激光測量型鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)及應(yīng)用

姜肇雨 ，劉 濤 ，崔志建 ，于鵬展

（1.華能日照電廠，山東 日照 276832；2.華能臨沂電廠，山東 臨沂 276000）

0 引言

對于燃煤鍋爐來說，常規(guī)燃燒優(yōu)化調(diào)整是在機組停運檢修時，通過靜態(tài)調(diào)整二次風(fēng)進入爐膛的角度、開度來適應(yīng)將來鍋爐運行中爐膛的燃燒。然而，爐膛燃燒情況是千變?nèi)f化的，由于煤種變化大，燃用煤質(zhì)普遍較差，再加之鍋爐實際運行中，設(shè)備改造、變負荷運行、熱力試驗間隔時間長等原因，存在鍋爐燃燒達不到最佳的現(xiàn)象［1－2］。因此迫切需要通過燃燒優(yōu)化，提高機組經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性能。

鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)，需要有成熟可靠的爐內(nèi)燃燒信號測量系統(tǒng)，能真實反映鍋爐內(nèi)部的燃燒情況，將爐膛內(nèi)部的重要參數(shù)的分布（如溫度、氧量、CO、NOx等信號）送到燃燒優(yōu)化軟件，燃燒優(yōu)化軟件根據(jù)這些參數(shù)進行邏輯處理，形成對二次風(fēng)、煤量、風(fēng)量的修正，來對爐膛燃燒進行實時在線的調(diào)整［3－5］。

日照電廠4號機組為680 MW超臨界燃煤汽輪發(fā)電機組，鍋爐燃燒測量系統(tǒng)使用美國ZOLO技術(shù)公司開發(fā)的激光測量診斷系統(tǒng)，采用可調(diào)諧二極管激光可吸收光譜 （TDLAS）技術(shù)的激光測量診斷系統(tǒng)，可以滿足嚴酷的燃燒情況監(jiān)測，將爐膛內(nèi)部溫度場、氧量、CO以及水蒸氣的含量提供給燃燒優(yōu)化系統(tǒng)。燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)采用SIEMENS的P3000控制系統(tǒng)，基于先進的控制算法和方案，對二次風(fēng)控制進行優(yōu)化，達到平衡燃燒和降低氧量的目的。

1 鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)組成

1.1 激光測量子系統(tǒng)

激光測量子系統(tǒng)采用美國ZOLO公司的Zolo-BOSS產(chǎn)品，由激光頭、信號分配柜和中央控制柜組成。激光頭和信號分配柜安裝在鍋爐49.6 m平臺 ，遮焰角下方約1 m處，共安裝12對激光路徑，組成6×6激光網(wǎng)，來給鍋爐做切面“CT”，將氧量、水蒸汽、一氧化碳含量等信號送出，如圖1所示。

激光頭分為發(fā)射頭（P）和接收頭（C），安裝方式相同。安裝過程為：打開部分爐墻保溫，在中間鰭片處切割1 cm×5 cm的切片，在爐墻上焊接安裝支架，安裝探頭，均勻在爐墻四周安裝24個探頭，并保證相對的兩個探頭在同一水平線。探頭上有儀用氣吹掃裝置和自動打焦裝置，來保證探測孔的暢通。發(fā)射頭把中央控制柜來的激光發(fā)射到爐膛內(nèi)部，接受頭接受剩余的激光送到中央控制柜進行分析。圖2為安裝好的一個激光探頭外貌。

圖1 鍋爐燃燒測量系統(tǒng)激光網(wǎng)

圖2 激光探頭外貌

信號分配柜安裝在探頭附近，將中央控制柜來的激光信號逐一分配到各個發(fā)射探頭，并將接收探頭回收的激光進行初步處理送到中央控制柜。

中央控制柜安裝在電子間內(nèi)，有激光發(fā)生器、同步器、接收器以及上位機等設(shè)備，除了生成不同波長的激光外，還對回收的激光進行分析，從而生成各個參數(shù)的數(shù)據(jù)，在上位機上進行分析顯示。它還可與燃燒優(yōu)化子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。

1.2 燃燒優(yōu)化子系統(tǒng)

燃燒優(yōu)化子系統(tǒng)采用SIMENS的P3000控制系統(tǒng)，由優(yōu)化服務(wù)器、客戶端、通信設(shè)備和接口等組成。服務(wù)器為非冗余配置，用于過程控制、信息、存檔、組態(tài)和優(yōu)化?？蛻舳朔旁诩厥?，連接服務(wù)器對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制。通信設(shè)備用于連接優(yōu)化服務(wù)器與客戶端、激光測量子系統(tǒng)（OPC協(xié)議）以及DCS系統(tǒng)的CM 3000串口通信模件。日照電廠4號機組DCS是FOXBORO I／A系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)與現(xiàn)有DCS之間的連接采用MODBUS協(xié)議。它使燃燒優(yōu)化系統(tǒng)可以獲取來自DCS的測量數(shù)據(jù)，如給煤量、二次風(fēng)流量、煙氣中的CO和NOx等。

2 系統(tǒng)初步調(diào)試

激光測量子系統(tǒng)。系統(tǒng)在安裝完成之后，即可進行上電調(diào)試。首先進行的是單路探頭的控制以及對齊，然后投入激光進行聯(lián)調(diào)，看各路信號是否正常。正常運行后，顯示12路溫度、氧量、CO、水蒸汽的數(shù)值，并在二維圖上顯示分布情況，如圖3所示。

圖3 溫度、氧量、CO、水蒸汽的數(shù)值顯示

燃燒優(yōu)化子系統(tǒng)。P3000各軟硬件安裝完畢后，保證P3000系統(tǒng)與ZOLO以及DCS的通信正常，能正?？刂聘鞫物L(fēng)門開度。

未投入燃燒優(yōu)化情況下鍋爐爐膛燃燒情況測試。該項測試是為了采集鍋爐燃燒系統(tǒng)的主要調(diào)整機構(gòu)（四個角的二次風(fēng)門，即SOFA、CCOFA等風(fēng)門）或主要參數(shù)（氧量、風(fēng)量、煤量等）單個變化時對鍋爐燃燒工況帶來的影響，該測試結(jié)果用于自動燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)建模，使得自動燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上通過自學(xué)習(xí)實現(xiàn)最優(yōu)控制，使鍋爐燃燒達到最佳效果。

DCS對風(fēng)量控制是層操，而層操只是將風(fēng)的位置升高或者降低，對于平衡燃燒幫助不大。因此，本次示范試驗是對輔助二次風(fēng)的列進行操作的。

測試過程發(fā)現(xiàn)，投入燃燒優(yōu)化之前，鍋爐火焰經(jīng)常不在爐膛中心，導(dǎo)致熱傳輸不均勻以及結(jié)焦的概率加大。爐膛內(nèi)氧量不平衡，導(dǎo)致高氧區(qū)熱量損失，低氧區(qū)燃燒惡化。氧量設(shè)定值還有減低的余地，這樣可提高鍋爐的效率及降低排煙損失。

3 在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)控制策略

在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)使用來自DCS的過程測量的數(shù)據(jù)以及激光測量的數(shù)據(jù)，根據(jù)燃燒模型計算出相關(guān)二次風(fēng)擋板控制的優(yōu)化值，優(yōu)化值作為DCS二次風(fēng)擋板指令的偏置疊加到DCS側(cè)。它為相關(guān)二次風(fēng)擋板（各個角）的控制提供了新的設(shè)定值。在優(yōu)化偏置值從P3000優(yōu)化系統(tǒng)送入DCS側(cè)前，在P3000內(nèi)相繼有三道安全保障措施：第一道是為來自P3000的優(yōu)化偏置值設(shè)置高低限；第二道是為P3000送來的優(yōu)化偏置值設(shè)置變化速率限制，以避免其劇烈變化；第三道是設(shè)置無擾切換開關(guān)。另外，操作員能夠在DCS直接投入或切除P3000燃燒優(yōu)化系統(tǒng)。

現(xiàn)場試驗列操輔助二次風(fēng)，可在ZoloBOSS的測量畫面上監(jiān)測到效果，證實了通過改變每列二次風(fēng)擋板的開度可以達到改善燃燒平衡的目的。另外，在輔助二次風(fēng)對角上加偏置，可以更好地控制氧量與溫度場的分布。

系統(tǒng)投入閉環(huán)主要有以下四個主要控制模塊。

1）火焰中心的控制?；鹧嬷行牡目刂撇捎脙?yōu)化輔助二次風(fēng)各擋板的開度來實現(xiàn)的。通過ZoloBOSS系統(tǒng)計算出的實際火焰中心位置，計算出與物理中心的偏差，通過已建立的各角對火焰中心的影響的數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，形成對各角各層的偏置量，來改變輔助二次風(fēng)的實際開度，來達到調(diào)節(jié)火焰中心的目的。燃燒優(yōu)化投入前后對火焰中心控制的效果對比如圖4所示?？梢钥闯觯谌紵齼?yōu)化后火焰更靠近中心，四角溫度平均，這樣使?fàn)t內(nèi)傳熱更好，較少結(jié)焦風(fēng)險，并能提高鍋爐效率。

圖4 燃燒優(yōu)化投入前后火焰中心對比

2）燃燒平衡優(yōu)化。這項功能主要通過優(yōu)化周界二次風(fēng)門來實現(xiàn)，燃燒平衡的目標(biāo)是均衡燃燒，優(yōu)化風(fēng)煤比。本模塊的功能是將截面分區(qū)，按照氧量、溫度、一氧化碳的比例以及各區(qū)的偏差，對此三個參數(shù)進行綜合優(yōu)化，并將偏置輸出到周界二次風(fēng)門，來對燃燒平衡進行優(yōu)化。

3）氧量均衡控制。此功能是通過優(yōu)化SOFA二次風(fēng)門來實現(xiàn)。通過ZoloBOSS系統(tǒng)的氧量分布圖，計算出四個角的氧量平均值，根據(jù)各角離平均值的偏差對其進行控制，使各角氧量平均，達到優(yōu)化的目的。這是通過對SOFA二次風(fēng)的控制加偏置實現(xiàn)的。燃燒優(yōu)化投入前后對氧量平衡的影響如圖5所示。投入燃燒優(yōu)化之后，爐內(nèi)氧量平衡，均衡了燃燒，提高鍋爐效率和燃燒穩(wěn)定性。

圖5燃燒優(yōu)化投入前后對氧量平衡的影響對比

4）降低過量O2。燃燒優(yōu)化控制能夠降低過量O2，提高鍋爐效率。沒有安裝燃燒優(yōu)化系統(tǒng)前，在機組運行時，氧量有降低的余地，但是，由于運行人員沒有監(jiān)測爐內(nèi)工況的手段，手動降低氧量給定值受到限制。燃燒優(yōu)化投入以后，來自激光測量的CO測量值和來自DCS的FGD后CO測量值用于產(chǎn)生實際CO濃度，大選后與CO定值比較后進入一個調(diào)節(jié)器，用于對氧量定值進行修正，以控制CO濃度的方式來控制風(fēng)量，達到降低風(fēng)量、降低飛灰含碳量、降低排煙溫度，從而達到提高鍋爐效率的目的。

4 結(jié)語

鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)投入后，對日照電廠4號鍋爐的燃燒工況有較大的改善，平衡燃燒使鍋爐燃燒更加穩(wěn)定，降低鍋爐結(jié)焦情況；火焰更加居中，防止鍋爐偏燒，降低了爆管幾率；減少有害氣體排放，降低飛灰含碳量。

在此基礎(chǔ)上煙氣中O2體積分數(shù)平均能降低0.7%～1.1%，提高了鍋爐效率，600 MW負荷下的測試，可提高效率0.47%，并有效地降低了送、引風(fēng)機和FGD側(cè)增壓風(fēng)機的出力，降低了廠用電和供電煤耗。

系統(tǒng)使用情況基本良好，但在燃煤灰分過高的情況下（25%以上），測量系統(tǒng)受到一定限制，偶爾有不能測出數(shù)據(jù)的情況，可定期擦拭激光頭的鏡頭進行解決。

綜上所述，鍋爐在線燃燒優(yōu)化系統(tǒng)真正實現(xiàn)了實時的鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整。

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