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摘要：炉膛温度在线实时监测及燃烧优化控制技术对大型火力发电机组实现节能减排、超净排放，以符合国家大气污染防治及环保十三五规划方面具有重要意义。本文阐述了当前大型火力发电机组常用的基于锅炉炉膛温度在线监测装置及其燃烧优化控制的应用，在工程调试、应用基础上对各系统配置、控制优化效果进行讨论分析，总结出该技术在今后需要解决的问题和发展方向。
关键词：炉膛温度；在线监测；燃烧优化；激光法；声学法；光学辐射法
引言
炉膛温度分布是反映锅炉燃烧状况的一项重要参数，准确的炉膛温度分布数据是锅炉燃烧、运行优化以及故障诊断的重要依据，而基于炉膛温度在线监测的燃烧优化控制是火电厂经济、安全运行的重要手段。基于准确的炉膛温度分布数据进行燃烧优化控制不仅可以提高锅炉的燃烧效率，降低噪声，保证锅炉的安全运行，还可以降低污染物的排放。
1 主要炉膛温度在线监测方案介绍
目前国内应用的炉膛温度在线监测系统主要基于激光光谱法、声波测量法以及光学辐射法。其中激光光谱法与声波测量法在大型火电机组中应用较为广泛。
1.1基于激光法的炉膛温度在线监测方案
基于激光法的炉膛温度监测装置将不同频率与波长的激光耦合在同一根光纤中，通过激光发射器发出激光束穿过炉膛，在炉膛另一端的接收器接收激光，并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。不论锅炉工况与煤质如何变化，每条激光可同时测量穿过该光束的O2、CO、CO2、H2O等气体组分的浓度和温度。通常在炉膛的一个层面以网格形式布置多条激光束，取光束路径的平均值，将这些数据经过数学逻辑计算生成炉膛燃烧截面的气体浓度与温度剖面分析图。
基于激光法的炉膛温度监测装置的优点是除炉膛烟气温度外，能同时测得各种气体组分的浓度。缺点是每条激光束只能分析其路径上的介质参数，如果要全面监测大型锅炉炉膛温度分布情况，就需要设置较多的大功率激光发射器和接受点，且运行过程中需要较为频繁地对激光探头进行清理和对准调校，因此该类系统建设及维护成本相对较高。
1.2基于声学法的炉膛温度在线监测方案
声学法测温原理主要基于声波在特定介质中的传播速度随温度的变化而变化，且传播速度与介质温度间的关系表现为固定单值函数。基于声学法的炉膛温度在线监测装置在炉膛对应位置布置声波的收发装置，当声波穿越距离固定时，只要测出声波在烟气中的传播速度，即可分析出声波穿越路径上的平均温度。大型火电机组需在炉膛某一测量平面内布置多套声波收发装置，组成测温路径网络，在一个测量周期内得到不同声波路径上的数据，经信号处理单元按重建算法计算分析出二维平面上炉膛温度分布图。
基于声学法的炉膛温度在线监测装置优点是安装简单，长时间连续运行后系统精度漂移性小，后期维护量和维护成本较低。缺点是该类装置若要测量多个空间位置上的温度分布情况，也需要铺设多层的声波收发装置，并且易受锅炉炉膛内强噪声干扰。
1.3 基于光学辐射法的炉膛温度在线监测方案
光学辐射法是基于火焰图像携带的辐射能水平与炉膛温度分布之间的数学关联函数实现的，通过采用CCD工业摄像机多方位摄取炉膛火焰的数字化视频信号，并借助光学理论、计算机图像处理算法，计算分析出炉膛内部温度分布的量化数据。
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基于光学辐射法的炉膛温度在线监测方案的技术难点在于选用合理的模型和算法进行炉膛温度场的重建，不同的算法所得到的结果精度差别较大，且国内燃料煤种复杂，炉膛中高温粉尘和熔渣等对火焰图像采集及处理会产生较大影响，摄像头的冷却与防灰也会消耗大量的压缩空气。目前该类系统使用业绩相对较少。
2 基于炉膛温度在线监测装置的燃烧优化技术的发展
传统的燃烧优化理念是通过检测烟气含氧量得到过剩空气系数，在此基础上调节维持理想的风煤比或烟气含氧量，从而提高锅炉及机组的效率，这种控制往往是与机组负荷控制和热力参数控制脱节的，不易在线实时、快速实施。此外，近年来由于炉内低氮燃烧技术的实施，空气被分散到全炉膛参与燃烧过程，烟气含氧量不再是燃烧优化的主要参考指标。随着炉膛温度在线监测技术的不断进步，为炉膛温度分布实时数据参与在线燃烧优化控制提供了可靠依据，因此基于炉膛温度分布数据的燃烧优化技术得到较快发展。其应用主要体现在以下几个方面：
1）有效监控并调节炉膛出口温度，防止出口温度过高导致过热器结焦和管壁超温；
2）矫正燃烧不均衡，及时发现并修正两侧烟温、汽温的偏差， 防止烟气偏向一侧导致该侧水冷壁磨损、结焦和局部过热；
3） 控制火焰中心高度，使煤粉在炉膛内充分并均匀燃尽，确保热量合理分配。
4）为优化燃烧控制系统提供更直接判据，使优化系统更具可操作性，提高燃烧效率， 优化风煤比，将过量空气系数降低至合理范围内；
5）防止出现局部火焰过热，降低NOX生成，进一步降低污染物排放。
3 基于炉膛温度在线监测装置的燃烧优化技术的主要应用
基于激光法的炉膛温度在线监测及燃烧优化技术目前在国内外已有100多套的应用业绩，锅炉容量从150MW到1000MW不等，主要在欧美国家应用较多，国内采用该技术的电厂有华能日照发电厂、大唐黄岛发电厂、国电石横发电厂。以国内600MW机组为例，采用该优化系统后，锅炉效率可提高约0.3%，年节约电煤约5000吨，有效降低辅机电耗并年节约厂用电费100多万元， NOX排放有效降低约15%。从国内应用经验看，基于激光法的炉膛温度在线监测装置的激光发射器和接受器容易对不齐而影响接收监测信号，分析原因主要是锅炉启动阶段因本体膨胀造成的，因此在设计阶段应注重激光探头自动对齐调校的功能，在机组启动调试阶段采用自动和人工手动干预来解决启动阶段的膨胀干扰基于声波法的炉膛温度在线监测及燃烧优化技术目前在国内外均比较成熟且应用广泛，国内采用该技术的电厂有国华宁海电厂、铜川电厂、华能大连电厂以及华能莱芜电厂。以国内300MW机组为例，采用该优化系统后，降低发电煤耗约1.0克，提高锅炉燃烧效率约0.3%。从国内应用经验看，基于声波法的炉膛温度在线监测及燃烧优化系统易受炉膛内强噪声干扰，在设计、安装及调试过程中，一方面从硬件收发器布置上确保声波在各个传播方向上均匀分布，使处于对角等较远位置的声波传感器也能接收到较强的声波信号，另一方面要进一步对测温信号进行比较选择，选用具有抗干扰性更好的信号，从而提高在背景噪声中提取测温信号的能力。
4结束语
随着国家对节能减排、超净排放要求的不断提高，以及国内已采用基于锅炉炉膛温度在线监测装置的燃烧优化控制系统的电厂陆续取得良好的经济效益，该技术会引起电力行业越来越多的重视和应用。目前已应用的优化控制都是基于炉膛某个监测平面的二维温度分布数据来指导燃烧控制，今后随着炉膛在线测温技术的进一步发展，实现炉内三维温度场优化分布以及基于锅炉多燃料量、多风量输入系统且各个输入量独立优化控制策略的燃烧优化控制是今后的重点研究方向。
参考文献
[1]庄荣，朱斌帅. 发电厂锅炉炉内温度场在线测量技术研究综述. [J].发电技术 2010.
论文作者:国新毅,卢伟
论文发表刊物:《电力设备》2015年第11期供稿
论文发表时间:2016/4/26
标签：炉膛论文; 在线论文; 温度论文; 声波论文; 锅炉论文; 激光论文; 装置论文; 《电力设备》2015年第11期供稿论文;