爐膛測溫技術應用于鍋爐燃燒優化

羅 斌

(湖南大唐先一科技有限公司，長沙 410007)

0 引 言

隨著信息技術的快速發展，數字化、人工智能、大數據等技術應用范圍逐步擴大，以及發展高效、低碳、智能、綠色能源的需要。國家發改委發布的《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》，明確指出促進能源與信息深度融合。火電機組已進入大容量、高參數的發展階段，600、1 000 MW等級的超臨界、超超臨界機組相繼投運。火電機組向更高效、更方便、更清潔、更安全、更智能、更可持續的方向發展。利用大數據分析和人工智能技術的智慧化電廠建設在各發電集團已經上升到戰略建設層次。

鍋爐燃燒優化是智慧電廠建設的重點建設模塊之一，但由于爐內壓燃燒過程自身具有瞬態變化、隨機湍流、爐膛尺寸龐大、工作環境惡劣等特征以及我國電站燃煤煤種變動大，參數整定困難，給有關熱物理量場參數的在線測量帶來了阻礙，難以獲得描述實際燃燒過程的熱物理量場參數，特別是溫度分布的測量很困難，這樣導致燃燒調整得不到可靠的依據，燃燒最優化運行無法實現[1]。目前這已成為提高大型燃燒設備安全性和經濟性的瓶頸。鍋爐燃燒運行優化必須基于爐膛溫度場的實時測量數據，通過對鍋爐燃燒過程進行三維建模，建立模擬溫度場，實現鍋爐燃燒過程的可視化。因此，為實現鍋爐燃燒優化運行，本文對當前國內常用的幾種爐膛測溫技術進行比較，分析各自的優缺點。

1 爐膛溫度測量技術應用效果

大型火力發電機組燃煤鍋爐爐內溫度場是反映燃燒狀況的一項重要參數，對煤粉的著火、燃燼及鍋爐的安全性、經濟性具有重要影響，是影響以及鍋爐安全、節能減排的關鍵控制環節。應用爐膛溫度測量技術后，可達到如下效果：

(1)控制爐膛出口煙氣溫度，防止鍋爐過熱器和再熱器金屬管壁超溫損壞和結焦。

(2)矯正燃燒不均衡，發現并矯正兩側汽溫和煙溫偏差。

(3)控制最佳的風粉比例，降低過量空氣系數提高燃燒效率。

(4)防止出現局部火焰過熱，降低氮氧化物的生成，減少噴氨量控制污染物排放。

2 爐膛測溫技術發展及應用

傳統的接觸式(伸縮式煙溫探針)爐膛測溫技術因其探針受耐溫限制、燃燒腐蝕性等使其應用受限，僅在鍋爐啟動初期伸入爐膛測溫。隨著科技的飛躍發展，先進的測控技術與人工智能的有機結合，使得爐膛測溫技術日臻成熟，非接觸式測溫技術在研究與應用上得到了飛速發展，一些高性能非接觸式測溫技術如激光光譜法、光譜分析法和聲波測溫技術等在國內大型火力發電廠燃煤鍋爐中得到了廣泛的應用[1-4]。

3 幾種非接觸式爐膛測溫技術簡介及應用對比

3.1 雙色光譜測溫

雙色紅外線測溫儀是紅外測溫技術的一種，即測量物體在兩個不同光譜范圍內發出的紅外輻射亮度并由這兩個輻射亮度之比推斷物體的溫度，稱為雙色測溫儀。此"色"的含義應為紅外波長或光譜，即為"雙紅外光譜測溫儀"。雙色測溫儀是依據在選定的兩個紅外波長和一定帶寬下，它們的輻射能量之比隨著溫度的變化而變化[2]。用兩組帶寬很窄的不同單色濾光片，收集兩個相近波段內的輻射能量，將它們轉化成電信號后再進行比較，最終通過該比值來確定被測目標的溫度。此種測溫方法靈敏度較高，與目標的真實溫度偏差較小，如圖1所示。

圖1

3.2 激光吸收光譜測溫

激光測溫法一種主動式的光譜分析技術，基于每一種氣體分子都有獨一無二的光譜吸收特性。針對鍋爐爐內氣體濃度的測量，在鍋爐的一個層面上采用網格形式布置多條路徑。利用CT成像算法重建鍋爐寬度方向，現場溫度梯度分布場技術吸收特性。沿鍋爐寬度方向在SOFA風上方安裝4對激光探頭(單層)，即分別對稱布置在前墻和后墻。激光穿透爐膛，測得各光路上的平均溫度，如圖2所示。

3.3 聲波測溫

聲波可在氣體介質中的傳播，但其傳播速度及聲頻率受介質溫度影響。研究學者們利用聲波此特點，提出了聲學測溫技術，并形成相關產品在鍋爐爐膛溫度場的測量中得到了應用。

聲學測溫技術是通過熱力學氣體狀態方程來求解氣體溫度，其關系可表示為：

圖2

式中，c為聲波的傳播速度,m/s;γ為氣體絕熱指數(等于定壓比熱容與定容比熱容之比);R為為氣體常數,8.314 J/(mol·K);m為氣體摩爾量,kg/mol;T為氣體絕對溫度,K;z為γR/m,對于特定的氣體z為一常數。

由于發射裝置和接收裝置之間的距離是已知常數，而聲波從聲學器件的發送單元發送到接收單元的“飛行時間”是可以測量出來的，因此可以計算出聲波傳輸的速度，進而根據熱力學氣體狀態方程可以計算出聲波傳播路徑上的煙氣溫度，即該測溫通道上的氣體平均溫度(路徑溫度)。傳統聲學測溫系統是使用一定數量的聲波收發器形成一個測量網格，從而測量爐內的一個水平面上的溫度場二維分布情況

實際應用中。傳統聲波收發器爐膛安裝直管段和法蘭、聲波導管直管段需要采用和鍋爐水冷壁同樣的材質加工、并與水冷壁焊接在一起，需要對水冷壁進行改動，存在安全隱患。聲波裝置采用壓縮空氣作為發生源，音頻在3 K左右。在測量上存在聲源不能同步發生，循環周期長影響測量精度和數據的連續性；爐膛噪聲、吹灰系統噪聲頻率也均在3K左右，易受干擾。易受爐膛氣流影響干擾聲波飛行路線，影響測量精度。

目前已有國外公司已有采用高頻電子聲波發生器取代壓縮空氣聲波發生器。采用電子聲波發生器具有如下如下優點：

(1)電子發生無需壓縮空氣，無需改動水冷壁，對鍋爐本體無影響。

(2)音頻可設置在10～12 K最佳頻段。

(3)不受爐內噪聲影響，規避爐內氣流對飛行路線影響。

(4)引入電致聲波連續編碼、數字信號處理與圖形識別技術，信號精度高。

(5)測量數據具備高實時性和同步性，易于算法優化，大幅提升測量精度，如圖3所示。

圖3

4 采用電子聲波建立爐膛溫度場應用于燃燒智能優化控制

采用8傳感器24通道電子聲波測溫裝置得到的溫度梯度可以正確反映出溫度場的變化趨勢,在此基礎建立了三維溫度場信息，以三維溫度場信息與鍋爐運行參數之間的燃燒優化模型。對鍋爐總風道、大風箱、各燃燒器以及調風盤進行真實建模，進行變風壓、變調風盤開度下的熱態流體數值模擬，形成大量模擬數據，構建各燃燒器內外二次風量的實時軟測系統。模型指導上層各SOFA風噴口風量的精確分配，到達爐內溫度場的均衡調，如圖4所示。

圖4

燃燒模型實時采集爐內溫度場實時數據、各燃燒器噴口風量實時數據、各磨入爐煤質數據，以及DCS部分運行數據進行實時計算。并實時給出如下優化控制輸入參數：

(1)各層總二次風配比；

(2)各燃燒器內外二次風調風盤開度；

(3)各SOFA風噴口調風盤開度；

(4)各磨最佳一次總風量(風煤比優化)；

(5)最佳推薦排煙氧量，如圖5所示。

5 結束語

鍋爐燃燒優化只有在爐膛溫度的準確測量基礎上才能對鍋爐燃燒過程進行三維數值建模，綜合應用氣相湍流模型、顆粒離散相模型、煤粉顆粒燃燒模型、及NOx后處理模型等多種先進的數學模型，開展變煤質/負荷鍋爐爐內燃燒過程進行數值模擬研究，建立煤質/負荷與爐內流場、溫度場、組分濃度、污染物排放等內在聯系數據庫。獲得不同煤種、不負荷條件下的鍋爐的最佳燃燒工況，各燃燒參數的最佳設定值，包括給煤量、二次風量、燃燼風量、煙氣擋板開度、減溫水量、排煙氧量、磨煤機風煤比等。