多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法.pdf

本发明公开了一种多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，第一，根据锅炉汽包两侧水位偏差变化，选取n个典型工况进行数据采集，获得主蒸汽流量、给水流量、总风量、入口导叶反馈开度、总煤量、BFG流量、COG流量参数；第二，在工况m条件下分别对参数计算相关系数；第三，建立锅炉汽包两侧水位偏差模型，将获得的参数拟合成关于锅炉汽包两侧水位偏差的函数；第四，对拟合结果计算决定系数；第五，通过验证后得到水位偏差与相关参数之间的关系，并得到在不同工况下的燃料风比；第六，由拟合方法得到燃料风比与锅炉汽包两侧水位偏差之间的关系；第七，当锅炉汽包两侧水位偏差超过正负规定值时，对燃料风比进行调节，实现锅炉汽包两侧水位偏差调整。

权利要求书
1.  一种多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，其特征是：
第1步，根据锅炉汽包两侧水位偏差的变化，选取n个典型的工况进行数据采集，获得主蒸汽流量、给水流量、总风量、入口导叶反馈开度、总煤量、BFG流量、COG流量参数；
第2步，在工况m条件下，分别对采集的主蒸汽流量、给水流量、总风量、入口导叶反馈开度、总煤量、BFG流量、COG流量计算相关系数，计算公式如式（1）所示：
                   （1）
式中， ，
表示变量1，
表示变量1的平均值，
表示变量2，
表示变量2的平均值；
r为正表示正相关，r为负表示负相关，r的绝对值大小表示相关密切程度； 
第3步，通过步骤2选择的相关因素，建立锅炉汽包两侧水位偏差模型，该模型的形式如公式（2）所示：
                                                 （2）
其中，Y表示锅炉汽包两侧水位偏差，Xi表示影响锅炉汽包两侧水位的因素，Ki表示对应的系数，i的取值范围是0-k，0表示是常数项，k表示相关因素的个数；
根据式（2），将n个工况下获得的各项影响两侧水位偏差的参数进行拟合，拟合成关于锅炉汽包两侧水位偏差的函数：
           （3）
式中，△h——锅炉汽包两侧水位偏差，mm，
      QCoal——总煤量，t/h，
      QBFG——BFG流量，KNm3/h，
      QCOG——COG流量，KNm3/h，
      QWind——总风量，t/h，
      QMSteam——主蒸汽流量，t/h，
      QFWater——给水流量，t/h，
      ODiff——两侧氧量偏差，%，
      VEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%；
    第4步，对于第3步得到的拟合结果，根据式（4）计算决定系数：
                                        （4）
式中， ，
        Y——表示锅炉汽包两侧水位的实际偏差，
——表示锅炉汽包两侧水位的拟合偏差，
——表示锅炉汽包两侧水位偏差的平均值；
第5步，在得到通过式（4）验证的式（3）之后，得到水位偏差与相关参数之间的关系；根据式（3）中总煤量、BFG流量、COG流量、总风量、入口导叶反馈开度偏差五个因素的系数及其数值可以得到水位偏差的燃料风比，用K表示，定义为：
    （5）
式中，K——燃料风比，无量纲，
      KCoal——总煤量的系数，
      KBFG——BFG流量的系数， 
      KCOG——COG流量的系数， 
      KWind——总风量的系数， 
      KEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差的系数，
      QCoal——总煤量，t/h，
      QBFG——BFG流量，KNm3/h，
      QCOG——COG流量，KNm3/h，
      QWind——总风量，t/h，
      VEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%，
根据式（5）得到在不同工况下的燃料风比K；
第6步，由拟合的方法得到燃料风比与锅炉汽包两侧水位偏差之间的关系：
                                            （6）
式中，△h——锅炉汽包两侧水位偏差，mm，
      K——燃料风比，无量纲；
第7步，当锅炉汽包两侧水位偏差超过正负规定值时，根据式（6）对燃料风比进行调节，实现锅炉汽包两侧水位偏差的调整。

2.  根据权利要求1所述的多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，其特征是：所述第7步中对燃料风比进行调节的步骤是：
首先，通过（5）式，计算出当前水位偏差的K；
然后，根据锅炉汽包两侧水位偏差不能超过正负规定值的依据和式（6），得到需要调节的燃料风比，这里用K’表示；
接下来，由式（5）可得式（7）和式（8），
    （7）
式中，K——当前水位偏差的燃料风比， 
    （8）
式中，K’——水位偏差满足要求的燃料风比， 
      Q’Wind——总风量，t/h，
      V’EGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%；
令Q = ，将式（7）和式（8）重写如下：
                           （9）
                         （10）
令，，并将式（9）减去式（10）可得式（11）：
                          （11）
对应于某一汽包水位两侧偏差，除和外，均为已知；当只对总风量进行调节时，，由式（11）得到需要调节的总风量；当只对入口导叶反馈开度偏差进行调节时，，由式（11）可以得到需要调节的总风量。

3.  根据权利要求1或2所述的多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，其特征是：所述锅炉汽包两侧水位偏差规定值为30mm。

4.  根据权利要求1所述的多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，其特征是：所述第2步中，如各因素之间的相关系数的绝对值均小于0.01，则认为i各因素之间不相关，将这些因素用于后续的分析；如各因素的相关系数不满足绝对值小于0.01的要求，则剔除不满足要求的参数，直到所有参数的相关系数满足要求。

5.  根据权利要求1所述的多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，其特征是：所述第4步中，如果的数值小于0.6，则说明式（3）所建立的函数不可采用，需要重新选择n个工况数据，按第3步进行拟合，直到由拟合函数计算出的满足大于等于0.6的要求。

说明书多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法
技术领域
本发明涉及锅炉汽包水位测量技术, 尤其涉及混合高炉煤气（简称BFG）、焦炉煤气（简称COG）等多燃料锅炉汽包水位偏差的确定。
背景技术
在发电厂中，汽包水位是最特殊、最令人琢磨不透的热工测量参数，在正常运行中无法得到清晰的汽水界面。稳定工况时，汽包内水空间由于加入大量给水，汽包内水温低于相应压力下的饱和温度，另外，自导管进入汽包的饱和水存在大量汽泡，并不断蒸发，其密度会低于相应温度、压力下水的密度，影响程度和锅炉负荷、汽包压力、循环倍率有关，难以精确计算；非稳定工况时汽包内外的介质变化情况就更为复杂，很难预测。而用于水位保护系统的水位都是整个汽包按照平均折算得到的水位。
    发电机组锅炉汽包水位作为锅炉控制系统的一个重要参数，关系到电厂的安全经济运行。水位过高或急剧波动会影响汽水分离效果，送出的蒸汽中含水过多，蒸汽品质变差，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击振动、叶片损坏；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响锅炉水循环，造成炉管大面积爆破。因此，汽包水位的测量一直是人们关注的热点。国家电力公司在2000年9月28日以国电发（2000）589号文下发的《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》（以下简称《二十五项反措》）中增加了第八项“防止锅炉汽包满水和缺水事故”，接着又于2001年12月20日以国电发（2001）95号文印发了《国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定（试行）》。
对锅炉汽包水位测量存在的问题，相关科研单位、电厂一直在进行研究与改进。锅炉汽包水位测量技术随着电厂整体技术的发展也在不断向前进步，但是，长期以来仍然存在不少问题。锅炉汽包水位的趋势图如图1所示，可以看到锅炉汽包两侧水位偏差较大。
汽包水位两侧测量存在较大偏差不仅无法满足锅炉自动调节和保护的要求，且由于汽包水位测量和控制问题而造成的事故将严重影响电厂运行的安全性。同时，有的电厂与常规的燃煤火力发电机组有较大差别，主要是在于燃料复杂，锅炉可燃用发电煤、高炉煤气（简称BFG）、焦炉煤气（简称COG）和重油等多种燃料，造成炉内燃烧工况与汽包水位不稳定，从而导致汽包两侧水位测量存在偏差，严重影响到锅炉安全与经济运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，该方法通过建立锅炉汽包两侧水位偏差的拟合函数，在分析不同燃料和不同运行方式对汽包水位两侧水位所产生的影响基础上，给出消除锅炉汽包两侧水位偏差的调整依据。
    为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案： 
一种多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，其步骤是：
第1步，根据锅炉汽包两侧水位偏差的变化，选取n个典型的工况进行数据采集，获得主蒸汽流量、给水流量、总风量、入口导叶反馈开度、总煤量、BFG流量、COG流量参数；
第2步，在工况m条件下，分别对采集的主蒸汽流量、给水流量、总风量、入口导叶反馈开度、总煤量、BFG流量、COG流量计算相关系数，计算公式如式（1）所示：
                   （1）
式中， ，
表示变量1，
表示变量1的平均值，
表示变量2，
表示变量2的平均值；
r为正表示正相关，r为负表示负相关，r的绝对值大小表示相关密切程度； 
第3步，通过步骤2选择的相关因素，建立锅炉汽包两侧水位偏差模型，该模型的形式如公式（2）所示：
                                                 （2）
其中，Y表示锅炉汽包两侧水位偏差，Xi表示影响锅炉汽包两侧水位的因素，Ki表示对应的系数，i的取值范围是0-k，0表示是常数项，k表示相关因素的个数；
根据式（2），将n个工况下获得的各项影响两侧水位偏差的参数进行拟合，拟合成关于锅炉汽包两侧水位偏差的函数：
           （3）
式中，△h——锅炉汽包两侧水位偏差，mm，
      QCoal——总煤量，t/h，
      QBFG——BFG流量，KNm3/h，
      QCOG——COG流量，KNm3/h，
      QWind——总风量，t/h，
      QMSteam——主蒸汽流量，t/h，
      QFWater——给水流量，t/h，
      ODiff——两侧氧量偏差，%，
      VEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%；
    第4步，对于第3步得到的拟合结果，根据式（4）计算决定系数：
                                       （4）
式中， ，
        Y——表示锅炉汽包两侧水位的实际偏差，
——表示锅炉汽包两侧水位的拟合偏差，
——表示锅炉汽包两侧水位偏差的平均值；
第5步，在得到通过式（4）验证的式（3）之后，得到水位偏差与相关参数之间的关系；根据式（3）中总煤量、BFG流量、COG流量、总风量、入口导叶反馈开度偏差五个因素的系数及其数值可以得到水位偏差的燃料风比，用K表示，定义为：
    （5）
式中，K——燃料风比，无量纲，
      KCoal——总煤量的系数，
      KBFG——BFG流量的系数， 
      KCOG——COG流量的系数， 
      KWind——总风量的系数， 
      KEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差的系数，
      QCoal——总煤量，t/h，
      QBFG——BFG流量，KNm3/h，
      QCOG——COG流量，KNm3/h，
      QWind——总风量，t/h，
      VEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%，
根据式（5）得到在不同工况下的燃料风比K；
第6步，由拟合的方法得到燃料风比与锅炉汽包两侧水位偏差之间的关系：
                                           （6）
式中，△h——锅炉汽包两侧水位偏差，mm，
      K——燃料风比，无量纲；
第7步，当锅炉汽包两侧水位偏差超过正负规定值时，根据式（6）对燃料风比进行调节，实现锅炉汽包两侧水位偏差的调整。
所述第7步中对燃料风比进行调节的步骤是：
首先，通过（5）式，计算出当前水位偏差的K；
然后，根据锅炉汽包两侧水位偏差不能超过正负规定值的依据和式（6），得到需要调节的燃料风比，这里用K’表示；
接下来，由式（5）可得式（7）和式（8），
    （7）
式中，K——当前水位偏差的燃料风比， 
    （8）
式中，K’——水位偏差满足要求的燃料风比， 
      Q’Wind——总风量，t/h，
      V’EGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%；
令Q = ，将式（7）和式（8）重写如下：
                           （9）
                         （10）
令，，并将式（9）减去式（10）可得式（11）：
                          （11）
对应于某一汽包水位两侧偏差，除和外，均为已知；当只对总风量进行调节时，，由式（11）得到需要调节的总风量；当只对入口导叶反馈开度偏差进行调节时，，由式（11）可以得到需要调节的总风量。
本发明多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法通过建立锅炉汽包两侧水位偏差的拟合函数，在分析不同燃料和不同运行方式对汽包水位两侧水位所产生的影响基础上，给出消除锅炉汽包两侧水位偏差的调整依据，能帮助运行人员在遇到两侧水位偏差超过规定值的情况时，清楚地了解影响两侧水位偏差的因素，对于帮助运行人员调节两侧水位偏差到规定的范围内具有积极意义。其更大的意义还在于通过调节，使两侧水位偏差在规定范围内，从而使锅炉汽包水位的测量更加准确，为锅炉汽包水位的控制和保护提供更加可靠的信号。
本发明能提高发电机组锅炉汽包水位测量的准确度和可靠性，能保证锅炉汽包水位在安全可靠的范围内运行，不仅可以提高机组运行的安全性，还可以提高机组运行的经济性，对确保发电机组安全和高效运行具有重要作用。
本发明不但可以应用于多燃料的锅炉汽包两侧水位偏差分析，也可用于燃煤锅炉的汽包两侧水位偏差分析，还可以推广至存在汽包两侧水位偏差的所有类型的锅炉汽包两侧水位偏差分析当中。
附图说明
图1为锅炉汽包两侧水位偏差示意图；
图2为本发明实施例的拟合函数的标准化残差的标准P-P图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，其步骤是：
第1步，根据锅炉汽包两侧水位偏差的变化，选取n个典型的工况进行数据采集，获得主蒸汽流量、给水流量、总风量、入口导叶反馈开度、总煤量、BFG流量、COG流量参数。
第2步，在工况m条件下，分别对采集的主蒸汽流量、给水流量、总风量、入口导叶反馈开度、总煤量、BFG流量、COG流量计算相关系数；相关系数说明具有线性关系的两个变量，相关关系的密切程度和相关方向，计算公式如式（1）所示：
                   （1）
式中， ，
表示变量1，
表示变量1的平均值，
表示变量2，
表示变量2的平均值；
r的正负表示相关方向，r为正表示正相关，r为负表示负相关，r的绝对值大小表示相关密切程度；r绝对值越接近1，表示两变量相关关系密切，r为零表示零相关，r的绝对值等于1表示完全相关；
如各因素之间的相关系数（绝对值）均小于0.01，则认为i各因素之间不相关，可以将这些因素用于后续的分析。如各因素的相关系数不满足要求，即各因素之间的相关系数（绝对值）均大于等于0.01，则剔除不满足要求的参数，直到所有参数的相关系数满足要求。
第3步，通过步骤2选择的相关因素，建立锅炉汽包两侧水位偏差模型。通过分析，可以确定该模型的形式如下所公式（2）所示：
                                                 （2）
其中，Y表示锅炉汽包两侧水位偏差，Xi表示影响锅炉汽包两侧水位的因素，Ki表示对应的系数，i的取值范围是0-k：0表示是常数项，k表示相关因素的个数。
根据式（2），将n个工况下获得的各项影响两侧水位偏差的参数进行拟合，拟合成关于锅炉汽包两侧水位偏差的函数：
           （3）
式中，△h——锅炉汽包两侧水位偏差，mm，
      QCoal——总煤量，t/h，
      QBFG——BFG流量，KNm3/h，
      QCOG——COG流量，KNm3/h，
      QWind——总风量，t/h，
      QMSteam——主蒸汽流量，t/h，
      QFWater——给水流量，t/h，
      ODiff——两侧氧量偏差，%，
      VEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%。
    第4步，对于第3步得到的拟合结果，根据式（4）计算决定系数：
                                       （4）
式中， ，
        Y——表示锅炉汽包两侧水位的实际偏差，
——表示锅炉汽包两侧水位的拟合偏差，
——表示锅炉汽包两侧水位偏差的平均值。
如果的数值小于0.6，则说明式（3）所建立的函数不可采用，需要重新选择n个工况数据，按第3步进行拟合，直到由拟合函数计算出的满足要求，即的数值应满足大于等于0.6的条件。
第5步，在得到通过式（4）验证的式（3）之后，可以得到水位偏差与相关参数之间的关系。但是由于在实际运行中，主蒸汽流量和给水流量的调节十分复杂，所以一般不予考虑。此外，对于锅炉两侧氧量来说，偏差不宜过大，所以也不作为运行中汽包水位偏差调节的量。即使这样，在多燃料锅炉中，对汽包两侧水位偏差有影响的因素仍然有5个，分别是总煤量，BFG流量，COG流量，总风量，入口导叶反馈开度偏差，给实际调节带来困难。以上五个因素可以归为两类，分别是燃料，包括总煤量，BFG流量和COG流量，以及风的因素，包括总风量，入口导叶反馈开度偏差。为了更好实现水位偏差的可调节，根据式（3）中以上五个因素的系数及其数值可以得到水位偏差的燃料风比，用K表示，定义为：
    （5）
式中，K——燃料风比，无量纲，
      KCoal——总煤量的系数，
      KBFG——BFG流量的系数， 
      KCOG——COG流量的系数， 
      KWind——总风量的系数， 
      KEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差的系数，
      QCoal——总煤量，t/h，
      QBFG——BFG流量，KNm3/h，
      QCOG——COG流量，KNm3/h，
      QWind——总风量，t/h，
      VEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%，
根据式（5）可以得到在不同工况下的燃料风比K。
第6步，由拟合的方法可以得到燃料风比与锅炉汽包两侧水位偏差之间的关系：
                                           （6）
式中，△h——锅炉汽包两侧水位偏差，mm，
      K——燃料风比，无量纲。
第7步，当锅炉汽包两侧水位偏差超过正负规定值时，该规定值为30mm，根据式（6）对燃料风比进行调节，实现锅炉汽包两侧水位偏差的调整。
所述第7步中对燃料风比进行调节的步骤是：
首先，通过（5）式，计算出当前水位偏差的K。
然后，根据锅炉汽包两侧水位偏差不能超过±30mm的依据和式（6），可以得到需要调节的燃料风比，这里用K’表示。
接下来，由式（5）可得式（7）和式（8），
    （7）
式中，K——当前水位偏差的燃料风比， 
      KCoal——总煤量的系数，
      KBFG——BFG流量的系数， 
      KCOG——COG流量的系数， 
      KWind——总风量的系数， 
      KEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差的系数，
      QCoal——总煤量，t/h，
      QBFG——BFG流量，KNm3/h，
      QCOG——COG流量，KNm3/h，
      QWind——总风量，t/h，
      VEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%。
      （8）
式中，K’——水位偏差满足要求的燃料风比， 
      KCoal——总煤量的系数，
      KBFG——BFG流量的系数， 
      KCOG——COG流量的系数， 
      KWind——总风量的系数， 
      KEGuide—— 入口导叶反馈开度偏差的系数，
      QCoal——总煤量，t/h，
      QBFG——BFG流量，KNm3/h，
      QCOG——COG流量，KNm3/h，
      Q’Wind——总风量，t/h，
      V’EGuide—— 入口导叶反馈开度偏差，%。
由于在燃料风比的调整中，一般不对燃料量进行调整，所以将用Q进行表示。将式（7）和式（8）重写如下：
                           （9）
                         （10）
令，，并将式（9）减去式（10）可得式（11）：
                          （11）
对应于某一汽包水位两侧偏差，除和外，均为已知。考虑实际可行性，一般只对总风量或入口导叶反馈开度偏差进行调节。当只对总风量进行调节时，，由式（11）可以得到需要调节的总风量；当只对入口导叶反馈开度偏差进行调节时，，由式（11）可以得到需要调节的总风量。从而达到减少锅炉汽包水位两侧偏差的目的，更好地保证机组安全高效的运行。
本发明的具体实施例如下：
一种多燃料锅炉汽包水位偏差调节方法，其步骤是：
第1步，根据锅炉汽包两侧水位偏差的变化，选取n个典型的工况进行数据采集，获得主蒸汽流量、给水流量、总风量、入口导叶反馈开度、总煤量、BFG流量、COG流量等参数。
第2步，在工况m的条件下，分别对采集的主蒸汽流量、给水流量、总风量、入口导叶反馈开度、总煤量、BFG流量、COG流量，计算相关系数。如各因素的相关系数不满足要求，则剔除不满足要求的参数，直到所有参数的相关系数满足要求。例如表1所述，得到总煤量、BFG流量、COG流量、总风量、主蒸汽流量、给水流量、两侧氧量差、入口导叶反馈开度差等参数与汽包两侧水位偏差及其之间的相关系数。
表1 各参数之间的相关系数

如表1所示，各参数之间的相关系数均小于0.01，说明各参数之间不相关，可以用于后续的分析。
第3步，将n个工况下获得的各项影响两侧水位偏差的参数进行拟合，拟合成关于锅炉汽包两侧水位偏差的函数。选取的工况如表2所示。
表2 分析工况列表

根据以上各工况采集的数据，得到锅炉汽包两侧水位偏差的拟合函数如下：
      △h = 0.138*QCoal + 0.049*QBFG - 0.215*QCOG + 0.047*QWind - 0.372*QMSteam + 0.058*QFWater – 0.342*ODiff - 0.04*VEGuide                 （12）
图2给出了式（7）所对应的拟合函数的标准化残差的标准P-P图。
第4步，根据式（4），计算式（12）的参数的值，其值为0.739，说明式（12）所建立的函数满足要求。
第5步，将式（12）中各参数的系数代入式（5）可以得到不同工况下燃料风比的值，某工况下燃料风比和锅炉两侧水位偏差的值如表3所示。
表3 某工况燃料风比和锅炉两侧水位偏差的值

第6步，在第5步的基础上，可以得到锅炉汽包两侧水位偏差与燃料风比之间的关系是：
                                         （13）
第7步，当锅炉汽包两侧水位偏差超过±30mm时，可以根据式（13），通过调整燃料风比，实现锅炉汽包两侧水位偏差的调整。举例说明如下：
某时刻，锅炉汽包两侧水位偏差51mm，此时K=87.357（如表3所示），总风量的检测值QWind是52.46t/h，VEGuide入口导叶反馈开度偏差的检测值是9.86%， KWind=0.047，KEGuide=-0.04（由式（12）可知）。由于锅炉汽包两侧水位偏差过大，所以欲将偏差调节至20mm。
当偏差为20mm时，根据式（13）可得，K’= 20/0.734 = 27.248。
仅调节总风量实现两侧水位偏差调节时，，将以上数据代入式（11），可得=13.7457t/h。
仅调节总风量实现两侧水位偏差调节时，，将以上数据代入式（11），可得=16.1511%。
所以，可以通过将总风量增加13.7457t/h或将入口导叶反馈开度偏差增加16.1511%的方式进行调节，从而减少锅炉汽包水位两侧偏差，保证机组安全可靠地运行。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。