基于远程通信和学习功能的电厂火检监控系统

　　一、概述[1,2]

　　随着现代工业生产的发展，集散控制系统(DCS)、现场总线等技术的广泛应用和信息网络的建立，使控制系统的结构体系越来越灵活，信号传输方式也有了较多选择。运用通信技术、计算机控制技术构成的、能够远距离数据传送的通信系统，将生产过程中的参数远传到监控中心，通过上位机对数据进行处理、计算和识别，并按照控制要求给出一定的动作命令，实现参数的非现场直接处理。基于远程通信的系统模式将原来处于现场的DCS进行优化，充分利用灵活的通信方式，将适于现场环境的检测环节与需要一定运行环境的计算机环节在空间上予以分离，对于生产环境比较恶劣、生产系统构成较为大型的工业生产体系，采用该系统具有明显优势。在大型电站锅炉的火焰监控系统中，运用通信技术使被测参数远传至上层计算机(上位机)系统，在国内仅有部分电厂有类似工作，而在安徽省尚属首次，因此这是一项非常有意义的工作。

　　智能型通信系统是在上层计算机(上位机)中增加了具有学习功能的专家系统，对于现场检测环节送来的数据进行学习、计算和判断，并按不同的生产工艺点要求，提出监控指导。通信技术优化了原来的DCS，自学习专家系统提高了火焰监控水平。

　　构建基于远程通信的火检监控系统、并使专家系统能够正确判断生产状况的前提是远程传送来的数据必须能够真实地反映对象特性。任何一个监控系统，真正的性能质量保证的基础就是现场数据真实可靠。以电厂的300MW亚临界火电机组为例，在需要达到17MPa,540℃工艺点的锅炉中，需要通过炉膛压力、炉膛火焰状态、蒸汽温度、烟道温度、氧量以及冷热风、燃烧时的风粉比等较多的参数检测，从而判断出锅炉的燃烧状况，而火焰检测的数据则直接参与给粉机的控制和全炉膛灭火的保护控制系统中。因此，火焰检测数据的可靠和准确，是计算机控制系统的质量保证。本系统在完成硬件结构设计时，投入较大资金改善电厂锅炉相应的检测系统，提高通信环节的硬件质量，为远传通信系统具有的"学习"能力以及具有远程编程和控制功能奠定可靠、真实、精确的数据信息基础。

　　二、信号分析及硬件实现[3-5]

　　围绕电厂锅炉运行监控，现有的控制系统主要有协调控制系统(CCS)和锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)，这2个系统成为大容量火电机组DCS的重要组成部分。电厂火电机组锅炉火焰的检测过程是整个火电机组正常运行的关键，不仅每一个喷火口需要检测有无火焰，还需要探测火焰燃烧状况。电厂锅炉的燃烧状况与发电机组的工艺参数(例如超临界、超超临界)息息相关，构成火检系统的硬件保障在全部硬件体系中非常重要。

　　本文涉及的对象是淮北国安电力有限公司2台300MW火力发电机组，选用DJ l025/1813-Ⅱ4型自然循环汽包锅炉，点火及助燃油为0号柴油，采用钢球磨中储式制粉系统。锅炉结构如图1所示。

　　以点火柴油和煤为燃料的火焰具有很宽的连续光谱，除覆盖全部可见光波长，在0.2μm～0.4μm的紫外线区域能获得燃烧信号，而且更具有非常宽的红外区域。分析粉煤燃烧的基本成分，它是碳、氢、氧、氮、硫、灰粉和水等物质的混合物。因此，对于煤粉锅炉，光辐射强度的波动是这种炉膛火焰的重要特征。本文涉及的火检信号学习模式主要在可见光和红外E域，如图2所示。

　　2种燃料燃烧时，由于电厂炉膛内部在燃烧时存在较多因素，特别是煤粉燃烧时粉煤含量和其他非煤粉介质的变化等，炉膛火焰形状会产生不停的闪烁，闪烁频率基本上在低频段。因此，在判断火焰有效燃烧时，还要考虑因为火焰闪烁性导致的信号参数波动。

　　2种不同燃料燃烧时在可见光和红外区域产生不同强度及不同波长的电磁辐射，利用光能原理及其波长特点，选择相应的火检设备。根据图2所示的曲线，确定光能辐射的强度阈值，以保证锅炉点火期间助燃油的有效燃烧和煤粉的有效燃烧。

由图1可知，5层煤粉燃烧器以及3层点火油枪共计32个火检设备，采用光学检测原理以及光纤传输方式，设备输出的是频谱信号。光学探测设备对于电磁、粉尘等干扰有很好的抑制效果，但高温环境导致的热敏感应对于光学探测及其光纤传送有一定的影响，需要上位机处理。系统在信号传输环节中改进为能够在高温环境下远程通信，将32个火焰探测设备输出的信号运用二芯线缆环状连接，在长达近lkm距离内几乎无误码地传送到位于工程师站的上位机上。

　　根据信号特点和学习要求，选择美国FORNEY公司生产的数字剖面火焰检测器(DPD)，配备具有学习功能的软件和串行通信接口;为保证数据长距离传送无误码，选择专用的通信线缆和接口，连接至远程工程师站后再由转换器接至上位机，构成作为基于远程通信的DCS结构模式的火检监控硬件体系。该体系通过了冷态调试和热态调试。

　　三、信号学习与数据处理

　　火焰检测系统测量得到火焰的频谱信号，按照工艺特点及其运行状况，上位机对于每个火检设备进行参数设置，使火检设备在前端进行实时分析，以确认被检测火焰的类型(例如燃烧器有火、相邻燃烧器串火、背景火焰、无火)，并记忆火焰真正有效燃烧的频谱形状。

　　运用远程通信功能将所有火检探头的全部信号远传到上位机，通过上位机进行编程、参数设定和学习。上位机对每个火检进行频率指示、制作历史趋势和编程，每一个火检进行有火(Flame ON)特征学习和无火(Flame OFF)特征学习。特别是在判断有火与无火时，设定一个具有区域性的阈值判据，避免DPD在有火与无火之间反复跳动。相应的软件处理方式如图3所示。

　　设定5个煤粉层四角火检探头数据构成5×4矩阵模式，3个煤油层四角探头数据构成3×4矩阵模式，上位机获得有效数据后，构成如下数据格式:

　　其中，N和M分别为4×5和4×3矩阵，矩阵内部的元素值根据数据处理的要求设定为1或0。点火时，N矩阵中的所有数值设定为0，然后根据火检探头的信号学习，逐步按列或按行变为1，进而判断火焰点火、燃烧、灭火等;同时，根据存储的数据分析锅炉运行状态;在锅炉完全燃烧时，设定M=O。若要获取某一层的数据或调取该层的数据变化曲线，将N中的对应矩阵元素设为1，其余为0，就可得到对应的数据，例如A层的数据:[DAl DA2 DA3 DA4]。A层面平均负荷在226.97MW时7时22分后的5min数据变化曲线如图4所示。

　　同理，设定N矩阵内的其他相应元素值，可以得到锅炉某一侧面的火检曲线图，例如:[DA1 DB1 DC1 DD1 DE1]及其变化曲线。在不同时间段、不同负荷下，锅炉每个层面的数据变化率是不同的;通过数据处理，还可以进行数据变化趋势预测，根据变化趋势判断锅炉炉膛火焰燃烧的状态，进而分析负荷的变化。

四、结语

　　本系统针对淮北国安电力有限公司2台机组进行技术改造，实现了对2台机组共计64个探头的实时火焰检测、远程传送，以及上位机的显示、修改、编程，完全实现了远程通信功能和监控要求。改造后的系统在硬件上彻底简化了原DCS中检测环节庞大线缆体系的现状;有效的数据处理、曲线观察和趋势分析为现场运行人员进行实时操作提供了极其有用的指导性建议;整个系统在维修环节的简化，进一步提高了设备的可靠性。具有良好的远程通信和学习功能，2台机组整套启动至今，由炉膛失火焰首发主燃料跳闸(MFT)

　　动作多次，正确动作率100%，从未因火焰检测问题导致机组拒动和误动事故发生。品质优良的硬件构成使火检数据有较高的置信度。

　　本系统的正常运行，特别是把电厂锅炉火焰检测作为整个发电机组所有参数检测最重要的环节，运用自学习功能和相关数据处理，结合主汽压力和温度等其他参数，能够很好地使系统运行于比较优化的状态下，为各地区相同电厂的新技术改造提供了参考。