200MW鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的技術(shù)研究應(yīng)用

郭月蘭 楊東暉/北方聯(lián)合電力有限責任公司烏海熱電廠

200MW鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的技術(shù)研究應(yīng)用

郭月蘭 楊東暉/北方聯(lián)合電力有限責任公司烏海熱電廠

爐內(nèi)溫度場的分布是反映燃燒過程的重要參數(shù)，直接影響到鍋爐的安全性和經(jīng)濟性。本文介紹了北方聯(lián)合電力烏海熱電廠200MW鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的技術(shù)研究應(yīng)用，保證燃煤電廠節(jié)能環(huán)保、安全經(jīng)濟運行。

燃燒優(yōu)化；系統(tǒng)；研究應(yīng)用

一、概述

爐內(nèi)溫度場的分布是反映燃燒過程的重要參數(shù)，直接影響到鍋爐的安全性和經(jīng)濟性。燃燒調(diào)整不好或者燃燒不穩(wěn)定會導(dǎo)致鍋爐熱效率下降，產(chǎn)生更多的污染物、噪聲等，在極端情況下可能引起鍋爐爐膛滅火，甚至誘發(fā)爐膛爆炸造成事故。另外，準確有效的燃燒調(diào)整及燃燒優(yōu)化需要有可靠的溫度場信息，因此，爐內(nèi)溫度場的測量對于鍋爐運行診斷和控制具有極為重要的意義。因此，研究基于聲學測溫技術(shù)的爐內(nèi)溫度場可視化，為火力發(fā)電廠鍋爐燃燒提供參考和指導(dǎo)，具有重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景。

二、技術(shù)方案

傳統(tǒng)的熱電偶和火焰電視等技術(shù)也都無法實現(xiàn)對于溫度場的實時在線測量。聲學測溫作為一種非接觸式高溫測量方法，能夠得到大量溫度信息而投入要求較低，不受外部條件的影響，適應(yīng)各種高溫、腐蝕、多塵的惡劣環(huán)境，給出整個爐膛溫度場的各部分準確的溫度數(shù)據(jù)，能夠?qū)t膛溫度場進行連續(xù)測量，實時監(jiān)測和遠程控制。本項目主要研究技術(shù)改造內(nèi)容如下：

⑴設(shè)計強背景噪聲下，合適的滿足現(xiàn)場要求的聲波信號和聲波強度的聲源；

⑵保證每條聲學測溫路徑上的準確性和穩(wěn)定性；

⑶實現(xiàn)爐膛二維截面溫度場平均溫度和幾個主要區(qū)域溫度的的實時在線重建和可視化。

1.聲傳播特性研究。針對電站鍋爐的大尺度，高濃度，強衰減特性，在理論分析煙氣中聲衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上，對不同聲學測點布置方式下的測溫平面熱態(tài)聲場進行數(shù)值模擬研究，優(yōu)化測點的收發(fā)結(jié)構(gòu)和布置方式。采用聲線追蹤技術(shù)，研究鍋爐未運行工況下的空間聲場特性。采用小波爐膛聲特性提取技術(shù)，對鍋爐熱態(tài)背景噪聲進行研究。

2.聲波時間延遲估計研究。準確的聲波飛渡時間測量時聲學測溫的前提和保證，對于大型電站鍋爐機組來說，爐膛空間大，噪聲環(huán)境強，這給聲學數(shù)據(jù)測量帶來了更大的困難。因此，針對大型電站鍋爐機組的爐膛聲學測量環(huán)境，必須找到精確的時延估計算法，以期在信噪比更低的環(huán)境中測得準確的聲波飛渡時間。專門對提高時延估計算法的精度和穩(wěn)定性展開研究。基于基本互相關(guān)的時延算法，分別對不同聲源位置、聲壓級、聲波導(dǎo)管及指向性、混響和噪聲等主要影響因素下的時延估計進行一系列實驗研究。

3.溫度場重建中的逆問題求解研究。在爐膛截面布置多個聲學測點，以獲得多條路徑上的聲波飛渡時間，由少量數(shù)據(jù)重建更大截面場信息的算法研究成為該項目的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于工程應(yīng)用中的濾波反投影、代數(shù)重建等方法，加入爐內(nèi)火焰溫度場的信息，實現(xiàn)少量數(shù)據(jù)重建溫度場。并在烏海熱電200MW機組上進行研究應(yīng)用。

下圖為典型的2個發(fā)射點，2個接收點，鍋爐爐膛溫度測量系統(tǒng)配置圖。

圖 典型的爐膛溫度測量系統(tǒng)配置圖（4發(fā)，8收）

通過測量得到4條路徑上煙氣的平均溫度，再經(jīng)計算機特殊算法處理得到爐膛溫度場分布，并在電子間工業(yè)顯示器上呈現(xiàn)出來，指導(dǎo)運行人員操作。

4.聲學測溫的系統(tǒng)開發(fā)及實驗研究。針對大型電站鍋爐爐膛內(nèi)的更強背景噪聲進行分析，并通過現(xiàn)場測量得出爐內(nèi)本底噪聲，在此基礎(chǔ)上確定聲波信號的頻率和強度范圍。開發(fā)一套完整的聲學測溫系統(tǒng)，包括硬件和軟件系統(tǒng)。并在烏海熱電廠的200MW機組上進行安裝調(diào)試。

5.主要技術(shù)難點。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：強背景噪聲條件下的聲源設(shè)計；單路徑條件下的聲波時間延遲估計算法研究；基于多路徑聲學測溫路徑的爐膛溫度場可視化的技術(shù)。

以該廠200MW機組為例，應(yīng)用到該機組的鍋爐綜合監(jiān)測與控制中去，大大提高機組運行的安全性，每年可以從以下幾個方面來獲得上百萬的收益：

（1）利用溫度場信息，指導(dǎo)鍋爐燃燒運行，提高燃燒效率，降低發(fā)電煤耗，提高鍋爐熱效率。

（2）通過溫度場信息，觀察火焰中心是否偏斜，及時調(diào)整，防止水冷壁局部過熱和超溫。防止爐管磨損，每年節(jié)省換管費用。減少因爆管造成非計劃停機，因檢修的損失電量帶來的經(jīng)濟損失。

（3）取代現(xiàn)有的爐膛煙溫探針，節(jié)省維護和管理費用。

三、結(jié)論

從安全性的角度講。大容量電站鍋爐水冷壁、過熱器和再熱器是工作在最惡劣條件下的受熱部件，當工作條件與設(shè)計工況偏離或設(shè)計上存在不足時，就容易發(fā)生超溫爆管事故，影響機組的安全經(jīng)濟運行。聲學法可以通過在爐膛出口或者水平煙道易超溫區(qū)域布置聲學測點，直接進行截面二維煙氣溫度場測量，進而實現(xiàn)過（再）熱器局部超溫的監(jiān)測，具有很好的應(yīng)用前景。

第一，可以保證鍋爐運行安全性，避免火焰中心偏斜等事故發(fā)生，減少非計劃停機。第二，可以提高鍋爐燃燒效率，節(jié)能降耗，優(yōu)化燃燒器風煤比，實現(xiàn)平衡燃燒，提高經(jīng)濟效益。第三，通過調(diào)整溫度場分布，使得水冷壁免受熱應(yīng)力沖擊，預(yù)防水冷壁管爆管，延長設(shè)備使用壽命。第四，通過爐膛煙氣溫度是否升高，來判斷鍋爐水冷壁吸熱量是否減小，診斷和預(yù)防爐膛結(jié)焦。最后，通過可視化的溫度場分布信息，運行人員可及時消除或避免燃燒區(qū)域的溫度過熱，避免N2和O2在高溫條件下生成NOx，減小環(huán)境污染，降低NOx排放。

從經(jīng)濟性的角度講。在火力發(fā)電成本中，燃料費用一般要占70%以上，提高鍋爐燃燒系統(tǒng)的運行水平對機組的節(jié)能降耗具有重要意義。鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)能夠有效提高機組運行效率，降低發(fā)電成本，顯著降低鍋爐污染物的排放，并能夠監(jiān)督保障鍋爐的安全運行。