激光測量在電站鍋爐燃燒優化中的應用

李應保，王東風

（華北電力大學 控制與計算機工程學院，保定 071003）

隨著國家節能減排政策的不斷推廣，工業領域都在積極探索節能環保的措施和方法[1]。發電廠作為能源消耗和污染排放的大戶，擔負著降耗減排的重任，主要的方法就是對煤粉、油氣等化石資源的燃燒實施優化和調節，使鍋爐內的燃燒始終處于最佳狀態，同時控制煙塵、二氧化硫和氮氧化物[2]等污染物的排放。

激光測量是近幾年興起的一種非接觸測量技術，在很多工業現場得到成功應用。例如，應用激光的準直性可以在汽車制造工程中對零部件的尺寸進行測量，還可以對汽車的輪胎和引擎等重要器件進行無損檢測[3]；在紡織工業應用激光進行驗布，檢測織物的起球、毛羽及其粗糙度并可以控制衣物的印染過程[4]；在煤場可以用激光進行盤煤，測量出煤堆的總體輪廓進而得出煤場中的煤儲量[5]。

本文討論了激光測量的原理和激光測量系統的安裝方案，重點論述了激光測量系統在AEP（美國電力公司）的約翰·阿莫斯電站3號機組投運情況和在燃燒優化上的應用效果，最后總結出相應的結論。

1 電站鍋爐燃燒優化的發展現狀

電站鍋爐的燃燒優化是一項復雜的系統工程。它涉及的研究領域較廣，像流體力學、系統建模和數字通信等。它運用的理論和技術也比較先進，包括先進的測量技術、智能優化算法和圖像處理等。電站鍋爐燃燒優化技術主要分為3個應用層次[6]。

第一個應用層次是從鍋爐燃燒設備的改良和創新的角度出發的燃燒優化。對傳統燃燒器的改進可以提高煤粉的燃燒效率和對氮氧化物生成的有效控制，像新機組安裝的旋流式低氮燃燒器[7]。第二個應用層次是指應用精準的測量技術對鍋爐的燃燒狀態進行實時監測和優化。測量技術作為燃燒優化的輔助工具，為實施優化決策提供可靠的信息，協助運行人員將燃燒調整到最優狀態。該層次的適用范圍廣，對鍋爐燃燒優化的作用突出，已經成為目前市場上燃燒優化技術的主導[8]。第三個應用層次是基于人工智能理論的先進優化方法[9]，該方法以第二個應用層次的測量技術作為支撐，建立鍋爐燃燒的動態模型，并利用先進的優化算法計算出當前工況下的鍋爐最佳控制參數，最后將計算結果上傳至DCS，形成一個閉環的控制過程。近幾年，該優化方法得到廣泛研究，國外已有相應的產品問世，在國內此項技術仍處于研究和試驗階段。

燃燒設備的改進和安裝對新建機組的燃燒優化意義重大，但對于已投運的舊機組而言，燃燒設備的改造要花費大量的資金和時間，很少被采用。基于測量技術的燃燒優化方法和基于人工智能的燃燒優化方法關聯性很強，不論燃燒優化的方法如何發展，測量技術始終是鍋爐燃燒狀態監測的重要手段，測量技術的發展和進步也能帶動其他優化方法的進步。

2 激光測量的原理

傳統的爐膛火焰溫度測量是采用熱電偶測溫法，此方法只能測量鍋爐內某一點溫度，而且探頭容易被高溫火焰燒壞，所以不能實時準確地指導燃燒的調整和優化。可調諧二極管激光吸收光譜TDLAS（tunable diode laser absorption spectroscopy）測溫技術[10]解決了在電站鍋爐爐膛內溫度實時測量和建立爐內溫度場的難題，TDLAS技術不僅可以測溫，還可以測量爐膛內燃燒氣體成分的濃度，比如氧氣、水和一氧化碳，提供了豐富的燃燒狀態信息，對鍋爐燃燒優化的施行具有重要意義。

2.1 爐膛火焰溫度的激光測量原理

激光測溫原理是通過在可調波長段上的譜線吸收面積A（如圖1所示）的比值和溫度的函數關系得到激光測量路徑上的平均溫度。可調諧二極管激光器在鋸齒波電流調諧下產生一段波長為λ0～λmax線性周期變化的激光，激光被某些分子吸收后，會在該段波長中獲得吸收譜線的形狀和位置。激光穿過路徑上的平均溫度與任意2條譜線強度之比存在函數關系，通過求出譜線強度比來得出該路徑上的平均溫度。

圖1 分子在可調波長段上的吸收譜線Fig.1 Absorption spectra of molecules on tunable wavelengths

某分子vi的吸收譜線強度Svi（T）是關于溫度的函數，滿足式（1）：

式中：Svi（T0）為參考溫度T0=296 K下被測吸收譜線的強度，可以通過高分辨率分子透射吸收（HITRAN）數據庫獲得；h為普朗克常數；c為光速；k為玻爾茲曼常數；E″為吸收譜線躍遷的低能級能量；Q（T0）和Q（T）分別為被測氣體在T0和T下的配分函數，在HITRAN數據庫通過Fortran程序計算得出。

2條吸收譜線強度的比值R可表示為

根據式（2）可以得到激光路徑上的平均溫度T為

理想的吸收譜線應該為直線段，但由于粒子散射、多普勒效應等影響，吸收譜線會以最大吸收波長為中心加寬，所以用譜線在波長上的吸收面積來代替式（3）中譜線強度S。

2.2 高溫氣體成分濃度的激光測量原理

激光測量技術可以準確地測量高溫氣體成分的濃度，原理是根據所測氣體的吸收光譜圖，從HITRAN數據庫[11]獲得該氣體特征譜線的吸收系數K，利用光吸收基本定律——朗伯-比爾定律[12]便可以求出所測氣體的濃度值C。

激光在傳播過程中，激光強度的衰減遵循朗伯-比爾定律：

式中：Pt為激光透過被測環境的強度；P0為激光的入射強度；K為吸收系數（cm2/mol）；N為待測氣體分子數（mol/cm3），N=p/kT，k 為玻爾茲曼常數；L 為吸收路徑長度（cm）；Svi（T）為分子 vi在溫度 T 時的譜線強度（cm/mol）；Φ（v）為譜線線型函數，常用的有洛倫茲型（Lorentz），沃科特型（Voigt）和高斯型（Gauss）。

激光光譜測量技術與HITRAN數據庫結合，可以通過智能儀表或虛擬儀器分析并計算出氣體濃度值[13]。以氧氣濃度測量為例，圖2所示為氧氣在溫度為296 K，壓力為101.325 kPa（一個標準大氣壓）的環境下吸收譜線強度與波長的關系。

將激光的頻率調節到波長為1250～1270的窄頻段，從激光的接收端可測得未被氧氣吸收的光強Pt（即透射光強）。假如鍋爐爐膛內的溫度T和壓強P為已知條件，則氧氣的吸收系數K可以從HITRAN數據庫中查詢得到，另外激光在爐膛中傳播的距離L也是已知的，通過朗伯-比爾定律可以得到氧氣氣體分子數N（mol/cm3）的表達式：

圖2 氧氣的吸收譜線強度與波長的關系Fig.2 Relationship of oxygen’s absorption line intensity and wavelength

將氣體分子數N轉化為氧氣的質量濃度Cm（mg/m3）：

式中：M為氧氣分子的摩爾質量（g/mol）。

3 激光測量系統在燃燒優化中的應用

爐膛溫度是鍋爐燃燒中的一個重要參數，它直接反映爐膛燃燒的狀態，是電站鍋爐燃燒優化執行的重要參考依據[14]。其他一些重要的爐膛參數（比如爐內氧氣濃度、一氧化碳濃度等）也是影響電廠運行安全和經濟性的重要參數，它們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重要的意義。

如圖3所示，激光測量系統由控制柜、光纖傳輸線、可調諧二極管激光器和監視器等幾個重要部件組成。控制柜負責激光信號的調制和發送并分析處理接受到的激光信號，上位監控計算機對測量結果進行分析和顯示，以供運行人員實時監控鍋爐內燃燒的狀態，另外，上位計算機還可以作為OPC服務器被客戶端訪問，將測量參數上傳到DCS，最后由DCS完成燃燒優化調整的指令。

圖3 激光測量系統的組成Fig.3 Components of laser measurement system

圖4所示的激光器安裝固定在鍋爐爐膛外側，僅需在爐膛水冷壁管道縫隙中開4 cm×4 cm的口即可，安裝方便，每對激光器都具有自動對焦功能，不需要復雜的校正過程。

圖4 激光器實物Fig.4 Laser physical installation diagram

激光測量系統可以容納多條激光測量路徑，多條路徑在爐膛截面上構成一個網狀的結構。

圖5所示為燃燒方式為前后墻對沖型和四角切圓型鍋爐的激光測量系統的安裝示意圖。在爐膛折焰角下方的截面上安裝激光測量網可以監測爐膛內燃燒的整體狀態和火焰中心的位置，在煙道尾部的省煤器后和爐膛頂部各安裝幾條測量路徑，目的是測量尾部煙氣和過熱器區域的重要參數。

圖5 激光測量系統在鍋爐爐膛內的布局Fig.5 Laser measurement system’s layout in the furnace

圖6所示為約翰·阿莫斯電站3號機組某工況下爐膛重要參數的二維分布信息。該鍋爐是前后墻對沖燃燒方式，激光測量系統安裝在爐膛折焰角下方5 m處橫截面上，從圖6（a）的溫度場和圖6（b）的氧量場可以判斷該工況下爐膛內火焰有向前墻傾斜的趨勢，從而造成前墻的溫度比后墻溫度高，經過分析，原因是后墻第二個燃燒器（從左到右）的出粉量和送風量過高，對前墻的沖擊過大，而且粉煤與空氣得不到較好的混合，燃燒不充分，該區域表現為溫度偏低，氧氣偏高。通過調整前后墻送風和燃料的偏置量，可以達到平衡燃燒、降低多余的氧氣、提高燃燒整體效率、減少氮氧化物排放的效果。

圖6 某運行工況下的爐膛內參數信息Fig.6 Furnace parameter information in operating status

表1為是該機組投入激光測量前后燃燒優化指標的對比結果。

表1 機組投入激光測量前后優化指標對比Tab.1 Comparison of optimization indicators of putting into the laser measurement

從表1的統計結果可以看出，投入激光測量系統后，鍋爐效率得到提高，能源的利用率提高；有效控制了爐膛內氮氧化物的生成量，使機組脫硝系統的投入成本減小；通過控制爐膛內的氧量，降低了過量空氣指數，減少了送風機的耗電量；除此之外，激光測量系統對火焰的有效監控使爐膛內結渣和超溫現象次數降低，減少了機組非計劃停機次數，延遲了鍋爐壽命。可見，激光測量結果可以幫助運行人員迅速監測出鍋爐爐膛內燃燒的不平衡現象和燃燒器、水冷壁的故障，對進行燃燒的優化調整和燃燒設備的故障診斷具有重要意義。

4 結語

激光測量技術作為新型的測量技術，已經成功應用到工業領域的多個場合。將激光測量技術應用到電站鍋爐爐膛參數測量上，并進一步指導完成鍋爐的燃燒優化，從電站的實際應用結果可以得出，激光測量具有精度高、實時性好、安裝方便等多個優點，測量結果指導鍋爐運行人員有效地控制爐膛內火焰的分布和氧量的分布，提高了燃燒效率，降低了氮氧化物排放，還避免了爐膛水冷壁和過熱器等管束的結渣和超溫的發生。激光測量技術可適應于高溫、多灰塵的電站鍋爐的測量使用，比傳統的熱電偶，紅外燈測溫技術更有優勢。可以預測激光測量技術在電力、鋼鐵和化工等工業生產領域具有廣闊的應用前景。

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