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(xué)技術(shù)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(xué))，浙江省 杭州市 310027）

0 引言

近年來，在煤炭價格高漲和環(huán)保日趨嚴(yán)格的背景下，電力企業(yè)為了提高自身競爭力，基于融合數(shù)字化技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)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(shè)備層、智能控制層、智能生產(chǎn)監(jiān)管層和智能管理層[3-5]。其中，智能設(shè)備層是智能電廠最為基礎(chǔ)的一層，智能設(shè)備實現(xiàn)了電廠運行過程中參數(shù)的測量。

鍋爐是火力發(fā)電廠中的能量輸出設(shè)備，爐內(nèi)涉及復(fù)雜的多相湍流燃燒過程。爐內(nèi)燃燒場參數(shù)的測量對研究燃燒機(jī)理、提高燃燒效率和控制污染物排放等具有積極意義?；鹧鏈囟群徒M分濃度是爐內(nèi)最基礎(chǔ)的燃燒參數(shù)，燃燒參數(shù)的測量技術(shù)主要涉及聲音、電磁、圖像、激光和光譜等技術(shù)[6-11]。

燃燒溫度是表征燃燒強(qiáng)度和熱釋放率最直接的物理量；CO 和CO2是表征燃燒反應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)，且CO 含量與壁面高溫腐蝕密切相關(guān)[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(guī)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(nèi)整體的燃燒狀況，而無法反映爐內(nèi)局部的燃燒狀況。單點測量很難監(jiān)測爐內(nèi)火焰中心是否偏離，無法有效監(jiān)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(jié)渣積灰等問題。此外，常規(guī)的熱電偶和煙氣分析儀等接觸式測量手段具有設(shè)備壽命短、干擾流場、響應(yīng)速度慢和靈敏度低等缺點，且這些設(shè)備無法長期適應(yīng)高溫、多塵、多變的燃燒環(huán)境。針對目前鍋爐快速變負(fù)荷和工況多變的現(xiàn)狀，為探尋鍋爐在復(fù)雜工況時的最佳運行策略，迫切需要對爐內(nèi)三維燃燒溫度和多種氣體組分濃度進(jìn)行在線測量。

激光燃燒診斷技術(shù)是一種在線、非接觸式測量手段，可以實現(xiàn)燃燒參數(shù)的快速無干擾測量[13]?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、精度高、響應(yīng)快和適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點[14]。傳統(tǒng)的TDLAS 技術(shù)是通過對待測區(qū)域內(nèi)某一組分沿光學(xué)路徑的積分吸收度進(jìn)行測量，從而反演出光學(xué)路徑上的平均溫度和組分濃度[15]。有學(xué)者[16-17]提出將TDLAS 技術(shù)與計算機(jī)層析技術(shù)(computer tomography，CT)結(jié)合，用于重建火焰內(nèi)部的二維火焰溫度和組分濃度場。目前，基于TDLAS 技術(shù)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(yīng)用的報道。

鍋爐燃燒優(yōu)化的目的是實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，爐內(nèi)火焰溫度和組分濃度分布差異較大。但當(dāng)前的優(yōu)化控制策略還局限于整體的燃燒狀態(tài)，沒有對爐內(nèi)燃燒區(qū)域進(jìn)行劃分，這樣的控制策略不能針對鍋爐進(jìn)行精細(xì)化控制。為實現(xiàn)鍋爐的精細(xì)化優(yōu)化控制，有必要在優(yōu)化策略中引入燃燒場參數(shù)，包括溫度場和多組分濃度場。此外，為減弱高溫腐蝕和結(jié)渣積灰，針對爐內(nèi)三維溫度和多組分濃度進(jìn)行實時監(jiān)測也是十分必要的。本文基于TDLAS技術(shù)設(shè)計了一種爐內(nèi)三維溫度和多組分濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 基本原理

1.1 TDLAS原理

TDLAS 技術(shù)的理論基礎(chǔ)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(shè)一束頻率為v的激光束穿過待測區(qū)域，被均勻氣體介質(zhì)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(zhì)氣體組分濃度；L為激光束在介質(zhì)氣體中的傳輸距離；S為吸收線強(qiáng)度；T為溫度；av為氣體吸收系數(shù)。在熱平衡體系的條件下，譜線強(qiáng)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(qiáng)度；E''為吸收線的低態(tài)能級值；h為Planck 常數(shù)；k為Boltzmann 常數(shù)；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(shù)值，可用多項式表示為

其中z0，z1，z2，z3為擬合多項式系數(shù)。

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(qiáng)值相除，消掉配分函數(shù)，得到不同吸收譜線強(qiáng)度的比值R為

則待測區(qū)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(zhì)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(nèi)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(shù)據(jù)庫模擬計算[22]。

1.2 代數(shù)迭代算法

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

圖2 網(wǎng)格化待測區(qū)域Fig.2 Girded measurement region

單光路的積分吸收率可表示為光路經(jīng)過的所有網(wǎng)格對吸收的貢獻(xiàn)之和：

式中：Lj為光路經(jīng)過第j個網(wǎng)格的光程；J為網(wǎng)格總數(shù)；aij為第j個網(wǎng)格內(nèi)第i條射線的積分吸收系數(shù)。

基于ART算法，網(wǎng)格單元的吸收系數(shù)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(shù)；Lij為第i條射線穿過第j個網(wǎng)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(shù)aν1,i和aν2,i，并計算各網(wǎng)格內(nèi)吸收譜線強(qiáng)度的比值Ri：

將式(9)代入式(5)便可以得到對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)的溫度值Ti：

再由式(2)得出相應(yīng)吸收譜線強(qiáng)度Sv1,i(Ti)和Sv2,i(Ti)，可計算得到對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)氣體的組分濃度：

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 一維燃燒參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)方案

為了實現(xiàn)爐內(nèi)煙氣溫度和多組分濃度的在線監(jiān)測，設(shè)計一種基于TDLAS的單光纖爐內(nèi)燃燒參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。圖3為一維燃燒參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)基于TDLAS技術(shù)和光開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)高溫?zé)煔鉁囟群投嘟M分濃度的同時在線測量。該系統(tǒng)包括上位機(jī)、信號發(fā)生器、光開關(guān)、光纖準(zhǔn)直器、燃燒場、凸透鏡、光電轉(zhuǎn)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(guān)可以對傳輸激光進(jìn)行物理切換或邏輯操作，實現(xiàn)多參數(shù)的同時測量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約設(shè)備成本。

圖3 一維燃燒參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 One-dimensional combustion parameter monitoring system

根據(jù)待測燃燒場參數(shù)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(shù)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(jiān)測系統(tǒng)包括如下步驟：

1）開啟儀器設(shè)備并調(diào)整光路；

2）上位機(jī)控制信號發(fā)生器輸出電信號，3 個激光控制器接收電信號后分別驅(qū)動對應(yīng)的DFB激光器發(fā)射激光信號；

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

4）光纖準(zhǔn)直器將光開關(guān)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(fā)生微小偏折并由凸透鏡匯聚至光電轉(zhuǎn)換器；

6）光電轉(zhuǎn)換器將入射光信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器輸出的電信號和信號發(fā)生器輸出的參考信號，輸入電信號經(jīng)調(diào)試后產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳輸至上位機(jī)；

8）上位機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)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(tǒng)與火焰圖像系統(tǒng)[6]、聲學(xué)測溫系統(tǒng)[8]、常規(guī)火焰光譜系統(tǒng)[10-11]等相比，具有以下優(yōu)點：1）基于TDLAS技術(shù)實現(xiàn)了高溫?zé)煔鉁囟群投嘟M分濃度的在線測量；2）基于光開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了多個燃燒參數(shù)的同時測量，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中僅需1臺光纖準(zhǔn)直器、1臺光電轉(zhuǎn)換器和1臺鎖相放大器，節(jié)約了設(shè)備成本費用；3）光開關(guān)技術(shù)為分時測量技術(shù)，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(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

為了實現(xiàn)爐內(nèi)多維燃燒參數(shù)的在線監(jiān)測，設(shè)計一種基于TDLAS的爐內(nèi)三維燃燒參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。三維燃燒參數(shù)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(shù)；3）利用二維燃燒參數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)三維燃燒參數(shù)。圖4為一種基于TDLAS的爐內(nèi)三維燃燒參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，包括TDLAS控制與處理單元、激光發(fā)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(shù)測量轉(zhuǎn)化為N個二維燃燒參數(shù)測量。

圖4 三維燃燒參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)Fig.4 Three-dimensional combustion parameter monitoring system

將每一層切片分為n×n個網(wǎng)格單元，利用TDLAS技術(shù)和ART算法重建該層切片的二維燃燒參數(shù)。圖5為爐內(nèi)二維切片燃燒參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，包括上位機(jī)、信號發(fā)生器、光開關(guān)、單模光纖、分光器、光纖準(zhǔn)直器、二維燃燒場、光電轉(zhuǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)。與2.1節(jié)相同，DFB激光器的工作波段根據(jù)待測燃燒場參數(shù)進(jìn)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(shù)監(jiān)測系統(tǒng)Fig.5 Two-dimensional combustion parameter monitoring system

爐內(nèi)二維切片燃燒參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)包括如下步驟：

1）打開所述儀器設(shè)備并調(diào)整光路；

2）上位機(jī)控制信號發(fā)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(qū)動對應(yīng)的DFB激光器發(fā)射激光信號；

3）3個DFB激光器發(fā)射的激光信號通過光纖傳輸至光開關(guān)，光開關(guān)將3路激光信號耦合成1路激光信號輸出，由上位機(jī)分時復(fù)用控制光開關(guān)中3路激光信號的交替輸出；

4）光開關(guān)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(zhǔn)直器，每個光纖準(zhǔn)直器將對應(yīng)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(wǎng)格，2n束激光的部分光譜被氣體吸收后分別被對應(yīng)的2n個光電轉(zhuǎn)換器接收；

7）2n個光電轉(zhuǎn)換器分別將接收的激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并統(tǒng)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(fā)生器輸出的參考信號，輸入電信號經(jīng)調(diào)試后產(chǎn)生二次諧波輸出信號，二次諧波信號傳輸至上位機(jī)；

9）上位機(jī)對輸入信號進(jìn)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(shù)據(jù)后，基于分層切片法重構(gòu)出爐內(nèi)三維火焰溫度和組分濃度場。

該系統(tǒng)與三維火焰圖像系統(tǒng)[7]、三維聲學(xué)測溫系統(tǒng)[9]等相比，具有以下優(yōu)點：1）基于TDLAS 技術(shù)和ART 算法實現(xiàn)了爐內(nèi)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(chǔ)上基于分層切片法重構(gòu)三維火焰溫度和組分濃度場；2）光開關(guān)技術(shù)作為一種分時測量技術(shù)實現(xiàn)了多個燃燒參數(shù)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(shù)簡化了二維燃燒場參數(shù)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)約了設(shè)備成本。

3 結(jié)果與討論

目前，由于現(xiàn)場條件及設(shè)備可靠性等限制，本系統(tǒng)尚未布置于實際電站鍋爐。為展示爐內(nèi)三維燃燒參數(shù)的測量效果，本文基于鍋爐燃燒仿真數(shù)據(jù)重建爐內(nèi)三維燃燒參數(shù)分布，并以某300 MW直流燃煤鍋爐為對象進(jìn)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(tǒng)。燃燒方式為四角切圓燃燒，設(shè)有5層一次風(fēng)、7層二次風(fēng)、2層三次風(fēng)，其中，二次風(fēng)又分為分離燃盡風(fēng)(separated overfire air，SOFA)、緊靠布置 燃 盡 風(fēng)(closed-coupled overfire air，CCOFA)、周界風(fēng)及其他二次風(fēng)。表1為鍋爐燃用煤質(zhì)特性。表2 為鍋爐燃燒仿真邊界條件。利用ICEM 軟件進(jìn)行全爐膛網(wǎng)格劃分。利用Fluent 軟件進(jìn)行鍋爐燃燒數(shù)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(jī)軌道模型，氣相湍流燃燒采用混合分?jǐn)?shù)/概率密度函數(shù)模型，煤粉揮發(fā)分析出采用單步反應(yīng)模型，焦炭燃燒計算采用動力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型。

表1 鍋爐燃用煤質(zhì)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(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)和燃燒仿真結(jié)果，將鍋爐劃分為7 層切片，每層切片劃分為10×10 的網(wǎng)格，如圖6 所示。根據(jù)鍋爐燃燒仿真結(jié)果，獲取每層切片的二維燃燒數(shù)據(jù)后，基于分層切片原理，重構(gòu)獲取爐內(nèi)三維燃燒參數(shù)。

圖6 鍋爐多層切片F(xiàn)ig.6 Boiler multilayer sections

圖7 為基于仿真數(shù)據(jù)重建的爐內(nèi)三維溫度及CO、CO2、NO 濃度分布。通過三維燃燒場參數(shù)分布可以清晰地了解爐內(nèi)各區(qū)域的燃燒信息。從圖7(a)可以看出，在水平方向上，爐內(nèi)溫度表現(xiàn)為中心高、四周低；在高度方向上，爐內(nèi)溫度隨著標(biāo)高的增加表現(xiàn)為先增加再減小的趨勢。爐內(nèi)火焰溫度的分布主要與火焰中心位置相關(guān)，火焰中心為爐內(nèi)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(qū)域CO 濃度最大，這主要與鍋爐低氮運行時此處嚴(yán)重缺氧有關(guān)。從圖7(c)可以看出，爐底部和上部區(qū)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(yīng)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(qū)域煤粉已與空氣完全反應(yīng)。從圖7(d)可以看出，主燃燒區(qū)域存在一個低NO 濃度區(qū)域，這主要是由于主燃燒區(qū)域嚴(yán)重缺氧，導(dǎo)致該區(qū)域生成大量CO、NHi及HCN 等產(chǎn)物[25]，將形成的NO 還原成N2。

圖7 爐內(nèi)三維燃燒參數(shù)重建Fig.7 Remonstration of three-dimensional combustion parameters in furnace

利用爐內(nèi)三維溫度分布特征可以準(zhǔn)確判斷爐內(nèi)火焰中心是否偏斜、火焰高度是否合理、熱負(fù)荷分布是否均勻等情況，有利于提高鍋爐效率、防治結(jié)渣積灰、消除汽溫/煙溫偏差。利用爐內(nèi)CO和CO2三維分布特征可以準(zhǔn)確判斷爐內(nèi)各區(qū)域燃燒反應(yīng)狀態(tài)，有助于鍋爐精準(zhǔn)配風(fēng)/配煤、消除燃燒死區(qū)、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(guān)性[12]，基于爐內(nèi)CO 三維分布情況可以有效防治水冷壁高溫腐蝕。利用爐內(nèi)NO 三維分布特征可以準(zhǔn)確判斷爐內(nèi)各區(qū)域NO生成特征，有助于制定合理的配風(fēng)、配煤、摻燒方式，以降低鍋爐出口NO 排放量。因此，爐內(nèi)三維燃燒參數(shù)在線監(jiān)測十分有利于鍋爐精細(xì)化燃燒調(diào)整。

4 結(jié)論

基于TDLAS技術(shù)設(shè)計了一種爐內(nèi)燃燒場參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括一維和多維燃燒參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可監(jiān)測的燃燒參數(shù)包括溫度及CO、CO2和NO濃度等。得到以下結(jié)論：

1）在一維燃燒參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)方案中，基于TDLAS技術(shù)和光開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)爐內(nèi)多個燃燒參數(shù)的同時在線測量。其中，光開關(guān)技術(shù)主要用于同時測量多個燃燒參數(shù)。

2）在二維燃燒參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)方案中，基于TDLAS 技術(shù)、分光器技術(shù)和ART 算法實現(xiàn)平面內(nèi)多個燃燒參數(shù)的同時在線測量。其中，分光器技術(shù)主要用于測量二維燃燒場參數(shù)。基于分層切片原理將三維燃燒參數(shù)測量問題轉(zhuǎn)化為多個二維燃燒參數(shù)測量問題。

3）在三維燃燒參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)和ART算法重建分層切片的二維燃燒參數(shù)，最后利用多個二維燃燒參數(shù)數(shù)據(jù)重構(gòu)三維燃燒場參數(shù)。