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(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，以及發(fā)展高效、低碳、智能、綠色能源的需要。國家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確指出促進(jìn)能源與信息深度融合?；痣姍C(jī)組已進(jìn)入大容量、高參數(shù)的發(fā)展階段，600、1 000 MW等級的超臨界、超超臨界機(jī)組相繼投運(yùn)。火電機(jī)組向更高效、更方便、更清潔、更安全、更智能、更可持續(xù)的方向發(fā)展。利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)的智慧化電廠建設(shè)在各發(fā)電集團(tuán)已經(jīng)上升到戰(zhàn)略建設(shè)層次。

鍋爐燃燒優(yōu)化是智慧電廠建設(shè)的重點(diǎn)建設(shè)模塊之一，但由于爐內(nèi)壓燃燒過程自身具有瞬態(tài)變化、隨機(jī)湍流、爐膛尺寸龐大、工作環(huán)境惡劣等特征以及我國電站燃煤煤種變動(dòng)大，參數(shù)整定困難，給有關(guān)熱物理量場參數(shù)的在線測量帶來了阻礙，難以獲得描述實(shí)際燃燒過程的熱物理量場參數(shù)，特別是溫度分布的測量很困難，這樣導(dǎo)致燃燒調(diào)整得不到可靠的依據(jù)，燃燒最優(yōu)化運(yùn)行無法實(shí)現(xiàn)[1]。目前這已成為提高大型燃燒設(shè)備安全性和經(jīng)濟(jì)性的瓶頸。鍋爐燃燒運(yùn)行優(yōu)化必須基于爐膛溫度場的實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，通過對鍋爐燃燒過程進(jìn)行三維建模，建立模擬溫度場，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒過程的可視化。因此，為實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化運(yùn)行，本文對當(dāng)前國內(nèi)常用的幾種爐膛測溫技術(shù)進(jìn)行比較，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 爐膛溫度測量技術(shù)應(yīng)用效果

大型火力發(fā)電機(jī)組燃煤鍋爐爐內(nèi)溫度場是反映燃燒狀況的一項(xiàng)重要參數(shù)，對煤粉的著火、燃燼及鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性具有重要影響，是影響以及鍋爐安全、節(jié)能減排的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。應(yīng)用爐膛溫度測量技術(shù)后，可達(dá)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?fù)p壞和結(jié)焦。

(2)矯正燃燒不均衡，發(fā)現(xiàn)并矯正兩側(cè)汽溫和煙溫偏差。

(3)控制最佳的風(fēng)粉比例，降低過量空氣系數(shù)提高燃燒效率。

(4)防止出現(xiàn)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(shù)發(fā)展及應(yīng)用

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

3 幾種非接觸式爐膛測溫技術(shù)簡介及應(yīng)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(shù)的一種，即測量物體在兩個(gè)不同光譜范圍內(nèi)發(fā)出的紅外輻射亮度并由這兩個(gè)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(yīng)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(jù)在選定的兩個(gè)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(gè)相近波段內(nèi)的輻射能量，將它們轉(zhuǎn)化成電信號后再進(jìn)行比較，最終通過該比值來確定被測目標(biāo)的溫度。此種測溫方法靈敏度較高，與目標(biāo)的真實(shí)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(dòng)式的光譜分析技術(shù)，基于每一種氣體分子都有獨(dú)一無二的光譜吸收特性。針對鍋爐爐內(nèi)氣體濃度的測量，在鍋爐的一個(gè)層面上采用網(wǎng)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(xiàn)場溫度梯度分布場技術(shù)吸收特性。沿鍋爐寬度方向在SOFA風(fēng)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(zhì)中的傳播，但其傳播速度及聲頻率受介質(zhì)溫度影響。研究學(xué)者們利用聲波此特點(diǎn)，提出了聲學(xué)測溫技術(shù)，并形成相關(guān)產(chǎn)品在鍋爐爐膛溫度場的測量中得到了應(yīng)用。

聲學(xué)測溫技術(shù)是通過熱力學(xué)氣體狀態(tài)方程來求解氣體溫度，其關(guān)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(shù)(等于定壓比熱容與定容比熱容之比);R為為氣體常數(shù),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(shù)。

由于發(fā)射裝置和接收裝置之間的距離是已知常數(shù)，而聲波從聲學(xué)器件的發(fā)送單元發(fā)送到接收單元的“飛行時(shí)間”是可以測量出來的，因此可以計(jì)算出聲波傳輸?shù)乃俣?，進(jìn)而根據(jù)熱力學(xué)氣體狀態(tài)方程可以計(jì)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(tǒng)聲學(xué)測溫系統(tǒng)是使用一定數(shù)量的聲波收發(fā)器形成一個(gè)測量網(wǎng)格，從而測量爐內(nèi)的一個(gè)水平面上的溫度場二維分布情況

實(shí)際應(yīng)用中。傳統(tǒng)聲波收發(fā)器爐膛安裝直管段和法蘭、聲波導(dǎo)管直管段需要采用和鍋爐水冷壁同樣的材質(zhì)加工、并與水冷壁焊接在一起，需要對水冷壁進(jìn)行改動(dòng)，存在安全隱患。聲波裝置采用壓縮空氣作為發(fā)生源，音頻在3 K左右。在測量上存在聲源不能同步發(fā)生，循環(huán)周期長影響測量精度和數(shù)據(jù)的連續(xù)性；爐膛噪聲、吹灰系統(tǒng)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(fā)生器取代壓縮空氣聲波發(fā)生器。采用電子聲波發(fā)生器具有如下如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電子發(fā)生無需壓縮空氣，無需改動(dòng)水冷壁，對鍋爐本體無影響。

(2)音頻可設(shè)置在10～12 K最佳頻段。

(3)不受爐內(nèi)噪聲影響，規(guī)避爐內(nèi)氣流對飛行路線影響。

(4)引入電致聲波連續(xù)編碼、數(shù)字信號處理與圖形識別技術(shù)，信號精度高。

(5)測量數(shù)據(jù)具備高實(shí)時(shí)性和同步性，易于算法優(yōu)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(yīng)用于燃燒智能優(yōu)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(chǔ)建立了三維溫度場信息，以三維溫度場信息與鍋爐運(yùn)行參數(shù)之間的燃燒優(yōu)化模型。對鍋爐總風(fēng)道、大風(fēng)箱、各燃燒器以及調(diào)風(fēng)盤進(jìn)行真實(shí)建模，進(jìn)行變風(fēng)壓、變調(diào)風(fēng)盤開度下的熱態(tài)流體數(shù)值模擬，形成大量模擬數(shù)據(jù)，構(gòu)建各燃燒器內(nèi)外二次風(fēng)量的實(shí)時(shí)軟測系統(tǒng)。模型指導(dǎo)上層各SOFA風(fēng)噴口風(fēng)量的精確分配，到達(dá)爐內(nèi)溫度場的均衡調(diào)，如圖4所示。

圖4

燃燒模型實(shí)時(shí)采集爐內(nèi)溫度場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各燃燒器噴口風(fēng)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各磨入爐煤質(zhì)數(shù)據(jù)，以及DCS部分運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。并實(shí)時(shí)給出如下優(yōu)化控制輸入?yún)?shù)：

(1)各層總二次風(fēng)配比；

(2)各燃燒器內(nèi)外二次風(fēng)調(diào)風(fēng)盤開度；

(3)各SOFA風(fēng)噴口調(diào)風(fēng)盤開度；

(4)各磨最佳一次總風(fēng)量(風(fēng)煤比優(yōu)化)；

(5)最佳推薦排煙氧量，如圖5所示。

5 結(jié)束語

鍋爐燃燒優(yōu)化只有在爐膛溫度的準(zhǔn)確測量基礎(chǔ)上才能對鍋爐燃燒過程進(jìn)行三維數(shù)值建模，綜合應(yīng)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(jìn)的數(shù)學(xué)模型，開展變煤質(zhì)/負(fù)荷鍋爐爐內(nèi)燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，建立煤質(zhì)/負(fù)荷與爐內(nèi)流場、溫度場、組分濃度、污染物排放等內(nèi)在聯(lián)系數(shù)據(jù)庫。獲得不同煤種、不負(fù)荷條件下的鍋爐的最佳燃燒工況，各燃燒參數(shù)的最佳設(shè)定值，包括給煤量、二次風(fēng)量、燃燼風(fēng)量、煙氣擋板開度、減溫水量、排煙氧量、磨煤機(jī)風(fēng)煤比等。