杜恩同
（大唐黄岛发电有限责任公司 山东青岛 266500）
摘要：目前，火力发电机组如何优化燃烧、提高锅炉燃烧效率是锅炉燃烧系统研究的重要课题。传统的氧量和一氧化碳测量、公式计算修正推算炉膛内部火焰状况的方法本身就存在较大偏差，以此来进行的燃烧优化控制效果不佳。本文根据新型燃烧优化系统实际应用情况，介绍了火电厂在燃烧过程中如何通过激光直接测量炉膛内部火焰相关参数，并以此为基础，借用CAT技术计算生成炉膛火焰的二维分布，然后经过一系列计算控制，及时调整燃烧系统，提高锅炉燃烧热效率。
关键词：锅炉燃烧；激光测量；模糊控制；燃烧优化控制
1 引 言
在当前的电力市场环境下，发电厂需要长期在最大收益的工况下运行，而燃煤锅炉具有极大的潜力。结合当前电力市场的形式以及煤种的变化，为了提高锅炉效率，提高机组的节能减排能力，需对燃烧系统进行优化。在火力发电成本中，燃料费用一般要占70%以上，提高锅炉燃烧系统的运行水平对机组的节能降耗具有重要意义。同时，发电企业面临竞价上网的电力市场竞争，由于能源紧张导致燃煤价格上涨，进一步加大了发电企业的生产成本。
目前对于燃煤电厂来说，汽机侧的研究已经比较透彻，而锅炉相对来说还有很多未知的因素，所以锅炉的燃烧优化具有比较现实的意义，它能够有效提高机组运行效率，降低发电成本，并能够降低锅炉污染物的排放。
2 传统燃烧优化项目方案
目前实现燃烧优化的方法与手段主要是缺乏炉膛燃烧区域、火焰中心的直接数据，也就是温度以及O2、CO的浓度值。具体来讲，对于切圆型火焰锅炉，炉膛内O2、CO的浓度分布是否均匀，炉膛顶部出口烟温的波动变化，都会影响到动态风/粉比的调整、飞灰含碳量的高低、NOx排放水平以及锅炉热效率。而依靠传统的测量仪表如氧化锆探头、CO探头无法在炉膛燃烧区域直接测量，因为它们在摄氏1500 ℃的炉温下都会熔化。
目前现有的做法是在锅炉尾部烟道、空气预热器附近安装氧化锆、CO探头，获取间接数据，再结合热力试验、经验公式修正、推算出炉膛燃烧区域的温度以及O2、CO的浓度分布。由于炉膛漏风、氧化锆仪表的随机误差以及其它锅炉缺陷，这种估算值与实际值存在很大偏差，锅炉燃烧优化系统采用这种有很大误差的数据后，必然导致优化效果大打折扣。而当煤质等边界条件发生变化时，就可能会导致系统不能正常运行。国内在5-10年前有一批采用上述原理的燃烧优化项目，都由于种种原因没有能够很好的投入使用。
3 基于激光测量的燃烧优化方案
本次研究的燃烧优化应用的测量技术采用可调二极管激光吸收光谱法测量技术，在炉膛中直接测量炉膛燃烧区域的温度、O2及CO的浓度值，然后运用基于模糊控制、闭环控制和神经网络控制结合的现代控制算法进行优化控制。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
基于激光测量与现代控制算法的燃烧优化采用的技术和传统方式不同，在测量方面能够采用可调二极管激光吸收光谱法测量技术在炉膛中直接测量炉膛燃烧区域的温度，O2、CO的浓度值，借助CAT技术（计算机辅助断层扫描），一种来自于医学技术领域的标准成像方法，利用测量得到的路径均值计算温度和浓度分布并产生一个二维分布。得出整个炉膛中相应的温度，O2、CO分布，最后采用基于模糊控制、闭环控制和神经网络控制结合的现代控制算法，依据建立的锅炉燃烧模型调整锅炉的燃烧，达到整体优化的效果。同时，运行人员能够实时观察到炉膛中燃烧的情况，准确了解燃烧动态，根据锅炉的负荷和煤种，实时优化锅炉配风、配煤燃烧运行方式，指导锅炉燃烧调整，提高锅炉燃烧运行效率，降低发电煤耗，同时减少烟气的NOx排放，实现锅炉的经济环保运行。
燃烧优化控制系统由激光测量诊断系统和模糊控制，闭环控制和神经网络控制结合的现代控制算法的燃烧优化计算软件包构成。本次燃烧优化激光测量采用一种被称为可调谐二极管激光可吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）的技术，这种技术的原理在于每种气体分子都有独一无二的光谱吸收特性。针对炉内气体的测量原理是：特定波长的激光在穿过炉膛过程中，光量会被相应的气体吸收。系统测得未被吸收光量P与被吸收光量Pabs。P与Pabs 之间的比率值P/Pabs.与气体浓度成函数正比关系。
P与Pabs 之间的比率值P/Pabs.与气体分子的浓度成正比关系，与穿过炉膛的光量无关。系统测量也不受炉膛内灰分的影响。整个测量系统工作中无需插入探头、定期校验、气体取样，属于免维护的系统。
激光测量系统中采用电信行业标准、适合于锅炉工业应用的激光发生器，根据不同被测对象将激光波长调谐到特有的吸收峰值。不同频率、波长的激光耦合于同一根光纤，然后发出激光束，使之穿过炉膛。激光从发射器射出，接收器在炉膛的另一端接受激光。接收器采集光线后将其送回控制柜，由控制柜计算出未被吸收光量与被吸收光量之间的比率，从而确定被测气体的浓度。
每条激光路径可以同时测量O2、CO、CO2气体以及水蒸汽的浓度，还有温度。通过在炉膛的一个或多个不同高度层面以网格形式布置多条路径，经过复杂的数学逻辑运算，取路径的平均值，计算并生成炉膛燃烧截面的气体浓度与温度剖面分析图，其原理与医学CT扫描仪的成像原理相同。一套测量系统一般安装12条激光路径，可以同时绘制多个气体浓度、温度剖面分析图。同时，实时测得的O2、CO、CO2浓度与温度场数据传输至DCS与燃烧优化系统，参与实时燃烧优化计算与控制。
O2，CO，H2O和 CO2浓度数据采集完毕后，借助CAT技术，利用测量得到的路径均值计算温度和浓度分布并产生一个二维分布。
基于结合的燃烧优化软件包在燃烧优化软件包方面，结合了模糊控制、闭环控制和神经网络计算，采用模糊控制为主，辅助与常规闭环控制PI控制器，神经网络自适应调整的优化控制算法，既保证了控制准确性，既保证了控制的稳定性和安全性。
对于需要控制的变量如炉膛右角温度和CO，根据模糊控制器的设计和机组锅炉燃烧的情况设计出模糊化规则，然后根据锅炉模型和模糊控制规则进行相应计算处理，得出相应的输出部分控制指令，再结果反模糊化的过程转化为相应的执行机构调节指令，实现锅炉燃烧的控制，去调节锅炉的整体燃烧和控制各个指标。
4 总结
本次燃烧优化解决方案的研究使用中主要解决以下关键和难点：
1、基于可调谐二极管激光可吸收光谱的激光探测技术已经是一个成熟的技术，但是如何在我厂锅炉上成功运用是一个需要注意的问题.主要是由于锅炉处于燃烧运行状态时，存在一定的震动，而激光的发送端和接受端如何能够有效的实现准确对接，保证测量的稳定性和准确性，尤其需要注意。
2、准确建立锅炉燃烧优化模型.对于四角切圆的锅炉，需要考虑到不同负荷时不同层和燃烧器对于锅炉燃烧的影响。实现在部分负荷和满负荷时都能正常的优化运行。
参考文献：
[1]盛塞斌. 控制设备及系统[M]. 武汉：武汉大学 山东黄岛发电厂编制，2006.
[2]王鸿懿. 热工控制系统及设备[M]. 北京：中国电力出版社，2009.
作者简介：
杜恩同（1987.05），男（汉族），山东青岛人，毕业于华北电力大学，助理工程师。研究方向为热工自动控制，锅炉燃烧优化控制。
论文作者:杜恩同
论文发表刊物:《河南电力》2018年15期
论文发表时间:2019/1/22
标签：炉膛论文; 锅炉论文; 测量论文; 激光论文; 浓度论文; 系统论文; 气体论文; 《河南电力》2018年15期论文;