1.本发明公开一种利用炉膛压力识别燃烧器主燃区火焰燃烧状态并优化低氮分级燃烧控制的方法，尤其是涉及一种基于炉膛压力的低氮燃烧状态分析及优化控制方法。
背景技术：
2.为降低nox排放，大量火电机组采用低氮分级燃烧方式，且在低氮分级燃烧技术中以空气分级燃烧方式为主，在实际运行过程中，为保证锅炉安全经济运行，空气分级燃烧时通常根据炉膛烟气出口nox浓度和氧气浓度调整主燃区过量空气系数以及风煤比。当机组参与调峰运行、负荷调整和燃烧劣质煤时，负荷的频繁变化和煤质的波动，主燃区的过量空气系数不能及时调整，导致炉膛内nox生成量频繁波动，严重降低了低氮分级燃烧效果。比如某电厂，60％负荷运行时脱硝烟气入口nox浓度为200mg/nm3左右，而35％低负荷调峰运行时nox浓度达到700mg/nm3，50％—70％变负荷运行时因煤质和工况频繁变动，烟气中nox浓度在200-800mg/nm3范围内大幅度波动，且该电厂用煤来源复杂，燃煤热值从14mj/kg到22mj/kg不定期变化，导致锅炉运行过程中产生的nox浓度频繁波动，使后续的scr运行困难，产生氨逃逸甚至nox排放不达标的现象。
3.影响空气分级低氮燃烧效果的主要因素包括燃烧器附近主燃区氧气浓度和高温区温度，氧浓度越高、高温区域越大、温度越高，则nox浓度越大，反之则nox浓度越小。但火焰温度过低或空气中氧含量不足，则易造成燃烧不稳定甚至熄火的现象，如某电厂常规负荷运行期间，因燃烧煤质由贫煤改成褐煤时，仍延用原有风煤比控制低氮燃烧，但褐煤挥发分比重大，燃烧速度较贫煤快，导致主燃区逐渐进入严重缺氧状态，引发熄火停磨事故。目前，炉膛燃烧器附近主燃区氧气浓度很难直接测量，只能依据给煤量和送风量估算氧气浓度调整过量空气系数，并根据烟气中nox浓度适量调整；现场运行环境中，燃烧器火焰高温区随炉膛工况变动而变动，难于捕捉，现有炉膛火焰温度检测方法包括红外测温法、声波测温法、数字图像法和激光测温法等受自身检测方式和现场安装位置限制，很难实时准确反应燃烧器主燃区整体燃烧温度，从而无法应用于燃烧器主燃区温度优化控制。
4.因此，需要一种能实时监测燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度的方法，使锅炉能根据燃烧器高温区燃烧状况灵活调整主燃区过量空气系数和燃烧温度，充分发挥低氮分级燃烧作用，达到降低炉膛中nox生成浓度，减轻scr运行压力和保证锅炉安全经济运行的目的。
技术实现要素：
5.为实现锅炉燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度的实时监测，使锅炉能根据燃烧器高温区燃烧状况灵活调整主燃区过量空气系数和燃烧温度，充分发挥低氮分级燃烧作用。本发明提供了一种基于炉膛压力的低氮燃烧状态分析及优化控制方法，其主要应用于火力发电厂低氮分级燃烧优化控制，其技术方案如下：
6.基于炉膛压力的燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度测量装置，包括：压力采样
点、高精度绝对压力表、高精度差压变送器、数据处理模块、计算站、dcs接口，吹灰管路及阀门；其特征为：所述压力采样点位于燃烧器高温区并通过压力取样管分别与高精度绝对压力表、高精度差压变送器的管路连接；吹灰管路及阀门与压力采样点管路连接；高精度绝对压力、高精度差压变送器与数据处理模块电气连接；数据处理模块与计算站电气连接；数据处理模块将高精度绝对压力表和高精度差压变送器信号转换为数字信号后送入计算站，计算站根据数据处理模块送入的信号识别燃烧器主燃区氧气浓度和计算高温区温度，并通过dcs接口获取机组运行参数，实现基于炉膛压力的低氮分级燃烧优化控制，并将控制信号通过dcs接口发送给电厂dcs系统。
7.优选为：高精度绝对压力表和高精度差压变送器输出的压力与数据处理模块连接信号是4-20ma电流信号或rs485数字信号或probus协议信号等，数据处理模块与计算站是usb、以太网、rs485数字信号等连接方式。
8.优选为：高精度绝对压力表测量精度必须达到0.1pa，采样频率≥0.5hz，优选地为艾雷柯公司生产的用于大气压力测量的0.1pa精密数字绝对压力表，采样频率1hz。高精度差压变送器测量精度必须达到0.1pa，测量范围优选地为0.0—100.0pa，采样频率≥50hz，优选地本实施例中为3351型高精度差压变送器，测量范围优选地为0.0—100.0pa，采样频率为200hz。
9.本发明还公开一种基于炉膛压力的燃烧器主燃区低氮燃烧状态分析方法，所述燃烧器主燃区低氮燃烧状态包括主燃区压差的氧气浓度识别和主燃区压力的温度测量，其中：
10.燃烧器主燃区低氮燃烧状态主燃区压差的氧气浓度识别方法：
11.根据燃烧器主燃区氧气浓度将主燃区分成缺氧燃烧状态、经济燃烧状态和富氧燃烧状态，不同氧浓度下压差δp波动特性通过小波变换提取各个频段小波系数，选取各个频段小波系数的标准差σc作为一个主燃区燃烧状态识别参数，再对各频段小波系数求取功率谱，提取各频段主要频率和主要频率平均幅值参数作为另外两个识别参数，用多层bp神经网络算法训练和识别燃烧器主燃区低氮燃烧状态主燃区压差的氧气浓度识别；
12.燃烧器主燃区低氮燃烧状态的主燃区压力的温度识别方法：
13.燃烧器主燃区压力的温度通过燃烧器主燃区上侧采样点的压力和下侧采样点的压力测量，炉膛内烟气压强与温度关系遵循理想气体状态方程，燃烧器主燃区上下侧采样点间的气压差等于炉膛内烟气密度、上下侧采样点间高度和重力加速度相乘，燃烧器主燃区上下侧采样点间的气压差等于燃烧器主燃区下侧采样点气压减去燃烧器主燃区上侧采样点气压，通过以上关系建立燃烧器主燃区压力-温度计算公式。
14.计算站通过燃烧器主燃区上下侧采样点压力，燃烧器主燃区上下侧采样点间高度，燃烧器主燃区压力-温度计算燃烧器主燃区温度。
15.本发明公开一种基于炉膛压力的低氮分级燃烧优化控制方法，其特征为，包括如下步骤：
16.步骤1：计算站通过数据处理模块采集燃烧器主燃区压差δp，采集燃烧器主燃区上下侧炉膛气压p1和p2，以压力-温度计算公式计算燃烧器上下采样点间的平均温度t；
17.步骤2：计算站对压差δp用小波分解和功率谱计算相结合的算法提取压差信号特征并以多层bp神经网络算法识别燃烧器主燃区氧气浓度；
18.步骤3：计算站与机组dcs通信获取机组负荷，判断机组运行状态，如果机组负荷在50％—100％区间运行时，根据燃烧器主燃区氧气浓度判断是否需要调整燃烧器主燃区二次风量，如果处于缺氧燃烧状态，则执行步骤4，如果处于经济运行状态或富氧燃烧状态则向dcs系统发送减小二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到烧器主燃区处于缺氧燃烧状态，然后执行步骤4；
19.步骤4：根据燃烧器上下采样点间的平均温度t判断燃烧器主燃区是否低于炉膛温度最低下限，如果高于下限则跳转到步骤1，否则向dcs系统发送加大二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到烧器上下采样点间的平均温度t不低于炉膛温度最低下限，然后跳转到步骤1；
20.步骤5：如果机组负荷在40％—50％区间运行时，根据燃烧器上下采样点间的平均温度t判断燃烧器主燃区温度是否在设定区间内，如果温度在此区间，则执行步骤6，如果温度低于设定值下限，则向dcs系统发送加大二次风调整指令，并跳转到步骤1，如果温度高于设定值上限，则向dcs系统发送减小二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到燃烧器主燃区平均温度t在设定区间内，执行步骤6；
21.步骤6：根据燃烧器主燃区氧气浓度判断燃烧器主燃区是否处于富氧燃烧状态，如果不是，则跳转到步骤1，如果是，则首先判断燃烧器上下采样点间的平均温度t是否高于调整裕度，如果是，则向dcs系统发送减小二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到燃烧器上下采样点间的平均温度t调整到设定值区间，如果是在设定值区间，则无需调整，并跳转到步骤1；
22.步骤7如果机组负荷低于40％时，根据燃烧器上下采样点间的平均温度t判断燃烧器主燃区是否低于调峰温度下限，如果温度高于下限值，则执行步骤8，如果低于下限值，则向dcs系统发送增大二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到燃烧器上下采样点间的平均温度t调整到不低于下限值，然后执行步骤8；
23.步骤8：根据燃烧器主燃区氧气浓度判断燃烧器主燃区富氧燃烧状态对应nox浓度是否低于调峰上限值，如果是，则无需调整，跳转到步骤1，如果高于上限值，则判断燃烧器上下采样点间的平均温度t是否高于调整裕度，如果不是，则跳转到步骤1，如果是，则向dcs系统发送减小二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到燃烧器上下采样点间的平均温度t调整到高于上限值。
24.本发明公开了一种基于炉膛压力的低氮分级燃烧优化控制方法应用于火力发电厂中。
25.有益效果
26.本发明的方法及系统无需对锅炉进行额外的改造，结构简单，易于实施，成本低，且便于操作。通过本发明的基于炉膛压力的低氮分级燃烧优化控制方法及系统能够实时监测燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度，使锅炉能根据燃烧器高温区燃烧状况灵活调整主燃区过量空气系数和燃烧温度，充分发挥低氮分级燃烧作用，达到降低炉膛中nox生成浓度，减轻scr运行压力和提高脱硝效率的目的。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明根据一个实施例的基于炉膛压力的燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度测量装置结构示意图；
29.图2为本发明根据一个实施例的b层燃烧器火焰高温区温度t与该层燃烧器上下采样点间气压差之间的关系；
30.图3为本发明根据一个实施例的炉膛压差信号小波分解缩放因子s＝5时的3组特征频域c(5,p)小波系数对比；
31.图4为本发明根据一个实施例的3组炉膛压差信号小波分解缩放因子s＝5时c(5,p)小波系数的功率谱对比；
32.图5为本发明根据一个实施例的炉膛压差信号经小波分解和功率谱密度求取燃烧器主燃区氧气浓度识别参数的流程；
33.图6为本发明根据一个实施例的用于燃烧器主燃区氧气浓度识别的多层bp神经网络算法结构图；
34.图7为本发明的根据一个实施例的基于炉膛压力的低氮分级燃烧优化控制方法流程图。
35.其中：1炉膛，2压力采样点p1，3高精度绝对压力表p
l
，4压力采样点p2，5高精度绝对压力表ph，6高精度差压变送器，7数据处理模块，8计算站，9dcs接口，10吹灰管路及阀门。
具体实施方式
36.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
37.基于炉膛压力的燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度测量装置，包括：压力采样点、高精度绝对压力表、高精度差压变送器、数据处理模块、计算站、dcs接口，吹灰管路及阀门；其特征为：所述压力采样点位于燃烧器高温区并通过压力取样管分别与高精度绝对压力表、高精度差压变送器的管路连接；吹灰管路及阀门与压力采样点管路连接；高精度绝对压力、高精度差压变送器与数据处理模块电气连接；数据处理模块与计算站电气连接；数据处理模块将高精度绝对压力表和高精度差压变送器信号转换为数字信号后送入计算站，计算站根据数据处理模块送入的信号识别燃烧器主燃区氧气浓度和计算高温区温度，并通过dcs接口获取机组运行参数，实现基于炉膛压力的低氮分级燃烧优化控制，并将控制信号通过dcs接口发送给电厂dcs系统。高精度绝对压力表和高精度差压变送器输出的压力与数据处理模块连接信号是4-20ma电流信号或rs485数字信号或probus协议信号等，数据处理模块与计算站是usb、以太网、rs485数字信号等连接方式。高精度绝对压力表测量精度必须达到0.1pa，采样频率≥0.5hz，优选地为艾雷柯公司生产的用于大气压力测量的0.1pa精密数字绝对压力表，采样频率1hz。高精度差压变送器测量精度必须达到0.1pa，测量范围优选地为0.0—100.0pa，采样频率≥50hz，优选地本实施例中为3351型高精度差压变送器，测量范围优选地为0.0—100.0pa，采样频率为200hz。
38.基于上述炉膛压力的燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度测量装置，并结合附图来描述本发明实施例的基于炉膛压力的低氮燃烧状态分析及优化控制方法。
39.本发明实施例的锅炉为燃煤锅炉，优选适用于煤粉炉。
40.实施例1：基于炉膛压力的燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度测量装置
41.如图1所示，本发明实施例的基于炉膛压力的燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度测量装置，包括：压力采样点p1、高精度绝对压力表p
l
、压力采样点p2、高精度绝对压力表ph、高精度差压变送器、数据处理模块、计算站、dcs接口，吹灰管路及阀门。
42.其中，压力采样点选择靠近燃烧器主燃区，压力采样点p1通过压力取样管与高精度绝对压力表p
l
管路连接，压力采样点p2通过压力取样管与高精度绝对压力表ph管路连接，燃烧器上下压力采样点通过压力取样管与高精度差压变送器的高压端和低压端管路连接，吹灰管路10及阀门与各压力采样点管路连接，其中阀门可以是手动阀门或电磁阀，如果是电磁阀则应增加相应的控制电路。本实施例中压力采样点p1、压力采样点p2分别位于炉膛1正面水冷壁左侧b层燃烧器主燃区。高精度绝对压力表p
l
和高精度绝对压力表ph输出的压力信号与数据处理模块电气连接，高精度差压变送器与数据处理模块电气连接，数据处理模块与计算站电气连接，高精度绝对压力表和高精度差压变送器输出的压力与数据处理模块连接信号可以是4-20ma电流信号或rs485数字信号或probus协议信号等，数据处理模块与计算站可以是usb、以太网、rs485数字信号等连接方式，数据处理模块将高精度绝对压力表和高精度差压变送器信号转换为数字信号后送入计算站，计算站根据数据处理模块送入的信号识别燃烧器主燃区氧气浓度和计算高温区温度，并通过dcs接口获取机组运行参数，实现基于炉膛压力的低氮分级燃烧优化控制，并将控制信号通过dcs接口发送给电厂dcs系统。
43.其中，高精度绝对压力表测量精度必须达到0.1pa，采样频率≥0.5hz，优选地为艾雷柯公司生产的用于大气压力测量的0.1pa精密数字绝对压力表，采样频率1hz。高精度差压变送器测量精度必须达到0.1pa，测量范围优选地为0.0—100.0pa，采样频率≥50hz，优选地本实施例中为3351型高精度差压变送器，测量范围优选地为0.0—100.0pa，采样频率为200hz。
44.实施例2：基于炉膛压力的燃烧器主燃区低氮燃烧状态分析方法
45.燃烧器主燃区低氮燃烧状态包括主燃区氧气浓度识别和高温区温度测量，为便于清晰的理解本发明的基于炉膛压力的燃烧器主燃区低氮燃烧状态分析方法，现对煤粉在炉膛中燃烧生成nox的机理进行描述。煤粉在炉膛中燃烧生成nox的机理有3种：
46.(1)热力型nox
47.空气中的n2在高温下氧化生成nox，当火焰温度低于1400℃时，热力型nox的生成速度很慢，当温度高于1400℃后，根据阿伦尼乌斯定律，反应速度按指数规律增加，如燃烧器高温区温度达到1500℃后，每增加100℃，热力型nox的生成速度增大6-7倍，另一方面，过量空气系数的变化对热力型nox的生成速度也有显著的影响，当煤质变差导致过量空气系数增大时，易引起炉膛中氧浓度升高，燃烧器局部高温区温度升高，造成热力型nox浓度急速增大，成为整个炉膛nox生成量的主要影响因素。
48.(2)快速型nox
49.燃煤中存在碳氢化合物，当煤粉中挥发分碳氢化合物高温分解成ch自由基后与空
气中的氮气反应生成hcn和n，再与氧气作用极速生成nox，该类型nox与温度关系不大，反应难于控制，且煤粉中以碳氢化合物占比很低，该类型nox不是nox的主要来源。
50.(3)燃料型nox
51.主要由燃煤中的含氮化合物在燃烧过程中氧化生成nox，且大部分反应温度在600-800℃之间，远低于炉膛火焰高温区，是炉膛内nox产生的主要来源。
52.基于炉膛中燃烧生成nox机理，低氮空气分级燃烧技术主要实现步骤如下：
53.首先，燃烧控制系统根据参与燃烧的各层燃烧器给煤率和一次风风量按常用煤种入炉煤质的化验热值以过量空气系数a为(0.9-1.0)计算一个初始的二次风风量，并通过二次风风门开度调整各层燃烧器二次风风量，以保证主燃区处于贫氧燃烧状态；
54.然后，按过量空气系数a为(1.1-1.2)依据风煤比计算燃尽风风量，并调整燃尽风风门开度；
55.最后，再根据脱硝烟气入口nox浓度和烟气含氧量适当调整主燃区风量和燃尽区风量配比以及总的风煤比。
56.低负荷调峰运行期间炉膛温度急剧下降，为确保火焰稳定燃烧，采用提高主燃区过量空气系数，相邻燃烧器运行相互助燃，并适当增加一次风煤粉浓度的方式，提高火焰燃烧稳定性。
57.针对上面的空气分级燃烧控制策略，在机组运行过程中，在额定负荷范围内机组稳定运行时，具有良好的低nox分级燃烧效果，但机组参与调峰运行和变负荷运行期间，需要调整主燃区和燃尽区风量配比以及总风煤比。现有燃烧调整依据主要来自于脱硝烟气入口nox浓度和烟气含氧量这两个指标，因受炉膛内烟气流动速度、nox的扩散和传感器检测时间等因素的影响，当机组负荷变动时，从燃烧器主燃区工况发生变化到脱硝烟气入口检测到这两个指标的延迟时间较长，如某350mw直流锅炉，这两个指标在不同工况下检测延迟时间为150秒至240秒不等，造成锅炉负荷变动期间nox大幅度波动。机组调峰运行期间，考虑到炉膛温度急剧下降，因无法及时获取燃烧器主燃区燃烧状态，为保证炉膛火焰的稳定性，一律采用富氧燃烧方式，导致低负荷下nox浓度很高。而电厂为保证经济效益大量燃烧劣质煤时，因劣质煤在运行过程中煤质波动较大，导致nox同步波动，也给后续scr运行增加负担。
58.燃烧控制系统面对以上问题时缺少调整依据，只能采取保守的燃烧控制方式，不能及时调整主燃区过量空气系数或控制燃烧器主燃区整体燃烧温度，造成nox浓度大幅度波动。使后续的scr运行困难，产生氨逃逸甚至nox排放不达标的现象。
59.燃烧器主燃区燃烧状态与压力和温度的关系
60.煤粉在炉膛内燃烧时，变化最明显的是温度和压力。当主燃区处于缺氧燃烧状态时，部分碳与氧反应生成一氧化碳，此反应放出的热值为110kj/mol，而碳与氧反应生成二氧化碳的热值为393kj/mol，因此，主燃区温度随过量空气系数的减小而快速降低，nox生成量减少，并且一氧化碳与氧气反应生成二氧化碳要比碳与氧反应容易，所以在缺氧燃烧状态下生成的一氧化碳累积到一定程度后，将随一次风和二次风湍流方向迅速夺取炉膛中的氧气并快速反应，形成微小的局部爆燃现象，且这种现象随主燃区过量空气系数的减小而越发明显，引起炉膛压力产生低频波动。
61.当主燃区处于富氧燃烧状态时，碳与氧充分混合稳定燃烧生成二氧化碳，此时炉
膛压力在缺氧状态下引起微小局部爆燃的低频区域波动减小，且二次风增大后在炉膛中的穿透力增强，能拖带附近的煤粉沿二次风路径加速反应，使燃烧反应主要集中在主燃区附近，导致主燃区温度升高，nox生成量增多。
62.因此，可以根据不同频域内压力波动特性通过频域分析识别主燃区氧气浓度，而通过对主燃区温度测量判断炉膛内nox生成量，但炉膛压力是一个集总型参数，对炉膛内所有波动源均有响应，因此，如果只用单点压力测量不可避免的会受到临近燃烧器或别的波动源的干扰，但燃烧器在燃烧过程中，火焰因热效应的影响而上升，会造成燃烧器上下两端压力大小和波动幅度产生差异，这种差异与主燃区温度和氧气浓度密切相关，且其余的压力波动源因距离关系，可通过这种差异有效抑制，因此，本发明通过燃烧器主燃区上下两端气压和压差δp计算燃烧器主燃区温度和识别主燃区氧气浓度。
63.基于燃烧器主燃区压差的氧气浓度识别：
64.根据燃烧器主燃区氧气浓度可将主燃区分成缺氧燃烧状态、经济燃烧状态和富氧燃烧状态，不同氧浓度下压差δp波动特性可以通过小波变换提取各个频段小波系数，因不同燃烧状态下各频段小波系数波动幅值存在差异，所以选取各个频段小波系数的标准差σc作为一个主燃区燃烧状态识别参数(需要说明的是低频小波系数因包含炉膛压力控制信息，各种燃烧状态下波动特性重现性较差，所以只选取高频小波系数作为主燃区燃烧状态识别参数，又因本发明中只用到了高频小波系数，因此后续所指的小波系数均为高频小波系数)，再对各频段小波系数求取功率谱，提取各频段主要频率和主要频率平均幅值参数作为另外两个识别参数，小波分析及功率谱密度求取算法如下：
65.基本小波：ψ(x)用于分离压差值δp序列基于该小波的各频段分量，使用时需由ψ(x)创建一组小波函数，如下式所示：
[0066][0067]
其中，a为进行缩放的缩放参数，反映特定基函数的尺度；b为进行平移的平移参数，指定沿x轴平移的位置，本实施例中ψ(x)选用haar小波。
[0068]
压差值δp序列以小波ψ(x)为基的小波变换定义为函数f(x)和ψ
a,b
(x)的内积：
[0069][0070]
连续小波变换(continuous wavelet transform，cwt)。
[0071][0072]
式中：c(s,p)—小波系数；
[0073]
s—缩放因子(scale)；
[0074]
p—位置(position)。
[0075]
对于一组压差值δp序列是由离散压差数值组成，因此计算时需将连续小波变换cwt的积分符号改为求和，即离散小波变换(discrete wavelet transform，dwt)。
[0076]
改变缩放因子s，可以得到一系列不同位置p的小波系数c(s,p)，本实施例中分别选取一段低氮贫氧燃烧工况、一段正常燃烧工况和一段高氮富氧燃烧工况各8分钟，以
128hz采样频率采集压差值δp得到3组压差序列，对3组压差值δp序列采用小波变换后得到不同缩放因子s状态下的小波系数c(s,p)，如图3所示，为缩放因子s＝5时的3组特征频段c(5,p)小波系数，根据系数波动幅度比较，低氮时最大，高氮时最小。
[0077]
3组特征频段小波系数的功率谱密度由离散傅里叶公式通过特征频段c(6,p)小波系数和fs根据下式获取，因本实施例中高精度差压变送器采样频率为128hz，当缩放因子s＝5时fs＝8hz：
[0078][0079]
式中：tn表示第n个小波系数值对应时间段，本实施例中一个时间段为1/fs＝0.125秒，fk＝k
·fs
/n对应的频率。
[0080]
功率谱密度psd公式如下：
[0081][0082]
式中：s
xxp
(k)—瞬时功率谱密度；
[0083]
δt—相邻两次采样时间间隔，s；
[0084]
t
l
—所采数据时间长度，t
l
＝n
·
δt，s。
[0085]
自功率谱为经m次采样后的平均功率谱值如下式所示：
[0086][0087]
式中：s
xx
(k)—自功率谱；
[0088]
m—采样次数。
[0089]
本实施例中，3组c(5,p)小波系数的自功率谱如图4所示，从图中可以看出不同nox浓度燃烧状态下c(5,p)小波系数自功率谱主要频率和主要频率幅值均存在差异，根据图4中c(5,p)小波系数自功率谱选取最大5个最大幅值的频率作为主要频率f
cm
(f
5m1
—f
5m5
)可以有效区分3种燃烧状态，以自功率谱s
xx
找出3组特征频段小波系数中主要频率后，求取主要频率平均幅值，计算公式如下：
[0090][0091]
式中，f
cp
为主要频率平均功率谱幅值，s
xx
(x)为主要频率，m是主要频率的数量。
[0092]
在求得不同nox浓度燃烧状态下各个频段小波系数的标准差σc、主要频率f
cm
和主要频率平均幅值f
cp
后，即可根据这些参数建立主燃区氧气浓度识别算法。根据图3中c(5,p)小波系数分布特性，表明炉膛压差信号δp为一随机平稳信号，因此，选用长短时评判方式识别主燃区氧气浓度，本实施例中选取高精度差压变送器采样频率为128hz，短时段炉膛压差信号δps为8秒，长时段δp
l
为δps加上前56秒历史压差信号合计64秒，分别以小波分析分解出一系列小波系数，再求取各个频段小波系数的标准差σc、主要频率f
cm
和主要频率平均幅值f
cp
，然后用多层bp神经网络算法训练和识别燃烧器主燃区氧气浓度。
[0093]
本实施例中计算站经数据处理模块从高精度差压变送器采集到燃烧器主燃区上下采样点间的压差信号δp后，经小波分解和功率谱密度提取参数的流程如图5所示(因最高频段c(1,p)小波系数含有大量噪声，在后续的参数提取过程中舍去)，详细的参数列表如表1所示，多层bp神经网络算法结构如图6所示。因多层bp神经网络算法已属于成熟的模式识别方式得到广泛应用，非专业人员可以通过多种渠道获取详细的算法结构，这里不再复述，只提供本实施例中的使用的几个关键公式。
[0094]
表1长短时燃烧器主燃区压差信号特征参数
[0095][0096]
多层bp神经网络算法用于燃烧器主燃区氧气浓度识别
[0097]
本实施例中的多层bp神经网络算法主要包含输入层、隐藏层和输出层，为便于概率统计分析，在输出层后面加入soft-max层便于燃烧器主燃区氧气浓度识别。
[0098]
其中，隐藏层的激活函数为sigmoid函数：
[0099][0100]
式中：y
′
为当前隐藏层的输出值，hz为上一层隐藏层，l为hz的神经元个数，bj是输出层偏置。
[0101]
输出层后接的soft-max层公式如下：
[0102][0103]
式中：yi是一个(0，1)的soft-max层输出分类，p是输出层的神经元个数。
[0104]
训练时的损失函数采用交叉熵函数：
[0105][0106]
式中：n为训练样本个数，q
ic
为训练样本的主燃区氧气浓度类型(预处理为独热编码方式one-hot vector，即每个标签只属于氧气浓度类型中的一种)，m为主燃区氧气浓度类型数量，y
ic
为soft-max输出值。
[0107]
训练时，采集不同机组负荷和燃烧器组合下被测燃烧器3种氧气浓度类型压差δp
波动数据，并设置nox浓度标签，根据采样数据分析，nox浓度《300mg/nm3为缺氧燃烧状态，且在平稳燃烧状态下10分钟内nox浓度波动20mg/nm3，nox浓度为300-420mg/nm3为经济燃烧状态，在平稳燃烧状态下10分钟内nox浓度波动40mg/nm3，nox浓度》420mg/nm3为富氧燃烧状态，平稳燃烧状态下10分钟内nox浓度波动100mg/nm3。根据以上现象可以对作为训练集的被测燃烧器主燃区压差δp波动数据进行标签分类，本实施例详细分类如表2所示。
[0108]
表2被测燃烧器主燃区压差δp波动数据标签分类
[0109][0110][0111]
标签定义范围越大，训练数据越多，则训练效果越好，识别率越高，但标签范围定义过大，则对主燃区氧气浓度类型细分类太模糊，不利于主燃区氧气浓度控制。需要说明的是不同电厂因燃烧器类型、炉膛结构、燃烧控制方式和燃烧煤种等因素的差异，燃烧器主燃区氧气浓度类型存在很大差异，必须对不同工况下燃烧器主燃区氧气浓度类型与nox浓度进行对比分析，才能合理定义标签范围。
[0112]
对多层bp神经网络模型完成训练并测试，保证识别率＞95％时即可完成模型训练，保存模型所有模型系数，即可作为被测燃烧器主燃区氧气浓度识别模型。
[0113]
基于燃烧器主燃区压力的温度计算：
[0114]
燃烧器主燃区压力的温度可以通过燃烧器主燃区压力和压差测量，其理论依据如下：
[0115]
首先，炉膛压力与温度有密切的关系，煤粉进入炉膛后与氧气反应生成co2和h2o(气态)，因此，炉膛内烟气压强与温度关系遵循理想气体状态方程：
[0116]
pv＝nrt
ꢀꢀ
(11)
[0117]
式中：p为炉膛内气体压力(pa)，v为炉膛体积(m3)，n为单位体积内气体分子数，r为普适气体常数(8.314j/mol
·
k)，t为热力学温度开尔文。
[0118]
公式中，炉膛体积为固定参数，普适气体常数也为固定参数，但炉膛压力、温度和单位体积内气体分子数都受燃料量、一次风流量、二次风流量、磨组运行方式等多方面影响，仅凭理想气体状态方程无法建立炉膛压力和温度的关系。
[0119]
其次，又因电厂锅炉是一个定容开放系统，炉膛横截面为矩形，燃烧器以层为单位布置在同一水平高度，在燃烧器上下截面间h高度范围内，炉膛上下截面间的压差δp＝p
2-p1，其中，p1和p2分别为燃烧器主燃区上下采样点的炉膛气压，则h与δp满足如下关系：
[0120]
[0121]
式中：为烟气平均密度(kg/nm3)，g为重力加速度。
[0122]
对于炉膛内烟气密度：
[0123][0124]
式中：m为烟气平均摩尔质量(g/mol)，v为燃烧器上下截面间h高度范围内炉膛体积。
[0125]
如图1所示，当燃烧器上下采样点间的高度h确定以后，炉膛体积v即可确定，根据公式(11)、公式(12)和公式(13)可消去体积v，求得δp：
[0126][0127]
又因δp＝p
2-p1，p为体积v内气体平均压力，可由p＝(p1 p2)/2确定，因此，结合公式(14)通过p2和p1采样点获取燃烧器上下截面的压力后，可建立高度为h范围内炉膛温度t与上下截面间压力关系：
[0128][0129]
式中：t为燃烧器主燃区上下采样点间的平均温度(k)，m为气体摩尔质量(g/mol)，g为重力加速度，h为单层燃烧器上下采样点间高度，r＝8.314为气体常数(j/(mol
·
k))，k为炉膛空气密度修正系数，与煤质有关，通常褐煤为(1.015—1.025)之间，常取1.02。
[0130]
以压力计算b层燃烧器上下采样点间的高温区平均温度为例，重力加速度g、气体常数r均为常数，本实施例中h＝3米，根据实施例中表3的两种燃煤热值17mj/kg与22mj/kg计算，m值相对于干燥空气增大1.5％至2.5％，这里取29.55g/mol。计算站通过数据处理模块分别对高精度绝对压力表p
l
和高精度绝对压力表ph采集p1、p2采样点压力，以压力-温度计算公式能计算出b层燃烧器上下采样点间的平均温度t，此时的温度为开尔文，减去273.15即为摄氏度tb。图2为h＝3米时，标准大气压下tb与p1–
p2的对应关系，当高精度绝对压力表精度达到0.1pa时，在1400℃附近根据炉膛差压计算的温度误差＜2.0％，可以满足将炉膛高温区温度控制在1300
±
50℃范围内要求。
[0131]
表3锅炉入炉煤化验结果
[0132][0133][0134]
计算站通过对燃烧器主燃区压差采用小波分解和功率谱计算相结合的算法提取压差信号特征并以多层bp神经网络算法识别燃烧器主燃区氧气浓度，再以燃烧器主燃区上
下侧采样点压力计算燃烧器温度，即可判断燃烧器主燃区低氮燃烧状态。
[0135]
实施例3：一种基于炉膛压力的低氮分级燃烧优化控制方法
[0136]
现有的低氮分级燃烧控制系统运行时，造成nox波动的主要原因为机组参与调峰运行、变负荷运行和煤质变化等因素，其中前两条为主要原因。为保证锅炉在调峰运行、变负荷运行和煤质变化等情况下安全、稳定、经济的运行低氮分级燃烧控制系统，本实施例设置如下优化控制条件：
[0137]
1)当机组负荷在50％—100％区间运行时，因炉膛整体温度较高，煤粉在整个炉膛空间内燃烧环境较好，所以优先控制
[0138]
燃烧器主燃区氧气浓度处于缺氧燃烧状态，然后调节燃烧器主燃区温度不低于1250℃；
[0139]
2)当机组负荷在40％—50％区间运行时处于低负荷调峰阶段，炉膛温度有所下降，应适当提高燃烧器主燃区温度，优先
[0140]
控制燃烧器主燃区温度在1300℃—1400℃之间，再调节燃烧器主燃区氧气浓度，保证燃烧器主燃区温度不低于1300℃
[0141]
条件下，燃烧器主燃区氧气浓度处于经济燃烧状态或缺氧燃烧状态；
[0142]
3)当机组负荷低于40％时属于深度调峰运行阶段，炉膛温度急剧下降，除燃烧器主燃区温度较高外，其余区域温度较低，此时应优先满足燃烧器主燃区温度不低于1400℃，然后控制燃烧器主燃区氧气浓度处于nox产生浓度较低的富氧燃烧状态或经济燃烧状态。
[0143]
根据以上设置条件，本实施例的基于炉膛压力的低氮分级燃烧优化控制方法流程如图7所示，详细的步骤如下：
[0144]
步骤1：计算站通过数据处理模块对高精度差压变送器采集b层燃烧器主燃区上下采样点间的压差δp，对高精度绝对压力表p
l
和高精度绝对压力表ph采集压力采样点p1、压力采样点p2的炉膛气压p1和p2，以压力-温度计算公式计算出b层燃烧器上下采样点间的平均温度t；
[0145]
步骤2：计算站对b层燃烧器主燃区上下采样点间的压差δp用小波分解和功率谱计算相结合的算法提取压差信号特征并以多层bp神经网络算法识别燃烧器主燃区氧气浓度；
[0146]
步骤3：计算站与机组dcs通信获取机组负荷，判断机组运行状态，如果机组负荷在50％—100％区间运行时，根据燃烧器主燃区氧气浓度判断是否需要调整燃烧器主燃区二次风量，如果处于缺氧燃烧状态，则执行步骤4，如果处于经济运行状态或富氧燃烧状态则向dcs系统发送减小二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到烧器主燃区处于缺氧燃烧状态，然后执行步骤4；
[0147]
步骤4：根据b层燃烧器上下采样点间的平均温度t判断燃烧器主燃区是否低于1250℃，如果不低于1250℃则跳转到步骤1，否则向dcs系统发送加大二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到烧器上下采样点间的平均温度t不低于1250℃，然后跳转到步骤1；
[0148]
步骤5：如果机组负荷在40％—50％区间运行时，根据b层燃烧器上下采样点间的平均温度t判断燃烧器主燃区是否在1300℃—1400℃之间，如果温度在此区间，则执行步骤6，如果温度低于1300℃，则向dcs系统发送加大二次风调整指令，并跳转到步骤1，如果温度高于1400℃，则向dcs系统发送减小二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到燃烧器主燃区平
均温度t在1300℃—1400℃之间，执行步骤6；
[0149]
步骤6：根据燃烧器主燃区氧气浓度判断燃烧器主燃区是否处于富氧燃烧状态，如果不是，则跳转到步骤1，如果是，则首先判断燃烧器上下采样点间的平均温度t是否高于1350℃，如果是，则向dcs系统发送减小二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到燃烧器上下采样点间的平均温度t调整到1300℃—1350℃之间，如果是在1300℃—1350℃之间，则无需调整，并跳转到步骤1；
[0150]
步骤7：如果机组负荷低于40％时，根据b层燃烧器上下采样点间的平均温度t判断燃烧器主燃区是否低于1400℃，如果不低于1400℃，则执行步骤8，如果低于1400℃，则向dcs系统发送增大二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到燃烧器上下采样点间的平均温度t调整到不低于1400℃，然后执行步骤8；
[0151]
步骤8：根据燃烧器主燃区氧气浓度判断燃烧器主燃区富氧燃烧状态对应nox浓度是否低于520mg/nm3，如果是，则无需调整，跳转到步骤1，如果高于520mg/nm3，则判断燃烧器上下采样点间的平均温度t是否高于1450℃，如果不是，则跳转到步骤1，如果是，则向dcs系统发送减小二次风调整指令，并跳转到步骤1，直到燃烧器上下采样点间的平均温度t调整到1400℃—1450℃之间。
[0152]
在长期运行过程中为避免锅炉内高浓度粉尘对压力采样点管路造成堵塞，应通过吹灰管路及阀门对所有采样点管路进行定期吹灰清理。
[0153]
需要说明的是本实施例中只选取了一层燃烧器安装基于炉膛压力的燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度测量装置，在实际应用中，完全可以对所有层燃烧器安装基于炉膛压力的燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度测量装置，对于其他类型电厂锅炉，均可根据燃烧器布置层数或实际需要增加或减少压力采样点，但对于需要安装本发明的燃烧器主燃区氧气浓度和高温区温度测量装置的燃烧器层，必须在该层燃烧器的上下两侧各选取至少1个压力采样点。