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激光吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于鍋爐優(yōu)化控制研究

2021-11-06 02:54:16賴小明沈德明
激光技術(shù) 2021年6期
關(guān)鍵詞:譜線爐膛溫度場(chǎng)

賴小明,鄒 婷,陳 昊,沈德明

(1.南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司,南京 211102;2.江蘇省熱工過程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京211102)

引 言

目前我國(guó)火電發(fā)電量比重占總的發(fā)電量80% 以上,而電廠鍋爐設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況差異較大,現(xiàn)有的燃燒控制精度差,效率比較低下,鍋爐偏燒容易影響金屬壽命,鍋爐爐膛燃燒氣體的溫度場(chǎng)測(cè)量可作為燃燒優(yōu)化的重要參量。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)作為一種快速、準(zhǔn)確的測(cè)量手段,常被用在鍋爐[1-6]以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)、激波管[7-10]等高溫環(huán)境下的氣體溫度測(cè)量。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者利用TDLAS技術(shù)在鍋爐測(cè)量方面進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)室研究。LU等人[11]對(duì)鍋爐CO2濃度測(cè)量中進(jìn)行了常溫研究。ZHAI等人[12]針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了溫度測(cè)量系統(tǒng)。SUN等人[13]在平焰爐上用多測(cè)量路徑對(duì)溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究。

結(jié)合TDLAS技術(shù)和計(jì)算機(jī)層析(computed tomography,CT)的激光吸收光譜計(jì)算機(jī)層析診斷技術(shù)(tunable diode-laser absorption tomography,TDLAT)技術(shù)在近年內(nèi)被提出[14-15]。為進(jìn)行溫度場(chǎng)的重建,通常需要超過6個(gè)投影角度。MA等人提出減少投影光線數(shù),增加譜線數(shù)量的超光譜法進(jìn)行2維燃燒場(chǎng)重建[16-17]。HUANG[18]與YU[19]等人分別利用深度學(xué)習(xí)和極限學(xué)習(xí)機(jī)等方法對(duì)2維溫度、濃度場(chǎng)重建進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究。

由于電廠鍋爐爐膛燃燒的環(huán)境較為復(fù)雜、干擾因素較多、安裝調(diào)整空間受限,使得原位在線測(cè)量變得較為困難,并且投影角度非常受限,因此,國(guó)內(nèi)鮮有在電站鍋爐爐膛進(jìn)行溫度場(chǎng)重建的報(bào)道。盡管如此,作者仍然期望能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐爐膛溫度場(chǎng)的在線測(cè)量。在國(guó)內(nèi)某最高蒸汽量為61kg/s全燒煤氣(高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣)的鍋爐上布置3×3條測(cè)量路徑形成測(cè)量網(wǎng)格,采用TDLAT技術(shù)對(duì)電站鍋爐爐膛溫度場(chǎng)進(jìn)行重建,以尋找溫度測(cè)量結(jié)果與鍋爐運(yùn)行過程參量的關(guān)系,分析該技術(shù)應(yīng)用于鍋爐燃燒優(yōu)化控制的可行性。

1 TDLAT對(duì)鍋爐的優(yōu)化控制原理

1.1 TDLAS溫度測(cè)量原理

TDLAS測(cè)量技術(shù)分直接吸收法和波長(zhǎng)調(diào)制法[20-21]。相比于波長(zhǎng)調(diào)制法而言,直接吸收法主要應(yīng)用于具有足夠吸光度的條件。電站鍋爐一般尺寸為7m~20m,H2O體積分?jǐn)?shù)約為0.10,適合應(yīng)用直接吸收法進(jìn)行溫度測(cè)量。

當(dāng)頻率為的激光通過的被測(cè)氣體,氣體對(duì)激光的吸收滿足Beer-Lambert定律[20],即:

Iν=Iin,νexp[-αν]=

Iin,νexp[-S(T)Φ(ν,p,x,T)pxL]

(1)

T=

(2)

式中,S1(Tr)和S2(Tr)分別為吸收譜線1和吸收譜線2在參考溫度Tr下的線強(qiáng),h為普朗克常數(shù),c為光速,k為玻爾茲曼常數(shù),E1″和E2″為吸收譜線1和譜線2躍遷對(duì)應(yīng)的低態(tài)能級(jí)能量,r為兩條譜線吸光度積分面積的比值。

1.2 重建算法

重建算法分變換法和迭代法,在投影數(shù)據(jù)比較充分的情況下,變換法能夠得到較高的重建精度。由于電廠鍋爐的爐膛的條件所限,投影數(shù)據(jù)較少,采用代數(shù)迭代重建法(algebraic reconstruction technique,ART)能夠較好地重建出圖像。ART的表達(dá)式可以描述為[14]:

(3)

式中,下標(biāo)i為測(cè)量路徑序號(hào),下標(biāo)j代表網(wǎng)格序號(hào),k為迭代次數(shù),λ為松弛因子,M為網(wǎng)格總數(shù),Pi為第i個(gè)測(cè)量路徑的投影值,ai,j為投影系數(shù)矩陣中的元素,代表第i條測(cè)量路徑經(jīng)過第j個(gè)網(wǎng)格的權(quán)重。在ART算法中,每一個(gè)方程都對(duì)各xj的值修正一次,即第i條測(cè)量路徑對(duì)各xj的值修正完以后,再用第i+1條測(cè)量路徑對(duì)各xj進(jìn)行修正,直到所有測(cè)量路徑修正完成以后,完成一輪迭代。如果此時(shí)沒有達(dá)到收斂條件,則進(jìn)行第2次迭代,直到滿足收斂條件。

1.3 基于TDLAS的鍋爐優(yōu)化控制

爐膛燃燒氣體通過輻射對(duì)水冷壁中的水蒸氣進(jìn)行加熱,主蒸汽對(duì)汽輪機(jī)做工從而發(fā)電。根據(jù)斯特藩定律,燃燒氣體在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總能量稱為輻射度J,與氣體的熱力學(xué)溫度T成四次方關(guān)系:

J=εσT4

(4)

式中,ε為氣體的輻射系數(shù),σ為斯特藩常量,因此氣體的溫度T可以反映爐內(nèi)的輻射量。由于分布反饋(distributed feedback,DFB)激光器的掃描速率可以達(dá)到千赫茲,因此溫度測(cè)量可以達(dá)到很高的刷新速率,從而得到當(dāng)前爐膛積蓄的總能量。

應(yīng)用溫度測(cè)量鍋爐控制的優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1.3.1 應(yīng)對(duì)鍋爐調(diào)節(jié)慣性 鍋爐控制系統(tǒng)收到負(fù)荷調(diào)整指令后,運(yùn)行人員通過控制燃料及風(fēng)量對(duì)爐膛燃燒進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)機(jī)組發(fā)電功率調(diào)度指令已經(jīng)下達(dá),投入的燃料量和風(fēng)量將進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)。由于鍋爐燃燒存在慣性,主蒸汽流量相對(duì)于燃料量、風(fēng)量的投入存在滯后,若待運(yùn)行人員觀察到當(dāng)前負(fù)荷超過調(diào)節(jié)指令后再開始減少燃料量,將會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷的超調(diào)。因此將溫度測(cè)量作為輻射能的表征能夠迅速的得知當(dāng)前燃料量、風(fēng)量的投入是否合適,并作出相應(yīng)調(diào)整。

1.3.2 應(yīng)對(duì)燃料熱值波動(dòng) 鍋爐的設(shè)計(jì)燃料和實(shí)際運(yùn)行采用的燃料通常存在很大的不同,燃料熱值存在很大的波動(dòng),例如焦?fàn)t煤氣的熱值為17000kJ/m3,高爐煤氣的熱值則僅為3500kJ//m3,不僅每種煤氣本身的熱值有一定波動(dòng),不同煤氣混合比例的波動(dòng)也會(huì)極大的導(dǎo)致燃料總熱值的波動(dòng)。根據(jù)(4)式,鍋爐內(nèi)的溫度可作為燃料輻射能的度量方式,通過TDLAS測(cè)量得到氣體溫度可及時(shí)對(duì)燃料投入量進(jìn)行調(diào)整。

1.3.3 鍋爐的實(shí)時(shí)調(diào)平 電廠鍋爐通常有數(shù)個(gè)燃燒器,由于燃料管道和風(fēng)道中的流量和壓力測(cè)點(diǎn)通常不準(zhǔn)確,每個(gè)燃燒器的燃料量投入存在不平衡的情況,導(dǎo)致水冷壁起皮,影響金屬壽命。通過TDLAT技術(shù)得到爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布,可對(duì)各燃燒器進(jìn)行調(diào)平。

2 鍋爐溫度場(chǎng)重建仿真

針對(duì)燃?xì)忮仩t的特點(diǎn),進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。煤氣爐采用前后墻對(duì)沖的燃燒器布置,前后墻各3層,每層各3個(gè)燃燒器。設(shè)計(jì)網(wǎng)格劃分為3×3,水平和垂直投影方向各布置3條測(cè)量路徑,網(wǎng)格編號(hào)如圖1所示。將鍋爐分成9個(gè)網(wǎng)格,坐標(biāo)軸原點(diǎn)設(shè)置在爐膛中心,虛線為TDLAS的測(cè)量路徑。

Fig.1 Grid of reconstruction

燃燒氣體溫度分布呈圖2a所示具有前后墻近似對(duì)稱分布的特點(diǎn),網(wǎng)格2為最高峰值位置,其平均溫度為1800K,網(wǎng)格8為第二峰值位置,平均溫度為1578K,濃度場(chǎng)設(shè)計(jì)為均勻分布。根據(jù)Beer-Lambert定律和譜線參量得到仿真投影數(shù)據(jù),利用Siddon算法計(jì)算得到投影系數(shù)矩陣,再用ART算法得到重建的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。為了更方便對(duì)比,將ART算法重建的結(jié)果進(jìn)行雙3次插值得到重建分布。圖2b為重建的溫度分布。盡管重建算法對(duì)溫度分布有勻化的趨勢(shì),使得重建分布與原始分布有所不同,但仍能區(qū)分不同網(wǎng)格平均溫度的高低。以網(wǎng)格為單元,其主要特征(峰值位置)與原始分布相同:在網(wǎng)格2仍為最大峰值所在網(wǎng)格,其平均溫度值為1502K,網(wǎng)格8仍為第二大峰值所在網(wǎng)格,其平均溫度為1460K。根據(jù)峰值位置和峰值相對(duì)大小,可以增加前墻燃燒器燃料量和風(fēng)量,減小后墻燃料量和風(fēng)量,從而對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行調(diào)平。

Fig.2 Simulation of temperature reconstruction

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼鐵廠的自備熱電廠燃?xì)忮仩t進(jìn)行測(cè)量。該燃?xì)忮仩t主要燃料為高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣,焦?fàn)t煤氣為碳?xì)浠衔?,燃燒主要產(chǎn)物是H2O,因此將H2O作為目標(biāo)氣體,并選擇1.556μm及1.544μm兩條譜線為目標(biāo)譜線對(duì)爐膛的溫度進(jìn)行測(cè)量。該爐膛尺寸約為8m×8m,布置3×3的測(cè)量網(wǎng)格如圖3所示。每面墻各3個(gè)探頭,E1~E6分別為發(fā)射端,C1~C6分別為與之對(duì)應(yīng)的接收端。發(fā)射端采用有效焦距為33mm的光纖準(zhǔn)直器將激光準(zhǔn)直發(fā)射。激光在鍋爐中傳輸時(shí)燃燒介質(zhì)的折射率存在較大的隨機(jī)起伏,激光的波前會(huì)發(fā)生畸變,光束的光斑會(huì)發(fā)生漂移和擴(kuò)大,這些因素都造成激光的非吸收衰減。因此在接收端采用較大通光孔徑(80mm)、有效焦距為180mm的鏡頭進(jìn)行接收,然后耦合進(jìn)數(shù)值孔徑為0.22的多模光纖以保證收集盡量多的光功率。測(cè)量系統(tǒng)的平均透過率能夠達(dá)到2‰以上,從而實(shí)現(xiàn)較高的信噪比。由于捕獲到的光功率仍然存在較大的起伏,因此對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-to-digital,AD)卡采集到的原始信號(hào)進(jìn)行篩選,剔除質(zhì)量較差的信號(hào),然后再進(jìn)行時(shí)間平均以保證信號(hào)的穩(wěn)定性。

Fig.3 Layout of boiler TDLAT measuring system

系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。DA板卡(Spectrum m2p.6531)產(chǎn)生時(shí)間上交替的頻率為10kHz的鋸齒波信號(hào)分別給激光器控制器1和激光器控制器2(Stanford Research System LDC501),分別驅(qū)動(dòng)經(jīng)標(biāo)定的DFB激光器,通過密集波分復(fù)用(dense wavelength division multiplexing,DWDM)波分復(fù)用器合束,然后用光開關(guān)分時(shí)切換到各個(gè)發(fā)射端探頭,接收端將穿過爐膛燃燒氣體的激光耦合進(jìn)多模光纖,然后通過多模光開關(guān)切換到與單模光開關(guān)對(duì)應(yīng)的通道,用InGaAs光電探測(cè)器(THORLABS PDA10CS)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),由AD板卡(Spectrum m2p.5921)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)在工控機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。

Fig.4 Composition of measurement system

采集到的6路信號(hào)分別經(jīng)過Voigt線型擬合得到吸收線型,從而計(jì)算兩個(gè)吸收譜線的吸光度積分面積A1,i和A2,i(i=1,…,6),分別對(duì)A1,i和A2,i用ART重建出各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的吸光度積分面積,然后再利用(2)式計(jì)算出各網(wǎng)格中的氣體溫度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電廠鍋爐將煤氣燃燒產(chǎn)生的輻射能量用于加熱蒸汽,蒸汽再對(duì)汽輪機(jī)做功轉(zhuǎn)換為電能,因此輻射總能量的大小應(yīng)與主蒸汽流量成單調(diào)關(guān)系,即爐膛平均溫度應(yīng)與蒸汽流量呈單調(diào)關(guān)系。為研究爐膛溫度與主蒸汽流量的具體關(guān)系,在電廠安裝了3×3兩個(gè)垂直投影方向共6對(duì)測(cè)量路徑,圖5為電廠安裝的測(cè)量探頭。

Fig.5 In situ easuring probe

圖6中將超過30h的主蒸汽流量和通過TDLAS方法測(cè)量到的爐膛平均溫度進(jìn)行了對(duì)比。該時(shí)間段內(nèi)的蒸汽流量基本在70%負(fù)荷到100%負(fù)荷之間。將圖3中所示的6個(gè)測(cè)量路徑進(jìn)行平均得到爐膛平均溫度,該平均溫度有效代表了爐膛燃燒輻射能量。圖6中的蒸汽流量和平均溫度變化趨勢(shì)基本一致,其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.91,說(shuō)明氣體溫度與負(fù)荷非常相關(guān)。

Fig.6 The trends of steam flow and averaged temperature

通過線性回歸分析,從數(shù)據(jù)集中抽取1%的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集,剩下的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集,得到負(fù)荷Y作為因變量,將溫度X作為自變量,兩者之間的線性關(guān)系為:

Y=0.178X-139

(5)

用驗(yàn)證集的數(shù)據(jù)計(jì)算其決定系數(shù)為R2=0.88,說(shuō)明有88%的主蒸汽流量值可以由爐膛溫度決定,如圖7所示。

由于主蒸汽流量與溫度有較高的相關(guān)性,從一方面可以知道該時(shí)間段內(nèi)的鍋爐的燃料投入量較為合理,負(fù)荷調(diào)整過程中燃燒也比較平穩(wěn)。對(duì)于相關(guān)性不高的工況,可通過測(cè)量溫度對(duì)燃料投入量的合理性進(jìn)行評(píng)估,從而做出相應(yīng)調(diào)整。

利用CT重建技術(shù)對(duì)鍋爐橫截面溫度場(chǎng)分布進(jìn)行重建。鍋爐燃燒器布置在前后墻,前后墻各3層,每層各有3個(gè),因此正常情況下,在燃燒器上方的前后墻溫度相較側(cè)墻溫度更高。根據(jù)圖3中各路徑上的測(cè)量數(shù)據(jù),利用ART算法進(jìn)行對(duì)爐膛溫度場(chǎng)進(jìn)行了重建。由于空間的限制,測(cè)量路徑有限,重建后的溫度分布空間分辨率不高,不利于觀察和運(yùn)行調(diào)整,于是對(duì)重建結(jié)果進(jìn)行3次樣條插值,得到平滑后的溫度分布。圖8為實(shí)驗(yàn)過程中鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所成的不同時(shí)刻的典型的溫度分布圖。從圖6中的負(fù)荷曲線可以看出,該時(shí)間段內(nèi)鍋爐運(yùn)行相對(duì)比較穩(wěn)定,圖8中鍋爐溫度場(chǎng)分布基本是前、后墻靠近燃燒器上方的位置溫度較高,重建結(jié)果符合預(yù)期。

Fig.7 Result of linear regression

5 結(jié) 論

將激光吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于電站鍋爐的溫度場(chǎng)測(cè)量和重建,在最高蒸汽量為61kg/s全燒煤氣的鍋爐上布置3×3條測(cè)量路徑形成測(cè)量網(wǎng)格。選擇1.5μm的一對(duì)H2O譜線,利用TDLAT測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)了電站鍋爐爐膛溫度場(chǎng)的直接測(cè)量和重建。計(jì)算得到爐膛溫度和總蒸汽流量的相關(guān)系數(shù)為0.91,證明了可將溫度作為燃料投入量的表征。應(yīng)用回歸分析,得到爐膛溫度和負(fù)荷的關(guān)系,提出可將溫度作為鍋爐積蓄的實(shí)時(shí)總能量的判斷,避免超調(diào)。重建的溫度場(chǎng)符合爐膛實(shí)際溫度分布,有利于鍋爐調(diào)平。與其它吸收光譜技術(shù)在鍋爐尾部煙道或者抽取式的測(cè)量方法相比,有更直接、快速的優(yōu)勢(shì),更有利于為燃燒優(yōu)化控制。實(shí)現(xiàn)了真實(shí)鍋爐爐膛的非接觸式實(shí)時(shí)2-D溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)重建,為進(jìn)一步研究電站鍋爐燃燒優(yōu)化提供了參考。

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