面向燃烧优化的电站锅炉炉膛参数光谱测量与场重建

王东风，刘 千

（华北电力大学 河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心，保定071003）

未来一段时期内我国仍以燃煤发电为主，火力发电机组的环境保护要求日益提高，电网对发电品质的要求日益苛刻［1］，这就要求不断地提高锅炉燃烧效率，降低火力发电的负面效应.而且随着分散控制系统（DCS）、先进仪表以及自动化领域的神经网络［2］、遗传算法［3］、支持向量机和蚁群算法［4］等智能计算理论与方法［5］进入实用阶段，采用这些先进的智能算法能够进行锅炉燃烧系统的建模［6］与优化，从而减少NOx等污染物的排放量，为实施燃烧系统的优化运行提供前提保障［7］.

根据目前锅炉燃烧系统中存在的问题，燃烧优化存在2个矛盾需要解决：一个是锅炉效率与环境保护之间的矛盾，在追求锅炉效率时，要使煤粉在炉内充分燃烧，需要提高炉内燃烧温度以及使用较大的过量空气系数，会增加NOx的排放量，同时炉内的高温燃烧还会引起水冷壁结渣等事故，因此需要在这两者之间作出折中选择；另一个矛盾是锅炉排烟热损失与机械未完全燃烧热损失之间的矛盾，提高炉内燃烧温度以及使用较大的过量空气系数，可以减小机械未完全燃烧热损失，但是排烟热损失会随之增大，因此也需要在这两者之间作出折中选择.炉膛氧量及炉膛温度场和CO 浓度等一些关键参数的检测是解决上述2个矛盾的关键因素.

目前的炉膛参数测量研究主要侧重于炉膛温度场的测量，而忽视了其他炉膛参数的测量，包括从接触式的热电偶测温到非接触的红外辐射测温、基于数字图像处理技术［8］的测温和基于声学理论的测温［9］等.尽管炉膛温度场是反映炉膛燃烧最重要的参数之一，但要想完成整个电站锅炉的燃烧优化，除温度场外的其他一些重要炉膛参数（如炉内O2浓度、CO 浓度和一次风粉浓度等）也是影响火力发电运行安全和经济性的重要技术参数和经济参数.同时它们还反映了炉膛燃烧是否均衡以及燃料的质和量的变化情况等，对于实时监控、诊断和控制煤粉在锅炉炉膛中的燃烧状况具有十分重要的意义.

1 锅炉炉膛参数对燃烧的影响

炉膛参数是反映锅炉燃烧组织是否合理的直接过程量，通过对炉膛参数的分析，能够有效且合理地指导锅炉燃烧，使其在最佳工况下运行.而解决此类问题的瓶颈就是如何迅速、准确地得到这些炉膛参数，以便提高锅炉效率、减少污染物排放量并延长锅炉寿命［10］.通过精确测量炉膛参数可以监控炉膛出口温度，降低氧量，均衡风量分配，优化风煤比，控制火焰中心高度和矫正燃烧不平衡；防止过热器结焦和管壁过热，防止启动时升温太快和烧坏再热器管道，监控炉膛水冷壁的吸热量情况，指导吹灰和调整风量，减少过热器和再热器喷水量；减少污染物排放量，防止局部火焰过热，降低NOx生成量，减少脱硝和脱硫系统运行成本.

1.1 锅炉炉膛参数对锅炉效率的影响

对于发电企业来说，锅炉效率是一个非常重要的经济效益衡量指标.由于实际生产过程中，直接计算锅炉效率比较困难，一般采用反平衡法来计算锅炉效率.

排烟热损失与可燃气体不完全燃烧热损失和机械未完全燃烧热损失是相互牵制的，与氧量和烟气温度有关.当温度升高、氧量较大时，可燃气体能够得到充分的挥发，可燃气体和固体可燃物能够燃烧充分，但是要增加氧量，就需要增加送风量，此时排烟热损失就会增大，而且对氧量的调节会引起锅炉送风机和引风机电耗的变化，从而影响锅炉效率和厂用电耗率.电站锅炉在不同负荷下，省煤器出口最佳氧量也不同，且随着锅炉负荷降低而增大［11］.其他热损失包括灰渣带走的物理热损失等，与锅炉散热损失类似，在锅炉燃烧过程中较小而且变化不大，可以忽略不计.因此要使锅炉效率最高，就要使这些损失之和最小，也就是使炉内燃烧温度、O2浓度和CO 浓度达到一个最优值.通过检测这些炉膛参数，可以判断炉膛火焰中心是否居中，炉内O2浓度、CO浓度和温度分布是否均匀，燃烧是否均衡.进而可以指导司炉人员进行优化调节与操作：调节燃烧器的摆度，调整二次风挡板开度等，优化二次风组合方式，使燃煤的可燃气体挥发分得到充分燃烧，煤粉在炉内的飞行时间恰当，保证煤粉颗粒的燃尽，使锅炉炉膛燃烧保持在经济、均衡的状态，从而达到提高锅炉效率、节省燃煤的目的.

1.2 锅炉炉膛参数对污染物排放的影响

锅炉燃料主要是煤，煤在燃烧过程中会释放出大量污染物，主要有SO2、NOx、CO2、CO、有机污染物、重金属以及微细的有机和无机颗粒等.这些污染物对生态环境的影响极大，随着国家对环境保护的重视，如何最大效率地利用煤炭和减少煤燃烧过程中污染物的排放量已成为电站锅炉燃烧过程中的一个重要指标［12］.NOx是燃煤锅炉最主要的污染物之一，其生成机制非常复杂，不仅与煤质、煤粉细度和燃烧器喷嘴有关，还与炉膛温度场、炉膛氧量和二次风配风方式等因素有关［10］.产生的NOx以燃料型NOx为主，燃料型NOx几乎不受温度的影响，但是当炉膛温度升高并且高于1 800K时，热力型NOx会急剧增加，从而导致NOx总量增加；当氧量较大时，由于炉内氧气充裕，也会相应产生较多的NOx，而且NOx的生成量与氧量呈线性增长关系.根据相应炉膛参数的测量结果，可通过改变氧量和燃尽风等因素来调整锅炉燃烧工况，以减少NOx的排放量［13］.除NOx外，煤燃烧过程中排放的另一个主要污染气体是SO2，目前减少SO2排放量都是采用脱硫的方式，包括燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫.对于采用最多的燃烧中脱硫的方式来讲，脱硫剂的投入时机要根据炉膛温度来确定，温度过高或过低都会影响脱硫效果.因此在锅炉脱硫过程中，必须严格控制脱硫剂投放时的温度.通过实时测量被投放区域的烟气温度，能够控制脱硫剂的投入，减少SO2的排放量.通过精确测量炉膛参数可以大幅度减少燃料燃烧过程中NOx、SO2及其他污染物的排放量.

1.3 锅炉炉膛参数对锅炉寿命的影响

与发达国家相比，在电厂运行过程中，随着机组容量的增大和机组运行参数的提高，炉膛温度较高，燃烧区域的冷却能力相对降低，虽然对于稳定燃烧有利，但是增加了促进结渣和高温腐蚀的因素.炉膛结渣和高温腐蚀造成的水冷壁、过热器、再热器和省煤器的爆漏事故在全厂事故及非计划停运中占很大的比例，是影响机组安全运行、降低锅炉寿命的主要原因之一.精确测量炉膛参数可使运行人员根据这些炉膛参数合理地组织燃烧，提高锅炉寿命.如在典型的四角切圆燃烧锅炉中，燃烧工况组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏斜和火焰刷墙等是导致炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火和炉膛爆炸等事故的重要原因.在燃烧失衡、不均和火焰偏离中心时很容易发生炉壁、过热器和再热器区域结焦的问题［14］.当火焰偏离中心、贴近水冷壁时造成该区域氧量降低，从而导致灰的熔点降低，产生结焦.同时，氧量的骤然降低导致氧气从水冷壁管中析出，造成水冷壁管加速老化、变薄，最终造成泄露事故，导致非正常的停炉检修.而这些事故产生之前，通过检测炉内的CO 浓度、O2浓度和炉膛温度场等相应炉膛参数，可以合理调整锅炉燃烧时的一次风流量、二次风配风方式和燃烧器摆角［15］，从而使炉膛燃烧保持最佳的氧量，炉内火焰均匀地充满炉膛，避免火焰长期固定地偏向一边，也可以有效控制炉膛燃烧区域的温度，尽量防止高温腐蚀的发生.通过炉膛参数检测能够对炉膛燃烧作出预测并采取相应的补救和处理措施，进而避免四管爆漏等类似事故的发生，提高锅炉的运行寿命.

1.4 上述3点之间的关系

电站锅炉燃烧系统是一个非线性、多变量和强耦合的复杂系统，对其中任何一个目标的调节都会影响到其他目标的实现，属于多目标的优化问题［16］，在保证污染物排放量不超标的前提下，追求尽可能高的锅炉效率以及尽可能低的污染物排放量，使综合成本最小化.因此在提高锅炉效率、控制污染物排放量以及延长锅炉寿命时，不可避免地要从整体上权衡炉膛各参数，进而完成炉膛燃烧整体的优化.通过寻找最佳的二次风门和燃尽风门挡板开度组合，建立良好的炉内燃烧空气动力场，可以达到锅炉效率与污染排放量的共赢.通过寻找最佳的烟气含氧量设定值，可以达到锅炉排烟热损失和机械未完全燃烧热损失的共赢.联合调节燃烧器和喷水，尽量使用调节燃烧器摆角等方式来调节汽温，从而减少减温水的使用量，可以较大幅度地提高机组热效率.通过寻找最佳的煤粉和二次风门与燃尽风门挡板开度的组合，使炉膛处于均衡燃烧状态，防止火焰中心偏斜.通过调节炉膛出口温度目标值，优化吹灰组合来防止炉内结渣.因此要求能够精确测量炉膛参数.在运行方式上，需要对燃烧系统进行重新认识，合理组织燃烧，真正做到节能减排；在测量手段上，需要开发或引入炉膛参数测量新技术，做到准确、快速测量炉膛参数.

2 基于激光光谱的炉膛参数检测技术

采用合理的锅炉燃烧优化技术能够有效地提高机组运行效率，降低发电成本，显著减少污染物的排放量，并且能够监督锅炉的运行.但是燃烧优化效果的保障要以能够检测炉膛参数为前提.之前的接触式热电偶测温法以及非接触式的红外成像测温法、辐射测温法［17-18］和声波测温法［19］等均只是测量出炉膛的某单一参数，如温度场.虽然对于锅炉燃烧优化有一定的帮助，但是却不能精确地得到气体浓度等其他炉膛参数［20］.基于激光光谱的炉膛参数检测技术的出现则解决了这一难题［21］，该技术利用扫描气体吸收谱线方式实现气体在线测量，是一种新型的非接触式气体浓度在线测量技术，具有受气体环境影响小、响应速度快、可靠性高以及可实现炉膛温度［22］与气体浓度［23］同时测量的优点.其核心是可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS），对于非均匀分布的流场，通过设计多光路测量系统，将TDLAS与图像重建技术相结合来得到被测区域的内部信息，获得确切的空间分布情况，可以实现炉膛温度和气体浓度的二维分布测量［24］.

基于激光光谱的炉膛参数检测技术需要确定待测气体的一条特征谱线.其中谱线的选择很重要，必须要有较大的谱线强度以得到较低的浓度探测极限，又要尽量避免其他气体谱线的干扰.利用可调谐二极管激光器扫描气体的特征吸收光谱，测量气体温度和浓度［25］，根据Beer-Lambert定律

式中：It为激光穿过被测气体后的强度；I0为激光的基准强度；p为气体总压力；X为待测气体组分浓度；L为吸收路径长度；Φ（v）为线型函数；Svi（T）为所用谱线vi在温度T时的谱线强度.

谱线强度随温度的变化可表示为

式中：Svi（T0）为在参考温度T0＝296K 时的谱线强度，其大小可以通过HITRAN 光谱数据库得到；E″为低跃迁能态能量；h为普朗特数；k为玻耳兹曼常数；c为光速；Q（T）为温度T时的配分函数值，一定温度范围内的配分函数可以用多项式表示.

TDLAS测温是根据不同谱线的强度随温度变化时被吸收的特性不同.当采用2条不同的谱线测温时，2条谱线被吸收后的强度比值R可表示为

根据式（2）和式（3），被测区域温度T为

通过式（4）可以得到被测区域的温度，然后代入式（3）便可以得到所测气体的浓度.

图1给出了特定气体CO2对不同波长的光谱吸收率以及接收端接收到的信号强度与炉膛灰分浓度和气体波长之间的相对关系.

图1 激光光谱吸收示意图Fig.1 Schematic diagram of laser spectrum absorption

3 基于激光光谱的炉膛参数测量实例与场重建

对国内某680 MW 机组燃煤锅炉进行了基于激光光谱的炉膛参数测量与场重建实验研究.该锅炉为超临界单次再热控制循环锅炉，采用正压直吹式制粉系统，锅炉采用四角切圆燃烧方式且配备6台磨煤机，对应6 层煤粉燃烧器，每层布置4 只喷嘴.激光光谱测量采用由美国佐炉科技公司与斯坦福大学高温气体动力学实验室联合开发的Zolo-BOSS系统，此系统由6×6条光栅组成（即在炉膛的前后墙和左右墙分别布置6条光栅），安装在炉膛约49.6m 高度处折焰角下方（见图2）.激光从发射器射出，在炉膛另一端，接收器接收激光，称之为一条“路径”.每条路径可以同时测量CO 质量浓度和O2体积分数，据此计算得到温度值.在该机组上共有12条路径（东西向、南北向各6条，如图3所示，其中1S～12S 为激光光谱测量装置发射端，1R～12R 为接收端），将炉内测量平面划分为若干个区域.

图2 ZoloBOSS测温系统在锅炉中的安装位置Fig.2 Layout of ZoloBOSS temperature measurement system in boiler

图3 炉膛激光光谱测量截面图（单位：mm）Fig.3 Arrangement of laser spectrum measurement facility in furnace（unit：mm）

在激光光谱测量系统工作的过程中，首先进行锅炉基准试验，从而得到相应的炉膛燃烧区域的燃烧状态，通过与气体浓度测量装置、氧化锆氧量测量装置及热电偶测温装置进行比较，得到炉膛参数场二维图像.测量的实时数据每分钟更新一次，在炉膛参数场重建的过程中，通过采用相应的处理手段来消除锅炉炉膛中湍流和噪声的影响，得到炉膛参数场重建二维图像，如图4～图6所示.通过图4～图6可以直观地判断炉内燃烧情况，进而为后续进行锅炉燃烧优化或指导锅炉燃烧调整提供有力保障.

4 结 语

详细分析了锅炉炉膛参数对锅炉效率、污染物排放量和锅炉寿命的影响，给出了炉膛参数与锅炉燃烧优化运行的相互制约关系，阐述了基于激光光谱的炉膛参数检测技术的测量原理及系统构成，完成了电站锅炉炉膛参数的光谱测量与场重建，解决了传统炉膛参数检测方法只能测量单一参数且精度不高的问题.以某680 MW燃煤机组为例的分析表明：该方法能够完成炉内多个炉膛参数的测量和场重建，根据测量结果调整锅炉燃烧，使火焰中心处于炉膛中部，燃烧火焰均匀充满炉膛，炉膛温度场分布均匀，可以直观有效地指导锅炉燃烧的优化运行.

图4 CO 质量浓度分布Fig.4 Distribution of CO mass concentration

图5 O2 体积分数分布Fig.5 Distribution of O2volume fraction

图6 温度场分布Fig.6 Distribution of temperature field

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