陈晓霞
摘 要:火电厂锅炉燃烧优化是火电厂安全、节能和减排的关键所在。现有的炉膛内部烟气温度一般采用烟温探针等少数集中方式测量,且只能对炉内某一点或一个时间段进行测量。长期来缺少一种可靠和准确的在线测量炉膛温度(场)的手段,使优化燃烧失去直接监控和判别的依据
一、国内外锅炉优化燃烧现状、水平和发展趋势及知识产权情况
实现锅炉优化燃烧是机组优化运行的重要前提。这就要求对燃烧以及和燃烧有关的重要信息,特别是温度信息要有一个全面的、准确的、实时的了解掌握和采集,以便实时调整燃烧,实现过程的优化。然而,电站锅炉炉内环境恶劣,具有温度高、尺度大、多种物理场(温度场、动力场和密度场等)共存等特点。由于这些电站锅炉的高温、湍流、变负荷等固有特性,加上换热器管阵列结构和炉壁复杂边界等影响,传统的一些温度测量方法无法满足现场测量的实时性和准确性。例如,以住使用抽气式高温热电偶逐点测量的方法受热元件材料高温性能的限制,只能做短时间测量,且逐点测量使得现场就地操作量大、同时性差,无法实现实时在线监测。而现在国内电站锅炉普遍采用全炉膛看火电视装置,通过摄像头来直接观察火焰图像,这种方法太直观,只能作为炉膛是否灭火的判断依据,不能提供定量的温度信息,不能给出详细的热力参数,并且存在人为的主觀判断。于是,寻求一种能适用于上述特点的新的测量技术就显得尤为重要和迫切。
事实上目前国内不少电厂正在大力推进智慧电厂的建设,炉膛燃烧可视化技术开发是其中重要的一环。
目前炉膛温度场的测量主流技术有光学法、激光或二氧化碳光谱法、声学法。其中前两种测量方法相对而言精度不佳(运行后接收器位置相对移动导致信号变化),且投资较高。因此本课题选择声学法进行研究。
在国外,声学测温技术起步较早,研究也比较广泛和深入。例如,美国ETX公司的PyroMetrix声波测温系统、美国的SEI公司的BOILERWATCH MMPⅡ声波温度测量系统以及德国B+D公司的AGAM声波温度测量系统在全球范围内均有良好广泛的应用。其中在国内已有300MW、600MW、1000MW机组上各种炉型多套声波测温系统投入试验应用(切圆燃烧;前后对冲燃烧;∏型炉,塔式炉等),工程应用上已可以取代烟温探针等传统测量方式。但是,在国内电厂中应用存在气动声源噪声大,高压设备容易损坏和温度场重建精度较低,售后技术服务跟不上等问题。
国内对声学测温技术在锅炉的应用研究起步较晚,到20世纪末才有相关报道。目前国内的研究机构主要是东北大学、华中科技大学、华北电力大学、浙江大学等。其中东北大学研究的主要方向是炉膛温度场的重建,如采用二维傅里叶函数展开法、弯曲路径、高斯函数与正则化法等重建算法;华北电力大学团队则从测温技术涉及的声源特性、声波传播时间、温度场重建等关键技术进行了较深入的研究。
二、本系统开发主要技术内容及实用价值
炉膛烟气参数的监控,特别是温度(场)测量的重要性具体表现为:
(1)监控炉膛出口温度。
(a)防止出口温度过高导致过热器结焦和管壁超温。
(b)防止启动时出口温度升高太快和烧坏处于无蒸汽流过的过热器管(干烧)。
(c)监控出口温度判别水冷壁吸热情况优化吹灰控制。
(d)控制不同负荷下的合理炉膛出口温度,合理分配辐射热和对流热的比例。
(2)矫正燃烧不均衡。
(a)及时发现和矫正两侧烟温、汽温的偏差。
(b)防止烟气偏向一侧导致该侧水冷壁磨损、结焦。
(c)防止局部过热。
(3)提高燃烧效率。
(a)优化风煤比,将过量空气系数降低至合理范围内。
(b)均衡各侧燃烧器的风量分配。
(c)控制火焰中心高度,使煤粉在炉膛内充分燃尽,又确保合理的热量分配。
(d)为优化燃烧控制系统提供更直接判据,使优化系统更具可操作性。
(4)降低污染物排放。
(a)防止出现局部火焰过热,降低NOx生成(当局部火焰温度达到1482℃时,NOx生成将成指数级增加)。
(b)对于配置有脱硝装置的锅炉,由于烟气中NOx含量降低,可大大降低脱硝装置运行费用。
三、系统开发内容和目标及关键技术
1、系统研究开发内容
本系统选择在南通醋酸纤维有限公司热电生产部#11锅炉实施。在锅炉炉膛出口屏式过热器下部1~2米层面内,燃尽风上部研究配置炉膛烟气声波测温系统,解决锅炉从启动开始,全负荷范围内实时监测炉膛出口烟气温度的问题,并且测量炉膛内部最高温度区域温度,监测燃烧偏斜。其具体内容如下:
(a)高强度电动声波发生系统和强背景噪声条件下的声信号提取方法研究
声波发生系统采用电动声源,螺旋线声波导管和功率放大器相匹配,具有功率大,安全可靠,声波频率可调等特点。针对冷态时炉内的混响问题和热态时炉内的高噪声问题,采用先进的时间延迟估计算法,都可以得到准确的时间延迟估计。
(b)炉膛区域温度分布的重构算法以及仿真技术
针对炉膛二维截面,布置8发8收(每侧2个),形成24条测量路径,通过计算机层析成像算法实现温度场重建,能够准确得出复杂温度场中任意一点的温度信息。
(c)声波发生器和声波接收器的位置选择及其对测量影响的研究
(d)确保系统长期可靠工作的特殊安装技术研究
2、预期目标:
为机组锅炉提供1层声波测温系统,包括硬件和软件,从锅炉启动到满负荷过程全程监控炉膛出口烟气温度和最高温度区火球中心燃烧偏斜情况,通过直观的数值和2D、3D彩色图像(区域温度显示图、等温线图等)显示出来。同时以4-20mA信号在DCS中组态和显示炉膛温度(16个区域温度和鼠标点击二维温度场内任一点的温度),并取得相关工程应用技术成果,完成验收鉴定,提出鉴定报告。
预期研究成果处于国内先进水平。
3、关键技术
温度测量中声波飞渡时间的准确测量
炉膛温度场CT重建技术
技术创新之处(国家有关部门、全国(世界)性行业协会等具备相应资质的机构若颁布相关技术参数或标准,应提供。)
能够给出实时的二维温度场信息,包括区域温度图、等温线图和三维温度立体图,运行稳定可靠。便于运行人员及时判断温度分布和火焰中心是否偏移,防止水冷壁局部过热超温。通过使用该技术,为机组的燃烧优化调整提供了参考,降低煤耗,节省燃料成本;延长换热面寿命,节省换管费用;减少锅炉NOx排放,节省脱硝成本。
系统研发的声学测温系统性能价格比优于国外同类系统。系统价格仅为国外同类产品的一半,系统的测量精度、温度场分辨率、稳定性等性能指标均优于采用国外产品和技术。在系统软硬件升级、备品备件供应、售后服务与人员培训等方面具有明显的优势与市场竞争力。
3.1声波测温原理
声波法温度测量技术基于声速与介质温度的关系,介质中声波的传播速率与介质的温度呈某种函数关系,C=f(R,k,M,T)。我们可通过测量声波的速率计算出该路径的介质温度。
其中,
C——声音在介质中的传播速度
R——气体常数
k——气体的绝热指数
M——气体分子量
T——气体温度
由此,获得声波传播速度,即可计算出介质的温度。
3.2设计思路
我们选取的是8个收发器24条路径的设计方法。
四、开发试验方法及技术路线
参考文献:
[1]《声学法测量炉膛温度场的重建算法的分析》东南大学 杨唯
[2]《火力发电厂锅炉炉内温度场在线测量技术研究综述》华电电力科学研究院 庄荣
[3]《基于有限元的炉膛温度场声波传播特性数值研究》郑州大学 姬会东
[4]《炉膛燃烧噪声环境下声波飞行时间测量方法研究》沈阳航空工业学院 罗振