基于多尺度灰色关联的火电机组FCB运行参数分析

李晓莉，王 迪

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

21世纪以来，随着国民经济的快速发展，工农业自动化水平的提高，我国的电力发展已经进入了大电网、大机组、自动化和信息化的新时代[1].在各行各业用电量提高的同时，对电网供电的可靠性也提出了更高的要求.电网在运行过程中，一旦出现薄弱环节引发停电事故，将会给人民生产生活造成重大损失，公众的日常生活被打乱.火电机组FCB功能能够在电网出现事故后快速降负荷至厂用电，待事故解除后迅速升负荷，保障电网及时供电[2～5].

据统计，我国火力发电量占总发电量的70%左右，全国大约有5 000台火力发电机组，而这些机组中几乎没有能够实现FCB功能，其原因是到目前为止还缺乏FCB控制技术.为提出FCB控制技术，就要掌握FCB过程机组主要运行参数的动态特性.目前，针对火电机组运行参数相关分析的研究已经逐步开展，田亮[6]利用小波理论和机理建模相结合获得炉膛压力与燃烧率之间的关系；余南华[7]对燃气-蒸汽联合循环系统余热锅炉(HRSG)汽包水位现场数据进行分析，得到了水位波动的不确定成分主要来源于低频的压降引起的谐波及随机噪声两部分；王瑞琪[8]通过选取Kolmogorov复杂性、样本熵和标准差对AGC指令信号进行数据分析，从而定量地分析电厂的发电质量；王强[9]对HRSG汽包水位利用EMD分解后，提取有用的IMF分量重构得到无干扰成分的水位真实趋势信号，使得汽包水位的信号分析不再依赖机组工况.上述研究工作对机组运行过程参数进行了分析，但是，针对火电机组FCB工况机组运行参数动态特性的研究还尚未报道.

由于FCB工况下机组运行参数之间关系复杂，很难通过机理建模的方法得到参数之间的关系.本文利用小波分析理论对FCB过程典型信号进行不同尺度的分解，结合灰色关联分析方法对同频率上的不同信号进行关联度的计算，分析参数之间的内在关系，为控制系统的优化提供借鉴.

1 火电机组FCB功能

一般而言，火电机组FCB运行方式是指在电网解列后可以迅速降负荷至厂用电，待电网事故解除后重新恢复负荷，并网发电.这种运行方式不但解决了当电网解列后被迫停炉停机的问题，而且可以在锅炉启动过程中解决无启动电源问题，对于电网和电厂都是大有裨益的.在机组FCB过程中，由于负荷的快速变化导致运行参数很容易超出安全值.所以，火电机组的设备结构和控制技术对于FCB的实现至关重要.

本文对某电厂FCB实验结果进行分析[10]，锅炉为东方锅炉厂生产的亚临界压力、一次再热、单炉膛∏型、中储式、燃煤、“W”型火焰锅炉，20台燃烧器布置于下炉膛前后拱上.汽轮机为日本富士山公司生产的亚临界、单轴、三缸、双排汽中间再热凝汽反动式汽轮机.机组在进行FCB功能性实验前的负荷为304MW，控制系统为CCS模式，汽轮机旁路系统处于自动状态，FCB信号动作后维持一分钟.自动逐步切除预先设定的给煤机，投入预定的油枪，30 s内粉嘴运行数量从19支切换至6支，45 s内油枪从4支投至12支，已达到稳燃效果.高旁快开4 s，机组相关运行参数未超出安全值.

本文选择发电机功率(k1/MW)，主蒸汽压力(k2/MPa)，总给水量(k3/(t/h))，汽包水位(k4/mm)，主蒸汽流量(k5/(t/h))，过热器工质温度(k6/℃)，燃料总量(k7/%)，高压旁路阀门开度(k8/%)等8个参数进行火电机组FCB过程关键运行参数的关联性分析，机组FCB过程参数运行曲线，如图1所示.

图1 机组FCB运行数据

2 多尺度小波分解

分析信号之间的相关性，从时域考虑，是从整体趋势和局部波动这两个方面来分析信号之间的相关性；从频域考虑，就是从低频和高频这两个方面来分析信号之间的相关性.小波变换具有多分辨率特性，它可以将信号分解到不同频率下，适用于对热工信号进行多尺度分析[11].

本文选择具有紧支撑的Daubechies小波函数对现场选择的8项参数进行5层小波分解[12]，分解结果，如图2所示.

图2 原始信号小波分解结果

3 灰色关联分析

灰色关联分析是灰色理论的基本内容，其基本思想是根据数据曲线之间的相似程度来判断因素间的灰关联度，而灰关联度描述了发展过程中因素之间相对的变化，该方法简单、直观，对于样本量的大小没有过高的要求[13～15].

设Xi为系统因素，其在序号k上的观测数据为xi(k)，k=1，2，…，n，则称Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))为因素Xi的行为序列；同理，定义系统特征序列Xo=(xo(1)，xo(2)，…，xo(n)).对于两组序列Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))与Xo=(xo(1)，xo(2)，…，xo(n))之间的关联程度定义为实数，其中γ(xo(k)，xi(k))为Xo和Xi在k处的关联系数，关联系数的解法没有固定的公式，需要符合以下四条灰色关联公理：

(1)规范性：0<γ(Xo，Xi)≤1，γ(Xo，Xi)=1⟺Xo=Xi；

(3)偶对称性：对于Xi，Xj∈X，有γ(Xi，Xj)=γ(Xj，Xi)⟺X={Xi，Xj}；

灰色关联度是用来描述系统因素间关系密切程度的量，是系统变化态势的一种度量.一般而言，可以用序列的变化态势来表征，而各个序列的变化态势总是按一定的量级和趋势变化的.关联度模型主要有邓氏关联度、广义绝对关联度、T型关联度等.

本文选择邓氏关联度计算方法，该方法充分体现了灰色关联公理的约束条件，其计算着重考虑了点与点之间的距离对关联度的影响，Xi与Xo的关联度为

(1)

4 火电机组运行参数多尺度灰色关联分析

针对选取的火电机组FCB过程运行参数，利用小波分解理论进行不同频率尺度的分解，选取具有FCB过程代表性的参数作为参考信号，而后利用灰色关联分析方法计算同频率尺度上与其他信号的关联度，具体计算流程如图3所示.

4.1 主蒸汽压力多尺度关联分析

根据以往现场快速甩负荷实验结果，在FCB初期，主蒸汽压力飞升速度及幅度都是比较大的，由于主蒸汽压力的飞升使得汽包出口流量的减少从而影响汽包压力、水位等参数.这对FCB的过程控制系统提出了很高的要求，对锅炉设备的损伤也是非常严重的.因此，在FCB动作过程中，锅炉侧参数的变化并不是“同步”的，而是类似于“递进”关系.所以，研究主蒸汽压力动态过程是十分必要的.

本文选择发电机功率、总给水量、汽包水位、主蒸汽流量、过热器出口温度、总燃料量、高旁开度作为主蒸汽压力的相关性分析参数.根据小波分解不同频率尺度结果，同频率条件下其灰色关联度，如表1所示.

图3 多尺度灰色关联分析流程图

K1 K3 K4 K5 K6 K7 K810.89910.85180.78410.43000.41300.41250.935020.95030.94680.89260.89660.99500.98800.986030.94940.92600.80830.83960.97950.96650.975140.99580.99480.97320.96380.98880.99470.995550.99440.98330.95570.87340.95460.95780.991160.99500.99640.98700.92640.98680.98240.9967

通过观察表1发现，火电机组在FCB过程中，低频阶段的主蒸汽流量，过热器工质温度，燃料量对于主蒸汽压力的影响较小，高压旁路流量对主蒸汽压力的影响较大；当频率升高时，对于主蒸汽压力的影响明显提高；无论频率高低，高压旁路阀门开度对主蒸汽压力的影响都很大.主要是由于在火电机组FCB过程中，主蒸汽压力受主蒸汽管道进出口蒸汽流量影响较大.因此，旁路流量对其影响明显.火电机组FCB过程中，为了更好的控制主蒸汽压力，要有很好的一套旁路系统控制方案，可以通过增大旁路容量的方法减小主蒸汽压力飞升幅度，通过缩短旁路阀门快开时间减小主蒸汽压力飞升速率.

4.2 汽包水位多尺度关联分析

火电机组FCB过程汽包水位变化剧烈，对于汽包锅炉而言，汽包水位是锅炉运行中一个非常重要的参数，维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的必要条件.

选择功率、总给水量、主蒸汽压力、主蒸汽流量、总燃料量、高压开度作为锅炉汽包水位的关联因素，不同频率尺度关联度如表2所示.

表2 不同频率下运行参数与汽包水位关联度

通过观察表2可知，随着频率尺度的提高，关联度相应的增大，说明锅炉汽包水位属于高频信号，即高频信号对其影响较大；观察主蒸汽流量(K5)对于汽包水位影响的分析发现，高频阶段的影响明显高于低频阶段，在FCB过程中，锅炉主蒸汽流量的瞬时快速变化对汽包水位的影响比较大.所以，在保证负荷变化在安全值范围的情况下，要尽量控制主蒸汽流量速率变化，实际运行过程中，通过调节旁路阀门流量或增设PCV阀门能够有效改善机组对主蒸汽流量调节的灵活性.

4.3 主蒸汽流量多尺度关联分析

在火电厂机组运行过程中，主蒸汽流量是一个关键的参数，对于机组运行状况、性能监测、过程控制起着至关重要的作用.当机组发生FCB时，主蒸汽流量变化迅速，根据机理过程，选择发电机功率、总给水量、主蒸汽压力、汽包水位、燃料量、高旁开度作为关联因素，其关联度计算结果如表3所示.

表3 不同频率下运行参数与主蒸汽流量关联度

通过观察表3可知，在机组发生FCB时，随着频率尺度的增大，关联度先减小后增大；参数对于主蒸汽流量的影响，参数高频尺度的影响程度几乎相同.也就是说，当机组发生FCB时，对于主蒸汽流量的影响，瞬态快速改变关联因素的任何变量对主蒸汽流量的影响结果都很大.主要原因是主蒸汽流量容易受到锅炉和汽轮机两侧的双重影响，在FCB过程中，锅炉和汽轮机两侧相关参数变化剧烈.因此，机组相关运行参数对主蒸汽流量的影响较大.

5 结 论

(1)利用小波理论对火电机组FCB过程主要运行参数分解后进行灰色关联分析能够从频率尺度上定量的得到参数之间的关联程度.

(2)火电机组FCB过程中，高压旁路阀门在高频和低频时对主蒸汽压力的影响较大，机组FCB过程应有一套快速响应的旁路控制系统.

(3)汽包水位是高频信号，主蒸汽流量瞬时变化率对汽包水位的影响较大，应该尽量控制主蒸汽流量变化速率.

(4)火电机组FCB过程中，不同参数的瞬态变化对主蒸汽流量的影响较大，要合理控制参数的动态变化，以保障主蒸汽流量变化速率不超出安全值.