（工程热物理专业论文）煤粉锅炉炉内温度场智能监测与诊断系统的研究.pdf

摘要 随着社会对能源需求的增长和科学技术的不断进步，各种大容量、高参数的 煤粉锅炉越来越多的应用到工业和生活中。自动、连续、实时、准确地监测锅炉 燃烧系统运行状态，并对异常运行状况进行及时诊断，找出其根源，给出正确的 操作指导建议，对提高锅炉运行的经济性、安全性具有重要的意义。 本文深入研究了锅炉炉内温度场的分布状况，在实测工况基础上确定一个基 准工况和一个炉内特征截面，采用s p s s l l 5 统计软件对基准工况进行正交试验 设计，获得多组燃烧工况的参数。然后应用商业软件c f x 4 3 对所有燃烧工况进 行数值仿真，获得特征截面上的温度分白数据，继而在燃烧系统输入参数与特征 截面温度分布数据之间建立一个基于集成自适应模糊神经网络的炉内二维温度 场动态显示模型，用数值仿真结果作为样本对该网络进行训练和检测。其结果表 明该模型能够以较高的精度动态显示炉膛内部特征截面上的温度分布状况，可以 满足故障诊断系统的实时性和准确性的要求。最后，在炉内二维温度场动态显示 模型基础之上，开发了一个煤粉锅炉炉内温度场智能监测与诊断系统，该系统能 够对各个风粉参数进行在线监测与诊断，动态显示炉内特征截面的温度分布状况 以及对燃烧切圆偏斜的具体位置做出准确判断。 本文的研究工作对于探讨利用现代人工智能技术和数值模拟仿真技术来提 升大型设备的监测和控制水平具有良好的借鉴意义，其成果不仅具有一定的理论 价值，同时为其实际应用打下了良好的技术基础。 关键词：煤粉锅炉温度场监测与诊断自适应模糊神经网络数值仿真 人工智能 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g - d e m a n do ft h es o c i e t yf o re n e r g ys o u n ea n dt h e t e c h n o l o g yp r o g r e s s i n 函d i v e n i 6 e dc o a ib o n e rw i t hb i gc a p a c i t ya n dh i g h p a m m e t e 聃h a sb e e nu s i n gi ni n d u s t r y m o n i t o r i n gt h eo p e m t i n g c o n d i t i o no fa b o n e r sc o m b u s t i o ns y s t e ma u t o m a t i c a u y c o n t i n u o u s i y 叠n da c c u i 氇t e 帆a n d d i a g n o s i n gt h ea b n o 珊a ls t a t ei nt i m e 嬲w e l i 船m a “n gs u g g e s t i o n 3t 0o p e 姐t i o n ， h a s8v e r yi m p o r t a n is i g n i f i c a n c et oi m p r o v eb o i i e r o e n o m ya n d s e c u r i 吼 i nt h i sp a p e b6 璐t 坶s t l l d y i n gt h e 把m p e r a t u 增d i s t r i b u t i n gs t a t l l s 蛔- b o i i e r 摹h e a n h ，n 在咖i n gan o r m a lo p e r a t i n g n d i t i o n 蛐恤eb a s eo fa c f u a l m e a s u i o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a d o p t i n gs t a t i s t i cs o f 书p s s l l 5t od e s i g nt h e n o i 碰a io p e i 鼍t i n g n d i t i o n sb yt h eo n h o g o n a lt e s tw a ya n dt h e no b t a i n i n g m u l t i c o m b u s i i o no p e r a t i n gt o n d i t i o n s s e c o n d l ) a nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s s i m u l a l e dn u m e r i c a i l ，rb ya d o p t i n gt h ec o m m e r c i a ls o f tc f x 4 3a n dt h 蛐t h e t e m p e r a t i i 仲d i s t r i b u t i n gd a t ao nt h ec h a r a c t e r i s t i cs e c t i o ni nh e a n hw e o b t a i n e d ，s ou s i n gi h ed a 协a ss a m p i et ot r a i na n dt e s tt h ei n t e g r a t e da d a p t i v e f h z z y - n e u m nn e l w o r i w h i c hi st h eb a s eo ft h ed y n a m i cd i s p l a y i n g2 一d i m e n s i o n 阳m p e 憎t l i 仲矗e 坩m o d e lb e t w e e n 缅e m b u s “o ns y s 蛔mi p u t - p a 髓m e 阳噶粕d t h et e m p e r a t u 他d a t a t h et e s t i n g 心s u hi d i c a t e st h a ti h i sm o d e lc a nb eh s e dl o d i s p l a yt h ed i s t r i b u l i n gt e m p e r a t u r ed y n a m i c a l j y r “hh i g h e rp i c i s i o n ，a n d s a t i s 矗鹤t h eo n - i i n ea n dv e m c i t yc o m m e n do ft h ed i a 印o s 虹s y s t e mf o rb o i i e r 。 邝n n i n 昏f i n a i l y ，t h ei n t e i i i g e n c em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e mo ft h e 阳m p e m t i i 件- 6 e mi nh e a n hw a sb u mo nt h eb a s eo fm em o d e i ，w h i c hc a n m o n i t o ra n dd i a g n o s ea nt h ew i n d _ c o 胡p a r a m e t e no n l i n e 叠n dd i s p i a yt h e t e m p e r a t l l 心d i s t r i b u t i n gi nt h eh 鞠n hd y n a m i c a l l y4 n d 髓t i m a l el h ep o s i t i o no f t h ed e n e c t i v eb u r n i n gc u t - c i i c l e t h em a i nw o r l a n di n n o v a t i o n si nt h i sp a p e rh a v er f e 仲n c es i 2 n i i i c a n c et o h o wt 0u s et h em o d e ma r t m c i a li n t e i i 垃e n c et e c h n o i o l ，a n dt h e u m e r i c a l c a i c u l a t i o nt e c h n o l o 影t oe n h a n 也e 蛐p e w i s i n g 曩n d n t m i i i n gq u a i i 锣o fb i g p a r - i n s t a i i a t i o n s t h er e s e a r c hr 船u h sn o l 蛐i yh a v et h e o r yv a i u e b u ta l s oc a nb e u s e da st h el e c h n o j o l ，b a s e s 如p - 曩c 6 c b i ( e yw o r d ： p u l v 耐z e dc o a l b o i l e r ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，m o n i t 嘶n ga l l d d i a g n o s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，a d a p t i v e 矗j z 巧n e u r i m n e t 、v o r k ( a f d ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ( 舭) 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 擗 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名 翩签名牲日哆呼年幽立日 中南大学硕十学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 2 0 0 3 年全国生产原煤1 6 6 7 亿吨，其中火电厂锅炉机组发电用煤的消耗量达 到8 5 亿吨，占全部煤炭消耗量的5 0 以上1 1 1 。预计到2 0 0 5 发电用原煤耗量达到 1 4 9 亿吨，2 0 1 0 年达2 0 亿吨【l i 。因此火电厂锅炉机组在数量上也必然增加。因 煤是储量最为丰富的且价格也最为低廉的化石燃料，故绝大多数锅炉均以煤作为 燃料，此类锅炉称为燃煤锅炉( 煤粉锅炉) ，我国热电厂和火电厂锅炉目前均以 煤粉锅炉为主。随着社会对能源需求的增长和科学技术的不断进步，各种大容量、 高参数的煤粉锅炉越来越多的应用到工业中。同时，煤粉锅炉运行时需监测和控 制的参数也越来越多，而目前的控制与监测措施并没有与其同步发展，因此锅炉 的运行维护问题变得日益突出【2 1 。如何有效监测煤粉锅炉的运行状况，提高煤粉 锅炉运行的经济性和安全性始终是能源与动力工程领域内学者与专家关注的焦 点。 煤粉锅炉的燃烧系统是整个煤粉锅炉运行体系中的核心系统，煤粉锅炉的安 全经济运行在很大程度上取决于燃烧系统运行的稳定性。煤粉锅炉运行过程中要 求在炉膛内组织稳定火焰，保证充分的燃烧。而在典型的四角切圆燃烧锅炉中， 往往因为燃烧工况组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙 等导致炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故，严重影响煤粉锅 炉运行的经济性和安全性，缩短了煤粉锅炉的使用寿命。同时，煤粉锅炉燃烧系 统又是一个十分复杂、多输入多输出的非线性时滞系统，其中部分重要参数还无 法通过常规的测量仪器进行测量，如炉膛内的温度分布状况数据等，因此，采用 传统的工程技术研究方法如风粉监测、炉膛火焰监测等对锅炉燃烧系统的运行状 态无法进行准确的实时监测。 本课题组在对中国铝业股份有限公司广西分公司热电厂2 # 锅炉进行技术改 造研究时，发现煤粉锅炉燃烧系统的大部分异常状态都与炉内的温度分布状况具 有一定的联系，从而提出了采用有效的监测手段和方式对锅炉炉膛内的温度场、 尤其是二维温度场分布状况进行实时监测这一课题。本文即以此为背景进行深入 地研究。 本文将以模糊数学、神经网络和数值模拟技术为基础，将三者的优势与煤粉 锅炉燃烧系统的特点相结合，构建一个基于集成自适应模糊神经网络的炉膛内二 维温度场模型，并利用该模型开发煤粉锅炉燃烧温度场智能监测与诊断系统。 中南大学硕十学伊论文第l 章绪论 1 2 锅炉温度场智能监测与诊断系统研究的意义 由于煤粉锅炉燃烧系统构成复杂、影响参数也 常多，燃烧系统出现异常状 况的频率也比较高。虽然目前已采用了以微机为基础的、具有一定分析能力的数 字监控系统和保护程序系统，但其水平仍处于显示数据、报警、紧急保护等方面， 所以目前锅炉运行过程的诊断与处理仍主要依靠操作人员的知识和经验。在大多 数情况下，监控系统显示的报警参数并不一定能够直接反映具体异常状况的发生 位置和类型p j 。 现代工业水平的发展以及新技术的不断出现使得现场对锅炉的运行控制不 再仅仅满足于显示数据、报警、紧急保护等简单方面的要求了。人们越来越关心 的是引起锅炉燃烧出现异常状态的深层次原因，比如风粉参数的配比、炉膛内流 场和温度场的分布情况等。由于锅炉燃烧系统的许多异常状况部与炉膛内的温度 分布状况具有密切的联系，因此，国内的高等院校和科研机构，如清华大学、浙 江大学、广东电力研究院等均对炉膛内的温度分布状况进行了深入研究，并且取 得了一定的成果，其中部分成果已经应用到了实际工业生产中。 研究煤粉锅炉炉内温度场智能监测与诊断系统是非常必要的，也具有重要意 义，具体体现在以下几个方面： 由于锅炉燃烧系大部分异常状态都与炉膛内温度分布有关，因此，对炉 膛内温度分布状况进行研究抓住了问题的本质。 煤粉锅炉炉内温度场智能监测与诊断系统可以解决现场部分实际问题， 该系统能够实时监测炉膛内的温度分布状况，及时诊断出煤粉锅炉燃烧 系统风粉参数的异常状态，为锅炉操作人员在诊断锅炉燃烧系统运行状 况时提供科学的决策依据。 综上所述，研究和开发煤粉锅炉炉内温度场智能监测与诊断系统，无论是从 提高锅炉运行的安全性和经济性来看，还是从提高对锅炉运行过程的监测水平来 看，都是非常必要的。 1 3 研究方法与内容 本文以煤粉锅炉炉内的温度分布显示为主要研究对象，其研究方法主要是： 运用集成自适应模糊神经网络重构炉膛截面上二维温度场动态显示模型，采 用正交试验设计法构造网络训练所需的样本，对各个样本采用数值模拟法获取炉 膛截面上的温度分布数据。 按照上述研究方法，本文从以下几个方面开展研究： 在锅炉的实测燃烧工况基础上，综合考虑各个方面因素，确定一个煤粉 锅炉燃烧的基准工况。然后在该基准工况之上，按照正交试验设计原理 和方法，对锅炉的燃烧工况进行设计，得到多组不同的锅炉燃烧工况， 中南大学硕七学伊论定第l 章绪论 并对每一组燃烧工况进行数值仿真。 利用自适应模糊神经网络对炉膛内特征截面上的每个温度点建立一个 非线性输入输出网络，并以此构建集成自适应模糊神经网络作为炉膛内 二维温度场的动态显示模型，然后应用数值仿真结果对该集成网络进行 训练和验证。 在二维温度场动态显示模型基础上，开发煤粉锅炉炉内温度场智能监测 与诊断系统。 3 中南人学硕士学 审论文 第2 章文献评述 第2 章文献评述 目i i i ，国内外众多专家和学者对煤粉锅炉炉内温度场分向状况的在线显示进 行了深入研究，其研究方法和手段也不再局限于传统的理论与经验知识。众多的 新技术、新方法被广泛应用到炉内温度场的研究中，并取得了较好的成果，其中 部分研究成果已经应用到工业生产中，产生了良好的经济效益。本章泔论了关于 炉内温度场的研究方法及其应用情况，并对现代人工智能技术在温度场研究中的 应用情况加以综述。 本文按照各种研究方法采用的不同原理，将现有的各种研究方法划分为以下 三种：一是基于传统的传热理论的半经验模型；二是实测法重构温度场：三是应 用数值模拟法重构温度场。以下分别予以评述。 2 1 基于传热理论的半经验模型 这类温度场模型主要以炉膛内的传热计算为主，具有比较严格的理论基础和 详细的推导过程，在目l i i 的理论研究与工程设计中应用比较广泛。主要有： 2 1 1 零维模型 在目前的工程设计中，采用零维的半经验方法进行炉膛传热计算。用这种方 法建立的炉膛模硬就足炉膛零维模型。 在炉膛零维模型中选取了炉膛出口烟温作为炉内烟气的代表性温度。除此之 外，还有其他的选择方法，选取绝热燃烧温度与炉膛出口温度的算术平均值或几 何平均值等，传热系数是通过经验进行选取，或者从锅炉热力计算中求出。这种 模型只能够反映在已有稳态数据附近的变动工况，模型本身比较粗糙，炉内温度 只取一个代表性温度，不能反映出工况变动时火焰中心位置的变化，因此不能满 足对燃烧切圆中心进行诊断的要求。 2 1 2 一维模型 炉膛内一维温度场模型足将炉膛沿高度方向划分为多个计算区，通过计算不 同区段内的温度，然后得出炉膛沿高度方向上的一维温度分布状况图。 该模型的结果能够比较直观地显示出炉内温度沿高度方向上的分布情况。但 是，将炉膛内高度方向上的温度分布情况压缩成一条直线，用一个点上的温度代 表该点所在的截面温度具有明显的缺陷。现在通过计算机对炉膛内的燃烧状况进 行数值计算后发现，即在炉膛内的某个截面上，其温度也存在明显的高温区和低 温区，并且差别比较大。 哈尔滨工业大学的洪梅【副等从工程实用的角度出发，通过建立大型煤粉锅炉 炉膛燃烧、传热的一维数学模型对各种运行工况条件下的炉膛介质温度、水冷壁 4 中南大学硕+ 学伊论文第2 章文献评述 吸收热流密度、燃烧释热率等热力参数的一维分布值进行分析计算，然后对三个 不同型号锅炉的计算分析并与原设计计算结果进行比较，证明了一维数学模型可 以对在各种锅炉结构参数、各种运行负荷、各种燃料特性参数及风粉配额条件下 的炉膛介质温度和水冷壁吸收热流密度等热力参数一维分布值进行分析计算。 通过半经验模型获得的温度场。其原理比较清楚，计算过程不是很复杂，但 是计算量比较大、其温度场过于简化。计算量比较大决定了该模型只能用于离线 计算，而不能够在线计算。以炉膛出口的烟气温度或者沿炉膛高度方向取一条线 上的温度来代表整个炉膛内的温度状况，在整个炉膛空b j 内获取的温度点数比较 少，并不能够反映炉内湿度分布的真实状况。同时在构建模型过程中，简化了许 多因素，因此模型本身存在一定的缺陷，其计算结果只能在工程设计作为参考， 不能作为判断锅炉燃烧状况的依据，实用价值不是很高。 2 2 实测法重构温度场 应用实测法重构炉内温度场是目前国内外重构温度场研究中采用得较多的 方法。该方法是利用现代先进的测量技术获取炉膛内一条直线上或者一个截面上 某几个点的温度，然后利用获得的温度数据重构出炉膛内一维或二维温度场。根 据其测量方法的区别，实测法重构炉膛内的温度场主要有以下两种： 2 2 1 利用火焰图像处理技术重构炉内温度场i 0 1 利用火焰图像处理技术研究锅炉炉膛内温度场是目前国内锅炉研究领域内 一个十分活跃的前沿课题。国内高校主要以清华大学热能工程系、浙江大学热能 与动力工程研究所、华中科技大学能源动力工程学院为代表在该领域内从事研究 工作。国外在该领域内的研究主要集中在两个方面【6 i ：一是通过先进的光学仪器 获取炉内火焰分布图像，先进的光学仪器主要是高温摄像头( c c d ) ：二是研究 将火焰图像信息转换成温度数据的算法，关于算法的研究主要有神经网络法、贝 叶斯框架法等。但是如何去除图像中的噪音以及算法的实现方面并没有给出较好 的解决方案，同时，重构温度场的准确性也无法检验。 利用火焰图像处理技术构建炉内温度场的基本原理如下： 在锅炉某个截面上的四个角上安装四个彩色c c d ( c l l a r g ec o u p l e dd e 、r i c e s ， 面阵电荷耦合器件) 摄像头，与图像采集卡、图像传感器等构成一个炉膛测温系 统。由c c d 监测到炉膛中火焰的辐射信号能在较大程度上反映燃烧过程的状态及 形式特征，然后根据辐射信号的波长与温度之间的关系，将波长转换成温度信号， 重构出炉内温度场。在煤粉燃烧火焰辐射的波长范围3 0 肛1 0 0 姗以及温度范围 8 0 0 k 2 0 0 0 k 之间，p l 柚c h 辐射定律可由晰e n 辐射定律替代f 7 】： r，1 、 ( 五，丁) = s ( 五) ：e x p i 一：= 王l ( 2 1 3 ) 。五。 。l 五? 。 中南大学硕十学伊论文 第2 章文献评述 式中：煤粉燃烧火焰辐射能；占辐射率；z 绝对温度，k ；五波长，pm ： c l ，c ，常数，c = 3 7 4 1 8 4 4 1 0 1 6 w m 2 ，c ，= o 0 1 4 3 8 8 2 2 m k 其测试装置如下图所示，主要有c c d 火焰探测器、彩色视频采集乍、视频 分割器、彩色显示器、工控机等组成。将c c d 放置在炉膛的某个截面上，c c d 得到的信号通过四面面分割器合成后，一路作为图像乍的输入，另一路接入录像 机录像。在安装了图像卡的工控机机中，对图像卡采集、保存的图像进行断面温 度场的重建处理。 图2 1 火焰图像获取装置系统示意图嗍 当煤粉燃烧火焰在可见光的范围内进行测温时，用式( 2 1 3 ) 计算，其误差不 超过1 【9 1 。而对获取的火焰图像进行处理的方法有全色法、双色法、单色法和综 合法，采用不同的方法提取火焰图像信息获得的结果的精度也不一样。目前，全 色法、双色法和综合法应用比较多，单色法由于其精度比较差，基本上不在工程 上采用了。当c c d 摄像头在锅炉炉膛上安装的位置不同时，可以得到炉内一维、 二维和三维温度场。 利用火焰图像处理技术构建炉内温度场的关键在于重构温度场的算法。目前 应用比较广泛的重构温度场算法主要有：将罚函数法、模拟退火法、单纯形法相 结合起来的重建算麒1 0 】，代数迭代算法【l l 】，多层神经网络算法【1 2 】，非线性寻优 算法【1 3 瞎。上述各种算法的核心思想都是在获取的温度图像信息与炉内温度场 之间建立一种映射关系，重构出炉内温度场，比较真实地反映炉内的温度分布状 况。 华中科技大学的姚斌、娄春【1 4 1 等人在汉川电厂3 0 0 m w s c l 0 2 5 1 8 3 m 3 1 4 锅 6 中南大学硕十学付论文第2 章文献评述 炉的炉膛上采用4 个c c d 火焰探测器检测火焰图像，通过对火焰图像的处理， 实现了炉膛断面二维温度分布场的重构，给出了不同工况条件下炉膛断面的温度 分布，对结果进行了分析比较，其结果表明由火焰图像重建的炉膛温度场得出的 信息与电厂运行经验基本一致。 万新福【l 副等人利用计算机图像处理技术设计对姚电公司3 0 0 唧燃煤锅炉建 立炉膛燃烧火焰图像处理及辐射能检测系统，该系统将火焰的灰度图像转换为温 度图像分布，并计算出辐射能大小，实现了系统硬件和软件的结合，给出了火焰 温度图像和辐射能检测结果，证实辐射能信号能够快速反映炉内燃烧工况的变 化，对电站运行操作人员起到了很好的参考和指导作用。 周怀割1 6 】等给出了完整的用于监视护膛三维燃烧温度场分布的基于辐射图 像检测的方法，为了利用火焰图像监测装置检测到的炉膛燃烧辐射能分布图像信 息重建三维燃烧温度场，提出了一种针孔成像条件下的快速方法计算c c d 靶面接 收的辐射能。针对炉膛燃烧三维温度场重建的严重病态问题建立了一种基于 啊l d l o n o v 正则化的求解方法。对于单峰型三维温度分布重建模拟计算结果表明： 即使辐射图像检测包含均方差达到0 1 1 的误差，温度场重建误差仍能维持与测 量误差基本相当的水平，温度分布可视化质量较高。各种图像检测组合方式的重 建结果比较显示，炉膛四角沿高度方向每隔5 m 左右交叉对角布置两个辐射图像 采集装置，能够获得较好的全炉膛温度场可视化结果。 利用火焰图像处理技术构建炉内温度场的优势在于采用非接触式的测温方 法，无需参考光源和参考测温点，温度场能够在线显示。但是，该方法的缺陷也 非常明显：首先要从获取的火焰图像中如何提取信息，然后转换成温度数据，此 时必须考虑如何消除图像信息中的噪声问题：第二，测温范围有限( 8 0 0 k 2 0 0 0 k 之间) ，燃烧系统一旦出现异常状况，某个测温点的温度不在该范围之内，则无 法获得该点的温度值；第三，获取的温度信息比较少，如要获取大量的温度数据， 则需要安装多个彩色c c d 摄像头，必然增大投资成本。此外，还有c c d 摄像头在 高温、粉尘和熔渣等现场恶劣环境下长期、连续工作的寿命与维护等问题。 2 2 2 利用声学原理重构炉内温度场 声学法测温技术由于其自身具有的优越性能，8 0 年代中期以来不断受到各 国学者及工程技术人员的关注，并已实际应用到电站大型锅炉炉膛的温度场测量 中【r 丌 声学法电站锅炉温度场检测技术是利用声波与c t ( c o m p u t e dt 咖o g r a p h y ) 技术相结合实现炉膛温度场的非接触可视化测量。因此快速而又具有定精度的 重建算法是炉膛温度场重建的关键。 声学高温测量的基本原理【1 3 】是基于气体介质中声波的传播速度是该气体介 7 中南大学硕七学付论文 第2 章文献评述 质温度的函数，同时也与该气体组分有关，其公式如下： u ：1 等 ( 2 - 1 4 ) 归1 百 心- 1 4 式中：u 声波在气体介质中的传播速度，m s ；，气体介质定压比热容与定 容比热容之比值；r 绝对温度，k ；r 气体常数，8 3 1 4 j ( m o l k ) ：m 气体 分子量，k g m o l 。 由于气体组分对声音传播速度的影响较小，在大多数情况下气体组分的变化 也不大，因此声音的传播速度可以看作是气体介质温度的单值函数。式( 2 1 4 ) 可变为： ，= ，( 丁) ( 2 - 1 4 通过在炉膛的两侧安装声波发射器和接收器，由于声波发射器和接收器之间 的距离，是固定不变的已知常数，则可通过测定声波的飞渡时间，来确定声波传 播路线上气体介质的平均温度。 d = 三 ( 2 1 5 ) d = 一 z - l ，j f 式中：f 声波传播的距离，m ；f 声波的飞渡时间，s ； 由式( 2 一1 4 ) 和式( 2 一1 5 ) 可得到波传播路线上气体介质的平均温度： 瓦= 研) 2 1 0 6 2 7 3 1 6 式中b = 坝调 ( 2 1 6 ) 其测试装置如下图所示： 图2 2 声波测温装置系统示意图l ”1 通过在炉膛某个截面上安装多个声波发射器和接收器，则可以获得多条独立 路径上烟气的平均温度，经过专业软件进行处理之后能够重构炉膛截面上的二维 温度场。 日本学者通过声波发射接收器获得声波在炉内的飞渡时间( t i m eo f f l i g h t ) 测 量数据，根据最小二乘法藿建炉膛内截面上的二维温度场【1 9 1 ，但其误差比较大。 8 中南大学硕+ 学付论文 第2 章文献评述 田丰【1 8 1 等人利用正则化方法对电站锅炉炉膛温度场进行重建，并与最小二 乘法重建温度场算法进行了比较，该算法与最小二乘法温度场重建算法的主要区 别是通过在温度场重建中加入火焰先验信息，提高在测量数据较少的情况下温度 场的重构精度。仿真结果表明该算法比最小二乘法温度场重建算法具有较高的重 建精度，用该算法可以通过较少的温度测量数据而以较快速度、较高精度来实现 锅炉炉膛内二维温度场的重建。算法能在测量数据较少的情况下，通过加入火焰 的先验信息，以较快速度、较高精度重建出炉膛二维温度场。但当温度梯度变化 较大时，重建温度场存在边缘效应，即中自j 区域重建精度高，边缘部分精度低， 但随着测量数据的增多( 增加传感器数量) 边缘部分的重建精度有所提高。 谢李兵【2 0 瞎在声波测温基础上提出一种利用声学传感器和温度传感器相结 合获取温度数据，然后用迭代和二维函数插值法重建炉内温度场的温度场测量方 法。该方法对温度数据的获取方法作了改进，其温度场即反应炉内截面上的整体 温度分布状况，也兼顾了局部的温度变化比较大的特征。但回避了对温度场测量 数据的真实性的探讨。 声学高温测量的基本原理比较简单、易懂。但是，利用声学高温测量原理重 构的二维温度场也存在一些不足之处：首先需要在炉膛上安装多个测温装置才能 获取炉内温度信息；其次，在一个炉内截面上获取的温度信息比较少，重构出来 的温度场只包含了部分温度的分布状况信息。 综上所述，运用实测法重构炉内温度场是一种比较新的技术，其重构的炉内 温度场都可以在线显示，但其有效性都无法验证，硬件的日常维护工作量都比较 大。运用实测法重构炉内温度场的重点在于解决两个问题：一是获取足够的、可 靠的炉内温度分布信息，无论是通过光学图像还是通过声波获取的炉内温度分布 信息都相对有限，而到目前为止还没有文献对获取信息的可靠性进行探讨；二是 重构算法，如何将获取的温度分布信息准确地重构炉内温度场的关键在于算法， 重构算法必须满足实时性和准确性两个要求。其次在实测法重构炉内温度场的过 程中忽略了一些重要的影响因素，比如炉膛内烟气黑度与烟气中含有尘埃的问 题，当烟气的温度发生变化时，烟气的黑度也随之改变，当烟气中含有尘埃较多 时，也会影响烟气的温度测量的准确性。 2 3 数值模拟法重构温度场 炉膛内煤粉燃烧是一个复杂的物理、化学过程，涉及到多相流动、传热传质 和燃烧等多个学科，理论解析十分困难。随着计算机的出现和计算方法的迅速发 展，使得锅炉炉膛内燃烧过程的数值求解成为可能。目前在湍流方程组的基础上， 人们提出了许多计算模型【2 1 喇l ，如气体湍流输运模型：混合长度模型、单方程 模型、七一f 双方程模型、r n g 卜r 模型( 带旋流修正) 、雷诺应力模型等；气体 9 中南大学硕士学何论文第2 章文献评述 湍流燃烧模型：旋涡破碎( e b u ) 模型；颗粒湍流扩散和反应经历模型：随机轨道 模型、特征频率一频谱随机轨道模型、斯托克斯紊流粒子扩散模型；颗粒相变与 燃烧模型：热解通用反应模型，焦炭燃烧的扩散一动力模型；等等。这都为锅炉 炉膛内燃烧状况的数值模拟打下了基础。现在对锅炉炉膛内部的燃烧过程建立的 三维模型已经能够做到两相流、燃烧、辐射传热的耦合计算。三维模型对于了解 锅炉的燃烧状况、工作条件，指导燃烧试验研究工作和锅炉的设计、改造与运行 都有重要意义。 由于数值模拟法能够对煤粉炉内速度场、热场、浓度场以及燃烧释热场进 行多场耦合求解，具有比较完善的数学模型和理论依据，随着计算机硬件和软件 的高速发展，采用数值模拟法研究炉内燃烧过程的人越来越多。 孙昭星等瞄j 以炉内湍流流动、传热传质，燃烧释热的基本理论建立数学模 型，寻求合理解法对大型电站锅炉的燃烧过程进行了三维全模拟数值计算。王金 铭等b 6 j 直接将加r 双方程湍流模型应用于大型锅炉水平烟道的三维冷态流场计 算，编制程序对某厂h g 6 7 0 ，1 4 0 型锅炉的水平烟道的冷态流场进行了数值计算， 并与已有的试验结果进行了对比，获得了较满意的结果。李彦鹏等【2 7 l 在数值模 拟中引入了空间度概念，利用空问度概念及其数值方法对h g 一2 0 0 8 1 8 2 一y m 2 型 锅炉的冷态模型进行了计算。王春刚等田】在四角切圆燃烧炉膛气固两相冷态模 化实验基础之上采用特征频率一频谱随机轨道模型及随机轨道模型对炉内颗粒的 湍流扩散进往了数值模拟。计算结果表明：特征频率一频谱随机轨道模型更能反 映出颗粒湍流扩散中受涡结构影响的特征，这为模拟颗粒的脉动速度提供了新思 路。另一方面也说明随机轨道模型由于未考虑各个湍流涡团的不同的脉动频率、 频谱、振幅和方向性，而存在一些不足。此外，文献 2 9 3 8 也对锅炉多相流燃 烧的数值模拟相关内容进行了报道。 近年来，中南大学能源与动力工程学院借助商业软件c f x 4 3 ，以1 3 0 t h 中 压煤粉炉等为对象，采用膏一f 双方程气相湍流模型、l a g r a n g i a n 颗粒相随机 轨道模型、l c - ，一g 气相燃烧模型以及混合格式有限差分方法与s i m p l e c 算法，对煤粉锅炉炉内速度场、热场、浓度场以及燃烧释热场进行多场耦合仿 真，研究了不同配风工况下的燃烧工况及优化问题【3 ”，为利用商业软件c f x 4 3 对煤粉锅炉进行多场耦合数值计算积累了宝贵的经验。 文献 4 2 在数值模拟法的基础之上提出了燃烧工况二重数值仿真思想，即通 过对炉内温度场的离线数值计算结果的二次模拟，应用纯数值方法解决炉内温度 场的动态可视化监测问题，实现对炉内温度场的动态显示，以达到对炉内燃烧状 况进行监测的目的。该二维温度场的计算模型如下： 设幻时刻炉内温度分布： 1 0 中南大学硕十学 寺论文第2 章文献评述 r = h 毛j ，z ，石( “” ( 2 1 7 ) x ，j ，z 表示炉内空间座标；x 表示所有运行操作参数的集合，可视为时间的 函数。 设式( 2 1 7 ) 为时间的连续可微函数，则f = “+ 业时刻对于空间固定点 ( z ，y ，z ) 处的温度值可由下式得到( 取一阶近似) ： 聊舯z 龇卅詈小m 舭姚卅喜萎弪刽础 ( 2 1 8 ) 对于离线数值计算得到的离散分布的温度场，其空间座标( x ，y ，z ) 换成离散 网格点( f ，_ ，| ) ，上式中的的偏导数和全导数近似用有限差商代替，则； 如m “m 批舻妻毅舞等卜 沼 m - ，七，f ) * r ( f ，| | ，x ( “) ) + i 岩竺等卜 h o lm o l 、一1 榭 一 ， 1 n 、 = r ( f ，后，x ( f 。) ) + ( 足似。) 这里， “相当于基准工况对应的时刻，咎相当于采样时间间隔，丘“为空间点 温度对变量x 。的变化率；角标胛取值l 、2 、3 、4 ，分别表示四个角；角标m 取值l 、2 、3 、l l ，分别表示1 1 种操作参数。 因已离线计算得到了基准工况条件下的温度分布丁( f ，七，x ( “) ) ，及2 # 角 1 1 个参数相对于基准工况条件改变肚。：时的温度变化率矩阵k k ( ，j j ) ，于 是，2 # 角各参数变化( 其变化值可能不同于计算工况) 时，其温度分布将由下 式得到： 疋( f ，_ ，_ i ，f ) = 丁( f ，_ ，七，x ( r o ) ) + k l ：佤_ ，后) 4 r ：) ( 2 - 2 0 ) 式中，似：= 以：( r ) 一以：“) ；或写成：硝：= x ：一x ： 考虑到四个角燃烧器结构和布置方式相同( 对称) ，故四个角各参数对炉内 温度的影响规律是相同的( 具有对称性) 。事实上，当五y 方向的计算网格相等 ( 均为s 个) ，且均匀分布( 或为对称分布) 时，其它角各参数对空间点( f ，七) 温 度值的影响作用都将类似于( 2 - 2 0 ) 式，只需将其中的系数矩阵k ( j ，七) 作适 当变换即可。容易导得： l # 角各参数对温度分布影响的系数矩阵为： k l ：o + l 一，f ，七) 3 # 角各参数对温度分布影响的系数矩阵为： k l ，u ，j + 1 一j ，七) 4 # 角各参数对温度分布影响的系数矩阵为： k l ：o + l j ，5 + l 一，后) 中南大学硕十学付论文第2 章文献评述 于是，四个角各参数对温度分布的影响结果可衷示为： l l ， r ( f ，七，f ) * r ( f ，七，工( “) ) + k 以：( f ，七) d y ：2 ) + m s i l l ，、l l ， 【k ( j + l 一，f ，七) 4 磁。) + k k ：( _ ，j + l f ，女) 硝1 ) + m - lm ；l l i ， k l ：( s + 1 一f ，s + l 一- ，七) 硝0 ) m 。i ( 2 2 1 ) 其中，硝：= 霸一j ：。；删0 = 碥一砧；硝0 = x 二4 一工二 通过式( 2 2 1 ) 可以对炉内温度场的离线数值进行二次模拟，从而实现炉内 温度场的动态可视化监测。式( 2 2 1 ) 的计算结果与离线计算值的最大误差不超 过1 2 0 ，最大相对误差不超过1 2 ，基本可以满足工程应用的要求。该模型的 实质是通过离线计算出不同工况下的温度场，然后对其采用一阶线性插值法来重 构炉内温度场的动态显示模型，计算比较简单，将燃烧参数与温度场之日j 的i e 线 性关系简化成一阶线性关系。 综上所述，数值模拟法作为研究煤粉炉内燃烧状况的有效方法已得到业内人 士的普遍认同。数值模拟法的优势在于具有较强的理论基础和经验基础，充分考 虑了炉内煤粉燃烧的影响因素，对描述炉内煤粉燃烧过程建立完整的封闭数学方 程组模型，能够用计算机进行多场耦合求解获得炉内一维、二维、三维的温度分 布状况信息，计算结果可靠。其缺陷就是计算量非常大，需耗费大量的计算时问， 只适合对炉内温度场进行离线分析，无法进行在线诊断。 2 4 人工智能技术在锅炉研究中的应用 现代人工智能技术主要包括专家系统、神经网络和模糊集理论三个部分。专 家系统主要是利用领域内专家的经验知识和的理论知识解决领域内的问题；神经 嗍络具有极强的非线性和并行计算的特点，主要用来构建非线性模型、算法实现、 快速推理以及预测和诊断；模糊集理论则扩大了知识的表达方式，解决了经典逻 辑无法解决的问题。 由于专家系统、神经网络和模糊集理论各自的特点和优势，三者都已经得到 了广泛的应用，其应用的最大特点是三者的融合与优势互补。下面介绍三者的实 际应用情况。 倪远平与李彬华等h 3 1 将模糊理论和神经网络引入电力变压器故障诊断中。 提出新的故障诊断方法，设计了故障综合诊断模型，其仿真表明该方法是一种有 效可行的方法，能够提高故障的识别率，具有一定的实用价值。邓洛风、张栋等 h 4 l 将模糊径向基函数神经网络( f r b f n ) 用于模糊数据的建模，并提出融和圆锥模 1 2 中南大学硕七学位论文第2 章文献评述 糊向量的聚类方法和模糊线性回归的学习算法，这种模糊神经网络具有运算速度 快、精度比较高的特点，较好地解决了模糊数据建模的问题。杨一文j 、周佩 玲h 6 l 、汤凌冰m 等将自适应模糊神经网络应用到股票价格的预测中，虽然精度 有待提高，但都能够比较准确的预测股价的走势情况。 现代人工智能技术不仅在设备故障诊断，非线性系统建模、股票预测等领域 内得到了广泛的应用，而且在锅炉研究中也得到了广泛应用，具体体现在以下几 个方面： 2 4 1 利用人工智能技术建立炉况监测与诊断系统 由于锅炉的结构十分复杂，需要控制的运行参数非常多，运行工况也需调整， 因此，在锅炉运行过程中容易出现异常状况，如不对这些异常状况进行监测和调 整，则很容易发生故障，甚至重大事故，造成锅炉非正常停机，严重影响锅炉机 组的安全性和经济性。比如燃烧调整问题，调整好每个燃烧器的风速和粉量配比 浓度，对煤粉着火、燃烬、炉膛火焰均匀性都有好处，并能消除炉内速度场、浓 度场、温度场、热流场的异常，缓解和避免因燃烧不稳造成的锅炉灭火、炉内局 部结焦和过热，过热器和再热器超温爆管等影响锅炉安全运行的现象。现代人工 智能技术的发展，为锅炉运行状况的监测和诊断提供了一种新的技术和措施，目 前已有许多学者正在从事锅炉运行状况的智能监测与故障诊断的研究。 华中科技大学的陆继东【椰1 、清华大学的倪维斗【札明等人从循环流化床锅炉 自身特性、系统要求出发，设计了一套循环流化床锅炉在线监测与状态诊断专家 系统。该系统在分析循环流化床锅炉常见故障状态与常用诊断技术的基础之上， 详细阐述了循环流化床锅炉在线监测与状态诊断专家系统的知识库的构建，推理 机制的设计，系统诊断流程、软件实现以及系统功能等，现场运行结果表明该系 统能够对锅炉的运行状况进行有效监测，及时诊断出锅炉的运行故障，能够预防 安全事故的发生。东南大学的马卫刚5 3 1 等利用神经网络对永安火电厂5 # 炉建立 了电站锅炉燃烧诊断系统，该系统为运行人员提供了有意义的定量化特征参数， 并对燃烧状况辩识的机理进行了富有成效的探索，为电站锅炉的燃烧诊断和优化 控制提供新方法和新途径，同时为运行人员提供了更直观、更丰富、更准确、更 可靠的燃烧控制信息，已具备了初步的指导燃烧的作用。哈尔滨工程大学的施小 成【划等将最新热偏差理论与专家系统理论相结合，建立了船用锅炉过热器故障 诊断专家系统的数学模型，开发了锅炉过热器的故障诊断专家系统。该系统可对 锅炉过熟器故障进行在线预报。 2 4 2 利用神经网络对n 0 x 的排放量进行预报 随着人们环保意识的不断提高，对锅炉烟气中n o x 排放量的控制越来越严格 了，我国火电厂大气污染物排放标准中明确规定：3 0 0 m w 及以上机组固态 中南大学硕七学傍论文 第2 章文献评述 排渣煤粉炉的n o x 排放量不得超过6 5 0 m 洲m 3 。因此，对锅炉烟气中n o x 排放 量预测势在必行。目前n o x 浓度预测主要有两种方法：一是借助全炉膛火焰图像 处理系统，对火焰图像进行有效的处理，根据炉膛内火焰温度分布进行估算，可 预测出n o x 的生成量；二是建立n 0 x 浓度与输入变量之日j 的数学模型进行估算。 文献 5 5 5 7 利用计算机图像处理技术从电站煤粉锅炉炉内火焰图像中提取火焰 燃烧特征参数，结合b p 神经网络，对电站煤粉锅炉n o x 排放监测进行了实验研 究，利用b p 神经网络对电站煤粉锅炉n o x 排放量监测的准确性取决于b p 神经网 络的设计以及燃烧特征参数是否能够正确地反映n 0 x 的排放。实验结果表明通过 对火焰燃烧特征参数变化的跟踪，神经网络可以较为准确