200MW鍋爐燃燒優化控制系統的技術研究應用

郭月蘭 楊東暉/北方聯合電力有限責任公司烏海熱電廠

200MW鍋爐燃燒優化控制系統的技術研究應用

郭月蘭 楊東暉/北方聯合電力有限責任公司烏海熱電廠

爐內溫度場的分布是反映燃燒過程的重要參數，直接影響到鍋爐的安全性和經濟性。本文介紹了北方聯合電力烏海熱電廠200MW鍋爐燃燒優化控制系統的技術研究應用，保證燃煤電廠節能環保、安全經濟運行。

燃燒優化；系統；研究應用

一、概述

爐內溫度場的分布是反映燃燒過程的重要參數，直接影響到鍋爐的安全性和經濟性。燃燒調整不好或者燃燒不穩定會導致鍋爐熱效率下降，產生更多的污染物、噪聲等，在極端情況下可能引起鍋爐爐膛滅火，甚至誘發爐膛爆炸造成事故。另外，準確有效的燃燒調整及燃燒優化需要有可靠的溫度場信息，因此，爐內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的爐內溫度場可視化，為火力發電廠鍋爐燃燒提供參考和指導，具有重要的意義和廣泛的應用前景。

二、技術方案

傳統的熱電偶和火焰電視等技術也都無法實現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，適應各種高溫、腐蝕、多塵的惡劣環境，給出整個爐膛溫度場的各部分準確的溫度數據，能夠對爐膛溫度場進行連續測量，實時監測和遠程控制。本項目主要研究技術改造內容如下：

⑴設計強背景噪聲下，合適的滿足現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定性；

⑶實現爐膛二維截面溫度場平均溫度和幾個主要區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律的基礎上，對不同聲學測點布置方式下的測溫平面熱態聲場進行數值模擬研究，優化測點的收發結構和布置方式。采用聲線追蹤技術，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，對鍋爐熱態背景噪聲進行研究。

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，噪聲環境強，這給聲學數據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境，必須找到精確的時延估計算法，以期在信噪比更低的環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定性展開研究。基于基本互相關的時延算法，分別對不同聲源位置、聲壓級、聲波導管及指向性、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，由少量數據重建更大截面場信息的算法研究成為該項目的關鍵技術之一。基于工程應用中的濾波反投影、代數重建等方法，加入爐內火焰溫度場的信息，實現少量數據重建溫度場。并在烏海熱電200MW機組上進行研究應用。

下圖為典型的2個發射點，2個接收點，鍋爐爐膛溫度測量系統配置圖。

圖 典型的爐膛溫度測量系統配置圖（4發，8收）

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

4.聲學測溫的系統開發及實驗研究。針對大型電站鍋爐爐膛內的更強背景噪聲進行分析，并通過現場測量得出爐內本底噪聲，在此基礎上確定聲波信號的頻率和強度范圍。開發一套完整的聲學測溫系統，包括硬件和軟件系統。并在烏海熱電廠的200MW機組上進行安裝調試。

5.主要技術難點。其關鍵技術主要包括：強背景噪聲條件下的聲源設計；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。

以該廠200MW機組為例，應用到該機組的鍋爐綜合監測與控制中去，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，指導鍋爐燃燒運行，提高燃燒效率，降低發電煤耗，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，及時調整，防止水冷壁局部過熱和超溫。防止爐管磨損，每年節省換管費用。減少因爆管造成非計劃停機，因檢修的損失電量帶來的經濟損失。

（3）取代現有的爐膛煙溫探針，節省維護和管理費用。

三、結論

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，當工作條件與設計工況偏離或設計上存在不足時，就容易發生超溫爆管事故，影響機組的安全經濟運行。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，進而實現過（再）熱器局部超溫的監測，具有很好的應用前景。

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生，減少非計劃停機。第二，可以提高鍋爐燃燒效率，節能降耗，優化燃燒器風煤比，實現平衡燃燒，提高經濟效益。第三，通過調整溫度場分布，使得水冷壁免受熱應力沖擊，預防水冷壁管爆管，延長設備使用壽命。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，診斷和預防爐膛結焦。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域的溫度過熱，避免N2和O2在高溫條件下生成NOx，減小環境污染，降低NOx排放。

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