基于可調諧二極管激光吸收光譜技術的爐內燃燒場參數在線監測系統設計

李源，郭志成，孟曉超，陳科峰，任利明，毛睿，岑可法

（1.潤電能源科學技術有限公司，河南省 鄭州市 450052；2.能源清潔利用國家重點實驗室(浙江大學)，浙江省 杭州市 310027）

0 引言

近年來，在煤炭價格高漲和環保日趨嚴格的背景下，電力企業為了提高自身競爭力，基于融合數字化技術和工業生產過程提出了智能電廠概念[1-2]。智能電廠一般分為4 個層次，從低至高依次為智能設備層、智能控制層、智能生產監管層和智能管理層[3-5]。其中，智能設備層是智能電廠最為基礎的一層，智能設備實現了電廠運行過程中參數的測量。

鍋爐是火力發電廠中的能量輸出設備，爐內涉及復雜的多相湍流燃燒過程。爐內燃燒場參數的測量對研究燃燒機理、提高燃燒效率和控制污染物排放等具有積極意義。火焰溫度和組分濃度是爐內最基礎的燃燒參數，燃燒參數的測量技術主要涉及聲音、電磁、圖像、激光和光譜等技術[6-11]。

燃燒溫度是表征燃燒強度和熱釋放率最直接的物理量；CO 和CO2是表征燃燒反應的關鍵指標，且CO 含量與壁面高溫腐蝕密切相關[12]；NO是燃燒過程中主要的污染物，且NO 濃度在一定程度上也能反映出燃燒狀況。常規的熱電偶和煙氣分析儀等測量手段均為單點測量，但單點測量只能反映爐內整體的燃燒狀況，而無法反映爐內局部的燃燒狀況。單點測量很難監測爐內火焰中心是否偏離，無法有效監測和治理鍋爐效率低、污染物排放濃度高、水冷壁高溫腐蝕和結渣積灰等問題。此外，常規的熱電偶和煙氣分析儀等接觸式測量手段具有設備壽命短、干擾流場、響應速度慢和靈敏度低等缺點，且這些設備無法長期適應高溫、多塵、多變的燃燒環境。針對目前鍋爐快速變負荷和工況多變的現狀，為探尋鍋爐在復雜工況時的最佳運行策略，迫切需要對爐內三維燃燒溫度和多種氣體組分濃度進行在線測量。

激光燃燒診斷技術是一種在線、非接觸式測量手段，可以實現燃燒參數的快速無干擾測量[13]。可調諧二極管激光吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)技術具有系統結構簡單、精度高、響應快和適應環境能力強等優點[14]。傳統的TDLAS 技術是通過對待測區域內某一組分沿光學路徑的積分吸收度進行測量，從而反演出光學路徑上的平均溫度和組分濃度[15]。有學者[16-17]提出將TDLAS 技術與計算機層析技術(computer tomography，CT)結合，用于重建火焰內部的二維火焰溫度和組分濃度場。目前，基于TDLAS 技術測量溫度和組分濃度主要還局限于實驗室水平，尚未有在實際鍋爐上應用的報道。

鍋爐燃燒優化的目的是實現高效燃燒、低污染物排放及減小熱損失[18-21]。由于實際爐膛為三維結構，爐內火焰溫度和組分濃度分布差異較大。但當前的優化控制策略還局限于整體的燃燒狀態，沒有對爐內燃燒區域進行劃分，這樣的控制策略不能針對鍋爐進行精細化控制。為實現鍋爐的精細化優化控制，有必要在優化策略中引入燃燒場參數，包括溫度場和多組分濃度場。此外，為減弱高溫腐蝕和結渣積灰，針對爐內三維溫度和多組分濃度進行實時監測也是十分必要的。本文基于TDLAS技術設計了一種爐內三維溫度和多組分濃度在線監測系統。

1 基本原理

1.1 TDLAS原理

TDLAS 技術的理論基礎是Beer-Lambert 定律，其原理如圖1所示。

圖1 Beer-Lambert原理Fig.1 Beer-Lambert principle

假設一束頻率為v的激光束穿過待測區域，被均勻氣體介質吸收，光路上的積分吸光度為

式中：p為混合氣體總壓；X為介質氣體組分濃度；L為激光束在介質氣體中的傳輸距離；S為吸收線強度；T為溫度；av為氣體吸收系數。在熱平衡體系的條件下，譜線強度S隨溫度T的變化可以表示為

式中：S(T0)為參考溫度T0時的譜線強度；E''為吸收線的低態能級值；h為Planck 常數；k為Boltzmann 常數；c為光速；v0為吸收譜線中心頻率；Q(T)為溫度T時的配分函數值，可用多項式表示為

其中z0，z1，z2，z3為擬合多項式系數。

在TDLAS雙線測溫法[22]中，挑選同種氣體分子的2條吸收譜線，將2個吸收線強值相除，消掉配分函數，得到不同吸收譜線強度的比值R為

則待測區域溫度T通過式(2)和式(4)可表示為

獲取溫度T后，選擇吸收較大的譜線來計算介質氣體組分濃度，可得

為了測量煙氣溫度及CO、CO2和NO 濃度，在激光波段范圍內選擇多條相對獨立的吸收譜線。選擇位于7 153.75 cm-1和7 154.35 cm-1處的2 條H2O 吸收譜線，利用雙線測溫法反演燃燒溫度；選擇位于6 338.59 cm-1處的CO 吸收譜線和6 337.99 cm-1處的CO2吸收譜線，同步反演CO 和CO2組分濃度；選擇位于1 900.07 cm-1處的NO 吸收譜線，反演NO 組分濃度。吸收譜線在特定條件下的吸光度可利用HITRAN數據庫模擬計算[22]。

1.2 代數迭代算法

代數迭代算法(algebraic reconstruction technique，ART)算法是一種典型的CT算法[23]。對待測區域進行二維重建時，將待測區域劃分成n×n個網格單元，并假定網格單元內待測量分布均勻。圖2為將待測區域劃分成10×10的網格單元。

圖2 網格化待測區域Fig.2 Girded measurement region

單光路的積分吸收率可表示為光路經過的所有網格對吸收的貢獻之和：

式中：Lj為光路經過第j個網格的光程；J為網格總數；aij為第j個網格內第i條射線的積分吸收系數。

基于ART算法，網格單元的吸收系數的迭代計算式為

式中：Ai為第i條射線的積分吸收率；β(k)為第k次迭代的松弛系數；Lij為第i條射線穿過第j個網格的光程。

利用修正型ART 算法[24]獲取譜線v1和v2的吸收系數aν1,i和aν2,i，并計算各網格內吸收譜線強度的比值Ri：

將式(9)代入式(5)便可以得到對應網格內的溫度值Ti：

再由式(2)得出相應吸收譜線強度Sv1,i(Ti)和Sv2,i(Ti)，可計算得到對應網格內氣體的組分濃度：

2 系統設計

2.1 一維燃燒參數監測系統方案

為了實現爐內煙氣溫度和多組分濃度的在線監測，設計一種基于TDLAS的單光纖爐內燃燒參數監測系統。圖3為一維燃燒參數監測系統框圖，該系統基于TDLAS技術和光開關技術實現高溫煙氣溫度和多組分濃度的同時在線測量。該系統包括上位機、信號發生器、光開關、光纖準直器、燃燒場、凸透鏡、光電轉換器、鎖相放大器、采集卡和單模光纖，以及激光控制器A、B、C，分布式反饋(distributed feedback laser，DFB)激光器A、B、C。其中，光開關可以對傳輸激光進行物理切換或邏輯操作，實現多參數的同時測量，簡化系統結構，節約設備成本。

圖3 一維燃燒參數監測系統Fig.3 One-dimensional combustion parameter monitoring system

根據待測燃燒場參數選擇DFB激光器的工作波段，DFB 激光器工作波段要涵蓋待測參數的吸收譜線范圍。DFB 激光器A 選擇中心波長為1 397.8 nm，一次掃描可獲取7 153.75 cm-1和7 154.35 cm-1處的2條H2O吸收譜線，利用雙線測溫法反演燃燒溫度；DFB 激光器B 選擇中心波長為1 579 nm，一次掃描可獲取6 338.59 cm-1處的CO 吸收譜線和6 337.99 cm-1處的CO2吸收譜線，同步反演CO 和CO2組分濃度；DFB 激光器C 選擇中心波長為5 263 nm，一次掃描可獲取1 900.07 cm-1處的NO 吸收譜線，反演NO 組分濃度。該監測系統包括如下步驟：

1）開啟儀器設備并調整光路；

2）上位機控制信號發生器輸出電信號，3 個激光控制器接收電信號后分別驅動對應的DFB激光器發射激光信號；

3）3個DFB激光器發射的激光信號通過光纖傳輸至光開關，光開關將3路激光信號耦合成1路激光信號輸出，由上位機分時復用控制光開關中三路激光信號的交替輸出；

4）光纖準直器將光開關輸出的激光信號校正為一束平行激光；

5）平行激光束穿過燃燒場，部分光譜被氣體吸收，剩余激光束發生微小偏折并由凸透鏡匯聚至光電轉換器；

6）光電轉換器將入射光信號轉換為電信號，傳輸至鎖相放大器，鎖相放大器具有2 路輸入信號和1 路輸出信號，輸入信號包括光電轉換器輸出的電信號和信號發生器輸出的參考信號，輸入電信號經調試后產生二次諧波輸出信號；

7）采集卡接收二次諧波信號，并將模擬信號轉變為數字信號傳輸至上位機；

8）上位機對數字信號進行采集和處理，反演計算出燃燒溫度和多組分氣體濃度。

該系統與火焰圖像系統[6]、聲學測溫系統[8]、常規火焰光譜系統[10-11]等相比，具有以下優點：1）基于TDLAS技術實現了高溫煙氣溫度和多組分濃度的在線測量；2）基于光開關技術實現了多個燃燒參數的同時測量，簡化了系統結構，系統中僅需1臺光纖準直器、1臺光電轉換器和1臺鎖相放大器，節約了設備成本費用；3）光開關技術為分時測量技術，消除了多組分氣體測量時氣體間的相互干擾。

2.2 多維燃燒參數監測系統

為了實現爐內多維燃燒參數的在線監測，設計一種基于TDLAS的爐內三維燃燒參數監測系統。三維燃燒參數測量包括3個步驟：1）將爐膛劃分為多層二維水平切片；2）基于ART算法重建二維燃燒參數；3）利用二維燃燒參數數據重構三維燃燒參數。圖4為一種基于TDLAS的爐內三維燃燒參數監測系統，包括TDLAS控制與處理單元、激光發射單元、測試單元和信號采集單元。基于分層切片法將測試單元中的爐膛劃分為N層切片，將三維燃燒參數測量轉化為N個二維燃燒參數測量。

圖4 三維燃燒參數監測系統Fig.4 Three-dimensional combustion parameter monitoring system

將每一層切片分為n×n個網格單元，利用TDLAS技術和ART算法重建該層切片的二維燃燒參數。圖5為爐內二維切片燃燒參數監測系統，包括上位機、信號發生器、光開關、單模光纖、分光器、光纖準直器、二維燃燒場、光電轉換器、采集卡、鎖相放大器，以及激光控制器A、B、C，DFB激光器A、B、C。其中，分光器可將單束激光均勻分成多束激光，既保證了多束激光的同步性又簡化了系統結構。與2.1節相同，DFB激光器的工作波段根據待測燃燒場參數進行選擇，DFB 激光器A 選擇中心波長為1 397.8 nm，DFB激光器B選擇中心波長為1 579 nm，DFB激光器C選擇中心波長為5 263 nm。

圖5 二維燃燒參數監測系統Fig.5 Two-dimensional combustion parameter monitoring system

爐內二維切片燃燒參數在線監測系統包括如下步驟：

1）打開所述儀器設備并調整光路；

2）上位機控制信號發生器輸出模擬信號，3 個激光控制器接收模擬信號后分別驅動對應的DFB激光器發射激光信號；

3）3個DFB激光器發射的激光信號通過光纖傳輸至光開關，光開關將3路激光信號耦合成1路激光信號輸出，由上位機分時復用控制光開關中3路激光信號的交替輸出；

4）光開關輸出的激光信號通過單模光纖傳輸至分光器，分光器將輸入的1 路激光信號分為2n路激光信號；

5）分光器輸出的2n路激光信號通過光纖分別傳輸至2n個光纖準直器，每個光纖準直器將對應的1路激光信號校正為1束平行激光；

6）2n束平行激光穿過二維燃燒場，形成一個n×n的光路網格，2n束激光的部分光譜被氣體吸收后分別被對應的2n個光電轉換器接收；

7）2n個光電轉換器分別將接收的激光信號轉換為電信號，并統一傳輸至采集卡；

8）鎖相放大器具有2 路輸入信號和1 路輸出信號，輸入信號包括采集卡輸出的電信號和信號發生器輸出的參考信號，輸入電信號經調試后產生二次諧波輸出信號，二次諧波信號傳輸至上位機；

9）上位機對輸入信號進行采集和處理，計算反演出二維火焰溫度和組分濃度場。

在獲取N層切片的二維火焰溫度和組分濃度場數據后，基于分層切片法重構出爐內三維火焰溫度和組分濃度場。

該系統與三維火焰圖像系統[7]、三維聲學測溫系統[9]等相比，具有以下優點：1）基于TDLAS 技術和ART 算法實現了爐內二維火焰溫度和組分濃度場的非接觸式在線測量，并在此基礎上基于分層切片法重構三維火焰溫度和組分濃度場；2）光開關技術作為一種分時測量技術實現了多個燃燒參數的同時測量，并消除了多組分氣體之間的相互干擾；3）分光器技術簡化了二維燃燒場參數測量系統的結構，節約了設備成本。

3 結果與討論

目前，由于現場條件及設備可靠性等限制，本系統尚未布置于實際電站鍋爐。為展示爐內三維燃燒參數的測量效果，本文基于鍋爐燃燒仿真數據重建爐內三維燃燒參數分布，并以某300 MW直流燃煤鍋爐為對象進行燃燒仿真研究。鍋爐型號為SG-1025/16.7-M313UP，采用中儲式制粉系統。燃燒方式為四角切圓燃燒，設有5層一次風、7層二次風、2層三次風，其中，二次風又分為分離燃盡風(separated overfire air，SOFA)、緊靠布置 燃 盡 風(closed-coupled overfire air，CCOFA)、周界風及其他二次風。表1為鍋爐燃用煤質特性。表2 為鍋爐燃燒仿真邊界條件。利用ICEM 軟件進行全爐膛網格劃分。利用Fluent 軟件進行鍋爐燃燒數值計算，其中，湍流流動采用k-ε模型，輻射傳熱采用P1 模型，顆粒運動采用隨機軌道模型，氣相湍流燃燒采用混合分數/概率密度函數模型，煤粉揮發分析出采用單步反應模型，焦炭燃燒計算采用動力/擴散控制反應速率模型。

表1 鍋爐燃用煤質特性Tab.1 Properties of the burning coal

表2 鍋爐燃燒仿真邊界條件Tab.2 Combustion simulation boundaries of the boiler

根據鍋爐結構和燃燒仿真結果，將鍋爐劃分為7 層切片，每層切片劃分為10×10 的網格，如圖6 所示。根據鍋爐燃燒仿真結果，獲取每層切片的二維燃燒數據后，基于分層切片原理，重構獲取爐內三維燃燒參數。

圖6 鍋爐多層切片Fig.6 Boiler multilayer sections

圖7 為基于仿真數據重建的爐內三維溫度及CO、CO2、NO 濃度分布。通過三維燃燒場參數分布可以清晰地了解爐內各區域的燃燒信息。從圖7(a)可以看出，在水平方向上，爐內溫度表現為中心高、四周低；在高度方向上，爐內溫度隨著標高的增加表現為先增加再減小的趨勢。爐內火焰溫度的分布主要與火焰中心位置相關，火焰中心為爐內燃燒最劇烈也是火焰溫度最高的地方。從圖7(b)可以看出，主燃燒器區域CO 濃度最大，這主要與鍋爐低氮運行時此處嚴重缺氧有關。從圖7(c)可以看出，爐底部和上部區域CO2濃度較高。爐底部CO2濃度較高主要是由于爐底部空氣量較少，大量反應生成的CO2積聚于爐底部。爐上部CO2濃度較高則主要是由于該區域煤粉已與空氣完全反應。從圖7(d)可以看出，主燃燒區域存在一個低NO 濃度區域，這主要是由于主燃燒區域嚴重缺氧，導致該區域生成大量CO、NHi及HCN 等產物[25]，將形成的NO 還原成N2。

圖7 爐內三維燃燒參數重建Fig.7 Remonstration of three-dimensional combustion parameters in furnace

利用爐內三維溫度分布特征可以準確判斷爐內火焰中心是否偏斜、火焰高度是否合理、熱負荷分布是否均勻等情況，有利于提高鍋爐效率、防治結渣積灰、消除汽溫/煙溫偏差。利用爐內CO和CO2三維分布特征可以準確判斷爐內各區域燃燒反應狀態，有助于鍋爐精準配風/配煤、消除燃燒死區、提升燃燒效率。此外，由于高溫腐蝕與CO 分布存在一定的相關性[12]，基于爐內CO 三維分布情況可以有效防治水冷壁高溫腐蝕。利用爐內NO 三維分布特征可以準確判斷爐內各區域NO生成特征，有助于制定合理的配風、配煤、摻燒方式，以降低鍋爐出口NO 排放量。因此，爐內三維燃燒參數在線監測十分有利于鍋爐精細化燃燒調整。

4 結論

基于TDLAS技術設計了一種爐內燃燒場參數在線監測系統，包括一維和多維燃燒參數在線監測系統，可監測的燃燒參數包括溫度及CO、CO2和NO濃度等。得到以下結論：

1）在一維燃燒參數在線監測系統方案中，基于TDLAS技術和光開關技術實現爐內多個燃燒參數的同時在線測量。其中，光開關技術主要用于同時測量多個燃燒參數。

2）在二維燃燒參數在線監測系統方案中，基于TDLAS 技術、分光器技術和ART 算法實現平面內多個燃燒參數的同時在線測量。其中，分光器技術主要用于測量二維燃燒場參數。基于分層切片原理將三維燃燒參數測量問題轉化為多個二維燃燒參數測量問題。

3）在三維燃燒參數在線監測系統方案中，先將三維爐膛劃分為多個二維分層切片，再基于TDLAS技術和ART算法重建分層切片的二維燃燒參數，最后利用多個二維燃燒參數數據重構三維燃燒場參數。