可拓工程方法在火電廠煤粉著火及時(shí)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王 波

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

可拓工程方法在火電廠煤粉著火及時(shí)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王 波

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

考慮到煤粉能否及時(shí)著火對(duì)于電站鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(píng)價(jià)方法。在建立評(píng)價(jià)等級(jí)指標(biāo)和評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算與煤粉燃燒及時(shí)性有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)和各種評(píng)價(jià)等級(jí)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(shí)。最后通過(guò)實(shí)例表明，此方法用于評(píng)價(jià)鍋爐煤粉著火狀態(tài)的有效性、準(zhǔn)確性及工程實(shí)用性。

煤粉；著火；狀態(tài)評(píng)價(jià)；可拓理論；物元

0 引 言

煤粉能否及時(shí)著火對(duì)電站鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。若煤粉著火過(guò)早，則燃燒器區(qū)域溫度過(guò)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(guò)熱器超溫及爆管事故，增加了運(yùn)行調(diào)節(jié)難度。電站鍋爐內(nèi)部燃燒機(jī)理極為復(fù)雜，即使是有較為先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段和裝置，運(yùn)行人員對(duì)爐內(nèi)燃燒過(guò)程的認(rèn)識(shí)仍然比較模糊，經(jīng)常是憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)燃燒工況進(jìn)行調(diào)整。所以很有必要對(duì)燃煤鍋爐煤粉著火狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定其著火是否及時(shí)，這有利于評(píng)估燃燒器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，為運(yùn)行人員提供科學(xué)指導(dǎo)，亦可為維修決策提供相應(yīng)的依據(jù)。文獻(xiàn)[1]中應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)某電廠EⅡ670-13.8-545KT型鍋爐煤粉著火狀態(tài)做了定量評(píng)價(jià)。然而這種方法在建立評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬函數(shù)問(wèn)題上，顯示出其運(yùn)算量很大而且主觀性較強(qiáng)的缺點(diǎn)。這樣很可能會(huì)使評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行狀況偏離。存在著主客觀相互矛盾的問(wèn)題，為了克服這一缺陷，使評(píng)價(jià)更具客觀性，提出以可拓工程方法來(lái)評(píng)價(jià)燃煤鍋爐煤粉著火狀態(tài)。

可拓理論是中國(guó)學(xué)者蔡文等人為解決主客觀矛盾問(wèn)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(shí)研究“量”和“質(zhì)”兩者對(duì)所描述問(wèn)題的影響程度，從而完整地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)特征，可拓評(píng)價(jià)方法常用于處理多參數(shù)、混合度大的矛盾問(wèn)題[2-3],已廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域[4-5]。文中提出了火電廠煤粉著火及時(shí)性的可拓物元評(píng)價(jià)方法，建立了煤粉著火狀態(tài)等級(jí)的物元模型，通過(guò)計(jì)算影響著火及時(shí)性的參數(shù)與各評(píng)價(jià)等級(jí)之間的可拓關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而評(píng)價(jià)其著火狀態(tài)是否及時(shí)。

1 可拓理論簡(jiǎn)介

1.1 物元[2]

1.2 可拓集合及初等關(guān)聯(lián)函數(shù)

設(shè)論域U中的任一元素u，對(duì)應(yīng)一實(shí)數(shù)K(u)∈(-∞, +∞)，則A={(u,y)︱u∈U,Y=K(u) ∈(-∞, +∞)}為論域U的一個(gè)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(shè)x為(-∞, +∞)上的任意一點(diǎn)，區(qū)間X0=和X=為實(shí)域上任一區(qū)間，X0∈X且無(wú)公共端點(diǎn)，則初等關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

式中：ρ(x,X0)為點(diǎn)x與區(qū)間X0的距；D(x,X0,X)為點(diǎn)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(jì)算點(diǎn)x與X0的關(guān)聯(lián)程度，k(x)>0表示點(diǎn)x屬于X0的程度；k(x)<0表示點(diǎn)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(shí)性評(píng)價(jià)指標(biāo)及等級(jí)

煤粉著火過(guò)程極為復(fù)雜，其主要與燃料特性、運(yùn)行因素和燃燒器特性有關(guān)。對(duì)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(fēng)速、二次風(fēng)速、煤粉濃度等運(yùn)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(fēng)粉溫度對(duì)著火及時(shí)性影響也較大。風(fēng)粉溫度越高，一次風(fēng)粉氣流著火熱越小，越有利于著火，但風(fēng)粉溫度也不宜過(guò)高，否則容易引起煤粉自燃，導(dǎo)致燃燒器結(jié)渣，對(duì)低灰融點(diǎn)煤尤為嚴(yán)重。所以說(shuō)運(yùn)行參數(shù)實(shí)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(yùn)行參數(shù)變化范圍及其最佳值確定后，就可以劃分與評(píng)價(jià)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的區(qū)間，依據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與對(duì)應(yīng)區(qū)間的偏離程度，即可拓關(guān)聯(lián)度的大小，進(jìn)而對(duì)煤粉著火狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[1]中通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定了機(jī)組在150 MW負(fù)荷下4號(hào)燃燒器一次風(fēng)速、二次風(fēng)速、煤粉濃度的最佳值，風(fēng)粉溫度的最佳值根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得到,各參數(shù)變化范圍亦根據(jù)日常運(yùn)行記錄得出[1]，見(jiàn)表1。但是，筆者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)總是存在誤差的，為了使著火及時(shí)性評(píng)價(jià)更具客觀性，各運(yùn)行參數(shù)的最佳值亦應(yīng)該由數(shù)值區(qū)間的形式給出。

表1 運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)范圍及最佳值運(yùn)行參數(shù)一次

根據(jù)該電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)一次風(fēng)速u在17～18.5 m·s-1范圍內(nèi)時(shí)，燃燒器噴口易燒損，表明煤粉提前著火。而一次風(fēng)速在19.5～23 m·s-1范圍內(nèi)時(shí)，鍋爐爐膛上部及出口易結(jié)渣，并且易發(fā)生過(guò)熱器超溫甚至爆管現(xiàn)象，這表明煤粉著火推遲而導(dǎo)致了火焰中心上移，故最佳一次風(fēng)速應(yīng)該是u∈(18.5,19.5)m·s-1；同理，最佳二次風(fēng)速v∈(26.5,27.5)m·s-1；文獻(xiàn)[1]中采用實(shí)驗(yàn)方法得到了爐膛溫度隨煤粉濃度變化的關(guān)系曲線，當(dāng)煤粉濃度在0.58～0.6 kg·kg-1范圍內(nèi)時(shí)，曲線幾乎保持水平，并且此數(shù)值區(qū)間對(duì)應(yīng)于150 MW負(fù)荷下?tīng)t膛溫度最高點(diǎn)，所以可以認(rèn)為當(dāng)煤粉濃度x∈(0.58,0.6) kg·kg-1時(shí)，煤粉著火及時(shí)；風(fēng)粉溫度越高，對(duì)煤粉著火越有利，但是其值過(guò)高亦會(huì)引發(fā)煤粉自燃等不利因素。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，比較合適的煤粉溫度T∈(182,188)℃；在影響著火及時(shí)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(shí)和著火推遲三個(gè)狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)數(shù)值區(qū)間見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)范圍及最佳值評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 評(píng)價(jià)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(lái)描述：

式中：R為狀態(tài)物元；N為狀態(tài)等級(jí)；C為狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即影響煤粉著火狀態(tài)的運(yùn)行參數(shù)：一次風(fēng)速u、二次風(fēng)速v、煤粉濃度x和風(fēng)粉溫度T；P為評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值。

3.1 確定煤粉著火狀態(tài)優(yōu)劣等級(jí)的經(jīng)典域

結(jié)合表1中各指標(biāo)在各評(píng)價(jià)等級(jí)的數(shù)值區(qū)間，分別建立煤粉著火狀態(tài)優(yōu)劣等級(jí)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(xué)中，建立了“節(jié)域”和“質(zhì)度函數(shù)”兩個(gè)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(duì)象的某種特征對(duì)應(yīng)的數(shù)量值區(qū)間，當(dāng)研究對(duì)象在某一狀態(tài)下的數(shù)學(xué)描述量值在節(jié)域范圍內(nèi)時(shí)，其性質(zhì)就保持穩(wěn)定。反之，當(dāng)此量值的變化超越節(jié)域時(shí)，就會(huì)發(fā)生“質(zhì)”的變化[3]。依據(jù)可拓集合X0=，X=，Xo∈X且無(wú)公共端點(diǎn)這一要求，結(jié)合表2中各評(píng)價(jià)指標(biāo)從提前到推遲的數(shù)值區(qū)間，簡(jiǎn)言之，就是各評(píng)價(jià)指標(biāo)的允許變化范圍，可建立評(píng)價(jià)煤粉著火狀態(tài)的節(jié)域：

3.3 計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)于旋流燃燒器，其一、二次風(fēng)同時(shí)噴入爐膛，不存在二次風(fēng)推遲混合的情況，因此認(rèn)為一次風(fēng)速與二次風(fēng)速所占權(quán)重相同。煤粉濃度、風(fēng)粉溫度對(duì)煤粉氣流的著火有較大影響，權(quán)重應(yīng)適當(dāng)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(píng)價(jià)結(jié)果，需要按下式做歸一化處理：

(5)

3.4 評(píng)價(jià)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(jí)為Sk,其它狀態(tài)等級(jí)的可能性可依據(jù)其關(guān)聯(lián)度的相對(duì)值大小決定，關(guān)聯(lián)度相對(duì)值越大，則意味著接近該狀態(tài)可能性越大。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

選取文獻(xiàn)[1]中EⅡ670-13.8-545KT型鍋爐4號(hào)燃燒器在某一時(shí)刻的運(yùn)行數(shù)據(jù)：一次風(fēng)速20 m/s，二次風(fēng)速29 m/s，煤粉濃度0.65 kg/kg，風(fēng)粉溫度193℃，以向量形式表示為：Y01=[20,29,0.65,193]，它對(duì)應(yīng)的現(xiàn)狀物元[2]為：

按式(3)、(4)結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)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(gè)數(shù)值分別對(duì)應(yīng)煤粉著火的“提前”、“及時(shí)”和“推遲”三個(gè)狀態(tài)，根據(jù)式(6)最大化原則可判斷此時(shí)煤粉著火狀態(tài)S01=S2=“及時(shí)”。與文獻(xiàn)[1]中采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果是一致的。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)以物元模型為基礎(chǔ)的煤粉著火及時(shí)性評(píng)價(jià)模型和可拓評(píng)價(jià)方法能夠定量評(píng)價(jià)煤粉燃燒是否及時(shí)。

(2)所建立的可拓物元模型不需要大量的狀態(tài)評(píng)價(jià)樣本，評(píng)價(jià)結(jié)果直觀；該模型算法簡(jiǎn)單，計(jì)算時(shí)間短，是一種高效的狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。

(3)可拓工程方法應(yīng)用于煤粉著火及時(shí)性評(píng)價(jià)、燃燒器故障診斷及維修決策等方面具有可行性、準(zhǔn)確性，其工程應(yīng)用價(jià)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(shí)性實(shí)驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電,2010,39(12):17-22.

[2] 蔡 文. 物元模型及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1994.

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

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

[5] 黃文濤,趙學(xué)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(dòng)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(xué)碩士，從事電站熱力系統(tǒng)試驗(yàn)研究工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.012

TK26

A

1009-3230(2014)12-0051-04