第２５卷第１期 ２０１１年１月 发电泛拳 ＰＯＷＥＲ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｖｏ１．２５，ＮＯ．１ Ｊａｎ．２０１１ 循环流化床锅炉风帽处压力信号的功率谱分析 夏豹， 陈 鹏， 张颖 （华北电力大学能源与动力工程学院，保定０７１００３） 摘要：针对循环流化床锅炉内气固两相流动的复杂性，在冷态流化床试验台上测定并采集了风帽处的 压力，利用功率谱分析的方法，对其能量在不同频率的分布进行了研究，找出了主频的范围，并阐明了流化床 压力波动的原因。 关键词：循环流化床；锅炉；风帽；功率谱；压力波动 中图分类号：ＴＫ２２９．６６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７卜０８６Ｘ（２０Ｉ１）０卜ＯＯ１３一Ｏ２ Ｐｏｗｅｒ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｉｇｎａｌｓ Ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｔ Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ Ｂｅｄ Ｂｏｉｌｅｒ Ａｉｒ Ｈｏｏｄ Ａｒｅａｓ ＸＩＡ Ｂａｏ， ＣＨＥＮ Ｐｅｎｇ， ＺＨＡＮＯ Ｙｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｇａｓ—ｓｏｌｉｄ ｔＷＯ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｉｎ Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ Ｂｅｄ ｂｏｉｌｅｒ，ｃｏｌｄ— ｓｔａｔｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ａ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｔｅｓｔ ｒｉｇ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｇｎａｌｓ ａｔ ａｉｒ ｈｏｏｄ ａｒｅａｓ，ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｖｉａ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ ｈｅｎｃｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ ｆｏｕｎｄ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ａｒｅ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ；ｂｏｉｌｅｒ；ａｉｒ ｈｏｏｄ；ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ 目前循环流化床（ＣＦＢ）锅炉运行中，风帽和 水冷壁的磨损、结渣现象普遍存在，给企业带来 了巨大的经济损失。ＣＦＢ锅炉内的气固两相流 本文通过在试验台上测得的风帽处压力数 据，利用功率谱分析方法对不同频域的能量分布 进行了研究，找出能量最大点对应的频率，即主 动状况非常复杂，因此流化床内的动力特性研究 显得非常重要。压力信号是一个非常重要的动 频，以分析流化床内的压力波动特性。 力学特征，它本身包含了流化床内的各过程的综 合信息，包括颗粒特性、气体性质、反应器几何结 构、操作条件等综合作用的表观动态反映Ｈ］。利 用压力信号来检测流化床内的流动有着很大的 优势。 目前对流化床内的动力特性研究大多采用 在ＣＦＢ锅炉不同高度的壁面上安装压力测点的 方式，通过采集和分析ＣＦＢ锅炉壁面的压力波动 特性来表征炉内的流动特性。但由于压力测点 安装在气固两相流动区域，频繁被堵塞和磨损； 同时随着ＣＦＢ锅炉大型化，炉膛的宽度变大， ＣＦＢ壁面上有限数量的压力信号并不能正确地 １功率谱分析 波动可视为一种有一定规律的振动，认为它 是由不同频率的正弦波和余弦波组成的谐波叠加 而成的。功率谱表示不同频率下的能量分布，主频 和频率的变化则反映了周期信号和随机信号的强 弱，由此可对信号进行不确定性强弱的区分 ］。 功率谱分析的目的是找出对时间序列贡献 最大的谐波个数及对应频率，从而在频域上研究 序列的内部结构。 信号功率谱的定义式为 ］： Ｐ （ ）一 ｒ（ｍ）Ｐ ｍ ｒ（１） 反映ＣＦＢ内的流体动力特性。 在实际应用中所遇到的一般是实际物理信 收稿日期：２０１０—０５—２７ 作者简介：夏豹（１９８４一），男，在读硕士研究生，主要从事电站热力设备状态检测与控制。 Ｅ ｍａｉｌ：ｘｉａｂａｏｘｉａｂａｏ＠１２６．ｃｏｍ ・ １４ ・ 发电没备 第２５卷 号，这种功率谱不能保证得到集合意义上的功率 谱，就会带来一系列估计的质量问题，因此产生了 功率谱估计这一非常活跃的研究领域。常用的方 法为周期图法，它是把随机信号．ｚ（ ）的Ｎ点观察 网 炉膛 数据 （ ）视为一能量有限信号，直接取 （”）的 球阍 傅里叶变换，得 （ ），然后再取其幅值的平方， 下料管 并除以Ｎ，作为对ｚ（ ）真实的功率谱的估计。 布风板 以ＰＰＥｎ（ ）表示用周期图法估计出的功率 ＼ ｆＩｆｆｉｌｉｌ Ｊ＾ 目 ～ 谱，则： 风室 １ ＰＰＥＲ（ ）一 ｆ』 ＸＮ（∞）ｆ （２） 圈１ 沉化 冷态试验台系统图 周期图这一概念是由Ｓｃｈｕｓｔｅｒ于１８９９年首 先提出的。因为它是直接由傅里叶变换得到，所 试验台相关数据：流化床截面４５０ ｍｍ×２９５ 以习惯上称之为直接法。在快速傅里叶变换 ｒａｍ，炉膛静高度２ ０００ ｍｍ，一次风道直径９０ （ＦＦＴ）问世之前，由于该方法的计算量过大而无 ｍｍ，风机流量３ ０００ ｍ。／ｈ。压力波动信号的测 法运用。自１９６５年ＦＦＴ出现后，此方法就变成 点安装在布风板以下风帽人口的壁面上，选用差 了谱估计中的一个常用的方法。 压式压力变送器。 将 在单位圆上等间隔取值，得： 空气经过一次风管进入风室，再通过布风板 １ 上的风帽进入炉膛，进而使床内的物料流化。一 一 ＰＰＥＲ（忌）一 ｌｘＮ（是）ｌ （３） Ｙ 次风通过阀门来调节，风量通过安装在一次风道 ＸＮ（志）可用ＦＦＴ快速计算，所以ＰＰＥ （ｋ）也 上的转子流量计测取。测取流化床试验系统的 可方便地求出。本文利用此方法通过Ｍａｔｌａｂ处 运行参数和不同静床高时的风帽处的压力波动 理软件来分析采集到的压力信号数据。 信号来进行分析。 ２ 系统装置 ３试验结果及分析 流化床三维冷态试验台见图１。 ３．１流化风量的影响 试验台由数据采集系统和试验台组成。试 试验条件如下：床料为Ｏ～Ｏ．２６ ｍｍ的河砂， 验台本体为三维装置，主床由透明的有机玻璃制 静床高为１００ ｍｍ。从不同风量下测取的风帽入 成，便于观察流动状况；主要部件有炉膛、风室、 口壁面的压力波动信号中，随机抽取一组数据进 布风板、钟罩式风帽（布风板上５排８列布置）。 行分析。压力波动信号的功率谱分析见图２。 频．￣＿－／Ｈｚ 频￣－／Ｈｚ 频率小ｚ （ａ）流量３４０ ｒａ３／ｈ （ｂ）流量２５０ ｍ３／ｈ （ｃ）流量１８０ ｒａ３／ｈ 图２不同流量下的能量一频率谱 从图２可看出，主频都在０～０．１ Ｈｚ，而更集 化的情况下，空隙率比较大，颗粒间碰撞的机会 中在０．０２～０．０５ Ｈｚ；能量的极大值接近３ ｘ １０ 少，噪声信号能量小。当风量减小到一定数值 Ｊ。随着流量的减小，高频波动的信号明显增多， 时，颗粒碰撞的增多使噪声信号能量增加，从而 因为随着风量的减少，流化质量变差，气体与流 使总能量有所增加；而流化风量继续减小时，流 化颗粒接触的机会变少，颗粒与颗粒之间的碰撞 化变得不完全，从而使总能量减小。 机会变多，使高频噪声信号变多。 ３．２静床高的影响 从图２还可看出，流化风量在２５０ ｍ。／ｈ时， 试验条件如下：床料为Ｏ～０．２６ ｍｍ的河砂， 功率谱能量大于其他两种情况，原因是在充分流 （下转第２７页） 第１期 于 冲，等：ＩＧＣＣ电站协调控制方案的优化 ・ ２７ ・ 是常规的ＰＩ和ＰＤ算法，可方便地在软硬件平台 上实施，因此，对ｌＧＣＣ电站协调控制的进一步研 究以及工程实践都具有一定的借鉴意义。 调控制分析ＥＪ］．系统工程理论与实践，２００３，２３（８）：５３—５８． ［６］ＳＣＨＯＥＮ Ｐ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏａｌ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｙｃｌｅ ｕｎｉｔｓ［Ｄ］．Ｄｅｌｆｔ：Ｄｅｌｆｔ Ｕｎｉ— ｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９３． 参考文献： ［１］韦思亮．ＩＧＣＣ电站控制系统研究［Ｄ］．北京：清华大 学，２００２． Ｅ７］韦思亮，郭霞，倪维斗，等．系统辨识方法在ＩＧＣＣ电站模型 中的应用［Ｊ］．清华大学学报：自然科学版，２００２，４２（８）： １ｌ１３—１ｌ１６． ［８］邵惠鹤．工业过程高级控制［Ｍ］．上海：上海交通大学出版 社，１９９７． ［２］ＦＡＮ Ｚｈｅｎ．ＩＧＣＣ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：Ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ，ｄｙ— ｎａｍｉｃ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｄ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９３． ［９］陈绍炳，于向军．热工过程自动控制原理［Ｍ］．南京：东南大 学出版社，２００３． Ｅ３］ＮＡＧＡＴＡ Ｋ．ＹＡＭＡＤＡ Ｔ．ＨＩＺＡ Ｔ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏａｄ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ２００ ｔｏｎｓ ｐｅｒ ｄａｙ ｅｎｔｒａｉｎｅｄ ［１０］郑亚锋．智能协调控制系统设计与应用［Ｄ］．保定：华北电 力大学，２００５． ｆｌｏｗ ＩＧＣＣ ｐｉｌｏｔ ｐｌａｎｔ ｉｎ ＪａｐａｎＥＣ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９６ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏ１．Ｃｈｉｃａｇｏ，１９９６，５１（２）：１３０７—１３２０． ［ｎ］薛亚丽，李东海，吕崇德．基于遗传算法的机炉协调系统 ＰＩＤ控制器优化ＥＪ］．热能与动力工程，２００６，２１（１）：８０—８７． ［１２］ＤＥＢ Ｋ，ＡＧＲＡＷＡＬ Ｓ，ＰＲＡＴＡＰ Ａ，ｅｔ ａ１．Ａ ｆａｓｔ ａｎｄ ｅｌｉｔｉｓｔ ｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ：ＮＳＧＡ—ｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，２００２，６（２）： 】８２一】９７ ［４３韦思亮，刘尚明，倪维斗．ＩＧＣＣ协调控制系统的研究初步 ＬＪ］．燃气轮机技术，２０００，１３（３）：１９－２２． Ｃｓ］卓之兵．肖云汉，李现勇，等．ＩＧＣＣ发电一甲醇联产系统的协 （上接第ｌ４页） 流化风量为３００ ｍ。／ｈ。在不同静床高下测取风 帽入口壁面处的压力波动信号中随机抽取一组 数据进行分析。压力波动信号的功率谱分析见 图３。 频－￣ｄＨｚ （ａ】静床高８０ｍｍ 频＇￣ｇ－／Ｈｚ （ｂ）静床高１００ｍｉｌｌ 频率ＩＨｚ （ｃ）静床高１２５ ｍｍ 图３不同静床高时的能量一频谱图 从图３可看出，其主频都在Ｏ～０．１ Ｈｚ，而更 为低频信号，高频部分均为能量大致均匀分布的 白噪声信号，与在壁面处测得的压力信号规律一 集中在０．０２～０．０５ Ｈｚ；在静床高为１００ ｍｍ时功 率谱能量最大，大约为２．７×１Ｏ Ｊ。因为在静床高 为１００ ｍｍ时流化比较充分，颗粒浓度比较大，颗 粒碰撞机会比较多；而静床高为１２５ ｍｌＴｌ时，流化 不充分，试验中也观察到边缘出现死角现象，使得 总能量有所减小；静床高为８０ ｍｍ时，流化很充 分，但颗粒碰撞机会减小，从而使总能量减小。 致，验证了流化床内的有用信号为低频信号，高 频信号为干扰信号，因而可通过测定风帽处的压 力信号来揭示流化床内的压力波动特性，为进一 步分析提供依据。 参考文献： ［１］蔡平，金涌，俞芷青，等．鼓泡流态化向湍动流态化过渡的判 ４ 结语 用功率谱方法分析了流化床不同流化风量 和不同静床高工况下风帽人口处的压力波动信 号。通过分析得出，在风帽处人口压力主频信号 据［ｊ］．化工学报，ｔ９９８，１６（４）：５－９． ［２］王琦．气液固三相外循环流化床流动特性的研究［Ｄ］．河北： 河北工业大学能源与环境工程学院，２００６． ［３］郭亚军．压力管道泄漏检测与漏点定位算法研究与实现 ［Ｄ］．南京：南京理工大学机械电子工程学院，２００２．