可拓工程方法在火电厂煤粉着火及时性评价中的应用

王 波

(华电电力科学研究院，杭州 310030)

可拓工程方法在火电厂煤粉着火及时性评价中的应用

王 波

(华电电力科学研究院，杭州 310030)

考虑到煤粉能否及时着火对于电站锅炉安全经济运行的重要程度，提出基于物元概念和可拓集合理论的可拓物元评价方法。在建立评价等级指标和评价模型的基础上，通过计算与煤粉燃烧及时性有关的状态参数和各种评价等级之间的可拓关联度，由关联度的大小判断锅炉煤粉的着火状态是否及时。最后通过实例表明，此方法用于评价锅炉煤粉着火状态的有效性、准确性及工程实用性。

煤粉；着火；状态评价；可拓理论；物元

0 引 言

煤粉能否及时着火对电站锅炉安全稳定运行有重要作用。若煤粉着火过早，则燃烧器区域温度过高，极易引起燃烧器区域结渣和水冷壁高温腐蚀；反之，若着火推迟，则炉膛火焰中心上移，使得炉膛上部及出口结渣，而且容易引发过热器超温及爆管事故，增加了运行调节难度。电站锅炉内部燃烧机理极为复杂，即使是有较为先进的监测手段和装置，运行人员对炉内燃烧过程的认识仍然比较模糊，经常是凭借经验对燃烧工况进行调整。所以很有必要对燃煤锅炉煤粉着火状态进行评价，以确定其着火是否及时，这有利于评估燃烧器运行风险，为运行人员提供科学指导，亦可为维修决策提供相应的依据。文献[1]中应用模糊数学理论，对某电厂EⅡ670-13.8-545KT型锅炉煤粉着火状态做了定量评价。然而这种方法在建立评价对象的隶属函数问题上，显示出其运算量很大而且主观性较强的缺点。这样很可能会使评价结果与实际运行状况偏离。存在着主客观相互矛盾的问题，为了克服这一缺陷，使评价更具客观性，提出以可拓工程方法来评价燃煤锅炉煤粉着火状态。

可拓理论是中国学者蔡文等人为解决主客观矛盾问题而于1983年所创立的，以物元理论和可拓集合理论为支柱，能够同时研究“量”和“质”两者对所描述问题的影响程度，从而完整地认识系统特征，可拓评价方法常用于处理多参数、混合度大的矛盾问题[2-3],已广泛应用于很多领域[4-5]。文中提出了火电厂煤粉着火及时性的可拓物元评价方法，建立了煤粉着火状态等级的物元模型，通过计算影响着火及时性的参数与各评价等级之间的可拓关联度，进而评价其着火状态是否及时。

1 可拓理论简介

1.1 物元[2]

1.2 可拓集合及初等关联函数

设论域U中的任一元素u，对应一实数K(u)∈(-∞, +∞)，则A={(u,y)︱u∈U,Y=K(u) ∈(-∞, +∞)}为论域U的一个可拓集合。其中Y=K(u)为A的关联函数，K(u)为u关于可拓集合A的关联度。设x为(-∞, +∞)上的任意一点，区间X0=和X=为实域上任一区间，X0∈X且无公共端点，则初等关联函数为：

式中：ρ(x,X0)为点x与区间X0的距；D(x,X0,X)为点x关于区间X0,X的位值[3]。

(1)

(2)

关联函数可以计算点x与X0的关联程度，k(x)>0表示点x属于X0的程度；k(x)<0表示点x不属于X0的程度，且k(x)的值越大可能性就越大。

2 煤粉着火及时性评价指标及等级

煤粉着火过程极为复杂，其主要与燃料特性、运行因素和燃烧器特性有关。对于特定的煤质，特定的炉膛结构和特定的燃烧器，一次风速、二次风速、煤粉浓度等运行参数均存在最佳值，在最佳值下，煤粉着火状态最好；此外，风粉温度对着火及时性影响也较大。风粉温度越高，一次风粉气流着火热越小，越有利于着火，但风粉温度也不宜过高，否则容易引起煤粉自燃，导致燃烧器结渣，对低灰融点煤尤为严重。所以说运行参数实际值偏离最佳值的差异在一定程度上反映了煤粉着火状态的优劣。运行参数变化范围及其最佳值确定后，就可以划分与评价等级相对应的区间，依据实际运行参数与对应区间的偏离程度，即可拓关联度的大小，进而对煤粉着火状态进行评价。文献[1]中通过实验方法确定了机组在150 MW负荷下4号燃烧器一次风速、二次风速、煤粉浓度的最佳值，风粉温度的最佳值根据运行经验得到,各参数变化范围亦根据日常运行记录得出[1]，见表1。但是，笔者认为，实验总是存在误差的，为了使着火及时性评价更具客观性，各运行参数的最佳值亦应该由数值区间的形式给出。

表1 运行参数波动范围及最佳值运行参数一次

根据该电厂运行经验，当一次风速u在17～18.5 m·s-1范围内时，燃烧器喷口易烧损，表明煤粉提前着火。而一次风速在19.5～23 m·s-1范围内时，锅炉炉膛上部及出口易结渣，并且易发生过热器超温甚至爆管现象，这表明煤粉着火推迟而导致了火焰中心上移，故最佳一次风速应该是u∈(18.5,19.5)m·s-1；同理，最佳二次风速v∈(26.5,27.5)m·s-1；文献[1]中采用实验方法得到了炉膛温度随煤粉浓度变化的关系曲线，当煤粉浓度在0.58～0.6 kg·kg-1范围内时，曲线几乎保持水平，并且此数值区间对应于150 MW负荷下炉膛温度最高点，所以可以认为当煤粉浓度x∈(0.58,0.6) kg·kg-1时，煤粉着火及时；风粉温度越高，对煤粉着火越有利，但是其值过高亦会引发煤粉自燃等不利因素。运行经验表明，比较合适的煤粉温度T∈(182,188)℃；在影响着火及时性的各参数最佳值数量值区间确定后，可将着火状态划分为着火提前、着火及时和着火推迟三个状态。每个状态对应的运行参数数值区间见表2。

表2 运行参数波动范围及最佳值评价指标

3 评价煤粉着火状态的可拓物元模型

煤粉着火状态的物元模型可用下列n维物元来描述：

式中：R为状态物元；N为状态等级；C为状态评价指标，即影响煤粉着火状态的运行参数：一次风速u、二次风速v、煤粉浓度x和风粉温度T；P为评价指标的量值。

3.1 确定煤粉着火状态优劣等级的经典域

结合表1中各指标在各评价等级的数值区间，分别建立煤粉着火状态优劣等级的经典域,如下所示:

3.2 确定煤粉着火状态的节域

在可拓学中，建立了“节域”和“质度函数”两个概念[3]。它们描述了客观事物由量变到质变的辩证规律。节域反映了研究对象的某种特征对应的数量值区间，当研究对象在某一状态下的数学描述量值在节域范围内时，其性质就保持稳定。反之，当此量值的变化超越节域时，就会发生“质”的变化[3]。依据可拓集合X0=，X=，Xo∈X且无公共端点这一要求，结合表2中各评价指标从提前到推迟的数值区间，简言之，就是各评价指标的允许变化范围，可建立评价煤粉着火状态的节域：

3.3 计算关联函数值及关联度

可拓关联函数可以表示为：

(3)

(4)

式中：Wij为各评价指标的权重，对于旋流燃烧器，其一、二次风同时喷入炉膛，不存在二次风推迟混合的情况，因此认为一次风速与二次风速所占权重相同。煤粉浓度、风粉温度对煤粉气流的着火有较大影响，权重应适当大一些，现给出权重向量为：[Wi1,Wi2,…,Wi4]=[0.2,0.2,0.3,0.3]。

为了使各状态的关联度均处于[-1，1]之间，以利于更直观的描述状态评价结果，需要按下式做归一化处理：

(5)

3.4 评价原则

煤粉着火状态的优劣，可根据最大化原则利用下式判断：

IF(λ*k=1)THEN(S0=Sk)。

(6)

若λ*k=1，则判断着火状态等级为Sk,其它状态等级的可能性可依据其关联度的相对值大小决定，关联度相对值越大，则意味着接近该状态可能性越大。

4 应用实例分析

选取文献[1]中EⅡ670-13.8-545KT型锅炉4号燃烧器在某一时刻的运行数据：一次风速20 m/s，二次风速29 m/s，煤粉浓度0.65 kg/kg，风粉温度193℃，以向量形式表示为：Y01=[20,29,0.65,193]，它对应的现状物元[2]为：

按式(3)、(4)结合评价指标的权重，计算可拓关联度，最后根据式(5)做归一化处理，可得结果：λ*i=[-0.546,1,0.391]，此向量中的3个数值分别对应煤粉着火的“提前”、“及时”和“推迟”三个状态，根据式(6)最大化原则可判断此时煤粉着火状态S01=S2=“及时”。与文献[1]中采用模糊综合评价方法得到的结果是一致的。

5 结束语

(1)以物元模型为基础的煤粉着火及时性评价模型和可拓评价方法能够定量评价煤粉燃烧是否及时。

(2)所建立的可拓物元模型不需要大量的状态评价样本，评价结果直观；该模型算法简单，计算时间短，是一种高效的状态评价方法。

(3)可拓工程方法应用于煤粉着火及时性评价、燃烧器故障诊断及维修决策等方面具有可行性、准确性，其工程应用价值较高。

[1] 曹建波,周 宁,熊小鹤，等.基于模糊理论的煤粉着火及时性实验研究[J].热力发电,2010,39(12):17-22.

[2] 蔡 文. 物元模型及其应用[M].北京:科学技术文献出版社,1994.

[3] 蔡 文,杨春燕,林伟初.可拓工程方法[M].北京:科学出版社,1997.

[4] 李元戎,李 伟,杨照芬.基于多级物元分析的火电厂安全性评价[J].中国电力教育,2006,研究综述与技术论坛专刊:114-117.

[5] 黄文涛,赵学增,王伟杰,等.基于物元模型的电力变压器故障的可拓诊断方法[J].电力系统自动化,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，工学硕士，从事电站热力系统试验研究工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.012

TK26

A

1009-3230(2014)12-0051-04