激光測量型鍋爐在線燃燒優化系統及應用

姜肇雨 ，劉 濤 ，崔志建 ，于鵬展

（1.華能日照電廠，山東 日照 276832；2.華能臨沂電廠，山東 臨沂 276000）

0 引言

對于燃煤鍋爐來說，常規燃燒優化調整是在機組停運檢修時，通過靜態調整二次風進入爐膛的角度、開度來適應將來鍋爐運行中爐膛的燃燒。然而，爐膛燃燒情況是千變萬化的，由于煤種變化大，燃用煤質普遍較差，再加之鍋爐實際運行中，設備改造、變負荷運行、熱力試驗間隔時間長等原因，存在鍋爐燃燒達不到最佳的現象［1－2］。因此迫切需要通過燃燒優化，提高機組經濟性、安全性和環保性能。

鍋爐在線燃燒優化系統，需要有成熟可靠的爐內燃燒信號測量系統，能真實反映鍋爐內部的燃燒情況，將爐膛內部的重要參數的分布（如溫度、氧量、CO、NOx等信號）送到燃燒優化軟件，燃燒優化軟件根據這些參數進行邏輯處理，形成對二次風、煤量、風量的修正，來對爐膛燃燒進行實時在線的調整［3－5］。

日照電廠4號機組為680 MW超臨界燃煤汽輪發電機組，鍋爐燃燒測量系統使用美國ZOLO技術公司開發的激光測量診斷系統，采用可調諧二極管激光可吸收光譜 （TDLAS）技術的激光測量診斷系統，可以滿足嚴酷的燃燒情況監測，將爐膛內部溫度場、氧量、CO以及水蒸氣的含量提供給燃燒優化系統。燃燒優化控制系統采用SIEMENS的P3000控制系統，基于先進的控制算法和方案，對二次風控制進行優化，達到平衡燃燒和降低氧量的目的。

1 鍋爐在線燃燒優化系統組成

1.1 激光測量子系統

激光測量子系統采用美國ZOLO公司的Zolo-BOSS產品，由激光頭、信號分配柜和中央控制柜組成。激光頭和信號分配柜安裝在鍋爐49.6 m平臺 ，遮焰角下方約1 m處，共安裝12對激光路徑，組成6×6激光網，來給鍋爐做切面“CT”，將氧量、水蒸汽、一氧化碳含量等信號送出，如圖1所示。

激光頭分為發射頭（P）和接收頭（C），安裝方式相同。安裝過程為：打開部分爐墻保溫，在中間鰭片處切割1 cm×5 cm的切片，在爐墻上焊接安裝支架，安裝探頭，均勻在爐墻四周安裝24個探頭，并保證相對的兩個探頭在同一水平線。探頭上有儀用氣吹掃裝置和自動打焦裝置，來保證探測孔的暢通。發射頭把中央控制柜來的激光發射到爐膛內部，接受頭接受剩余的激光送到中央控制柜進行分析。圖2為安裝好的一個激光探頭外貌。

圖1 鍋爐燃燒測量系統激光網

圖2 激光探頭外貌

信號分配柜安裝在探頭附近，將中央控制柜來的激光信號逐一分配到各個發射探頭，并將接收探頭回收的激光進行初步處理送到中央控制柜。

中央控制柜安裝在電子間內，有激光發生器、同步器、接收器以及上位機等設備，除了生成不同波長的激光外，還對回收的激光進行分析，從而生成各個參數的數據，在上位機上進行分析顯示。它還可與燃燒優化子系統進行數據通信。

1.2 燃燒優化子系統

燃燒優化子系統采用SIMENS的P3000控制系統，由優化服務器、客戶端、通信設備和接口等組成。服務器為非冗余配置，用于過程控制、信息、存檔、組態和優化。客戶端放在集控室，連接服務器對系統進行優化控制。通信設備用于連接優化服務器與客戶端、激光測量子系統（OPC協議）以及DCS系統的CM 3000串口通信模件。日照電廠4號機組DCS是FOXBORO I／A系統，優化系統與現有DCS之間的連接采用MODBUS協議。它使燃燒優化系統可以獲取來自DCS的測量數據，如給煤量、二次風流量、煙氣中的CO和NOx等。

2 系統初步調試

激光測量子系統。系統在安裝完成之后，即可進行上電調試。首先進行的是單路探頭的控制以及對齊，然后投入激光進行聯調，看各路信號是否正常。正常運行后，顯示12路溫度、氧量、CO、水蒸汽的數值，并在二維圖上顯示分布情況，如圖3所示。

圖3 溫度、氧量、CO、水蒸汽的數值顯示

燃燒優化子系統。P3000各軟硬件安裝完畢后，保證P3000系統與ZOLO以及DCS的通信正常，能正常控制各二次風門開度。

未投入燃燒優化情況下鍋爐爐膛燃燒情況測試。該項測試是為了采集鍋爐燃燒系統的主要調整機構（四個角的二次風門，即SOFA、CCOFA等風門）或主要參數（氧量、風量、煤量等）單個變化時對鍋爐燃燒工況帶來的影響，該測試結果用于自動燃燒優化控制系統建模，使得自動燃燒優化控制系統在此基礎上通過自學習實現最優控制，使鍋爐燃燒達到最佳效果。

DCS對風量控制是層操，而層操只是將風的位置升高或者降低，對于平衡燃燒幫助不大。因此，本次示范試驗是對輔助二次風的列進行操作的。

測試過程發現，投入燃燒優化之前，鍋爐火焰經常不在爐膛中心，導致熱傳輸不均勻以及結焦的概率加大。爐膛內氧量不平衡，導致高氧區熱量損失，低氧區燃燒惡化。氧量設定值還有減低的余地，這樣可提高鍋爐的效率及降低排煙損失。

3 在線燃燒優化系統控制策略

在線燃燒優化系統使用來自DCS的過程測量的數據以及激光測量的數據，根據燃燒模型計算出相關二次風擋板控制的優化值，優化值作為DCS二次風擋板指令的偏置疊加到DCS側。它為相關二次風擋板（各個角）的控制提供了新的設定值。在優化偏置值從P3000優化系統送入DCS側前，在P3000內相繼有三道安全保障措施：第一道是為來自P3000的優化偏置值設置高低限；第二道是為P3000送來的優化偏置值設置變化速率限制，以避免其劇烈變化；第三道是設置無擾切換開關。另外，操作員能夠在DCS直接投入或切除P3000燃燒優化系統。

現場試驗列操輔助二次風，可在ZoloBOSS的測量畫面上監測到效果，證實了通過改變每列二次風擋板的開度可以達到改善燃燒平衡的目的。另外，在輔助二次風對角上加偏置，可以更好地控制氧量與溫度場的分布。

系統投入閉環主要有以下四個主要控制模塊。

1）火焰中心的控制。火焰中心的控制采用優化輔助二次風各擋板的開度來實現的。通過ZoloBOSS系統計算出的實際火焰中心位置，計算出與物理中心的偏差，通過已建立的各角對火焰中心的影響的數據庫，經過PI調節器，形成對各角各層的偏置量，來改變輔助二次風的實際開度，來達到調節火焰中心的目的。燃燒優化投入前后對火焰中心控制的效果對比如圖4所示。可以看出，在燃燒優化后火焰更靠近中心，四角溫度平均，這樣使爐內傳熱更好，較少結焦風險，并能提高鍋爐效率。

圖4 燃燒優化投入前后火焰中心對比

2）燃燒平衡優化。這項功能主要通過優化周界二次風門來實現，燃燒平衡的目標是均衡燃燒，優化風煤比。本模塊的功能是將截面分區，按照氧量、溫度、一氧化碳的比例以及各區的偏差，對此三個參數進行綜合優化，并將偏置輸出到周界二次風門，來對燃燒平衡進行優化。

3）氧量均衡控制。此功能是通過優化SOFA二次風門來實現。通過ZoloBOSS系統的氧量分布圖，計算出四個角的氧量平均值，根據各角離平均值的偏差對其進行控制，使各角氧量平均，達到優化的目的。這是通過對SOFA二次風的控制加偏置實現的。燃燒優化投入前后對氧量平衡的影響如圖5所示。投入燃燒優化之后，爐內氧量平衡，均衡了燃燒，提高鍋爐效率和燃燒穩定性。

圖5燃燒優化投入前后對氧量平衡的影響對比

4）降低過量O2。燃燒優化控制能夠降低過量O2，提高鍋爐效率。沒有安裝燃燒優化系統前，在機組運行時，氧量有降低的余地，但是，由于運行人員沒有監測爐內工況的手段，手動降低氧量給定值受到限制。燃燒優化投入以后，來自激光測量的CO測量值和來自DCS的FGD后CO測量值用于產生實際CO濃度，大選后與CO定值比較后進入一個調節器，用于對氧量定值進行修正，以控制CO濃度的方式來控制風量，達到降低風量、降低飛灰含碳量、降低排煙溫度，從而達到提高鍋爐效率的目的。

4 結語

鍋爐在線燃燒優化系統投入后，對日照電廠4號鍋爐的燃燒工況有較大的改善，平衡燃燒使鍋爐燃燒更加穩定，降低鍋爐結焦情況；火焰更加居中，防止鍋爐偏燒，降低了爆管幾率；減少有害氣體排放，降低飛灰含碳量。

在此基礎上煙氣中O2體積分數平均能降低0.7%～1.1%，提高了鍋爐效率，600 MW負荷下的測試，可提高效率0.47%，并有效地降低了送、引風機和FGD側增壓風機的出力，降低了廠用電和供電煤耗。

系統使用情況基本良好，但在燃煤灰分過高的情況下（25%以上），測量系統受到一定限制，偶爾有不能測出數據的情況，可定期擦拭激光頭的鏡頭進行解決。

綜上所述，鍋爐在線燃燒優化系統真正實現了實時的鍋爐燃燒優化調整。

［1］周建新，樊征兵，司風琪，等．電站鍋爐燃燒優化技術研究發展綜述［J］．鍋爐技術，2008，39（5）：42－46．

［2］余旭紅，元海榮，陳云榮．電站鍋爐燃燒優化技術研究進展［J］.機電產品開發與創新，2009，22（4）：32－34．

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［4］應劍，徐旭，王新龍.基于閉環控制系統的電站鍋爐燃燒優化［J］.華東電力，2007，35（1）：69－72.

［5］胡志宏，楊興森，王軍，等．1000 MW超超臨界鍋爐燃燒優化調整［J］．鍋爐技術，2008，39（4）：42－46．