基于灰色模型的鍋爐煤粉細(xì)度測(cè)量的不確定度評(píng)定

張 林，周大慧

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司，安徽銅陵244000)

燃煤發(fā)電鍋爐是發(fā)電廠的三大主機(jī)設(shè)備之一，目前我國(guó)電力生產(chǎn)主要以燃煤發(fā)電為主，且會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持這一現(xiàn)狀[1]。但煤粉質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)難以達(dá)到要求，導(dǎo)致?tīng)t效下降[2]、能耗過(guò)高以及粉塵和有害氣體大量排放，嚴(yán)重污染環(huán)境[3-4]。對(duì)于煤粉含量的測(cè)量及影響其燃燒的因素目前得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的較多關(guān)注，如崔曉鋼等[5]提出采用一種具耐磨損、低放射特點(diǎn)的微波測(cè)量法測(cè)量煤粉含量；劉靖昀[6]分析了氧氣含量對(duì)煤粉燃燒反應(yīng)速度、煤粉燃盡率以及廢氣排放量的影響，得出增加氧氣含量可促進(jìn)煤粉燃盡；陳輝等[7]數(shù)值模擬分析不同負(fù)荷下煤粉細(xì)度對(duì)鍋爐燃燒的影響，得到低氮燃燒狀態(tài)下，降低煤粉細(xì)度有利于降低飛灰含碳量和省煤器出口NO和NO2的含量；Syrodoy等[8]數(shù)值模擬了煤和水煤燃料燃燒產(chǎn)物向內(nèi)部環(huán)境的傳熱，結(jié)果表明煤粉在燃燒過(guò)程中形成大量強(qiáng)烈的灰燼沉積。

煤粉細(xì)度的適度變化是提高燃煤鍋爐燃燒效率的一項(xiàng)重要手段，不同工況條件下使用不同細(xì)度的煤粉可有效提高煤粉的燃燒效能。對(duì)煤粉細(xì)度進(jìn)行快速準(zhǔn)確測(cè)量不僅可提高燃煤鍋爐的可靠性和穩(wěn)定性，且具節(jié)能減排降本增效的作用[9-10]。煤粉細(xì)度的測(cè)量主要分為離線測(cè)量和在線測(cè)量。其中：在線測(cè)量以光學(xué)測(cè)量為代表，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、速度快、重復(fù)性較好，但由于在線法測(cè)量分辨率較低，不宜測(cè)量粒度分布范圍較窄的樣品，只能測(cè)量低準(zhǔn)度的工況；離線測(cè)量以篩分法為代表，測(cè)量原理簡(jiǎn)單，可相對(duì)準(zhǔn)確地得到常用篩號(hào)下煤粉的細(xì)度，同時(shí)可客觀評(píng)價(jià)煤粉磨制質(zhì)量。因此，文中針對(duì)小樣本、分布類型未知的煤粉細(xì)度，基于篩分法建立煤粉細(xì)度測(cè)量不確定的灰色評(píng)定模型，基于灰色模型的不確定度評(píng)定方法對(duì)煤粉細(xì)度進(jìn)行測(cè)量，以期方便準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行評(píng)定。

1 煤粉細(xì)度的測(cè)量原理

我國(guó)鍋爐煤粉細(xì)度常用孔徑為200，90 μm的兩種篩子來(lái)表示，表示符號(hào)分別為R200和R90，其中R90為電廠鍋爐運(yùn)行最常用的控制指標(biāo)[11-12]。我國(guó)采用的篩子規(guī)格和煤粉細(xì)度表示符號(hào)如表1。

表1 常用篩子規(guī)格及煤粉細(xì)度表示符號(hào)Tab.1 Common sieve specifications and pulverized coal fineness indication symbols

使用單一孔徑篩子現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)煤粉細(xì)度不能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，磨煤機(jī)磨制的煤粉顆粒粒徑差異較大，要準(zhǔn)確測(cè)定煤粉的顆粒平均水平，就需計(jì)算煤粉的平均粒徑。燃煤電廠的煤粉顆粒特性可用式(1)表示

若R90與R200已知，則

式中：Rx為顆粒尺寸(即煤粉細(xì)度)；x 為篩孔孔徑；b 為煤粉細(xì)度的系數(shù)；n 為煤粉均勻性系數(shù)，與煤的種類和磨煤方式有關(guān)。由式(4)可知：n 越大，煤粉顆粒分布越均勻；n 越小，煤粉顆粒分布越不均勻，存在較多過(guò)粗和過(guò)細(xì)的煤粉。一般n=0.8～1.3，具體取決于磨煤機(jī)和分離器的結(jié)構(gòu)[13-14]。

2 煤粉細(xì)度不確定度灰色評(píng)定模型的建立

2.1 煤粉細(xì)度的檢驗(yàn)算法

實(shí)際測(cè)量煤粉細(xì)度的過(guò)程中，由于無(wú)法保證測(cè)量在理想情況下進(jìn)行，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在誤差，采用數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)剔除異值數(shù)據(jù)，然后按從小到大的順序排列得到實(shí)際煤粉細(xì)度檢測(cè)值數(shù)列Z0，如

其中Z0(i)表示第i 次測(cè)量時(shí)實(shí)際煤粉細(xì)度檢測(cè)值。逐次計(jì)算式(5)數(shù)列Z0(i)的m 項(xiàng)和，得到實(shí)際煤粉細(xì)度累加數(shù)Z1(i)，如

將煤粉細(xì)度檢測(cè)次數(shù)i 作為橫坐標(biāo)、前m項(xiàng)和Z1(i)作為縱坐標(biāo)繪制檢測(cè)誤差分布曲線，結(jié)果如圖1。圖1中：S2表示實(shí)際煤粉細(xì)度的檢測(cè)結(jié)果；S1表示理想情況下煤粉細(xì)度的檢測(cè)結(jié)果。

2.2 檢測(cè)分散性及不確定度算法

圖1中，曲線S1和S2在縱坐標(biāo)軸方向上的差異Δ(i)反映在重復(fù)檢測(cè)煤粉細(xì)度時(shí)，由于各種誤差而產(chǎn)生檢測(cè)值的分散性。理想情況下煤粉細(xì)度檢測(cè)過(guò)程與實(shí)際情況下煤粉細(xì)度檢測(cè)過(guò)程的最大分散性用最大距離Δmax表示，如

假設(shè)與最大距離Δmax對(duì)應(yīng)的最小橫向坐標(biāo)為m，則Δ(m)＞Δ(m-1)，且Δ(m)≥Δ(m+1)，由于Z0(i) 為遞增數(shù)列，令為這組數(shù)列的平均數(shù)，則Z0(i)＜(i=1,2,…,m)，且Z0(i)＞(i=m+1,m+2,…,t)。

圖1 累加檢測(cè)序列Fig.1 Cumulative detection sequence

令Z1(m)=Z0(i)+…+Z0(m)，則式(7)可轉(zhuǎn)化為式(8)。

定義灰色標(biāo)準(zhǔn)差SGrey表示煤粉細(xì)度檢測(cè)數(shù)據(jù)的分散程度，如式(9)

式中：c為示灰色系數(shù)；u為一組測(cè)量數(shù)據(jù)總數(shù)。參考文獻(xiàn)[15]可看出，煤粉細(xì)度的分布類型與灰色系數(shù)c的關(guān)聯(lián)度不高，通?；疑禂?shù)c取2.5，則煤粉細(xì)度的灰色不確定度UGrey為

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 煤粉細(xì)度的測(cè)定

在燃煤電廠采集經(jīng)磨煤機(jī)研磨后的煤粉標(biāo)本作為檢測(cè)樣本，采用篩分法測(cè)量煤粉細(xì)度，即把一定量的煤粉放在篩孔尺寸為x的標(biāo)準(zhǔn)篩上篩分，留在篩面上的煤粉質(zhì)量占原煤粉樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)即為煤粉細(xì)度Rx。

式中：A為留在篩面煤粉的質(zhì)量；B為從篩孔掉落煤粉的質(zhì)量。根據(jù)式(11)求出煤粉細(xì)度。對(duì)同一組樣本煤粉細(xì)度進(jìn)行8次測(cè)量，去除其中的離群值，得到的煤粉細(xì)度如表2。

表2 測(cè)定的煤粉細(xì)度Tab.2 Measured fineness of pulverized coal

3.2 煤粉細(xì)度的評(píng)定

3.2.1 不確定度的灰色評(píng)定結(jié)果

根據(jù)表2測(cè)定的煤粉細(xì)度，采用本文提出的基于灰色模型不確定度評(píng)定方法對(duì)表中4組數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定。先計(jì)算表2中第一組煤粉細(xì)度的平均值，后根據(jù)步驟2.2找出相差的最大值Δmax，再根據(jù)定義的灰色標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算出灰色不確定度。

同理得到另3組煤粉樣本細(xì)度的不確定度分別為0.130，0.109和0.117，如表3。

3.2.2 不確定度的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定

為檢驗(yàn)基于灰色模型的不確定度評(píng)定方法的評(píng)定結(jié)果，采用常規(guī)的不確定度方法，即標(biāo)準(zhǔn)不確定度的統(tǒng)計(jì)評(píng)定方法，又稱A類不確定度對(duì)表2中的4組煤粉細(xì)度進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)式(12)計(jì)算出煤粉細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)差，推導(dǎo)出煤粉細(xì)度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，如式(13)。

同理得到另3 組煤粉樣本細(xì)度的不確定度為0.140，0.130 和0.121，如表3。比較表3 中的數(shù)值可知，采用基于灰色模型的不確定度評(píng)定方法和標(biāo)準(zhǔn)不確定度的統(tǒng)計(jì)評(píng)定方法對(duì)煤粉細(xì)度的不確定度進(jìn)行評(píng)定，兩種方法的評(píng)定結(jié)果無(wú)顯著性差異，驗(yàn)證了灰色模型在評(píng)定煤粉細(xì)度不確定度是科學(xué)可行的。與標(biāo)準(zhǔn)不確定度的統(tǒng)計(jì)評(píng)定方法相比，基于灰色模型的不確定度評(píng)定方法中，計(jì)算煤粉細(xì)度Δmax的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單方便，對(duì)煤粉細(xì)度不確定度評(píng)定速度較快。

表3 灰色不確定度和標(biāo)準(zhǔn)不確定度的對(duì)比Tab.3 Comparison between grey uncertainty and standard uncertainty

3.3 實(shí)際工況應(yīng)用

煤粉燃燒的不完全損失對(duì)實(shí)際工況有重要影響，煤粉細(xì)度是煤粉燃燒損失的主要作用因素。為研究煤粉細(xì)度變化對(duì)燃煤鍋爐燃燒的影響，進(jìn)行燃煤燃燒優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如表4。

表4 煤粉細(xì)度變化對(duì)燃燒特性影響的實(shí)驗(yàn)條件Tab.4 Experimental conditions for the influence of fineness of pulverized coal on combustion characteristics

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在燃煤鍋爐著火壁溫1 320 ℃、給粉量143 g·h-1、配風(fēng)量1.01 m3·h-1的條件下，改變煤粉細(xì)度，測(cè)量煤粉細(xì)度變化時(shí)的飛灰含碳量。測(cè)量結(jié)果為：煤粉細(xì)度R90的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%時(shí)，飛灰含碳量為7.21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；煤粉細(xì)度R90的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，飛灰含碳量為6.24%，煤粉細(xì)度R90的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，飛灰含碳量降低到0.45%。由此可見(jiàn)：煤粉細(xì)度R90的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，煤粉燃燒效果較為理想；在燃煤鍋爐著火壁溫、給粉量、配風(fēng)量條件確定時(shí)，通過(guò)測(cè)量飛灰含碳量可得燃燒時(shí)的最佳煤粉細(xì)度。在已知最佳煤粉細(xì)度時(shí)，需盡量避免不完全燃燒時(shí)的損失，依據(jù)采用灰色模型不確定度對(duì)煤粉細(xì)度的評(píng)定結(jié)果，對(duì)鍋爐燃燒過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，可使鍋爐保持最佳燃燒工況，提高燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率。

4 結(jié) 論

針對(duì)煤粉細(xì)度的不確定度，提出一種基于灰色模型的不確定度測(cè)量方法，對(duì)煤粉細(xì)度數(shù)據(jù)的不確定度進(jìn)行評(píng)定。結(jié)果表明：煤粉細(xì)度不確定度的灰色評(píng)定值與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定結(jié)果相比無(wú)顯著性差異，驗(yàn)證了灰色模型在評(píng)定煤粉細(xì)度不確定度是科學(xué)可行的，且灰色不確定度準(zhǔn)確度高、簡(jiǎn)單易行?？筛鶕?jù)準(zhǔn)確度明確的煤粉細(xì)度，指導(dǎo)運(yùn)行人員適時(shí)調(diào)整燃燒過(guò)程，使鍋爐保持最佳燃燒工況，提高燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率。