李應(yīng)保，王東風(fēng)

（華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，保定 071003）

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的不斷推廣，工業(yè)領(lǐng)域都在積極探索節(jié)能環(huán)保的措施和方法[1]。發(fā)電廠作為能源消耗和污染排放的大戶，擔(dān)負(fù)著降耗減排的重任，主要的方法就是對(duì)煤粉、油氣等化石資源的燃燒實(shí)施優(yōu)化和調(diào)節(jié)，使鍋爐內(nèi)的燃燒始終處于最佳狀態(tài)，同時(shí)控制煙塵、二氧化硫和氮氧化物[2]等污染物的排放。

激光測(cè)量是近幾年興起的一種非接觸測(cè)量技術(shù)，在很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用。例如，應(yīng)用激光的準(zhǔn)直性可以在汽車制造工程中對(duì)零部件的尺寸進(jìn)行測(cè)量，還可以對(duì)汽車的輪胎和引擎等重要器件進(jìn)行無損檢測(cè)[3]；在紡織工業(yè)應(yīng)用激光進(jìn)行驗(yàn)布，檢測(cè)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(chǎng)可以用激光進(jìn)行盤煤，測(cè)量出煤堆的總體輪廓進(jìn)而得出煤場(chǎng)中的煤儲(chǔ)量[5]。

本文討論了激光測(cè)量的原理和激光測(cè)量系統(tǒng)的安裝方案，重點(diǎn)論述了激光測(cè)量系統(tǒng)在AEP（美國(guó)電力公司）的約翰·阿莫斯電站3號(hào)機(jī)組投運(yùn)情況和在燃燒優(yōu)化上的應(yīng)用效果，最后總結(jié)出相應(yīng)的結(jié)論。

1 電站鍋爐燃燒優(yōu)化的發(fā)展現(xiàn)狀

電站鍋爐的燃燒優(yōu)化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它涉及的研究領(lǐng)域較廣，像流體力學(xué)、系統(tǒng)建模和數(shù)字通信等。它運(yùn)用的理論和技術(shù)也比較先進(jìn)，包括先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)、智能優(yōu)化算法和圖像處理等。電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)主要分為3個(gè)應(yīng)用層次[6]。

第一個(gè)應(yīng)用層次是從鍋爐燃燒設(shè)備的改良和創(chuàng)新的角度出發(fā)的燃燒優(yōu)化。對(duì)傳統(tǒng)燃燒器的改進(jìn)可以提高煤粉的燃燒效率和對(duì)氮氧化物生成的有效控制，像新機(jī)組安裝的旋流式低氮燃燒器[7]。第二個(gè)應(yīng)用層次是指應(yīng)用精準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)對(duì)鍋爐的燃燒狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化。測(cè)量技術(shù)作為燃燒優(yōu)化的輔助工具，為實(shí)施優(yōu)化決策提供可靠的信息，協(xié)助運(yùn)行人員將燃燒調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)。該層次的適用范圍廣，對(duì)鍋爐燃燒優(yōu)化的作用突出，已經(jīng)成為目前市場(chǎng)上燃燒優(yōu)化技術(shù)的主導(dǎo)[8]。第三個(gè)應(yīng)用層次是基于人工智能理論的先進(jìn)優(yōu)化方法[9]，該方法以第二個(gè)應(yīng)用層次的測(cè)量技術(shù)作為支撐，建立鍋爐燃燒的動(dòng)態(tài)模型，并利用先進(jìn)的優(yōu)化算法計(jì)算出當(dāng)前工況下的鍋爐最佳控制參數(shù)，最后將計(jì)算結(jié)果上傳至DCS，形成一個(gè)閉環(huán)的控制過程。近幾年，該優(yōu)化方法得到廣泛研究，國(guó)外已有相應(yīng)的產(chǎn)品問世，在國(guó)內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)仍處于研究和試驗(yàn)階段。

燃燒設(shè)備的改進(jìn)和安裝對(duì)新建機(jī)組的燃燒優(yōu)化意義重大，但對(duì)于已投運(yùn)的舊機(jī)組而言，燃燒設(shè)備的改造要花費(fèi)大量的資金和時(shí)間，很少被采用?；跍y(cè)量技術(shù)的燃燒優(yōu)化方法和基于人工智能的燃燒優(yōu)化方法關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，不論燃燒優(yōu)化的方法如何發(fā)展，測(cè)量技術(shù)始終是鍋爐燃燒狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段，測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步也能帶動(dòng)其他優(yōu)化方法的進(jìn)步。

2 激光測(cè)量的原理

傳統(tǒng)的爐膛火焰溫度測(cè)量是采用熱電偶測(cè)溫法，此方法只能測(cè)量鍋爐內(nèi)某一點(diǎn)溫度，而且探頭容易被高溫火焰燒壞，所以不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地指導(dǎo)燃燒的調(diào)整和優(yōu)化?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜TDLAS（tunable diode laser absorption spectroscopy）測(cè)溫技術(shù)[10]解決了在電站鍋爐爐膛內(nèi)溫度實(shí)時(shí)測(cè)量和建立爐內(nèi)溫度場(chǎng)的難題，TDLAS技術(shù)不僅可以測(cè)溫，還可以測(cè)量爐膛內(nèi)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(tài)信息，對(duì)鍋爐燃燒優(yōu)化的施行具有重要意義。

2.1 爐膛火焰溫度的激光測(cè)量原理

激光測(cè)溫原理是通過在可調(diào)波長(zhǎng)段上的譜線吸收面積A（如圖1所示）的比值和溫度的函數(shù)關(guān)系得到激光測(cè)量路徑上的平均溫度?？烧{(diào)諧二極管激光器在鋸齒波電流調(diào)諧下產(chǎn)生一段波長(zhǎng)為λ0～λmax線性周期變化的激光，激光被某些分子吸收后，會(huì)在該段波長(zhǎng)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(qiáng)度之比存在函數(shù)關(guān)系，通過求出譜線強(qiáng)度比來得出該路徑上的平均溫度。

圖1 分子在可調(diào)波長(zhǎng)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(qiáng)度Svi（T）是關(guān)于溫度的函數(shù)，滿足式（1）：

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

2條吸收譜線強(qiáng)度的比值R可表示為

根據(jù)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(yīng)該為直線段，但由于粒子散射、多普勒效應(yīng)等影響，吸收譜線會(huì)以最大吸收波長(zhǎng)為中心加寬，所以用譜線在波長(zhǎng)上的吸收面積來代替式（3）中譜線強(qiáng)度S。

2.2 高溫氣體成分濃度的激光測(cè)量原理

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

激光在傳播過程中，激光強(qiáng)度的衰減遵循朗伯-比爾定律：

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

激光光譜測(cè)量技術(shù)與HITRAN數(shù)據(jù)庫結(jié)合，可以通過智能儀表或虛擬儀器分析并計(jì)算出氣體濃度值[13]。以氧氣濃度測(cè)量為例，圖2所示為氧氣在溫度為296 K，壓力為101.325 kPa（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的環(huán)境下吸收譜線強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系。

將激光的頻率調(diào)節(jié)到波長(zhǎng)為1250～1270的窄頻段，從激光的接收端可測(cè)得未被氧氣吸收的光強(qiáng)Pt（即透射光強(qiáng)）。假如鍋爐爐膛內(nèi)的溫度T和壓強(qiáng)P為已知條件，則氧氣的吸收系數(shù)K可以從HITRAN數(shù)據(jù)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(shù)N（mol/cm3）的表達(dá)式：

圖2 氧氣的吸收譜線強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.2 Relationship of oxygen’s absorption line intensity and wavelength

將氣體分子數(shù)N轉(zhuǎn)化為氧氣的質(zhì)量濃度Cm（mg/m3）：

式中：M為氧氣分子的摩爾質(zhì)量（g/mol）。

3 激光測(cè)量系統(tǒng)在燃燒優(yōu)化中的應(yīng)用

爐膛溫度是鍋爐燃燒中的一個(gè)重要參數(shù)，它直接反映爐膛燃燒的狀態(tài)，是電站鍋爐燃燒優(yōu)化執(zhí)行的重要參考依據(jù)[14]。其他一些重要的爐膛參數(shù)（比如爐內(nèi)氧氣濃度、一氧化碳濃度等）也是影響電廠運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)，它們反映了爐膛燃燒是否均衡以及燃料的質(zhì)和量的變化情況等，對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)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(cè)量系統(tǒng)由控制柜、光纖傳輸線、可調(diào)諧二極管激光器和監(jiān)視器等幾個(gè)重要部件組成?？刂乒褙?fù)責(zé)激光信號(hào)的調(diào)制和發(fā)送并分析處理接受到的激光信號(hào)，上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析和顯示，以供運(yùn)行人員實(shí)時(shí)監(jiān)控鍋爐內(nèi)燃燒的狀態(tài)，另外，上位計(jì)算機(jī)還可以作為OPC服務(wù)器被客戶端訪問，將測(cè)量參數(shù)上傳到DCS，最后由DCS完成燃燒優(yōu)化調(diào)整的指令。

圖3 激光測(cè)量系統(tǒng)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(cè)，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(duì)激光器都具有自動(dòng)對(duì)焦功能，不需要復(fù)雜的校正過程。

圖4 激光器實(shí)物Fig.4 Laser physical installation diagram

激光測(cè)量系統(tǒng)可以容納多條激光測(cè)量路徑，多條路徑在爐膛截面上構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。

圖5所示為燃燒方式為前后墻對(duì)沖型和四角切圓型鍋爐的激光測(cè)量系統(tǒng)的安裝示意圖。在爐膛折焰角下方的截面上安裝激光測(cè)量網(wǎng)可以監(jiān)測(cè)爐膛內(nèi)燃燒的整體狀態(tài)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(cè)量路徑，目的是測(cè)量尾部煙氣和過熱器區(qū)域的重要參數(shù)。

圖5 激光測(cè)量系統(tǒng)在鍋爐爐膛內(nèi)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(hào)機(jī)組某工況下爐膛重要參數(shù)的二維分布信息。該鍋爐是前后墻對(duì)沖燃燒方式，激光測(cè)量系統(tǒng)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(chǎng)和圖6（b）的氧量場(chǎng)可以判斷該工況下爐膛內(nèi)火焰有向前墻傾斜的趨勢(shì)，從而造成前墻的溫度比后墻溫度高，經(jīng)過分析，原因是后墻第二個(gè)燃燒器（從左到右）的出粉量和送風(fēng)量過高，對(duì)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(qū)域表現(xiàn)為溫度偏低，氧氣偏高。通過調(diào)整前后墻送風(fēng)和燃料的偏置量，可以達(dá)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(yùn)行工況下的爐膛內(nèi)參數(shù)信息Fig.6 Furnace parameter information in operating status

表1為是該機(jī)組投入激光測(cè)量前后燃燒優(yōu)化指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果。

表1 機(jī)組投入激光測(cè)量前后優(yōu)化指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of optimization indicators of putting into the laser measurement

從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，投入激光測(cè)量系統(tǒng)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(nèi)氮氧化物的生成量，使機(jī)組脫硝系統(tǒng)的投入成本減小；通過控制爐膛內(nèi)的氧量，降低了過量空氣指數(shù)，減少了送風(fēng)機(jī)的耗電量；除此之外，激光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)火焰的有效監(jiān)控使?fàn)t膛內(nèi)結(jié)渣和超溫現(xiàn)象次數(shù)降低，減少了機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)，延遲了鍋爐壽命。可見，激光測(cè)量結(jié)果可以幫助運(yùn)行人員迅速監(jiān)測(cè)出鍋爐爐膛內(nèi)燃燒的不平衡現(xiàn)象和燃燒器、水冷壁的故障，對(duì)進(jìn)行燃燒的優(yōu)化調(diào)整和燃燒設(shè)備的故障診斷具有重要意義。

4 結(jié)語

激光測(cè)量技術(shù)作為新型的測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)成功應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域的多個(gè)場(chǎng)合。將激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到電站鍋爐爐膛參數(shù)測(cè)量上，并進(jìn)一步指導(dǎo)完成鍋爐的燃燒優(yōu)化，從電站的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果可以得出，激光測(cè)量具有精度高、實(shí)時(shí)性好、安裝方便等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果指導(dǎo)鍋爐運(yùn)行人員有效地控制爐膛內(nèi)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(jié)渣和超溫的發(fā)生。激光測(cè)量技術(shù)可適應(yīng)于高溫、多灰塵的電站鍋爐的測(cè)量使用，比傳統(tǒng)的熱電偶，紅外燈測(cè)溫技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)測(cè)激光測(cè)量技術(shù)在電力、鋼鐵和化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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