面向燃燒優化的電站鍋爐爐膛參數光譜測量與場重建

王東風，劉 千

（華北電力大學 河北省發電過程仿真與優化控制工程技術研究中心，保定071003）

未來一段時期內我國仍以燃煤發電為主，火力發電機組的環境保護要求日益提高，電網對發電品質的要求日益苛刻［1］，這就要求不斷地提高鍋爐燃燒效率，降低火力發電的負面效應.而且隨著分散控制系統（DCS）、先進儀表以及自動化領域的神經網絡［2］、遺傳算法［3］、支持向量機和蟻群算法［4］等智能計算理論與方法［5］進入實用階段，采用這些先進的智能算法能夠進行鍋爐燃燒系統的建模［6］與優化，從而減少NOx等污染物的排放量，為實施燃燒系統的優化運行提供前提保障［7］.

根據目前鍋爐燃燒系統中存在的問題，燃燒優化存在2個矛盾需要解決：一個是鍋爐效率與環境保護之間的矛盾，在追求鍋爐效率時，要使煤粉在爐內充分燃燒，需要提高爐內燃燒溫度以及使用較大的過量空氣系數，會增加NOx的排放量，同時爐內的高溫燃燒還會引起水冷壁結渣等事故，因此需要在這兩者之間作出折中選擇；另一個矛盾是鍋爐排煙熱損失與機械未完全燃燒熱損失之間的矛盾，提高爐內燃燒溫度以及使用較大的過量空氣系數，可以減小機械未完全燃燒熱損失，但是排煙熱損失會隨之增大，因此也需要在這兩者之間作出折中選擇.爐膛氧量及爐膛溫度場和CO 濃度等一些關鍵參數的檢測是解決上述2個矛盾的關鍵因素.

目前的爐膛參數測量研究主要側重于爐膛溫度場的測量，而忽視了其他爐膛參數的測量，包括從接觸式的熱電偶測溫到非接觸的紅外輻射測溫、基于數字圖像處理技術［8］的測溫和基于聲學理論的測溫［9］等.盡管爐膛溫度場是反映爐膛燃燒最重要的參數之一，但要想完成整個電站鍋爐的燃燒優化，除溫度場外的其他一些重要爐膛參數（如爐內O2濃度、CO 濃度和一次風粉濃度等）也是影響火力發電運行安全和經濟性的重要技術參數和經濟參數.同時它們還反映了爐膛燃燒是否均衡以及燃料的質和量的變化情況等，對于實時監控、診斷和控制煤粉在鍋爐爐膛中的燃燒狀況具有十分重要的意義.

1 鍋爐爐膛參數對燃燒的影響

爐膛參數是反映鍋爐燃燒組織是否合理的直接過程量，通過對爐膛參數的分析，能夠有效且合理地指導鍋爐燃燒，使其在最佳工況下運行.而解決此類問題的瓶頸就是如何迅速、準確地得到這些爐膛參數，以便提高鍋爐效率、減少污染物排放量并延長鍋爐壽命［10］.通過精確測量爐膛參數可以監控爐膛出口溫度，降低氧量，均衡風量分配，優化風煤比，控制火焰中心高度和矯正燃燒不平衡；防止過熱器結焦和管壁過熱，防止啟動時升溫太快和燒壞再熱器管道，監控爐膛水冷壁的吸熱量情況，指導吹灰和調整風量，減少過熱器和再熱器噴水量；減少污染物排放量，防止局部火焰過熱，降低NOx生成量，減少脫硝和脫硫系統運行成本.

1.1 鍋爐爐膛參數對鍋爐效率的影響

對于發電企業來說，鍋爐效率是一個非常重要的經濟效益衡量指標.由于實際生產過程中，直接計算鍋爐效率比較困難，一般采用反平衡法來計算鍋爐效率.

排煙熱損失與可燃氣體不完全燃燒熱損失和機械未完全燃燒熱損失是相互牽制的，與氧量和煙氣溫度有關.當溫度升高、氧量較大時，可燃氣體能夠得到充分的揮發，可燃氣體和固體可燃物能夠燃燒充分，但是要增加氧量，就需要增加送風量，此時排煙熱損失就會增大，而且對氧量的調節會引起鍋爐送風機和引風機電耗的變化，從而影響鍋爐效率和廠用電耗率.電站鍋爐在不同負荷下，省煤器出口最佳氧量也不同，且隨著鍋爐負荷降低而增大［11］.其他熱損失包括灰渣帶走的物理熱損失等，與鍋爐散熱損失類似，在鍋爐燃燒過程中較小而且變化不大，可以忽略不計.因此要使鍋爐效率最高，就要使這些損失之和最小，也就是使爐內燃燒溫度、O2濃度和CO 濃度達到一個最優值.通過檢測這些爐膛參數，可以判斷爐膛火焰中心是否居中，爐內O2濃度、CO濃度和溫度分布是否均勻，燃燒是否均衡.進而可以指導司爐人員進行優化調節與操作：調節燃燒器的擺度，調整二次風擋板開度等，優化二次風組合方式，使燃煤的可燃氣體揮發分得到充分燃燒，煤粉在爐內的飛行時間恰當，保證煤粉顆粒的燃盡，使鍋爐爐膛燃燒保持在經濟、均衡的狀態，從而達到提高鍋爐效率、節省燃煤的目的.

1.2 鍋爐爐膛參數對污染物排放的影響

鍋爐燃料主要是煤，煤在燃燒過程中會釋放出大量污染物，主要有SO2、NOx、CO2、CO、有機污染物、重金屬以及微細的有機和無機顆粒等.這些污染物對生態環境的影響極大，隨著國家對環境保護的重視，如何最大效率地利用煤炭和減少煤燃燒過程中污染物的排放量已成為電站鍋爐燃燒過程中的一個重要指標［12］.NOx是燃煤鍋爐最主要的污染物之一，其生成機制非常復雜，不僅與煤質、煤粉細度和燃燒器噴嘴有關，還與爐膛溫度場、爐膛氧量和二次風配風方式等因素有關［10］.產生的NOx以燃料型NOx為主，燃料型NOx幾乎不受溫度的影響，但是當爐膛溫度升高并且高于1 800K時，熱力型NOx會急劇增加，從而導致NOx總量增加；當氧量較大時，由于爐內氧氣充裕，也會相應產生較多的NOx，而且NOx的生成量與氧量呈線性增長關系.根據相應爐膛參數的測量結果，可通過改變氧量和燃盡風等因素來調整鍋爐燃燒工況，以減少NOx的排放量［13］.除NOx外，煤燃燒過程中排放的另一個主要污染氣體是SO2，目前減少SO2排放量都是采用脫硫的方式，包括燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫.對于采用最多的燃燒中脫硫的方式來講，脫硫劑的投入時機要根據爐膛溫度來確定，溫度過高或過低都會影響脫硫效果.因此在鍋爐脫硫過程中，必須嚴格控制脫硫劑投放時的溫度.通過實時測量被投放區域的煙氣溫度，能夠控制脫硫劑的投入，減少SO2的排放量.通過精確測量爐膛參數可以大幅度減少燃料燃燒過程中NOx、SO2及其他污染物的排放量.

1.3 鍋爐爐膛參數對鍋爐壽命的影響

與發達國家相比，在電廠運行過程中，隨著機組容量的增大和機組運行參數的提高，爐膛溫度較高，燃燒區域的冷卻能力相對降低，雖然對于穩定燃燒有利，但是增加了促進結渣和高溫腐蝕的因素.爐膛結渣和高溫腐蝕造成的水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器的爆漏事故在全廠事故及非計劃停運中占很大的比例，是影響機組安全運行、降低鍋爐壽命的主要原因之一.精確測量爐膛參數可使運行人員根據這些爐膛參數合理地組織燃燒，提高鍋爐壽命.如在典型的四角切圓燃燒鍋爐中，燃燒工況組織不合理造成的四角燃燒不均勻、火焰中心偏斜和火焰刷墻等是導致爐膛結焦、爐管爆破、爐膛滅火和爐膛爆炸等事故的重要原因.在燃燒失衡、不均和火焰偏離中心時很容易發生爐壁、過熱器和再熱器區域結焦的問題［14］.當火焰偏離中心、貼近水冷壁時造成該區域氧量降低，從而導致灰的熔點降低，產生結焦.同時，氧量的驟然降低導致氧氣從水冷壁管中析出，造成水冷壁管加速老化、變薄，最終造成泄露事故，導致非正常的停爐檢修.而這些事故產生之前，通過檢測爐內的CO 濃度、O2濃度和爐膛溫度場等相應爐膛參數，可以合理調整鍋爐燃燒時的一次風流量、二次風配風方式和燃燒器擺角［15］，從而使爐膛燃燒保持最佳的氧量，爐內火焰均勻地充滿爐膛，避免火焰長期固定地偏向一邊，也可以有效控制爐膛燃燒區域的溫度，盡量防止高溫腐蝕的發生.通過爐膛參數檢測能夠對爐膛燃燒作出預測并采取相應的補救和處理措施，進而避免四管爆漏等類似事故的發生，提高鍋爐的運行壽命.

1.4 上述3點之間的關系

電站鍋爐燃燒系統是一個非線性、多變量和強耦合的復雜系統，對其中任何一個目標的調節都會影響到其他目標的實現，屬于多目標的優化問題［16］，在保證污染物排放量不超標的前提下，追求盡可能高的鍋爐效率以及盡可能低的污染物排放量，使綜合成本最小化.因此在提高鍋爐效率、控制污染物排放量以及延長鍋爐壽命時，不可避免地要從整體上權衡爐膛各參數，進而完成爐膛燃燒整體的優化.通過尋找最佳的二次風門和燃盡風門擋板開度組合，建立良好的爐內燃燒空氣動力場，可以達到鍋爐效率與污染排放量的共贏.通過尋找最佳的煙氣含氧量設定值，可以達到鍋爐排煙熱損失和機械未完全燃燒熱損失的共贏.聯合調節燃燒器和噴水，盡量使用調節燃燒器擺角等方式來調節汽溫，從而減少減溫水的使用量，可以較大幅度地提高機組熱效率.通過尋找最佳的煤粉和二次風門與燃盡風門擋板開度的組合，使爐膛處于均衡燃燒狀態，防止火焰中心偏斜.通過調節爐膛出口溫度目標值，優化吹灰組合來防止爐內結渣.因此要求能夠精確測量爐膛參數.在運行方式上，需要對燃燒系統進行重新認識，合理組織燃燒，真正做到節能減排；在測量手段上，需要開發或引入爐膛參數測量新技術，做到準確、快速測量爐膛參數.

2 基于激光光譜的爐膛參數檢測技術

采用合理的鍋爐燃燒優化技術能夠有效地提高機組運行效率，降低發電成本，顯著減少污染物的排放量，并且能夠監督鍋爐的運行.但是燃燒優化效果的保障要以能夠檢測爐膛參數為前提.之前的接觸式熱電偶測溫法以及非接觸式的紅外成像測溫法、輻射測溫法［17-18］和聲波測溫法［19］等均只是測量出爐膛的某單一參數，如溫度場.雖然對于鍋爐燃燒優化有一定的幫助，但是卻不能精確地得到氣體濃度等其他爐膛參數［20］.基于激光光譜的爐膛參數檢測技術的出現則解決了這一難題［21］，該技術利用掃描氣體吸收譜線方式實現氣體在線測量，是一種新型的非接觸式氣體濃度在線測量技術，具有受氣體環境影響小、響應速度快、可靠性高以及可實現爐膛溫度［22］與氣體濃度［23］同時測量的優點.其核心是可調諧二極管激光吸收光譜技術（TDLAS），對于非均勻分布的流場，通過設計多光路測量系統，將TDLAS與圖像重建技術相結合來得到被測區域的內部信息，獲得確切的空間分布情況，可以實現爐膛溫度和氣體濃度的二維分布測量［24］.

基于激光光譜的爐膛參數檢測技術需要確定待測氣體的一條特征譜線.其中譜線的選擇很重要，必須要有較大的譜線強度以得到較低的濃度探測極限，又要盡量避免其他氣體譜線的干擾.利用可調諧二極管激光器掃描氣體的特征吸收光譜，測量氣體溫度和濃度［25］，根據Beer-Lambert定律

式中：It為激光穿過被測氣體后的強度；I0為激光的基準強度；p為氣體總壓力；X為待測氣體組分濃度；L為吸收路徑長度；Φ（v）為線型函數；Svi（T）為所用譜線vi在溫度T時的譜線強度.

譜線強度隨溫度的變化可表示為

式中：Svi（T0）為在參考溫度T0＝296K 時的譜線強度，其大小可以通過HITRAN 光譜數據庫得到；E″為低躍遷能態能量；h為普朗特數；k為玻耳茲曼常數；c為光速；Q（T）為溫度T時的配分函數值，一定溫度范圍內的配分函數可以用多項式表示.

TDLAS測溫是根據不同譜線的強度隨溫度變化時被吸收的特性不同.當采用2條不同的譜線測溫時，2條譜線被吸收后的強度比值R可表示為

根據式（2）和式（3），被測區域溫度T為

通過式（4）可以得到被測區域的溫度，然后代入式（3）便可以得到所測氣體的濃度.

圖1給出了特定氣體CO2對不同波長的光譜吸收率以及接收端接收到的信號強度與爐膛灰分濃度和氣體波長之間的相對關系.

圖1 激光光譜吸收示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser spectrum absorption

3 基于激光光譜的爐膛參數測量實例與場重建

對國內某680 MW 機組燃煤鍋爐進行了基于激光光譜的爐膛參數測量與場重建實驗研究.該鍋爐為超臨界單次再熱控制循環鍋爐，采用正壓直吹式制粉系統，鍋爐采用四角切圓燃燒方式且配備6臺磨煤機，對應6 層煤粉燃燒器，每層布置4 只噴嘴.激光光譜測量采用由美國佐爐科技公司與斯坦福大學高溫氣體動力學實驗室聯合開發的Zolo-BOSS系統，此系統由6×6條光柵組成（即在爐膛的前后墻和左右墻分別布置6條光柵），安裝在爐膛約49.6m 高度處折焰角下方（見圖2）.激光從發射器射出，在爐膛另一端，接收器接收激光，稱之為一條“路徑”.每條路徑可以同時測量CO 質量濃度和O2體積分數，據此計算得到溫度值.在該機組上共有12條路徑（東西向、南北向各6條，如圖3所示，其中1S～12S 為激光光譜測量裝置發射端，1R～12R 為接收端），將爐內測量平面劃分為若干個區域.

圖2 ZoloBOSS測溫系統在鍋爐中的安裝位置Fig.2 Layout of ZoloBOSS temperature measurement system in boiler

圖3 爐膛激光光譜測量截面圖（單位：mm）Fig.3 Arrangement of laser spectrum measurement facility in furnace（unit：mm）

在激光光譜測量系統工作的過程中，首先進行鍋爐基準試驗，從而得到相應的爐膛燃燒區域的燃燒狀態，通過與氣體濃度測量裝置、氧化鋯氧量測量裝置及熱電偶測溫裝置進行比較，得到爐膛參數場二維圖像.測量的實時數據每分鐘更新一次，在爐膛參數場重建的過程中，通過采用相應的處理手段來消除鍋爐爐膛中湍流和噪聲的影響，得到爐膛參數場重建二維圖像，如圖4～圖6所示.通過圖4～圖6可以直觀地判斷爐內燃燒情況，進而為后續進行鍋爐燃燒優化或指導鍋爐燃燒調整提供有力保障.

4 結 語

詳細分析了鍋爐爐膛參數對鍋爐效率、污染物排放量和鍋爐壽命的影響，給出了爐膛參數與鍋爐燃燒優化運行的相互制約關系，闡述了基于激光光譜的爐膛參數檢測技術的測量原理及系統構成，完成了電站鍋爐爐膛參數的光譜測量與場重建，解決了傳統爐膛參數檢測方法只能測量單一參數且精度不高的問題.以某680 MW燃煤機組為例的分析表明：該方法能夠完成爐內多個爐膛參數的測量和場重建，根據測量結果調整鍋爐燃燒，使火焰中心處于爐膛中部，燃燒火焰均勻充滿爐膛，爐膛溫度場分布均勻，可以直觀有效地指導鍋爐燃燒的優化運行.

圖4 CO 質量濃度分布Fig.4 Distribution of CO mass concentration

圖5 O2 體積分數分布Fig.5 Distribution of O2volume fraction

圖6 溫度場分布Fig.6 Distribution of temperature field

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