激光测量在电站锅炉燃烧优化中的应用

李应保，王东风

（华北电力大学 控制与计算机工程学院，保定 071003）

随着国家节能减排政策的不断推广，工业领域都在积极探索节能环保的措施和方法[1]。发电厂作为能源消耗和污染排放的大户，担负着降耗减排的重任，主要的方法就是对煤粉、油气等化石资源的燃烧实施优化和调节，使锅炉内的燃烧始终处于最佳状态，同时控制烟尘、二氧化硫和氮氧化物[2]等污染物的排放。

激光测量是近几年兴起的一种非接触测量技术，在很多工业现场得到成功应用。例如，应用激光的准直性可以在汽车制造工程中对零部件的尺寸进行测量，还可以对汽车的轮胎和引擎等重要器件进行无损检测[3]；在纺织工业应用激光进行验布，检测织物的起球、毛羽及其粗糙度并可以控制衣物的印染过程[4]；在煤场可以用激光进行盘煤，测量出煤堆的总体轮廓进而得出煤场中的煤储量[5]。

本文讨论了激光测量的原理和激光测量系统的安装方案，重点论述了激光测量系统在AEP（美国电力公司）的约翰·阿莫斯电站3号机组投运情况和在燃烧优化上的应用效果，最后总结出相应的结论。

1 电站锅炉燃烧优化的发展现状

电站锅炉的燃烧优化是一项复杂的系统工程。它涉及的研究领域较广，像流体力学、系统建模和数字通信等。它运用的理论和技术也比较先进，包括先进的测量技术、智能优化算法和图像处理等。电站锅炉燃烧优化技术主要分为3个应用层次[6]。

第一个应用层次是从锅炉燃烧设备的改良和创新的角度出发的燃烧优化。对传统燃烧器的改进可以提高煤粉的燃烧效率和对氮氧化物生成的有效控制，像新机组安装的旋流式低氮燃烧器[7]。第二个应用层次是指应用精准的测量技术对锅炉的燃烧状态进行实时监测和优化。测量技术作为燃烧优化的辅助工具，为实施优化决策提供可靠的信息，协助运行人员将燃烧调整到最优状态。该层次的适用范围广，对锅炉燃烧优化的作用突出，已经成为目前市场上燃烧优化技术的主导[8]。第三个应用层次是基于人工智能理论的先进优化方法[9]，该方法以第二个应用层次的测量技术作为支撑，建立锅炉燃烧的动态模型，并利用先进的优化算法计算出当前工况下的锅炉最佳控制参数，最后将计算结果上传至DCS，形成一个闭环的控制过程。近几年，该优化方法得到广泛研究，国外已有相应的产品问世，在国内此项技术仍处于研究和试验阶段。

燃烧设备的改进和安装对新建机组的燃烧优化意义重大，但对于已投运的旧机组而言，燃烧设备的改造要花费大量的资金和时间，很少被采用。基于测量技术的燃烧优化方法和基于人工智能的燃烧优化方法关联性很强，不论燃烧优化的方法如何发展，测量技术始终是锅炉燃烧状态监测的重要手段，测量技术的发展和进步也能带动其他优化方法的进步。

2 激光测量的原理

传统的炉膛火焰温度测量是采用热电偶测温法，此方法只能测量锅炉内某一点温度，而且探头容易被高温火焰烧坏，所以不能实时准确地指导燃烧的调整和优化。可调谐二极管激光吸收光谱TDLAS（tunable diode laser absorption spectroscopy）测温技术[10]解决了在电站锅炉炉膛内温度实时测量和建立炉内温度场的难题，TDLAS技术不仅可以测温，还可以测量炉膛内燃烧气体成分的浓度，比如氧气、水和一氧化碳，提供了丰富的燃烧状态信息，对锅炉燃烧优化的施行具有重要意义。

2.1 炉膛火焰温度的激光测量原理

激光测温原理是通过在可调波长段上的谱线吸收面积A（如图1所示）的比值和温度的函数关系得到激光测量路径上的平均温度。可调谐二极管激光器在锯齿波电流调谐下产生一段波长为λ0～λmax线性周期变化的激光，激光被某些分子吸收后，会在该段波长中获得吸收谱线的形状和位置。激光穿过路径上的平均温度与任意2条谱线强度之比存在函数关系，通过求出谱线强度比来得出该路径上的平均温度。

图1 分子在可调波长段上的吸收谱线Fig.1 Absorption spectra of molecules on tunable wavelengths

某分子vi的吸收谱线强度Svi（T）是关于温度的函数，满足式（1）：

式中：Svi（T0）为参考温度T0=296 K下被测吸收谱线的强度，可以通过高分辨率分子透射吸收（HITRAN）数据库获得；h为普朗克常数；c为光速；k为玻尔兹曼常数；E″为吸收谱线跃迁的低能级能量；Q（T0）和Q（T）分别为被测气体在T0和T下的配分函数，在HITRAN数据库通过Fortran程序计算得出。

2条吸收谱线强度的比值R可表示为

根据式（2）可以得到激光路径上的平均温度T为

理想的吸收谱线应该为直线段，但由于粒子散射、多普勒效应等影响，吸收谱线会以最大吸收波长为中心加宽，所以用谱线在波长上的吸收面积来代替式（3）中谱线强度S。

2.2 高温气体成分浓度的激光测量原理

激光测量技术可以准确地测量高温气体成分的浓度，原理是根据所测气体的吸收光谱图，从HITRAN数据库[11]获得该气体特征谱线的吸收系数K，利用光吸收基本定律——朗伯-比尔定律[12]便可以求出所测气体的浓度值C。

激光在传播过程中，激光强度的衰减遵循朗伯-比尔定律：

式中：Pt为激光透过被测环境的强度；P0为激光的入射强度；K为吸收系数（cm2/mol）；N为待测气体分子数（mol/cm3），N=p/kT，k 为玻尔兹曼常数；L 为吸收路径长度（cm）；Svi（T）为分子 vi在温度 T 时的谱线强度（cm/mol）；Φ（v）为谱线线型函数，常用的有洛伦兹型（Lorentz），沃科特型（Voigt）和高斯型（Gauss）。

激光光谱测量技术与HITRAN数据库结合，可以通过智能仪表或虚拟仪器分析并计算出气体浓度值[13]。以氧气浓度测量为例，图2所示为氧气在温度为296 K，压力为101.325 kPa（一个标准大气压）的环境下吸收谱线强度与波长的关系。

将激光的频率调节到波长为1250～1270的窄频段，从激光的接收端可测得未被氧气吸收的光强Pt（即透射光强）。假如锅炉炉膛内的温度T和压强P为已知条件，则氧气的吸收系数K可以从HITRAN数据库中查询得到，另外激光在炉膛中传播的距离L也是已知的，通过朗伯-比尔定律可以得到氧气气体分子数N（mol/cm3）的表达式：

图2 氧气的吸收谱线强度与波长的关系Fig.2 Relationship of oxygen’s absorption line intensity and wavelength

将气体分子数N转化为氧气的质量浓度Cm（mg/m3）：

式中：M为氧气分子的摩尔质量（g/mol）。

3 激光测量系统在燃烧优化中的应用

炉膛温度是锅炉燃烧中的一个重要参数，它直接反映炉膛燃烧的状态，是电站锅炉燃烧优化执行的重要参考依据[14]。其他一些重要的炉膛参数（比如炉内氧气浓度、一氧化碳浓度等）也是影响电厂运行安全和经济性的重要参数，它们反映了炉膛燃烧是否均衡以及燃料的质和量的变化情况等，对于实时监控、诊断和控制煤粉在锅炉炉膛中的燃烧状况具有重要的意义。

如图3所示，激光测量系统由控制柜、光纤传输线、可调谐二极管激光器和监视器等几个重要部件组成。控制柜负责激光信号的调制和发送并分析处理接受到的激光信号，上位监控计算机对测量结果进行分析和显示，以供运行人员实时监控锅炉内燃烧的状态，另外，上位计算机还可以作为OPC服务器被客户端访问，将测量参数上传到DCS，最后由DCS完成燃烧优化调整的指令。

图3 激光测量系统的组成Fig.3 Components of laser measurement system

图4所示的激光器安装固定在锅炉炉膛外侧，仅需在炉膛水冷壁管道缝隙中开4 cm×4 cm的口即可，安装方便，每对激光器都具有自动对焦功能，不需要复杂的校正过程。

图4 激光器实物Fig.4 Laser physical installation diagram

激光测量系统可以容纳多条激光测量路径，多条路径在炉膛截面上构成一个网状的结构。

图5所示为燃烧方式为前后墙对冲型和四角切圆型锅炉的激光测量系统的安装示意图。在炉膛折焰角下方的截面上安装激光测量网可以监测炉膛内燃烧的整体状态和火焰中心的位置，在烟道尾部的省煤器后和炉膛顶部各安装几条测量路径，目的是测量尾部烟气和过热器区域的重要参数。

图5 激光测量系统在锅炉炉膛内的布局Fig.5 Laser measurement system’s layout in the furnace

图6所示为约翰·阿莫斯电站3号机组某工况下炉膛重要参数的二维分布信息。该锅炉是前后墙对冲燃烧方式，激光测量系统安装在炉膛折焰角下方5 m处横截面上，从图6（a）的温度场和图6（b）的氧量场可以判断该工况下炉膛内火焰有向前墙倾斜的趋势，从而造成前墙的温度比后墙温度高，经过分析，原因是后墙第二个燃烧器（从左到右）的出粉量和送风量过高，对前墙的冲击过大，而且粉煤与空气得不到较好的混合，燃烧不充分，该区域表现为温度偏低，氧气偏高。通过调整前后墙送风和燃料的偏置量，可以达到平衡燃烧、降低多余的氧气、提高燃烧整体效率、减少氮氧化物排放的效果。

图6 某运行工况下的炉膛内参数信息Fig.6 Furnace parameter information in operating status

表1为是该机组投入激光测量前后燃烧优化指标的对比结果。

表1 机组投入激光测量前后优化指标对比Tab.1 Comparison of optimization indicators of putting into the laser measurement

从表1的统计结果可以看出，投入激光测量系统后，锅炉效率得到提高，能源的利用率提高；有效控制了炉膛内氮氧化物的生成量，使机组脱硝系统的投入成本减小；通过控制炉膛内的氧量，降低了过量空气指数，减少了送风机的耗电量；除此之外，激光测量系统对火焰的有效监控使炉膛内结渣和超温现象次数降低，减少了机组非计划停机次数，延迟了锅炉寿命。可见，激光测量结果可以帮助运行人员迅速监测出锅炉炉膛内燃烧的不平衡现象和燃烧器、水冷壁的故障，对进行燃烧的优化调整和燃烧设备的故障诊断具有重要意义。

4 结语

激光测量技术作为新型的测量技术，已经成功应用到工业领域的多个场合。将激光测量技术应用到电站锅炉炉膛参数测量上，并进一步指导完成锅炉的燃烧优化，从电站的实际应用结果可以得出，激光测量具有精度高、实时性好、安装方便等多个优点，测量结果指导锅炉运行人员有效地控制炉膛内火焰的分布和氧量的分布，提高了燃烧效率，降低了氮氧化物排放，还避免了炉膛水冷壁和过热器等管束的结渣和超温的发生。激光测量技术可适应于高温、多灰尘的电站锅炉的测量使用，比传统的热电偶，红外灯测温技术更有优势。可以预测激光测量技术在电力、钢铁和化工等工业生产领域具有广阔的应用前景。

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