1 引言
電廠大型燃煤機組一般都采用直吹式制粉系統(tǒng)，即每臺磨煤機出口有4～8根一次風(fēng)煤粉管道直接與鍋爐燃燒器相連，煤粉經(jīng)過輸粉管輸送到燃燒器進行燃燒。由于各煤粉管道的長度和彎頭數(shù)量不同，使得每根管道的壓損不同，由此形成各煤粉管道之間煤粉分配不均，結(jié)果使鍋爐燃燒器不能在*風(fēng)煤比工況下運行，使燃燒效率降低，NOX排放增加并且使鍋爐故障率增高。
2 存在問題分析
當(dāng)各煤粉管道之間煤粉分配不均時，可能出現(xiàn)煤粉濃度過高、過低，流速過高、過低等情況。煤粉濃度過高時可出現(xiàn)以下情況：煤粉堵管，不能向爐內(nèi)輸送煤粉，同時引起管內(nèi)煤粉自燃以致燒壞輸粉管；煤粉燃燒不*，效率低、CO增加、加劇爐膛內(nèi)受熱面及過熱器受熱面的高溫腐蝕；爐膛及過熱器局部結(jié)渣，嚴重影響鍋爐的安全運行。煤粉濃度過低時，出現(xiàn)以下結(jié)果：爐膛溫度降低，易滅火，鍋爐氣壓降低，無法滿足負荷要求；產(chǎn)生大量的NOX，污染環(huán)境，過熱器超溫，甚至引起過熱器爆管等事故；為了提高氣壓，加大一次風(fēng)（輸粉管）流速，爐膛切圓偏移爐膛中心，造成爐墻局部結(jié)渣，尾部受熱面煙溫偏差過大，甚至引起爆管。
當(dāng)煤粉和空氣混合物的流速過高時，會影響煤粉*濃度，出現(xiàn)以下情況：加劇輸粉管的磨損；燃燒器出口混合物流速過高，燃燒滯后，造成火焰中心偏斜并容易引起爐墻局部結(jié)焦以及爐膛尾部過熱器局部超溫爆管；燃燒不*，灰中含碳量以及排煙溫度增加，降低鍋爐效率。當(dāng)混合物流速過低時，除影響*煤粉濃度外，造成以下結(jié)果：輸粉管沉積的煤粉增加，引起堵管；引起煤粉自燃，甚至發(fā)生煤粉管道爆炸；燃燒器出口混合物流速降低，煤粉大量與主氣流分離，長久下去除造成煤耗增加，還會引起爐膛滅火以及二次燃燒堵死鍋爐下部出灰口。
3 解決方案
解決以上問題的辦法是通過在線測量煤粉管內(nèi)煤粉的流速和質(zhì)量流量，并以此為依據(jù)調(diào)整每個燃燒器的二次風(fēng)量，實現(xiàn)燃燒的*狀態(tài)。
在直吹式制粉系統(tǒng)中，煤粉量的控制是靠進入磨煤機的一次風(fēng)量來控制的。因此，一次風(fēng)流量信號顯得尤為重要。對于文丘里管測流量，當(dāng)其前后流場穩(wěn)定及均勻時，其流量系數(shù)K為常數(shù)，只要測得流體密度與壓差值，即可求出通風(fēng)量。然而由于環(huán)境及設(shè)備條件的限制，使差壓信號失真，系數(shù)K不是常數(shù)，zui大偏差達34%以上，故通過擋板控制風(fēng)量來調(diào)整進入鍋爐的燃煤量不可靠。當(dāng)鍋爐負荷增減時，司爐工只能靠經(jīng)驗及測得的參考風(fēng)量進行風(fēng)煤的調(diào)整。如果在輸粉管（即一次風(fēng)管）安裝煤粉流量和濃度在線測量裝置，則能更好地控制煤粉量，降低煤耗，同時減輕司爐工勞動強度，改善勞動環(huán)境。對于直吹式制粉系統(tǒng)來說，在一次風(fēng)管上安裝煤粉流量和速度在線測量裝置，除解決上述雙進雙出磨煤機風(fēng)量測定誤差大、不可靠問題外，還可發(fā)現(xiàn)直吹式分離器鎖氣器泄漏、不起作用等故障。
4 微波固體流量測量系統(tǒng)
4.1 測量原理
SolidFlow2PF微波固體流量測量儀采用*的微波超短脈沖技術(shù)，為各類金屬固體輸料管槽的流量測量而設(shè)計，采用創(chuàng)新技術(shù)，具有美國和歐洲。它利用微波能量場和固體顆粒對微波的反射和多普勒特性，傳感器向金屬輸料管道/料槽內(nèi)的固體顆粒發(fā)射低能量微波信號，信號被固體反射后又被傳感器接收到。通過移動物料的微波反射能量來測量物料的密度，相當(dāng)于一個隨著油田開發(fā)向自然條件苛刻的沙漠及海洋的延伸，油田越來越需要功能強、自動化程度高、體積小、操作方便的油井產(chǎn)出液計量設(shè)備來提高油藏的管理水平和勞動生產(chǎn)率[1-2]。然而，由于油井產(chǎn)出液是流型復(fù)雜、成份多變的多相流，要想對其直接進行計量比較困難。目前，多相計量技術(shù)的研究主要集中在基于各種射線或者超聲波的層析射線成像技術(shù)，以及基于多信號處理技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及模糊模式識別技術(shù)等所謂“軟”測量方法[3-4]。
近10a來，中國石油大學(xué)流體測試實驗室在多相流體力學(xué)和多相流測量方面做了大量的基礎(chǔ)理論研究和試驗研究。在此基礎(chǔ)上，基于“軟”測量方法的考慮，開發(fā)出智能型多相流量計測系統(tǒng)，并且實現(xiàn)了工業(yè)樣機的定型和現(xiàn)場實液測試，研究成果通過了相關(guān)部門的鑒定。
1 計測原理
將沖量定理應(yīng)用于多相流質(zhì)量流量的計測，并結(jié)合小孔出流模型的壓降與出流速率的關(guān)系，確立了多相流體質(zhì)量流量與相關(guān)多個物理參量之間的定量關(guān)系。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立專家系統(tǒng)，通過重復(fù)利用這種定量關(guān)系，并根據(jù)已知油、水各自單相的質(zhì)量密度，進一步計測出油、水各相的質(zhì)量流量，氣體的質(zhì)量流量由氣體差壓值擬合求解。
試驗裝置主體結(jié)構(gòu)如圖1，其計量流程可簡單描述為：被計量多相流經(jīng)三相流入口進入試驗裝置，經(jīng)氣液分離裝置預(yù)分離后，氣體主要積聚在樣機的上部空間，并經(jīng)氣體旁路流入三相混合器；液相則經(jīng)氣液分離器下方的U形管組分測量儀進入沖量噴嘴，zui后與氣相在三相混合器混合后經(jīng)三相流出口流出試驗裝置。
2 試驗數(shù)據(jù)采集
近年來，對以前的試驗裝置進行了優(yōu)化和改進，建立了新的試驗裝置，并在中國石油大學(xué)流體測試實驗室進行了大量的實驗室模擬試驗。計量裝置上的儀表和單相流量計的信號都要傳給微機，為了準(zhǔn)確采集各相參數(shù)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，結(jié)合現(xiàn)場實際，設(shè)計了一套基于U303型數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視系統(tǒng)，通過采集系統(tǒng)采集了大量數(shù)據(jù)樣本，進行學(xué)習(xí)。
三相流模擬流體介質(zhì)為白油、自來水、空氣。本計測系統(tǒng)安裝了2套差壓傳感器、2套微差壓傳感器、1套壓力傳感器、1套力傳感器。信號傳輸采集部件主要包括信號線、信號轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集卡。
在試驗研究階段，計測系統(tǒng)計測軟件共采集9個通道（Channel）的信號。各學(xué)習(xí)工況的數(shù)據(jù)采集由實驗室編制的采集程序自動完成，主要采集油相質(zhì)量流量、氣相質(zhì)量流量、水相質(zhì)量流量、噴嘴力傳感器信號值、噴嘴差壓傳感器信號值、環(huán)形空間上行差壓傳感器信號值、環(huán)形空間下行差壓傳感器信號值、氣體通道差壓傳感器信號值、容器體壓力傳感器信號值等9組數(shù)據(jù)。樣本采集模塊產(chǎn)生的學(xué)習(xí)樣本包含16組數(shù)據(jù)，是在試驗過程中不斷完善的結(jié)果，下面分組介紹。
前4個數(shù)據(jù)為第1組，是3個單相流量計在1個采樣周期的累計流量信號以及采樣周期。試驗測
定采樣周期為45s。數(shù)據(jù)對應(yīng)的變量分別為：
oil-meter：油單相流量計的計測質(zhì)量流量；
gas-meter：氣單相流量計的計測質(zhì)量流量；
water-meter：水單相流量計的計測質(zhì)量流量；
time-cycle：采樣周期。
接下來的4個數(shù)據(jù)為第2組，是多相流量計下部液相區(qū)的控制參量。數(shù)據(jù)對應(yīng)的變量分別為：
afmx，sfmx：噴嘴力傳感器信號的均值和方差；
apmx，spmx：噴嘴差壓傳感器信號的均值和方差。
接下來的4個數(shù)據(jù)為第3組，是多相流量計中部液相區(qū)的控制參量。數(shù)據(jù)對應(yīng)的變量分別為：
apup，spup：環(huán)形空間上行微差壓傳感器信號的均值和方差；
apdn，spdn：環(huán)形空間下行微差壓傳感器信號的均值和方差。
zui后4個數(shù)據(jù)為第4組，是多相流量計其他傳感器的信號，數(shù)據(jù)對應(yīng)的變量分別為：
apgs，spgs：氣體通道差壓傳感器信號的均值和方差；
apvo，spvo：容器體壓力傳感器信號的均值和方差。
3 試驗數(shù)據(jù)處理
3.1 建立計量專家系統(tǒng)
利用樣本采集模塊采集到的大量試驗數(shù)據(jù)，尋求多參變量系統(tǒng)的特征參量與其狀態(tài)參量之間的映射關(guān)系，建立“專家系統(tǒng)”，繼而通過計測系統(tǒng)測量傳感器信號的值，并由所建立的“專家系統(tǒng)”確定出相應(yīng)狀態(tài)參量的值，從而實現(xiàn)對多相流系統(tǒng)的測量。
為了尋求*的參量之間的對應(yīng)關(guān)系，在對工業(yè)樣機的特征參量與狀態(tài)參量的選取及構(gòu)造其間的對應(yīng)關(guān)系時，充分考慮測量原理并充分利用所得的測量數(shù)據(jù)，zui終確定由以下方法來確定特征參量與狀態(tài)參量之間的關(guān)系。
3.1.1 選取狀態(tài)參量與特征參量
在狀態(tài)參量的構(gòu)造上，采用液相、氣、含水率作為狀態(tài)參量。為方便描述，將狀態(tài)參量構(gòu)成的狀態(tài)參量空間記為
Y={Y（1），Y（2），?，Y（n）}（n為狀態(tài)參量總數(shù)）式中，Y（j）=（y（j）1，y（j）2，?，y（j）z）T（j=1，2，?，n；z為樣本總數(shù)）。
把除去油、氣、水3個單相后的所有采集到的參量及參量的組合都認為是特征參量，為方便描述，將特征參量構(gòu)成的特征參量空間記為
X={X（1），X（2），?，X（m）}（m為特征參量總數(shù)）式中，X（i）=（x（i）1，x（i）2，?，x（i）n）T（i=1，2，?，m；n為樣本總數(shù)）。
3.1.2 處理樣本數(shù)據(jù)并確定狀態(tài)參量與特征參量之間的關(guān)系
程序算法中擬合Y和X之間的關(guān)系式時，并非對數(shù)據(jù)進行全程擬合只得到一個*的Y=F（X），而是分級擬合，每級有1個擬合關(guān)系式Y(jié)=F（X）。在分級中，運用了“浮動網(wǎng)格”的數(shù)學(xué)思想，傳統(tǒng)的分級做法是先對分級變量進行排序，然后按1個固定的值為分割單元，對分級變量進行等區(qū)間分割為若干等級。“浮動網(wǎng)格”的數(shù)學(xué)思想則是對分級變量*行排序，再按個數(shù)分成若干個區(qū)間，使每個區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)個數(shù)相等，而不是每個區(qū)間范圍大小相等。這樣每級的起點與終點值之差并不相等，但每級內(nèi)的數(shù)據(jù)總數(shù)相等，也即樣本容量大小相等，保證了數(shù)據(jù)的均衡性。
在對排序后的分級變量進行分級時，如果某一區(qū)間范圍內(nèi)數(shù)據(jù)“稠密”，說明在試驗過程中該變量在這一區(qū)間范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率大。對這一區(qū)間分級越多，擬合出的關(guān)系式就越能貼近真值，減小誤差。而對較為“稀疏”帶，該變量在這一區(qū)間范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率就小，擬合出的誤差對整個計量結(jié)果的誤差影響相對較小。因而，實際上“浮動網(wǎng)格”的分級思想依據(jù)數(shù)據(jù)疏密的不同，把全程數(shù)據(jù)分為了若干級，從而減小了擬合誤差，提高了擬合結(jié)果的可靠性。
對于分級變量的選取，事實上并不存在嚴格意義上的用一個變量分級就比用另一變量好的問題，只是從試驗時采集到的狀態(tài)參量的穩(wěn)定性以及與目標(biāo)函數(shù)也要有一定的相關(guān)性2方面考慮，選取狀態(tài)參量中穩(wěn)定性較好的作為分級變量。在分級變量的選擇中均選用了穩(wěn)定性好的下部差壓作為各擬合關(guān)系式的分級變量。這樣，在計量中避免*相同的工況下僅因分級變量的波動過大造成該工況的擬合方程Y=F（X）不同而出現(xiàn)較大的誤差。本試驗把分級變量都分為了10級。
構(gòu)造方程為
式中，X1ji、X2ji、X3ji分別為液相、氣、含水率3個狀態(tài)參量，為已知量；C1ji、C2ji、C3ji、C0ji為擬合系數(shù)，為未知量；i、j為特征參量。
對于每一個特征參量，都有n組數(shù)據(jù)（試驗得到），運用zui小二乘法，都可以得到1個與液相、氣、含水率相關(guān)聯(lián)的方程。
一般在線性假設(shè)中，為了研究總體回歸模型中變量X與Y之間的線性關(guān)系，需要求1條擬合直線。1條好的擬合直線應(yīng)該是使殘差平方和F到zui小，依此準(zhǔn)則并確定X與Y的關(guān)系，這就是的“普通zui小二乘法”（OrdinaryLeastSquares）。zui小二乘準(zhǔn)則認為系數(shù)應(yīng)這樣選：使得εi對所有的i的殘差平方和F小[5]。則有
根據(jù)微積分學(xué)極值原理，要使F小，分別對C1ji、C2ji、C3ji、C0ji求偏導(dǎo)，其一階偏導(dǎo)應(yīng)為零。這樣可以得到3個偏微分方程，將其整理為矩陣方程，即
式中，i為特征參量，i=1，2，3，?，12；j為級數(shù)，j=1，2，3，?，m；z為每一級的樣本總數(shù)，z=1，2，?，n。
運用高斯消元法進行消元求解，確定相應(yīng)的擬合系數(shù)C1ji、C2ji、C3ji、C0ji，并由此得到擬合系數(shù)矩陣。
3.2 zui小二乘加權(quán)法求解狀態(tài)參量
zui小二乘加權(quán)法與上面zui小二乘法不同之處在于，F(xiàn)式中不同的數(shù)據(jù)點的權(quán)重應(yīng)有所差異，在此先引入數(shù)據(jù)點的定義。
數(shù)據(jù)點是指在某一個時點上因變量和所有的解釋變量所組成的集合。數(shù)據(jù)點i即為第i個對象或第i期觀測值（yi，x1i，x2i，?，kki）。zui小二乘準(zhǔn)則基于這樣一種假設(shè)：變量之間存在著的數(shù)量關(guān)系在所有的數(shù)據(jù)點上都成立。
在離差平方和算式F中，所有的數(shù)據(jù)點i對于待預(yù)測或待控制數(shù)據(jù)點的影響或解釋的地位是一樣的，權(quán)數(shù)都為1/n。但是值得質(zhì)疑的是不同數(shù)據(jù)點的變量之間的數(shù)量關(guān)系存在差異，即已知數(shù)據(jù)點對所預(yù)測或控制的對象的影響力度應(yīng)該是不一樣的。因為目的不是為了擬合直線，而在于預(yù)測或控制應(yīng)用，所以有理由給予“影響力更大、更重要”的數(shù)據(jù)點以更大的權(quán)數(shù)。這里提出的zui小二乘加權(quán)法正是基于這樣的思想，對不同的數(shù)據(jù)點給以不同的權(quán)數(shù)Wi來求zui小殘差加權(quán)平方和[6-8]。
構(gòu)造方程為
式中，C1ji、C2ji、C3ji、C0ji為擬合系數(shù)，為已知量；X1ji、X2ji、X3ji分別為液相、氣、含水率3個狀態(tài)參量，為未知量；i、j為特征參量。
根據(jù)zui小二乘準(zhǔn)則，系數(shù)應(yīng)這樣選擇：使得εi對所有的i的殘差平方和Q（W，X1ji，X2ji，X3ji）zui小，則有
實際運用時，權(quán)數(shù)往往是在研究數(shù)據(jù)點的相互影響關(guān)系特點后預(yù)先予以確定的，故上式可轉(zhuǎn)化為
式中，Wji為已知的預(yù)定參數(shù)。對照上式可知，普通zui小二乘法是zui小二乘加權(quán)法在所有數(shù)據(jù)點的權(quán)Wji=1時的一個特例。
在zui小二乘加權(quán)法中，權(quán)重設(shè)置比較關(guān)鍵。由前面的分析已知，權(quán)重是已知或可控數(shù)據(jù)點與待預(yù)測數(shù)據(jù)點之間作用大小的函數(shù)，權(quán)重Wi與采集數(shù)據(jù)之間有相關(guān)關(guān)系，傳感器采集的數(shù)據(jù)與液相、氣、含水率之間關(guān)系越小，說明與待預(yù)測點的偏差大，關(guān)聯(lián)作用弱，權(quán)重小；傳感器采集的數(shù)據(jù)與液相、氣、含水率之間關(guān)系越大，說明與待預(yù)測點的偏差小，關(guān)聯(lián)作用強，權(quán)重大。應(yīng)用中為簡化運算，可根據(jù)各已知傳感器采集的數(shù)據(jù)點與液相、氣、含水率數(shù)據(jù)點之間進行擬合，得到該傳感器與液相、氣、含水率之間的1個相關(guān)變量，作定性分析而加以設(shè)定。從而根據(jù)不同傳感器所采集的不同數(shù)據(jù)均與液相、氣、含水率之間進行關(guān)系擬合，得到各自的相關(guān)變量，即為各自的權(quán)重。
下面來求QW（X1ji，X2ji，X3ji）中的參數(shù)X1ji，X2ji，X3ji。在多元線性回歸模型中
QW（X1ji，X2ji，X3ji）是X1ji，X2ji，X3ji的函數(shù)，根據(jù)zui小二乘準(zhǔn)則，有
根據(jù)微積分學(xué)極值原理，要使QW（X1ji，X2ji，X3ji）zui小，分別對X1ji，X2ji，X3ji求偏導(dǎo)，其一階偏導(dǎo)應(yīng)為零，即
整理為矩陣方程，即
所得方程組通過VC++編程，用高斯消元法實現(xiàn)液相流量、氣、含水率的zui終求解結(jié)果。由液相流量和U形管組分儀的計測結(jié)果，可以得到油、水單相流量的計算結(jié)果，zui終求得油、氣、水的單相流量。
4 結(jié)論
1）智能型多相流量計計測系統(tǒng)成功地將多相流流動規(guī)律、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多傳感器綜合技術(shù)、VisualC++編程實時控制等有機地結(jié)合起來，創(chuàng)造了一種簡單、實用的多相流計量方法。
2）數(shù)據(jù)處理中通過zui小二乘加權(quán)法求解，充分利用了多路傳感器所測數(shù)據(jù)各自對油、氣、水測量影響的重要性，提高了測量的精度。
3）該計測系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)表明：液相總量相對誤差在±5%以內(nèi)，液相含水率相對誤差在±1.5%以內(nèi)；氣相相對誤差在±20%以內(nèi)，氣相的相對誤差則較之前有了良好的改進。
4）試驗結(jié)果滿足了評價多相流量計性能的要求，計測精度可以滿足油田生產(chǎn)管理以及油藏監(jiān)測等的需要，其中液相流量計測精度和含水率的計測精度均達到并可以超過當(dāng)前多相流量計的*水平。
