200MW鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的技術(shù)研究應(yīng)用

郭月蘭 楊東暉/北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司烏海熱電廠

200MW鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的技術(shù)研究應(yīng)用

郭月蘭 楊東暉/北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司烏海熱電廠

爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布是反映燃燒過(guò)程的重要參數(shù)，直接影響到鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文介紹了北方聯(lián)合電力烏海熱電廠200MW鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)的技術(shù)研究應(yīng)用，保證燃煤電廠節(jié)能環(huán)保、安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

燃燒優(yōu)化；系統(tǒng)；研究應(yīng)用

一、概述

爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布是反映燃燒過(guò)程的重要參數(shù)，直接影響到鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。燃燒調(diào)整不好或者燃燒不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致鍋爐熱效率下降，產(chǎn)生更多的污染物、噪聲等，在極端情況下可能引起鍋爐爐膛滅火，甚至誘發(fā)爐膛爆炸造成事故。另外，準(zhǔn)確有效的燃燒調(diào)整及燃燒優(yōu)化需要有可靠的溫度場(chǎng)信息，因此，爐內(nèi)溫度場(chǎng)的測(cè)量對(duì)于鍋爐運(yùn)行診斷和控制具有極為重要的意義。因此，研究基于聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)的爐內(nèi)溫度場(chǎng)可視化，為火力發(fā)電廠鍋爐燃燒提供參考和指導(dǎo)，具有重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景。

二、技術(shù)方案

傳統(tǒng)的熱電偶和火焰電視等技術(shù)也都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。聲學(xué)測(cè)溫作為一種非接觸式高溫測(cè)量方法，能夠得到大量溫度信息而投入要求較低，不受外部條件的影響，適應(yīng)各種高溫、腐蝕、多塵的惡劣環(huán)境，給出整個(gè)爐膛溫度場(chǎng)的各部分準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，能夠?qū)t膛溫度場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。本項(xiàng)目主要研究技術(shù)改造內(nèi)容如下：

⑴設(shè)計(jì)強(qiáng)背景噪聲下，合適的滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求的聲波信號(hào)和聲波強(qiáng)度的聲源；

⑵保證每條聲學(xué)測(cè)溫路徑上的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；

⑶實(shí)現(xiàn)爐膛二維截面溫度場(chǎng)平均溫度和幾個(gè)主要區(qū)域溫度的的實(shí)時(shí)在線重建和可視化。

1.聲傳播特性研究。針對(duì)電站鍋爐的大尺度，高濃度，強(qiáng)衰減特性，在理論分析煙氣中聲衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)不同聲學(xué)測(cè)點(diǎn)布置方式下的測(cè)溫平面熱態(tài)聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，優(yōu)化測(cè)點(diǎn)的收發(fā)結(jié)構(gòu)和布置方式。采用聲線追蹤技術(shù)，研究鍋爐未運(yùn)行工況下的空間聲場(chǎng)特性。采用小波爐膛聲特性提取技術(shù)，對(duì)鍋爐熱態(tài)背景噪聲進(jìn)行研究。

2.聲波時(shí)間延遲估計(jì)研究。準(zhǔn)確的聲波飛渡時(shí)間測(cè)量時(shí)聲學(xué)測(cè)溫的前提和保證，對(duì)于大型電站鍋爐機(jī)組來(lái)說(shuō)，爐膛空間大，噪聲環(huán)境強(qiáng)，這給聲學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)量帶來(lái)了更大的困難。因此，針對(duì)大型電站鍋爐機(jī)組的爐膛聲學(xué)測(cè)量環(huán)境，必須找到精確的時(shí)延估計(jì)算法，以期在信噪比更低的環(huán)境中測(cè)得準(zhǔn)確的聲波飛渡時(shí)間。專(zhuān)門(mén)對(duì)提高時(shí)延估計(jì)算法的精度和穩(wěn)定性展開(kāi)研究?；诨净ハ嚓P(guān)的時(shí)延算法，分別對(duì)不同聲源位置、聲壓級(jí)、聲波導(dǎo)管及指向性、混響和噪聲等主要影響因素下的時(shí)延估計(jì)進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)研究。

3.溫度場(chǎng)重建中的逆問(wèn)題求解研究。在爐膛截面布置多個(gè)聲學(xué)測(cè)點(diǎn)，以獲得多條路徑上的聲波飛渡時(shí)間，由少量數(shù)據(jù)重建更大截面場(chǎng)信息的算法研究成為該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于工程應(yīng)用中的濾波反投影、代數(shù)重建等方法，加入爐內(nèi)火焰溫度場(chǎng)的信息，實(shí)現(xiàn)少量數(shù)據(jù)重建溫度場(chǎng)。并在烏海熱電200MW機(jī)組上進(jìn)行研究應(yīng)用。

下圖為典型的2個(gè)發(fā)射點(diǎn)，2個(gè)接收點(diǎn)，鍋爐爐膛溫度測(cè)量系統(tǒng)配置圖。

圖 典型的爐膛溫度測(cè)量系統(tǒng)配置圖（4發(fā)，8收）

通過(guò)測(cè)量得到4條路徑上煙氣的平均溫度，再經(jīng)計(jì)算機(jī)特殊算法處理得到爐膛溫度場(chǎng)分布，并在電子間工業(yè)顯示器上呈現(xiàn)出來(lái)，指導(dǎo)運(yùn)行人員操作。

4.聲學(xué)測(cè)溫的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)大型電站鍋爐爐膛內(nèi)的更強(qiáng)背景噪聲進(jìn)行分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得出爐內(nèi)本底噪聲，在此基礎(chǔ)上確定聲波信號(hào)的頻率和強(qiáng)度范圍。開(kāi)發(fā)一套完整的聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)，包括硬件和軟件系統(tǒng)。并在烏海熱電廠的200MW機(jī)組上進(jìn)行安裝調(diào)試。

5.主要技術(shù)難點(diǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：強(qiáng)背景噪聲條件下的聲源設(shè)計(jì)；單路徑條件下的聲波時(shí)間延遲估計(jì)算法研究；基于多路徑聲學(xué)測(cè)溫路徑的爐膛溫度場(chǎng)可視化的技術(shù)。

以該廠200MW機(jī)組為例，應(yīng)用到該機(jī)組的鍋爐綜合監(jiān)測(cè)與控制中去，大大提高機(jī)組運(yùn)行的安全性，每年可以從以下幾個(gè)方面來(lái)獲得上百萬(wàn)的收益：

（1）利用溫度場(chǎng)信息，指導(dǎo)鍋爐燃燒運(yùn)行，提高燃燒效率，降低發(fā)電煤耗，提高鍋爐熱效率。

（2）通過(guò)溫度場(chǎng)信息，觀察火焰中心是否偏斜，及時(shí)調(diào)整，防止水冷壁局部過(guò)熱和超溫。防止?fàn)t管磨損，每年節(jié)省換管費(fèi)用。減少因爆管造成非計(jì)劃停機(jī)，因檢修的損失電量帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

（3）取代現(xiàn)有的爐膛煙溫探針，節(jié)省維護(hù)和管理費(fèi)用。

三、結(jié)論

從安全性的角度講。大容量電站鍋爐水冷壁、過(guò)熱器和再熱器是工作在最?lèi)毫訔l件下的受熱部件，當(dāng)工作條件與設(shè)計(jì)工況偏離或設(shè)計(jì)上存在不足時(shí)，就容易發(fā)生超溫爆管事故，影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。聲學(xué)法可以通過(guò)在爐膛出口或者水平煙道易超溫區(qū)域布置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)，直接進(jìn)行截面二維煙氣溫度場(chǎng)測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)過(guò)（再）熱器局部超溫的監(jiān)測(cè)，具有很好的應(yīng)用前景。

第一，可以保證鍋爐運(yùn)行安全性，避免火焰中心偏斜等事故發(fā)生，減少非計(jì)劃停機(jī)。第二，可以提高鍋爐燃燒效率，節(jié)能降耗，優(yōu)化燃燒器風(fēng)煤比，實(shí)現(xiàn)平衡燃燒，提高經(jīng)濟(jì)效益。第三，通過(guò)調(diào)整溫度場(chǎng)分布，使得水冷壁免受熱應(yīng)力沖擊，預(yù)防水冷壁管爆管，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。第四，通過(guò)爐膛煙氣溫度是否升高，來(lái)判斷鍋爐水冷壁吸熱量是否減小，診斷和預(yù)防爐膛結(jié)焦。最后，通過(guò)可視化的溫度場(chǎng)分布信息，運(yùn)行人員可及時(shí)消除或避免燃燒區(qū)域的溫度過(guò)熱，避免N2和O2在高溫條件下生成NOx，減小環(huán)境污染，降低NOx排放。

從經(jīng)濟(jì)性的角度講。在火力發(fā)電成本中，燃料費(fèi)用一般要占70%以上，提高鍋爐燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行水平對(duì)機(jī)組的節(jié)能降耗具有重要意義。鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)能夠有效提高機(jī)組運(yùn)行效率，降低發(fā)電成本，顯著降低鍋爐污染物的排放，并能夠監(jiān)督保障鍋爐的安全運(yùn)行。