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Ｎｏ １ 电力科学与工程 ２００６ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ・４１・ 文章编号：１６７２—０７９２（２００６｝０１—００４１—０４ 基于ＳＩＳ中炉膛压力信号的燃烧状况诊断研究 王洋，常太华，郝祖龙 （华北电力大学自动化系，北京１０２２０６） Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ Ｂｏｉｌｅｒ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ＳＩＳ ＷＡＮＧ Ｙａｎｇ，ＣＨＡＮＧ Ｔａｉ—ｈｕａ，ＨＡＯ Ｚｕ—ｌｏｎｇ （Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｄａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｅ．￣ｓｕｒｅ ａｎｄ ｂｏｉｌｅｒ 气中所含的氧量、飞灰含碳量）或与燃烧过程相关 ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｎｏｔ ｃｌｅａｒ ｎｏｗ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｄｏｍｅｓｔｉｃ 的参量（温度、压力等）进行处理与分析，得出它 ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ Ｏｎ ｆｕｒｎａｃｅ ａｎｄ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｔａ ｔｈｅｙ 们与燃烧变化之间的关系，进而从侧面判断燃烧的 ｇｏｔ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｒｕｎｎｉｎｇ ｄａｔａ， Ｆｈｅ ｒｅａｌ ｄａｔａ ｏｆ ＳＩＳ 状况。 ｉｎ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ ａｒｅ ｍａｄｅ ｇｏｏｄ ｕｓｅ ｏｆ，ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ ｉｎｔｏ ８ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｓｏｍｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ 在现场运行中，判断炉内燃烧是否稳定，除了 ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｕｒｎａｃｅ ｐｍ￣ｓｕｒｅ ｄａｔａ． 观察火焰图像之外，基于炉膛压力信号的变化也是 一Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ；ＳＩＳ； 种重要的辅助判断手段。由于燃料量或风量突然 ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｄｉａｇｎｏｓｉｓ 变化造成炉内的微小波动首先会从炉膛压力信号上 摘要：目前炉膛压力与燃烧稳定性的关系不是十分明确，国 反映出来，所以炉膛压力具有反应灵敏的特点。目 内在这方面的研究多数是针对试验炉和利用附加的检测仪器 前，对火焰检测和图像分析处理方面的研究比较深 设备在现场采集信号进行分析，与电厂的实际运行采集数据 入，而用炉膛压力信号进行燃烧诊断的研究不多， 还有差别。利用天津某电厂安装的ＳＩＳ（监控信息系统）历 其中大部分都是在试验炉上对压力信号进行采集和 史数据库采集的炉膛负压信号，分８种典型工况分别对大量 处理ｌ１－４］，很少是基于现场历史数据进行燃烧诊断 压力数据进行了功率谱分析，获得这些工况下的频域能量分 分析。 布和特征频率出现的一些规律，为进一步研究炉膛压力与燃 烧稳定性之间的关系打下了基础。 本文通过对天津某电厂６００ ＭＷ机组的ＳＩＳ历 关键词：炉膛压力；功率谱分析；监控信息系统；燃烧状 史数据库中获取的８种典型工况下的炉膛压力数据 况；诊断 进行频谱分析，获得了炉膛压力脉动信号与燃烧状 中图分类号：ＴＫ２２３ 文献标识码：Ａ 况之间有意义的结论，为炉膛压力燃烧诊断的进一 步研究提供有力的实践基础。 引 言 １ 炉膛压力产生机理 锅炉燃烧的安全性在电厂中占有重要地位，而 锅炉的安全运行与燃烧过程的稳定性是密切相关的， 锅炉燃烧系统是一个受多种因素制约的复杂系 所以对电厂锅炉的燃烧诊断一直备受关注。多年来 统。燃烧过程十分复杂。很细的煤粉以一定的速度 不少学者从多角度人手对炉内燃烧稳定性分析和诊 喷入炉膛，在氧气、温度等条件满足时煤粉颗粒就 断进行了大量的试验研究。通常，燃烧诊断方法可 会着火并迅速燃烧，在炉膛里发生剧烈的物理和化 分为直接法和间接法。直接法就是通过一些火焰检 学反应，同时放出大量的光和热。这时炉膛内的气 测器（光学元件如ＣＣＤ摄像机）直接得到火焰的特 体体积一定会发生变化，对炉墙壁会产生一定波动 征信号（火焰强度、辐射能等）以判断燃烧的稳定 的压力。况且，煤粉颗粒的燃烧也不是一个均匀连 性；间接法就是对燃烧所产生的排放物（如尾部烟 续的过程，这种不均匀导致燃烧的脉动，燃烧的脉 动又会引起气流的波动，进而影响到炉膛的压力 收稿日期：２００５．１０．２５；修订日期：２００５．１２ ２８ 文献［３］中总结了燃烧诱发压力脉动的４种情况； 维普资讯 http://www.cqvip.com
・４２・ 电力科学与工程 文献［４］中指出引起炉膛压力变化的原因有送引风 的原因和燃烧原因２类，而且炉膛内出现的局部灭 火和局部爆燃，往往会导致很大的炉膛压力波动。 ２基于ＳＩＳ的数据平台 随着国内新建电厂硬件资源的成熟，为实现发 电企业整体效益的提高，不少电厂都把ＳＩＳ［５ｊ作为 标准配置。ＳＩＳ主要通过采集、处理和存储全厂生 产过程实时数据，并以实时数据为基础，实现全厂 生产过程的监控和管理。它采用安全、可靠、实时、 开放的接口技术将全厂各生产过程控制系统和ＭＩＳ （管理信息系统）有机结合起来。 本文以天津某电厂３号机组１年多的ＳＩＳ历史 数据库中炉膛压力测点信号作为分析数据。该电厂 锅炉为亚临界压力、一次中间再热、单炉膛、Ⅱ型 布置的控制循环汽包炉，额定蒸发量为１ ８０１ ｔ／ｈ。 研究发现，该数据库中数据的记录不是等间隔的， 且采集频率较低，这就为数据处理带来了困难。因 为锅炉燃烧是剧烈的动态过程，炉膛压力信号的变 化较快。而ＳＩＳ数据库中的采集频率很难满足采样 定理的频率要求。而且数据的不等间隔采样，也不 利于用频谱分析的方法对信号进行处理。因此，首 先应该对现场数据预处理，即利用算术平均滤波方 法对分析数据进行平滑加工，将原来的不等间隔采 样数据变成等间隔采样数据，同时也消除了原数据 中的高频噪声。另外，通过大量数据观察和ＦＦＴ分 析发现，虽然采样频率不高，但还是能够通过图像 的变化趋势找出其内在的一些规律。 ３现场数据分析 锅炉的燃烧工况大致可分为稳定、不稳定和临 界稳定燃烧工况。本文分别对高、．低负荷稳定工况， 高、低负荷波动工况，启、停磨，停炉，点火这８ 种典型工况进行了分析和研究。其中，高负荷取得 为机组额定负荷（６００ ＭＷ），低负荷则取得为机组 额定负荷的５Ｏ％（３００ ＭＷ）。稳定是指取出来所有 数据的方差小于某一值，而波动是指所有数据方差 大于某一值。 下面给出典型工况下炉膛的压力曲线和相应的 功率谱图，以及一些统计和分析结果。 （１）高负荷稳定工况 高负荷稳定时压力变化曲线和相应的功率谱如 图１所示。从压力曲线图中可以看出炉膛压力在 一ｌ５０～一５Ｏ Ｐａ之间波动并有一定的周期性。功率 谱最大值为２０ ０００，在０．１５－－０．２ Ｈｚ之间出现一个 明显的特征频率分量。 图１ 高负荷稳定时炉膛压力变化曲线与功率谱 Ｆｉｇ．１ Ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｎ ｓｔａ— ｂｌｅ ｈｉｇｈ ｌｏａｄ （２）低负荷稳定工况 图２给出的是低负荷稳定时压力曲线和功率谱。 从图中可以看出，炉膛的压力大部分集中在一２００－－ 一１００ Ｐａ之间，从图上看比高负荷稳定时值整体要 低一些，频谱最大值接近１６ ０００，频率分布较广， 在０．１５－－０．２ Ｈｚ之间也出现一个和高负荷稳定时相 近的特征频率分量。 图２低负荷稳定时炉膛压力变化曲线与功率谱 Ｆｉｇ，２ Ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｎ ｓｔａ— ｂｌｅｌｏｗｌａｏｄ （３）高负荷波动工况 高负荷波动的炉膛压力变化曲线与功率谱如图 ３所示。通过与负荷曲线的比较可知，高负荷波动 维普资讯 http://www.cqvip.com
Ｎｏ １ 电力科学与工程 时，通常剧烈的变化都出现在负荷变化较大的地方， 压力在一２５０ Ｐａ－－５０ Ｐａ之问大幅波动，功率谱最大 值接近７０ ０００，大部分能量都集中在比较低的范围 内。 ２００ １００ ０ —１００ —２００ —３００ －４００ 面 ｊ墼 褂 唇 图３ 高负荷波动时炉膛压力变化曲线与功率谱 Ｆｉｇ．３ Ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｎ ｕｎ— ｓｔａｂｌｅ ｈｉｇｈ ｌｏａｄ （４）低负荷波动工况 图４是低负荷波动时炉膛压力变化曲线与功率 谱。从压力变化曲线上看，低负荷波动时，压力波 动非常剧烈，波动范围也比高负荷波动时大，从 一２００－－０ Ｐａ，功率谱最大值接近８０ ０００。 图４低负荷波动时炉膛压力变化曲线与功率谱 Ｆｉｇ．４ Ｆｕｍａｃｅ ｐｒ￣ｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｎ ｕｎ— ｓｔａｂｌｅ ｌｏｗ ｌｏａｄ （５）启磨与停磨 电厂的运行规程中一般都规定了多少负荷要启 动几台磨，所以启磨出现在机组升负荷时，而停磨 出现在机组的降负荷时。启磨时随着磨的投入，进 入炉膛的煤量和风量会陡然增多，燃烧过程会更加 剧烈。从图５可以明显看出，在启磨时炉膛压力会 突然向正的压力波动，而从图６可以看到停磨时炉 膛压力会突然向负的压力方向波动。这２个工况的 功率谱最大值都在１０ 这个数量级上，能量集中在 低频段。 ２００ 日１００ ｏ １± １００ ￣２．００ －３００ ＿４００ ．３０００００ 苫２５００００ 益蠹 器 １０００００＂督ｒＲＩ ５００００ Ｏ．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ｆ／Ｈｚ 图５启磨时炉膛压力变化曲线与功率谱 Ｆｉｇ．５ Ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＵｒｖｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｕｒｍ ｗｉｔｈ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｍｉｌｌ 图６停磨时炉膛压力变化曲线与功率谱 Ｆｉｇ．６ Ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｅ＆ｓｕｒｅ Ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗｉｔｈ ｓｔｏｐｐｉｎｇ ｍｉｌｌ （６）停炉 停炉时的炉膛压力变化曲线和功率潜如图７所 示。停炉时压力信号比较平稳，稳定在一３０ Ｐａ，此 时的压力大小与烟囱的拔风、锅炉的密封性和送引 风机的状态等因素有关ｌ３－６］。从功率谱上看，各个 频率段所具有的能量相对较小，最大值接近３０。 （７）点火 图８为点火时炉膛压力变化曲线和功率谱。点 火前，要进行通风，排净残留在炉膛及尾部烟道中 的煤粉，所以炉膛压力在点火前的一段时问不会保 持在某一值，而是会有一些波动。当投油时，燃烧 突然发生，所以会出现很强的正压脉冲，这与启磨 时类似，不过幅度要比启磨时大得多（图中出现２ 个很强的正压脉冲波动，是由于有２个油先后投 油点火）。从功率谱上看，功率谱最大值与启停磨时 维普资讯 http://www.cqvip.com
・４４・ 电力科学与工程 处在一个数量级，不过要比启停磨时大，接近７× １０５。 日 出 蠡 ０ 饕 图７停炉时炉膛压力变化曲线与功率谱 Ｆｉｇ．７ Ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒ ｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗｉｔｈ ｂｏｉｌｅｒ ｓｈｕｔｄｏｗｎ ７００ ６００ ５００ 坦４００ 艇３００ 褂２００ １００ 图８点火时炉膛压力变化曲线与功率谱 Ｆｉｇ．８ Ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗｉｔｈ ｏｉｌ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ４ 结 论 通过对这些典型工况进行分析，得出以下结论。 （１）从这８个典型工况的炉膛压力波动曲线和 相应的功率谱曲线上可以看出，各种负荷工况下都 有其自身的波动特点和功率谱特征。 （２）高负荷稳定和低负荷稳定２个工况属于稳 定工况，炉膛压力波动曲线总体比较平稳，有一定 的周期性。波动范围在一２００ ５０ Ｐａ之间，低负 荷稳定比高负荷稳定曲线整体要低一些，功率谱最 大值都处在一个数量级ｌ０ ，在０．１５～０．２ Ｈｚ之问 都有一个特征频率分量。 （３）处在高负荷波动和低负荷波动２个工况， 随着负荷的波动，与燃烧有关的一些参数会随之变 化，进而引起炉膛压力的大幅波动，波动范围比稳 定时大一些，在一２５０～５０ Ｐａ之间，从功率谱上 看低频能量增加 ７ｌ。 （４）启磨与停磨时，由于送入炉膛燃料量的变 化，导致燃烧的加剧或减弱，反应到炉膛压力上可 以看出有一个类似脉冲的正向或负向的波动，出现 在启磨与停磨后很短的时刻，功率谱最大值的数量 级已达１０５。 （５）点火属于极不稳定工况，点火时炉膛压力 会突然增大，向正压方向有个很强的脉冲，在极低 频处能量非常大；停炉时炉膛内几乎没有燃烧，此 时炉膛压力很小，并围绕在一个定值上作小幅波动， 从功率谱上看能量也很低。 参考文献： ［１］高翔，骆中泱，陈亚非，等．电站锅炉燃烧实时诊断应 用技术［Ｊ］．电站系统工程，１９９８，１４（３）：５２—５４． ［２］高翔，骆中泱，陈亚非，等．应用微压探测诊断燃烧状 况的实验研究［Ｊ］．动力工程，１９９８，１８（４）：２７—３１． ［３］肖隽，王一清，吕震中．基于炉膛微压信号的锅炉燃烧 诊断试验研究［Ｊ］．锅炉技术，２００２，３３（７）：１２ １５． ［４］李伟全．浅析锅炉灭火与炉膛压力变化的关系及应用 ［Ｊ］．山东电力高等专科学校学报，ｒ２００４，７（１）：６１ ６４． ［５］李政林，张根宝，吴宏．基于ＳＩＳ的火电厂实时负荷优 化分配的研究［Ｊ］．现代电力，２００４，２１（１）：６—１０． ［６］刘忠，阎维平，高正阳，等．超细煤粉粒度对煤质分析 特性的影响［Ｊ］．华北电力大学学报，２００４，（４）：６３— ６５． ［７］李国昌，常太华，李国光．光纤火争检测系统算法的改 进［Ｊ］，电力科学与工程，２００２，（１）：９一ｌ１． 作者简介：王洋（１９８１一），男，河南三门峡人，华北电力大学 （北京）自动化系硕 ｉ 生，研究方ｒｕＪ为测控技术与自动化装置；常太 华（１９５１一），女，山西太原人，华北电力大学教授，主要从事测控 新技术及应用方而的研究。 蛐 凳 琶 ； 欢迎使用电子邮件投稿 ｛ 惫 鼍 Ｅ一 ｌ：ｚｙｏ８５０３２９＠咂ｓｉｎａ．啪ｌ 毳 ’ ‘ 琶 Ｅ 压母 母 带６ 母 带 鹩卿 Ｅ瞎 碰社Ｅ 瞎砸 朽 档
