激光測量在電站鍋爐燃燒優(yōu)化中的應(yīng)用

李應(yīng)保，王東風(fēng)

（華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，保定 071003）

隨著國家節(jié)能減排政策的不斷推廣，工業(yè)領(lǐng)域都在積極探索節(jié)能環(huán)保的措施和方法[1]。發(fā)電廠作為能源消耗和污染排放的大戶，擔負著降耗減排的重任，主要的方法就是對煤粉、油氣等化石資源的燃燒實施優(yōu)化和調(diào)節(jié)，使鍋爐內(nèi)的燃燒始終處于最佳狀態(tài)，同時控制煙塵、二氧化硫和氮氧化物[2]等污染物的排放。

激光測量是近幾年興起的一種非接觸測量技術(shù)，在很多工業(yè)現(xiàn)場得到成功應(yīng)用。例如，應(yīng)用激光的準直性可以在汽車制造工程中對零部件的尺寸進行測量，還可以對汽車的輪胎和引擎等重要器件進行無損檢測[3]；在紡織工業(yè)應(yīng)用激光進行驗布，檢測織物的起球、毛羽及其粗糙度并可以控制衣物的印染過程[4]；在煤場可以用激光進行盤煤，測量出煤堆的總體輪廓進而得出煤場中的煤儲量[5]。

本文討論了激光測量的原理和激光測量系統(tǒng)的安裝方案，重點論述了激光測量系統(tǒng)在AEP（美國電力公司）的約翰·阿莫斯電站3號機組投運情況和在燃燒優(yōu)化上的應(yīng)用效果，最后總結(jié)出相應(yīng)的結(jié)論。

1 電站鍋爐燃燒優(yōu)化的發(fā)展現(xiàn)狀

電站鍋爐的燃燒優(yōu)化是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它涉及的研究領(lǐng)域較廣，像流體力學(xué)、系統(tǒng)建模和數(shù)字通信等。它運用的理論和技術(shù)也比較先進，包括先進的測量技術(shù)、智能優(yōu)化算法和圖像處理等。電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)主要分為3個應(yīng)用層次[6]。

第一個應(yīng)用層次是從鍋爐燃燒設(shè)備的改良和創(chuàng)新的角度出發(fā)的燃燒優(yōu)化。對傳統(tǒng)燃燒器的改進可以提高煤粉的燃燒效率和對氮氧化物生成的有效控制，像新機組安裝的旋流式低氮燃燒器[7]。第二個應(yīng)用層次是指應(yīng)用精準的測量技術(shù)對鍋爐的燃燒狀態(tài)進行實時監(jiān)測和優(yōu)化。測量技術(shù)作為燃燒優(yōu)化的輔助工具，為實施優(yōu)化決策提供可靠的信息，協(xié)助運行人員將燃燒調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)。該層次的適用范圍廣，對鍋爐燃燒優(yōu)化的作用突出，已經(jīng)成為目前市場上燃燒優(yōu)化技術(shù)的主導(dǎo)[8]。第三個應(yīng)用層次是基于人工智能理論的先進優(yōu)化方法[9]，該方法以第二個應(yīng)用層次的測量技術(shù)作為支撐，建立鍋爐燃燒的動態(tài)模型，并利用先進的優(yōu)化算法計算出當前工況下的鍋爐最佳控制參數(shù)，最后將計算結(jié)果上傳至DCS，形成一個閉環(huán)的控制過程。近幾年，該優(yōu)化方法得到廣泛研究，國外已有相應(yīng)的產(chǎn)品問世，在國內(nèi)此項技術(shù)仍處于研究和試驗階段。

燃燒設(shè)備的改進和安裝對新建機組的燃燒優(yōu)化意義重大，但對于已投運的舊機組而言，燃燒設(shè)備的改造要花費大量的資金和時間，很少被采用?；跍y量技術(shù)的燃燒優(yōu)化方法和基于人工智能的燃燒優(yōu)化方法關(guān)聯(lián)性很強，不論燃燒優(yōu)化的方法如何發(fā)展，測量技術(shù)始終是鍋爐燃燒狀態(tài)監(jiān)測的重要手段，測量技術(shù)的發(fā)展和進步也能帶動其他優(yōu)化方法的進步。

2 激光測量的原理

傳統(tǒng)的爐膛火焰溫度測量是采用熱電偶測溫法，此方法只能測量鍋爐內(nèi)某一點溫度，而且探頭容易被高溫火焰燒壞，所以不能實時準確地指導(dǎo)燃燒的調(diào)整和優(yōu)化?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜TDLAS（tunable diode laser absorption spectroscopy）測溫技術(shù)[10]解決了在電站鍋爐爐膛內(nèi)溫度實時測量和建立爐內(nèi)溫度場的難題，TDLAS技術(shù)不僅可以測溫，還可以測量爐膛內(nèi)燃燒氣體成分的濃度，比如氧氣、水和一氧化碳，提供了豐富的燃燒狀態(tài)信息，對鍋爐燃燒優(yōu)化的施行具有重要意義。

2.1 爐膛火焰溫度的激光測量原理

激光測溫原理是通過在可調(diào)波長段上的譜線吸收面積A（如圖1所示）的比值和溫度的函數(shù)關(guān)系得到激光測量路徑上的平均溫度?？烧{(diào)諧二極管激光器在鋸齒波電流調(diào)諧下產(chǎn)生一段波長為λ0～λmax線性周期變化的激光，激光被某些分子吸收后，會在該段波長中獲得吸收譜線的形狀和位置。激光穿過路徑上的平均溫度與任意2條譜線強度之比存在函數(shù)關(guān)系，通過求出譜線強度比來得出該路徑上的平均溫度。

圖1 分子在可調(diào)波長段上的吸收譜線Fig.1 Absorption spectra of molecules on tunable wavelengths

某分子vi的吸收譜線強度Svi（T）是關(guān)于溫度的函數(shù)，滿足式（1）：

式中：Svi（T0）為參考溫度T0=296 K下被測吸收譜線的強度，可以通過高分辨率分子透射吸收（HITRAN）數(shù)據(jù)庫獲得；h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為玻爾茲曼常數(shù)；E″為吸收譜線躍遷的低能級能量；Q（T0）和Q（T）分別為被測氣體在T0和T下的配分函數(shù)，在HITRAN數(shù)據(jù)庫通過Fortran程序計算得出。

2條吸收譜線強度的比值R可表示為

根據(jù)式（2）可以得到激光路徑上的平均溫度T為

理想的吸收譜線應(yīng)該為直線段，但由于粒子散射、多普勒效應(yīng)等影響，吸收譜線會以最大吸收波長為中心加寬，所以用譜線在波長上的吸收面積來代替式（3）中譜線強度S。

2.2 高溫氣體成分濃度的激光測量原理

激光測量技術(shù)可以準確地測量高溫氣體成分的濃度，原理是根據(jù)所測氣體的吸收光譜圖，從HITRAN數(shù)據(jù)庫[11]獲得該氣體特征譜線的吸收系數(shù)K，利用光吸收基本定律——朗伯-比爾定律[12]便可以求出所測氣體的濃度值C。

激光在傳播過程中，激光強度的衰減遵循朗伯-比爾定律：

式中：Pt為激光透過被測環(huán)境的強度；P0為激光的入射強度；K為吸收系數(shù)（cm2/mol）；N為待測氣體分子數(shù)（mol/cm3），N=p/kT，k 為玻爾茲曼常數(shù)；L 為吸收路徑長度（cm）；Svi（T）為分子 vi在溫度 T 時的譜線強度（cm/mol）；Φ（v）為譜線線型函數(shù)，常用的有洛倫茲型（Lorentz），沃科特型（Voigt）和高斯型（Gauss）。

激光光譜測量技術(shù)與HITRAN數(shù)據(jù)庫結(jié)合，可以通過智能儀表或虛擬儀器分析并計算出氣體濃度值[13]。以氧氣濃度測量為例，圖2所示為氧氣在溫度為296 K，壓力為101.325 kPa（一個標準大氣壓）的環(huán)境下吸收譜線強度與波長的關(guān)系。

將激光的頻率調(diào)節(jié)到波長為1250～1270的窄頻段，從激光的接收端可測得未被氧氣吸收的光強Pt（即透射光強）。假如鍋爐爐膛內(nèi)的溫度T和壓強P為已知條件，則氧氣的吸收系數(shù)K可以從HITRAN數(shù)據(jù)庫中查詢得到，另外激光在爐膛中傳播的距離L也是已知的，通過朗伯-比爾定律可以得到氧氣氣體分子數(shù)N（mol/cm3）的表達式：

圖2 氧氣的吸收譜線強度與波長的關(guān)系Fig.2 Relationship of oxygen’s absorption line intensity and wavelength

將氣體分子數(shù)N轉(zhuǎn)化為氧氣的質(zhì)量濃度Cm（mg/m3）：

式中：M為氧氣分子的摩爾質(zhì)量（g/mol）。

3 激光測量系統(tǒng)在燃燒優(yōu)化中的應(yīng)用

爐膛溫度是鍋爐燃燒中的一個重要參數(shù)，它直接反映爐膛燃燒的狀態(tài)，是電站鍋爐燃燒優(yōu)化執(zhí)行的重要參考依據(jù)[14]。其他一些重要的爐膛參數(shù)（比如爐內(nèi)氧氣濃度、一氧化碳濃度等）也是影響電廠運行安全和經(jīng)濟性的重要參數(shù)，它們反映了爐膛燃燒是否均衡以及燃料的質(zhì)和量的變化情況等，對于實時監(jiān)控、診斷和控制煤粉在鍋爐爐膛中的燃燒狀況具有重要的意義。

如圖3所示，激光測量系統(tǒng)由控制柜、光纖傳輸線、可調(diào)諧二極管激光器和監(jiān)視器等幾個重要部件組成?？刂乒褙撠熂す庑盘柕恼{(diào)制和發(fā)送并分析處理接受到的激光信號，上位監(jiān)控計算機對測量結(jié)果進行分析和顯示，以供運行人員實時監(jiān)控鍋爐內(nèi)燃燒的狀態(tài)，另外，上位計算機還可以作為OPC服務(wù)器被客戶端訪問，將測量參數(shù)上傳到DCS，最后由DCS完成燃燒優(yōu)化調(diào)整的指令。

圖3 激光測量系統(tǒng)的組成Fig.3 Components of laser measurement system

圖4所示的激光器安裝固定在鍋爐爐膛外側(cè)，僅需在爐膛水冷壁管道縫隙中開4 cm×4 cm的口即可，安裝方便，每對激光器都具有自動對焦功能，不需要復(fù)雜的校正過程。

圖4 激光器實物Fig.4 Laser physical installation diagram

激光測量系統(tǒng)可以容納多條激光測量路徑，多條路徑在爐膛截面上構(gòu)成一個網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)。

圖5所示為燃燒方式為前后墻對沖型和四角切圓型鍋爐的激光測量系統(tǒng)的安裝示意圖。在爐膛折焰角下方的截面上安裝激光測量網(wǎng)可以監(jiān)測爐膛內(nèi)燃燒的整體狀態(tài)和火焰中心的位置，在煙道尾部的省煤器后和爐膛頂部各安裝幾條測量路徑，目的是測量尾部煙氣和過熱器區(qū)域的重要參數(shù)。

圖5 激光測量系統(tǒng)在鍋爐爐膛內(nèi)的布局Fig.5 Laser measurement system’s layout in the furnace

圖6所示為約翰·阿莫斯電站3號機組某工況下爐膛重要參數(shù)的二維分布信息。該鍋爐是前后墻對沖燃燒方式，激光測量系統(tǒng)安裝在爐膛折焰角下方5 m處橫截面上，從圖6（a）的溫度場和圖6（b）的氧量場可以判斷該工況下爐膛內(nèi)火焰有向前墻傾斜的趨勢，從而造成前墻的溫度比后墻溫度高，經(jīng)過分析，原因是后墻第二個燃燒器（從左到右）的出粉量和送風(fēng)量過高，對前墻的沖擊過大，而且粉煤與空氣得不到較好的混合，燃燒不充分，該區(qū)域表現(xiàn)為溫度偏低，氧氣偏高。通過調(diào)整前后墻送風(fēng)和燃料的偏置量，可以達到平衡燃燒、降低多余的氧氣、提高燃燒整體效率、減少氮氧化物排放的效果。

圖6 某運行工況下的爐膛內(nèi)參數(shù)信息Fig.6 Furnace parameter information in operating status

表1為是該機組投入激光測量前后燃燒優(yōu)化指標的對比結(jié)果。

表1 機組投入激光測量前后優(yōu)化指標對比Tab.1 Comparison of optimization indicators of putting into the laser measurement

從表1的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，投入激光測量系統(tǒng)后，鍋爐效率得到提高，能源的利用率提高；有效控制了爐膛內(nèi)氮氧化物的生成量，使機組脫硝系統(tǒng)的投入成本減?。煌ㄟ^控制爐膛內(nèi)的氧量，降低了過量空氣指數(shù)，減少了送風(fēng)機的耗電量；除此之外，激光測量系統(tǒng)對火焰的有效監(jiān)控使爐膛內(nèi)結(jié)渣和超溫現(xiàn)象次數(shù)降低，減少了機組非計劃停機次數(shù)，延遲了鍋爐壽命?？梢?，激光測量結(jié)果可以幫助運行人員迅速監(jiān)測出鍋爐爐膛內(nèi)燃燒的不平衡現(xiàn)象和燃燒器、水冷壁的故障，對進行燃燒的優(yōu)化調(diào)整和燃燒設(shè)備的故障診斷具有重要意義。

4 結(jié)語

激光測量技術(shù)作為新型的測量技術(shù)，已經(jīng)成功應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域的多個場合。將激光測量技術(shù)應(yīng)用到電站鍋爐爐膛參數(shù)測量上，并進一步指導(dǎo)完成鍋爐的燃燒優(yōu)化，從電站的實際應(yīng)用結(jié)果可以得出，激光測量具有精度高、實時性好、安裝方便等多個優(yōu)點，測量結(jié)果指導(dǎo)鍋爐運行人員有效地控制爐膛內(nèi)火焰的分布和氧量的分布，提高了燃燒效率，降低了氮氧化物排放，還避免了爐膛水冷壁和過熱器等管束的結(jié)渣和超溫的發(fā)生。激光測量技術(shù)可適應(yīng)于高溫、多灰塵的電站鍋爐的測量使用，比傳統(tǒng)的熱電偶，紅外燈測溫技術(shù)更有優(yōu)勢?？梢灶A(yù)測激光測量技術(shù)在電力、鋼鐵和化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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