叶峰
（昆明丰德环保电力有限公司650500）
摘要：大型燃煤发电机组的炉内温度场监测对于燃烧工况诊断和燃烧控制具有重要意义。本文通过对当前较为先进的几种炉内温度场在线测量技术的比较分析，并结合基于炉内三维温度场测量技术在W火焰炉上的应用从而为锅炉燃烧优化控制提供具体的参数，最终达到提高锅炉运行效率，保证锅炉安全的目的。
关键词：W火焰锅炉三维温度场光学辐射法测温激光法测温声波法测温实时监测炉内燃烧优化
一、目的和意义
当前国家大力提倡绿色GDP，火力发电为高耗能行业，是我国“十一五”期间节能降耗重点行业之一，国家环保总局对电厂征收不同比例的排污费用，标志着我国经济已从粗放型发展转变为集约型发展。另外，由于我国电力用煤供应紧张，且煤质复杂多变，导致现阶段电厂的运行效率不是特别好，从一定程度上也加大了电厂的生产成本。
鉴于以上情况，结合我国电力系统的实际状况，如何降低成本，提高运行效率和可用率，降低排污费用将是各电厂参与竞争的必由之路。当前我国电厂机组设备良好、可控性强、自动化水平高，在此基础上充分利用信息技术挖掘潜力，加强机组燃烧侧的优化控制，是实现火力发电厂节能降耗、减少污染最直接有效的方法。
从我国现已投运的机组情况看，W火焰炉普遍存在着结焦严重、灭火次数多、炉膛负压波动大、再热汽温低、NOX排放大等问题，在高参数、大容量的机组上体现得尤为严重。大量研究表明，以上问题均与炉内的燃烧状况息息相关。有效获取W火焰炉炉内温度场、分析建立炉内温度场信息与各工况下的最佳运行方式之间的关联性，从而有效利用实时的炉内温度场数据改善锅炉燃烧情况，对于提高锅炉效率、保障机组安全运行、减少污染物排放等具有重要意义。
燃煤电站锅炉炉内燃烧是大空间内发生的高温、非均匀、带剧烈化学反应的复杂气固多相流动过程，对于测量设备的耐高温性、数据准确性等各项性能提出了较高的要求，目前传统的测量手段均无法很好地实现炉内温度场的在线测量，未能为锅炉燃烧优化提供准确有效的数据。
本课题主要通过研究当前国内外炉内温度测量和燃烧优化控制领域的新技术和新系统，了解掌握其实现原理、适用条件和优劣性能等，在综合分析的基础上建立一套基于W火焰炉炉内温度场实时数据的燃烧优化控制系统，实时显示、分析炉内温度场分布情况，指导运行操作，以提高锅炉效率、减少炉膛结焦和爆管、降低NOx的生成与排放等。本项目的开展，有助于推进炉内温度场测量技术及电厂信息化系统的发展与应用，保障机组在安全、经济的工况下运行，促进节能减排工作的开展，有效提高电厂的竞争力。
二、国内外研究水平综述
W火焰炉炉内三维温度场的在线测量和燃烧优化控制技术均属前沿课题。本课题旨在准确、全面获得炉内燃烧数据基础上，研究炉内温度场与最佳运行工况的关联性建立燃烧模型，最终实现W火焰炉的燃烧优化控制。将W火焰炉炉内温度场的在线测量技术与W火焰炉的燃烧优化控制技术进行有机结合，也是本课题的亮点之一。课题将分为“W火焰炉炉内三维温度场的在线测量技术研究”和“W火焰炉燃烧优化控制技术研究”两大子课题来实施，并确保两个子课题间的有效衔接。
2.1炉内温度场在线测量技术研究综述
实现炉内三维温度场的在线测量是完成本项目的基础。常用的炉膛燃烧火焰温度测量方法可分为接触式和非接触式两种。由于前者在大多数情况下只有其测温元件和被测对象处于热平衡状态才能进行测量，这一方面破坏了被测量的温度场，同时，也使得测温仪表受到感温元件耐温性能的约束，因此接触式测温方法一般在实验室或者炉内温度不太高的区域使用，难以实现炉内温度场的在线测量。非接触式温度测量仪表在测量时，其检测元件不必与被测介质直接接触，因此所测温度上限不受感温元件耐温程度的限制，可以用于测量接触式温度测量仪无法测量的高温物体。近年来，高性能的非接触式测温仪表的研究与应用获得了快速的发展，由于其对现场恶劣环境的良好适应性，已成为锅炉炉内温度场在线测量技术的主要发展方向。
国内外学者已对此开展了大量的研究工作，在实际工业应用方面也取得了一定的成绩。目前国内外发展比较成熟的炉内温度场在线测量方法主要包括光学法和声学法等。根据信号来源和分析对象波段及分析方式的不同，光学法又可分为光学辐射法、激光法和CO2光谱法等几种方法。国内科研院所尤其是高校对于辐射光谱法的研究已较为深入，基于该方法开发的具有自主知识产权的测温系统也已在燃煤机组上投入使用，技术水平在国际同类产品中处于先进水平；以主动发射激光然后对接收端接收到的激光信号进行光谱分析的技术为基础的激光光谱法是实验室火焰研究诊断的主要手段，在国外电厂也有应用案例，然而在国内煤质复杂、灰分大的背景下，目前还难以适用于大尺寸的炉内燃烧温度分布的测量；CO2光谱法和声波检测法作为炉内燃烧温度检测手段在国内电厂已有所应用，目前市场上基于这两种原理的温度测量仪均为国外产品。
2.2燃烧优化控制技术研究综述
燃烧模型的建立及优化控制系统的实现是本项目的另一大重点和难点。燃烧优化控制的研究与应用已经历了漫长的发展过程，早期建模方法一般采用普通的神经网络来进行，随着控制理论的不断发展计算机应用的不断深入，现在的燃烧优化技术已经加入了故障诊断、参数调和、事先预测等功能，动态性响应性能大幅度提升，更加符合电厂运行的实际需求。具有代表性的产品主要有Ultramax公司的燃烧优化技术、PEGASUS公司的NeuSIGHT系统和PowerPerfecter系统、Honeywell公司的SentientSystem系统等，从实施的效果来看，普遍能够提高锅炉效率在0.5%～1.0%以上，降低NOx排放10%～30%。
从国内的实施情况来看，近年来由于控制水平的提高和煤炭价格的持续上涨，使得采用现代控制理论实现锅炉燃烧优化工作的意义日渐突显出来，投资回报率也大幅度的提升，一般的投资回收期都在3年内。如国内目前上海石化热电厂循环流化床机组采用了Honeywell的SentientSystem系统使锅炉效率提高0.4％，每年可节约标煤1700t；蒸汽温度运行值提高3℃，每年可多发电378万度，并使大气污染物排放指标严格控制在国家标准范围内。中电投上海电力股份公司闵行发电厂125MW机组采用GE公司的Kn3系统使锅炉效率最高可提高1.08%，送吸风电耗最多节省763.1kW，氮氧化物排放总量最多减少326mg/Nm3。国内一些高等院校、科研院所和企业也开展了燃烧优化控制项目的研究和实施，并取得了一定的成果，清华大学通过与浙江能源集团公司合作已经在台州电厂、长兴电厂进行了项目的实施工作，取得了良好的效果。
三、目的理论和实践依据
3.1煤粉火焰温度在线测量技术
国内外专家学者针对炉膛温度场的在线测量技术开展了大量的应用研究。随着测量手段的进步，尤其是非接触式的测量方法在近些年取得快速的发展，如光学辐射法、激光法和声学法等，炉内温度场信息对于改善炉膛燃烧情况的作用获得快速发掘并逐步得以体现。
3.1.1光学辐射法测温技术
由于火焰辐射图像是炉膛燃烧温度场决定的辐射传热过程的一种反映，含有丰富的炉膛温度场分布信息，因此可以在火焰图像所携带的辐射能水平和炉膛煤粉燃烧温度分布之间建立一个数学关联模型。通过采用CCD火焰探头多方位同时摄取燃烧室内部某个时刻的瞬时火焰图像，借助于光学理论、计算机图像处理技术和三维重建技术计算、描绘出整个炉膛内部的三维温度分布情况。
燃烧过程的温度测量主要根据普朗克辐射定律，在煤粉燃烧火焰辐射的波长和温度范围内,普朗克公式可由维恩公式代替：
利用彩色CCD摄像机摄取炉内火焰的图像，通过在摄像头前加装滤色片，将采集到到的光信号分解为波长分别为700nm、546．1nm和435．8nm的红、绿、蓝三基色，进而利用其中的两个颜色的图像，根据上述比色法测温原理，就可以进行单点的温度计算。
炉内三维温度场的测量建立在对空间各点温度数据测量的基础之上，然后通过三维重建模型建立三维温度场。CCD摄像机得到的图像是三维辐射空间在CCD靶面上的投影。对于空间三维火焰而言，辐射成像装置获取的火焰辐射图像是成像探测点辐射强度在空间不同方向上的分布的反映。因此，利用多个CCD探头从不同方向获取空间同一点的辐射信息，再采用合理的模型可重建出炉内三维温度场。
3.1.2激光法测温技术
激光法在实验室内高温气体的温度测量方面具有较多的应用。这是一种主动式的光谱分析技术，主要基于每种气体分子都有独一无二的光谱吸收特性。针对炉内气体浓度的测量，特定波长的激光在穿过炉膛过程中，光量会被相应的气体吸收，未被吸收光量P与被吸收光量Pabs之间的比率值P/Pabs与气体浓度成函数正比关系，从而测出对应气体组分的浓度。
该类测温仪器的激光发射器与接收器成对使用，激光从发射器射出，穿过炉膛后由布置在炉膛另一端接收器接收，形成一条激光测温“路径”。每条路径可以同时测量O2、CO、CO2、H2O等气体组分的平均浓度和温度，通常在锅炉的一个或多个层面上采用网格形式布置多条路径形成测量网。然后通过的数学运算，生成炉膛测量截面的气体浓度与温度剖面分析图，其原理与医学CT扫描仪的成像原理类似。
3.1.3声波法测温技术
声波法测温原理主要基于声波在特定介质中的传播速度与介质温度间的单值函数关系来实现。由波动理论进行推导，可以得到声波在烟气里的传播速度与烟气温度间的函数关系如下：
式中，C为声音在介质中的传播速度，R为理想气体普适常数，k为气体的绝热指数，M为气体分子量，T为气体温度，Z对某特定气体为一常数。
在炉膛内布置声波的收发装置，当声波穿越距离固定时，只要测出穿越时间即可求得声波在该烟气中的传播速度。而对于特定组分的烟气，Z为可求的常数，因此根据上式即可求得声波穿越路径上的平均温度。
炉内温度场的声学测量技术正是基于以上原理实现，在某一大区域内布置多套声波收发装置组成多个测温路径(声波测温网)，通过电磁阀间断开关控制各声波收发装置的开关动作，得到不同路径上的数据，经分析后重建出二维平面上温度分布。
3.2锅炉燃烧优化控制技术
燃烧优化技术的实质是解决多重约束条件下的热力过程优化问题，即在保证污染排放不超标的前提下，追求尽可能高的锅炉效率；或者在保证锅炉效率一定的前提下，采用尽可能低的污染排放控制策略。
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图3.1锅炉效率及污染物排放与空燃比关系图
燃烧优化控制的目标是根据锅炉的负荷和煤种，实时优化锅炉配风、配煤燃烧运行方式，指导锅炉燃烧调整，实现锅炉的经济环保运行。如图3.1所示，目前大部分机组出于安全考虑大都运行在图中所示的“舒适区”，这种运行方式具有较高的运行成本和高污染物排放，电厂通过一些热力试验来寻求机组最优的运行工况，然而随着时间的推移诸如设备特性、燃煤特性、环境条件等因素发生变化，从而导致锅炉的运行工况发生变化。燃烧优化控制系统将先进的人工智能技术引入到电厂燃烧控制领域，通过对机组运行数据的运算分析，找出锅炉性能提升的优化潜力和薄弱环节，指导燃烧调整使机组运行工况保持在“最佳区域”，从而达到机组运行优化的目的。
四、研究内容和实施方案
通过研究当前国内外炉内温度测量和锅炉燃烧优化控制领域的新技术和新系统，了解掌握其实现原理、适用条件和优劣性能等，在综合分析的基础上建立一套基于W火焰炉炉内温度场实时数据的燃烧优化控制系统。主要包括检索、调研、分析、总结、实施、优化等环节，研究内容具体如下：
W火焰炉炉内温度场在线测量技术；
W火焰炉炉内温度场在线测量系统测点的设计与优化；
系统与DCS及SIS、MIS等系统间的数据接口设计；
W火焰炉运行特性的全面试验和分析；
W火焰炉运行优化数学模型的建立；
运行优化系统的调试和优化结果的验证；
实施技术路线如下：
成立专题小组，广泛查阅相关资料，了解国内外开展情况；
对较为先进、成熟的技术手段进行现场调研，掌握其实际应用效果，以及实际应用过程中显现出的问题；
统筹整理以上工作成果，对各种实现方法的技术经济性进行评比，确定最佳实现方式的主体方案；
结合现场环境，制定具体实施方案；
系统软硬件的现场安装；
进行机组运行特性试验，建立燃烧优化模型；
系统调试；
分析系统存在的不足，对系统进行优化，及进一步的开发与应用；
成果鉴定与总结。
五、实施目标和成果形式
实施目标和最终成果为建立一套适用于W火焰炉的、可实时显示炉内温度场分布情况并在此基础上的燃烧优化控制系统，用于指导运行操作，提高锅炉效率、减少炉膛结焦和爆管、降低NOx的生成与排放等，系统以能够显示炉内温度场的立体三维分布情况为宜。在实施过程中，应把握如下技术经济指标：
数据精度。测量结果的准确性是表征测量系统性能的第一要素，要求测量误差能稳定保持在允许范围内；
燃烧优化模型的科学性。只有采用科学、合理的燃烧优化模型才能真正在保证安全性的基础上最大限度地提高机组的经济性能；
系统抗干扰能力。由于测量环境条件恶劣、复杂，干扰因素多，因此要求测量系统具有良好的抗干扰能力，能够适应吹灰、炉膛负压波动、煤质变化等情况；
人机界面友好性。科学的数据显示方式能提供最直观的信息，形象地描绘炉内温度分布情况；
运行维护难度。要求系统投运后，运行维护工作尽量简单化，过多的维护工作会降低工作效率，严重时甚至会影响到机组运行的安全；
投资费用。系统的投资费用也是评价系统技术经济性的一项重要指标。
六、效益分析
首先在2台600WM超临界W火焰炉燃煤发电机组上进行，下一步再推广到同类机组乃至全国各类机组中。
直接经济效益
1.节煤费用
经研究分析，在采用如上基于W火焰炉炉内三维温度场在线测量技术的燃烧优化控制系统后，可平均降低供电煤耗1.5g/kwh以上，若按2台机组平均75%的负荷率，年运行5500小时，煤价按500元/吨计算，则该厂每年节煤费用为：
2×(1.5g/kwh×10-3kg/g)×600MW×75%×5500h×0.05万元/吨=371.3万元
2.NOx排放量减少带来的经济效益
随着环境保护要求的不断提高，国务院《排污费征收使用管理条例》（国务院令字第369号）规定从2004年7月1日起对NOx排放量按每一污染当量0.6元收费（每一污染当量相当于0.95Kg）。
600MW锅炉排烟总量约为8.810345×106m3/h；
总发电量为600000kw×5500h×75%=24.8亿kwh；
总发电能力600000kw×365×24h=52.56亿kwh；
总发电量与总发电能力的比值为=24.8/52.56=0.472
如NOx排放比优化前排放值降低40mg/m3，则该厂年节省NOx排放费用为：
2×8.81×106m3/h×40mg/m3×10-6kg/mg×0.472×5500h×0.6元/0.95kg=115.6万元
由此可见，系统投运后，每年可为电厂带来的直接经济效益为371.3+115.6=486.9万元。
（二）间接经济效益
1.通过燃烧优化降低燃煤消耗量，可相应降低CO2、CO、SO2等有害气体以及烟尘的排放量，为保护环境带来社会效益。
2.通过对关键运行参数的控制，减少过、再热器超温爆管事故，降低维护成本。
3.稳定燃烧，减少锅炉灭火事故，减少机组停炉损失和启动费用。