存在一个吸热的过程，所以入料口侧床温低于返料口侧床温。此外由于床底部分风帽流通阻力大，致使局部一次风流速减小，也会导致局部区域的床温偏高。相对于平均床温，高负荷下运行人员更加关注某些特定的高温区域会不会超温，而低负荷下运行人员更加关注某些特定的低温区域会不会欠温。当高负荷局部高温区床温信号超温报警或低负荷局部低温区床温信号欠温报警时，即使平均床温或中值床温在正常范围内，运行人员也要进行调整以避免发生故障。可以采用求加权平均的方法克服此问题。由于高负荷时容易发生超温故障，所以高负荷时增加高温区床温信号的权值并且降低低温区床温信号的权值，得到的加权平均床温能够更加突出地反映出高温区床温的变化；同理由于低负荷时容易发生欠温故障，所以低负荷时降低高温区床温信号的权值并且增加低温区床温信号的权值，得到的加权平均床温能够更加突出地反映出低温区床温的变化。

综合利用以上方法，可以克服当前床温计算方法存在的不足。

本发明的技术方案

依据床温测点的实际安装位置，参考附图1绘制床温测点分布图。

观察机组运行数据或历史数据，剔除掉故障测点，记录或查找锅炉100％～85％高负荷段、85％～65％中负荷段、65％～50％低负荷段内稳定负荷工况点下各正常床温测点的测量值。为了避免偶然性，每一个负荷段内每一床温测点至少记录10个不同时间点的测量值，取算术平均后作为此负荷段内此床温测点的测量值。

计算高负荷段所有正常床温测点测量值的算术平均值和均方差，记为高负荷段平均床温t_vH(℃)、高负荷段床温均方差d_vH(℃)。对每一个床温测点进行初步分类，观察每一个床温测点高负荷段测量值，如果大于等于t_vH+d_vH，则归入偏高类；如果小于t_vH+d_vH大于t_vH-d_vH，则归入正常类；如果小于等于t_vH-d_vH，则归入偏低类。同理计算中负荷段平均床温t_vM(℃)、中负荷段床温均方差d_vM(℃)和低负荷段平均床温t_vL(℃)、低负荷段床温均方差d_vL(℃)，采用相同的方法在中、低负荷段对每一个床温测点进行初步分类。

依据高、中、低三个负荷段下初步分类的结果，按照三选二表决的原则对每一个床温测点的最终分类进行判断，即有两个或两个以上初步分类的结果相同则将此床温测点归入到此类中。只有一种例外的情况，即高、中、低三个负荷段初步分类结果各不相同，对于这样的床温信号，如果高负荷段初步分类为高则最终分类为高，如果低负荷段初步分类为低则最终分类为低，其余情况最终分类为正常，这里允许将一个信号同时分为两类。将所有偏高类床温测点所在的位置称为偏高温区，所有正常类床温测点所在的位置称为正常温区，所有偏低类床温测点所在的位置称为偏低温区。

参考附图1标注(圆圈内H为偏高类、M为正常类、L为偏低类，数字为测点编号)各床温测点的分类情况。按照三个信号一组的原则，对属于同一类内的相临的床温测点进行分组(虚线连线表示同一组)。可以将同一个信号同时划分到不同组内。例如附图1中12号测点，同时归入正常类第三组M3和正常类第四组M4中。图中H1～H3为偏高类的分组，M1～M4为正常类的分组；L1～L4为偏低类的分组。

参考附图2的介绍优化计算床温逻辑。图中：3SEL1～3SEL3为第一三选中模块～第三三选中模块；AVG1～AVG4为第一算术平均值模块～第四算术平均值模块；SUM为求和模块；MUL1为第一乘法模块；MUL2为第二乘法模块；LAG为一阶惯性模块；F(x)为多点折线函数模块；“2”为输出数值为2的常数模块。首先采用三选中逻辑对各组的单点床温信号进行处理，得到该组的代表床温信号。然后再对分属于三个温区的各代表温度信号分别求平均值，得到偏高类平均床温、正常类平均床温、偏低类平均床温。标幺化主汽流量(即实际主蒸汽流量除以额定主蒸汽流量再乘以100％)经过一阶惯性滤波后，经过多点折线函数输出床温权值。将床温权值乘以偏高类平均床温输出信号、2减去床温权值后再乘以偏低类平均床温输出信号、正常类平均床温信号三者求算术平均值，得到优化计算床温信号。

一阶惯性模块的惯性时间设置为100s。

多点折线函数模块F(x)的设置方法如下：取6个函数点，输入x分别对应50％～100％额定主蒸汽流量工作点，输出y取值范围在0～2之间，y大于1则代表增加偏高温类床温信号的权重、减小偏低温类床温信号的权重；y小于1则代表减小偏高温类床温信号的权重、增加偏低温类床温信号的权重；y等于1则代表不作加权。例如表1，低负荷段增加偏低温类床温权重、高负荷段增加偏高温类床温权重。

表1多点折线函数模块F(x)设置

	1	2	3	4	5	6
							x	50％	60％	70％	80％	90％	100％
y	0.4	0.7	1	1	1.3	1.6

实施步骤

(1)实施条件确认

发明适用于200MW、300MW、600MW级火电机组配套采用单床或者双床结构的循环流化床锅炉。锅炉安装床温信号测点数量大于等于9个，床温信号测点越多，本发明优势越明显。

(2)床温信号分组

观察机组运行数据或分析历史数据，剔除掉故障测点，记录或查找锅炉100％～85％高负荷段、85％～65％中负荷段、65％～50％低负荷段内稳定负荷工作点下各正常床温测点的测量值。为了避免偶然性，每一个负荷段内每一床温测点至少记录10个不同时间点的测量值，取算术平均后作为此负荷段内此床温测点的测量值。

依据高、中、低三个负荷段下初步分类的结果，按照三选二表决的原则对每一个床温测点的最终分类进行判断，即有两个或两个以上初步分类的结果相同则将此床温测点归入到此类中。只有一种例外的情况，即高、中、低三个负荷段初步分类结果各不相同，对于这样的床温信号，如果高负荷段初步分类为高则最终分类为高，如果低负荷段初步分类为低则最终分类为低，其余情况最终分类为正常，这里允许将一个信号同时分为两类。

参考附图1标注各床温测点的分类情况，按照三个信号一组的原则，对属于同一类的相临的床温测点进行分组。可以将同一个信号同时划分到不同组内。

(3)逻辑组态

参考附图2所示逻辑，在机组分散控制系统(DCS)中进行组态。将一阶惯性模块的惯性时间设置为100s。

(4)现场调试

本发明中，需要对多点折线函数模块F(x)中参数进行现场调试。调试方法为：取6个函数点，输入x分别对应50％～100％额定主蒸汽流量工作点，输出y取值范围在0～2之间，y大于1则代表增加偏高温类床温信号的权重、减小偏低温类床温信号的权重；y小于1则代表减小偏高温类床温信号的权重、增加偏低温类床温信号的权重；y等于1则代表不作加权。在高负荷下，高温类床温信号超温情况越严重，其权重y越大；在低负荷下，低温类床温信号欠温情况越严重，其权重y越小。

Claims

1.一种循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，其特征是，所述方法首先依据各床温测点测量值与所有床温信号平均值偏差的分布规律，将床温测点划分到偏高温区、正常温区和偏低温区，然后将每个温区的床温测点进行分组，每组包括安装位置相临近的3个床温测点，再分别对各组床温测点的床温信号进行三选中处理，得到此组的代表床温信号，之后对分属相同温区的代表床温信号求算术平均值，得到每个温区的平均床温信号，最后对三个温区的平均床温信号进行加权平均，得到优化计算床温。

2.根据权利要求1所述的循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

a.观察机组运行数据或历史数据，分别采集锅炉100％～85％高负荷段、85％～65％中负荷段、65％～50％低负荷段内稳定负荷工况点下各正常床温测点的测量值；

b.分别在三个负荷段对床温测点进行初步分类：

①在高负荷段对每一个床温测点进行初步分类：

3.根据权利要求2所述的循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，其特征是，对偏高温区平均床温、正常温区平均床温、偏低温区平均床温信号进行加权平均处理的方法是：

4.根据权利要求3所述的循环流化床锅炉多点床温信号的处理方法，其特征是，采集锅炉高负荷段、中负荷段和低负荷段内稳定负荷工况点下各正常床温测点的测量值时，为了避免偶然性，每一个负荷段内每一床温测点至少记录10个不同时间点的测量值，将这些测量值的算术平均值作为此负荷段内此床温测点的测量值。