羅 斌

(湖南大唐先一科技有限公司，長(zhǎng)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。火電機(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(jí)的超臨界、超超臨界機(jī)組相繼投運(yùn)?；痣姍C(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(chǎng)參數(shù)的在線測(cè)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(chǎng)參數(shù)，特別是溫度分布的測(cè)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(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過對(duì)鍋爐燃燒過程進(jìn)行三維建模，建立模擬溫度場(chǎng)，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(duì)當(dāng)前國內(nèi)常用的幾種爐膛測(cè)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(cè)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(chǎng)是反映燃燒狀況的一項(xiàng)重要參數(shù)，對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)溫。隨著科技的飛躍發(fā)展，先進(jìn)的測(cè)控技術(shù)與人工智能的有機(jī)結(jié)合，使得爐膛測(cè)溫技術(shù)日臻成熟，非接觸式測(cè)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(cè)溫技術(shù)如激光光譜法、光譜分析法和聲波測(cè)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(cè)溫技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用對(duì)比

3.1 雙色光譜測(cè)溫

雙色紅外線測(cè)溫儀是紅外測(cè)溫技術(shù)的一種，即測(cè)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(cè)溫儀。此"色"的含義應(yīng)為紅外波長(zhǎng)或光譜，即為"雙紅外光譜測(cè)溫儀"。雙色測(cè)溫儀是依據(jù)在選定的兩個(gè)紅外波長(zhǎng)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(hào)后再進(jìn)行比較，最終通過該比值來確定被測(cè)目標(biāo)的溫度。此種測(cè)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(cè)溫

激光測(cè)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(duì)鍋爐爐內(nèi)氣體濃度的測(cè)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(chǎng)溫度梯度分布場(chǎng)技術(shù)吸收特性。沿鍋爐寬度方向在SOFA風(fēng)上方安裝4對(duì)激光探頭(單層)，即分別對(duì)稱布置在前墻和后墻。激光穿透爐膛，測(cè)得各光路上的平均溫度，如圖2所示。

3.3 聲波測(cè)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(cè)溫技術(shù)，并形成相關(guān)產(chǎn)品在鍋爐爐膛溫度場(chǎng)的測(cè)量中得到了應(yīng)用。

聲學(xué)測(cè)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(duì)溫度,K;z為γR/m,對(duì)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(cè)量出來的，因此可以計(jì)算出聲波傳輸?shù)乃俣龋M(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(cè)溫通道上的氣體平均溫度(路徑溫度)。傳統(tǒng)聲學(xué)測(cè)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(cè)量網(wǎng)格，從而測(cè)量爐內(nèi)的一個(gè)水平面上的溫度場(chǎng)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(duì)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(cè)量上存在聲源不能同步發(fā)生，循環(huán)周期長(zhǎng)影響測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)飛行路線影響。

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

(5)測(cè)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(cè)量精度，如圖3所示。

圖3

4 采用電子聲波建立爐膛溫度場(chǎng)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(cè)溫裝置得到的溫度梯度可以正確反映出溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì),在此基礎(chǔ)建立了三維溫度場(chǎng)信息，以三維溫度場(chǎng)信息與鍋爐運(yùn)行參數(shù)之間的燃燒優(yōu)化模型。對(duì)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)量基礎(chǔ)上才能對(duì)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(chǎng)、溫度場(chǎng)、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。