激光吸收光譜技術(shù)應用于鍋爐優(yōu)化控制研究

賴小明，鄒 婷，陳 昊，沈德明

(1.南京科遠智慧科技集團股份有限公司，南京 211102；2.江蘇省熱工過程智能控制重點實驗室，南京211102)

引 言

目前我國火電發(fā)電量比重占總的發(fā)電量80% 以上，而電廠鍋爐設計工況和實際工況差異較大，現(xiàn)有的燃燒控制精度差，效率比較低下，鍋爐偏燒容易影響金屬壽命，鍋爐爐膛燃燒氣體的溫度場測量可作為燃燒優(yōu)化的重要參量。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)作為一種快速、準確的測量手段，常被用在鍋爐[1-6]以及航空發(fā)動機、激波管[7-10]等高溫環(huán)境下的氣體溫度測量。國內(nèi)不少學者利用TDLAS技術(shù)在鍋爐測量方面進行了仿真和實驗室研究。LU等人[11]對鍋爐CO2濃度測量中進行了常溫研究。ZHAI等人[12]針對工業(yè)現(xiàn)場設計了溫度測量系統(tǒng)。SUN等人[13]在平焰爐上用多測量路徑對溫度場測量技術(shù)進行了研究。

結(jié)合TDLAS技術(shù)和計算機層析(computed tomography,CT)的激光吸收光譜計算機層析診斷技術(shù)(tunable diode-laser absorption tomography，TDLAT)技術(shù)在近年內(nèi)被提出[14-15]。為進行溫度場的重建，通常需要超過6個投影角度。MA等人提出減少投影光線數(shù)，增加譜線數(shù)量的超光譜法進行2維燃燒場重建[16-17]。HUANG[18]與YU[19]等人分別利用深度學習和極限學習機等方法對2維溫度、濃度場重建進行了數(shù)值計算研究。

由于電廠鍋爐爐膛燃燒的環(huán)境較為復雜、干擾因素較多、安裝調(diào)整空間受限，使得原位在線測量變得較為困難，并且投影角度非常受限，因此，國內(nèi)鮮有在電站鍋爐爐膛進行溫度場重建的報道。盡管如此，作者仍然期望能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐爐膛溫度場的在線測量。在國內(nèi)某最高蒸汽量為61kg/s全燒煤氣(高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦爐煤氣)的鍋爐上布置3×3條測量路徑形成測量網(wǎng)格，采用TDLAT技術(shù)對電站鍋爐爐膛溫度場進行重建，以尋找溫度測量結(jié)果與鍋爐運行過程參量的關系，分析該技術(shù)應用于鍋爐燃燒優(yōu)化控制的可行性。

1 TDLAT對鍋爐的優(yōu)化控制原理

1.1 TDLAS溫度測量原理

TDLAS測量技術(shù)分直接吸收法和波長調(diào)制法[20-21]。相比于波長調(diào)制法而言，直接吸收法主要應用于具有足夠吸光度的條件。電站鍋爐一般尺寸為7m～20m，H2O體積分數(shù)約為0.10，適合應用直接吸收法進行溫度測量。

當頻率為的激光通過的被測氣體，氣體對激光的吸收滿足Beer-Lambert定律[20]，即：

Iν=Iin,νexp[-αν]=

Iin,νexp[-S(T)Φ(ν,p,x,T)pxL]

(1)

T=

(2)

式中，S1(Tr)和S2(Tr)分別為吸收譜線1和吸收譜線2在參考溫度Tr下的線強,h為普朗克常數(shù),c為光速,k為玻爾茲曼常數(shù),E1″和E2″為吸收譜線1和譜線2躍遷對應的低態(tài)能級能量,r為兩條譜線吸光度積分面積的比值。

1.2 重建算法

重建算法分變換法和迭代法，在投影數(shù)據(jù)比較充分的情況下，變換法能夠得到較高的重建精度。由于電廠鍋爐的爐膛的條件所限，投影數(shù)據(jù)較少，采用代數(shù)迭代重建法(algebraic reconstruction technique，ART)能夠較好地重建出圖像。ART的表達式可以描述為[14]：

(3)

式中，下標i為測量路徑序號，下標j代表網(wǎng)格序號，k為迭代次數(shù)，λ為松弛因子，M為網(wǎng)格總數(shù)，Pi為第i個測量路徑的投影值，ai,j為投影系數(shù)矩陣中的元素，代表第i條測量路徑經(jīng)過第j個網(wǎng)格的權(quán)重。在ART算法中，每一個方程都對各xj的值修正一次，即第i條測量路徑對各xj的值修正完以后，再用第i+1條測量路徑對各xj進行修正，直到所有測量路徑修正完成以后，完成一輪迭代。如果此時沒有達到收斂條件，則進行第2次迭代，直到滿足收斂條件。

1.3 基于TDLAS的鍋爐優(yōu)化控制

爐膛燃燒氣體通過輻射對水冷壁中的水蒸氣進行加熱，主蒸汽對汽輪機做工從而發(fā)電。根據(jù)斯特藩定律，燃燒氣體在單位時間內(nèi)輻射出的總能量稱為輻射度J，與氣體的熱力學溫度T成四次方關系：

J=εσT4

(4)

式中，ε為氣體的輻射系數(shù)，σ為斯特藩常量，因此氣體的溫度T可以反映爐內(nèi)的輻射量。由于分布反饋(distributed feedback,DFB)激光器的掃描速率可以達到千赫茲，因此溫度測量可以達到很高的刷新速率，從而得到當前爐膛積蓄的總能量。

應用溫度測量鍋爐控制的優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下3個方面。

1.3.1 應對鍋爐調(diào)節(jié)慣性 鍋爐控制系統(tǒng)收到負荷調(diào)整指令后，運行人員通過控制燃料及風量對爐膛燃燒進行調(diào)整。當機組發(fā)電功率調(diào)度指令已經(jīng)下達，投入的燃料量和風量將進行大幅度調(diào)節(jié)。由于鍋爐燃燒存在慣性，主蒸汽流量相對于燃料量、風量的投入存在滯后，若待運行人員觀察到當前負荷超過調(diào)節(jié)指令后再開始減少燃料量，將會導致負荷的超調(diào)。因此將溫度測量作為輻射能的表征能夠迅速的得知當前燃料量、風量的投入是否合適，并作出相應調(diào)整。

1.3.2 應對燃料熱值波動 鍋爐的設計燃料和實際運行采用的燃料通常存在很大的不同，燃料熱值存在很大的波動，例如焦爐煤氣的熱值為17000kJ/m3，高爐煤氣的熱值則僅為3500kJ//m3，不僅每種煤氣本身的熱值有一定波動，不同煤氣混合比例的波動也會極大的導致燃料總熱值的波動。根據(jù)(4)式，鍋爐內(nèi)的溫度可作為燃料輻射能的度量方式，通過TDLAS測量得到氣體溫度可及時對燃料投入量進行調(diào)整。

1.3.3 鍋爐的實時調(diào)平 電廠鍋爐通常有數(shù)個燃燒器，由于燃料管道和風道中的流量和壓力測點通常不準確，每個燃燒器的燃料量投入存在不平衡的情況，導致水冷壁起皮，影響金屬壽命。通過TDLAT技術(shù)得到爐內(nèi)溫度場的分布，可對各燃燒器進行調(diào)平。

2 鍋爐溫度場重建仿真

針對燃氣鍋爐的特點，進行仿真實驗。煤氣爐采用前后墻對沖的燃燒器布置，前后墻各3層，每層各3個燃燒器。設計網(wǎng)格劃分為3×3，水平和垂直投影方向各布置3條測量路徑，網(wǎng)格編號如圖1所示。將鍋爐分成9個網(wǎng)格，坐標軸原點設置在爐膛中心，虛線為TDLAS的測量路徑。

Fig.1 Grid of reconstruction

燃燒氣體溫度分布呈圖2a所示具有前后墻近似對稱分布的特點，網(wǎng)格2為最高峰值位置，其平均溫度為1800K，網(wǎng)格8為第二峰值位置，平均溫度為1578K，濃度場設計為均勻分布。根據(jù)Beer-Lambert定律和譜線參量得到仿真投影數(shù)據(jù)，利用Siddon算法計算得到投影系數(shù)矩陣，再用ART算法得到重建的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。為了更方便對比，將ART算法重建的結(jié)果進行雙3次插值得到重建分布。圖2b為重建的溫度分布。盡管重建算法對溫度分布有勻化的趨勢，使得重建分布與原始分布有所不同，但仍能區(qū)分不同網(wǎng)格平均溫度的高低。以網(wǎng)格為單元，其主要特征(峰值位置)與原始分布相同：在網(wǎng)格2仍為最大峰值所在網(wǎng)格，其平均溫度值為1502K，網(wǎng)格8仍為第二大峰值所在網(wǎng)格，其平均溫度為1460K。根據(jù)峰值位置和峰值相對大小，可以增加前墻燃燒器燃料量和風量，減小后墻燃料量和風量，從而對鍋爐燃燒進行調(diào)平。

Fig.2 Simulation of temperature reconstruction

3 實驗系統(tǒng)設計

本文中對國內(nèi)某鋼鐵廠的自備熱電廠燃氣鍋爐進行測量。該燃氣鍋爐主要燃料為高爐煤氣和焦爐煤氣，焦爐煤氣為碳氫化合物，燃燒主要產(chǎn)物是H2O，因此將H2O作為目標氣體，并選擇1.556μm及1.544μm兩條譜線為目標譜線對爐膛的溫度進行測量。該爐膛尺寸約為8m×8m，布置3×3的測量網(wǎng)格如圖3所示。每面墻各3個探頭，E1～E6分別為發(fā)射端，C1～C6分別為與之對應的接收端。發(fā)射端采用有效焦距為33mm的光纖準直器將激光準直發(fā)射。激光在鍋爐中傳輸時燃燒介質(zhì)的折射率存在較大的隨機起伏，激光的波前會發(fā)生畸變，光束的光斑會發(fā)生漂移和擴大，這些因素都造成激光的非吸收衰減。因此在接收端采用較大通光孔徑(80mm)、有效焦距為180mm的鏡頭進行接收，然后耦合進數(shù)值孔徑為0.22的多模光纖以保證收集盡量多的光功率。測量系統(tǒng)的平均透過率能夠達到2‰以上，從而實現(xiàn)較高的信噪比。由于捕獲到的光功率仍然存在較大的起伏，因此對模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-to-digital,AD)卡采集到的原始信號進行篩選，剔除質(zhì)量較差的信號，然后再進行時間平均以保證信號的穩(wěn)定性。

Fig.3 Layout of boiler TDLAT measuring system

系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。DA板卡(Spectrum m2p.6531)產(chǎn)生時間上交替的頻率為10kHz的鋸齒波信號分別給激光器控制器1和激光器控制器2(Stanford Research System LDC501)，分別驅(qū)動經(jīng)標定的DFB激光器，通過密集波分復用(dense wavelength division multiplexing,DWDM)波分復用器合束，然后用光開關分時切換到各個發(fā)射端探頭，接收端將穿過爐膛燃燒氣體的激光耦合進多模光纖，然后通過多模光開關切換到與單模光開關對應的通道，用InGaAs光電探測器(THORLABS PDA10CS)轉(zhuǎn)換成電壓信號，由AD板卡(Spectrum m2p.5921)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號在工控機內(nèi)進行處理。

Fig.4 Composition of measurement system

采集到的6路信號分別經(jīng)過Voigt線型擬合得到吸收線型，從而計算兩個吸收譜線的吸光度積分面積A1,i和A2,i(i=1,…,6)，分別對A1,i和A2,i用ART重建出各個網(wǎng)格內(nèi)的吸光度積分面積，然后再利用(2)式計算出各網(wǎng)格中的氣體溫度。

4 實驗驗證

電廠鍋爐將煤氣燃燒產(chǎn)生的輻射能量用于加熱蒸汽，蒸汽再對汽輪機做功轉(zhuǎn)換為電能，因此輻射總能量的大小應與主蒸汽流量成單調(diào)關系，即爐膛平均溫度應與蒸汽流量呈單調(diào)關系。為研究爐膛溫度與主蒸汽流量的具體關系，在電廠安裝了3×3兩個垂直投影方向共6對測量路徑，圖5為電廠安裝的測量探頭。

Fig.5 In situ easuring probe

圖6中將超過30h的主蒸汽流量和通過TDLAS方法測量到的爐膛平均溫度進行了對比。該時間段內(nèi)的蒸汽流量基本在70%負荷到100%負荷之間。將圖3中所示的6個測量路徑進行平均得到爐膛平均溫度，該平均溫度有效代表了爐膛燃燒輻射能量。圖6中的蒸汽流量和平均溫度變化趨勢基本一致，其相關系數(shù)達到0.91，說明氣體溫度與負荷非常相關。

Fig.6 The trends of steam flow and averaged temperature

通過線性回歸分析，從數(shù)據(jù)集中抽取1%的數(shù)據(jù)作為驗證集，剩下的數(shù)據(jù)作為訓練集，得到負荷Y作為因變量，將溫度X作為自變量，兩者之間的線性關系為：

Y=0.178X-139

(5)

用驗證集的數(shù)據(jù)計算其決定系數(shù)為R2=0.88，說明有88%的主蒸汽流量值可以由爐膛溫度決定，如圖7所示。

由于主蒸汽流量與溫度有較高的相關性，從一方面可以知道該時間段內(nèi)的鍋爐的燃料投入量較為合理，負荷調(diào)整過程中燃燒也比較平穩(wěn)。對于相關性不高的工況，可通過測量溫度對燃料投入量的合理性進行評估，從而做出相應調(diào)整。

利用CT重建技術(shù)對鍋爐橫截面溫度場分布進行重建。鍋爐燃燒器布置在前后墻，前后墻各3層，每層各有3個，因此正常情況下，在燃燒器上方的前后墻溫度相較側(cè)墻溫度更高。根據(jù)圖3中各路徑上的測量數(shù)據(jù)，利用ART算法進行對爐膛溫度場進行了重建。由于空間的限制，測量路徑有限，重建后的溫度分布空間分辨率不高，不利于觀察和運行調(diào)整，于是對重建結(jié)果進行3次樣條插值，得到平滑后的溫度分布。圖8為實驗過程中鍋爐滿負荷運行時所成的不同時刻的典型的溫度分布圖。從圖6中的負荷曲線可以看出，該時間段內(nèi)鍋爐運行相對比較穩(wěn)定，圖8中鍋爐溫度場分布基本是前、后墻靠近燃燒器上方的位置溫度較高，重建結(jié)果符合預期。

Fig.7 Result of linear regression

5 結(jié) 論

將激光吸收光譜技術(shù)應用于電站鍋爐的溫度場測量和重建，在最高蒸汽量為61kg/s全燒煤氣的鍋爐上布置3×3條測量路徑形成測量網(wǎng)格。選擇1.5μm的一對H2O譜線，利用TDLAT測量方法，實現(xiàn)了電站鍋爐爐膛溫度場的直接測量和重建。計算得到爐膛溫度和總蒸汽流量的相關系數(shù)為0.91，證明了可將溫度作為燃料投入量的表征。應用回歸分析，得到爐膛溫度和負荷的關系，提出可將溫度作為鍋爐積蓄的實時總能量的判斷，避免超調(diào)。重建的溫度場符合爐膛實際溫度分布，有利于鍋爐調(diào)平。與其它吸收光譜技術(shù)在鍋爐尾部煙道或者抽取式的測量方法相比，有更直接、快速的優(yōu)勢，更有利于為燃燒優(yōu)化控制。實現(xiàn)了真實鍋爐爐膛的非接觸式實時2-D溫度場、濃度場重建，為進一步研究電站鍋爐燃燒優(yōu)化提供了參考。