基于声波测温的电站锅炉燃烧优化控制系统

基于声波测温的电站锅炉燃烧优化控制系统项目建议书华北电力大学一目前电站锅炉燃烧系统存在的问题1.1 共性问题1.1.1 两对矛盾需要解决①锅炉效率()与污染排放(NOx)之间的矛盾当我们追求高的锅炉效率的时候，势必要使煤粉在炉充分燃烧。

要达到这一目的，则需要提高炉燃烧温度以及使用较高的过量空气系数，而这两方面都会增加污染的排放。

反之，则锅炉效率较低。

炉的高温燃烧还会带来水冷壁结渣等事故的发生。

因此需要在两者之间做出最佳的折中选择。

②锅炉排烟热损失()和机械未完全燃烧热损失()之间的矛盾对于锅炉效率影响最大的两项热损失—排烟热损失()和机械未完全燃烧热损失()—而言，也存在类似的矛盾。

提高炉燃烧温度以及使用较高的过量空气系数，可以降低机械未完全燃烧热损失()，但是排烟热损失()则会随之增加。

因此也需要在两者之间做出最佳的折中选择。

1.1.2 四个优化问题需要解决①锅炉效率()与污染排放(NOx)的联合优化通过寻找最佳的二次风门和燃尽风门组合，建立良好的炉燃烧空气动力场，可以达到锅炉效率()与污染排放(NOx)的共赢。

②锅炉排烟热损失()和机械未完全燃烧热损失()的联合优化通过寻找最佳的烟气含氧量(O2)设定值，可以达到锅炉排烟热损失()和机械未完全燃烧热损失()的共赢。

③汽温控制方案的优化联合调节燃烧器和喷水，尽量使用燃烧器摆角等方式来调节汽温而减少减温水的使用量，可以较大幅度的提高机组热效率。

④防止炉结渣的优化这可以通过以下方法实现：一是寻找最佳的煤粉和二次风门、燃尽风门的组合，调整均衡燃烧，防治火焰偏斜；二是调节炉膛出口温度目标值；三是组织合理的吹灰优化。

1.1.3 炉膛三个参数的测量需要解决①炉膛温度场的测量②炉O2浓度的测量③炉CO浓度的测量炉膛温度、O2和CO与锅炉效率、污染物排放、炉结渣等等关系密切，它同时还反映了燃烧是否均衡以及燃料的质和量的变化情况。

通过炉膛温度测量可以达到a) 监控炉膛出口温度，防止过热器结焦和管壁过热，防止启动时升温太快和烧坏再热器管（干烧），监控炉膛水冷壁的吸热量情况，指导吹灰和调整风量，减少过热器和再热器喷水量（300MW，再热喷水减10t/h，降低煤耗1.91g/kwh）；b) 矫正燃烧不均衡，防止两侧烟温、汽温偏差，防止一侧水冷壁磨损、结焦，防止汽包水位两侧严重偏差，防止局部过热而流渣；c) 提高燃烧效率，均衡风量分配，优化风煤比，降低O2，控制火焰中心高度；d) 降低污染物排放，防止局部火焰过热，降低NOx生成（1482℃时NOX成指数级增加），减少脱硝系统运行成本。

这些参数对于炉燃烧状况的实时监测和诊断具有十分重要的意义。

对于炉膛温度场的测量，在声波测温装置问世之前还一直是个棘手的难题。

而对于炉O2浓度和CO浓度，课题组将计算智能和炉膛温度场、尾部烟道氧量测量等气体分析装置相结合，所研究的相关软测量技术能够达到相当好的精度。

1.2 特殊问题不同的电厂、不同的运行人员或不同的运行水平，带来个不系统的问题，比如：有的厂，二次风的配风长期以来不正常(二次风挡板开得很少，甚至几乎不开)，结果造成排烟处的氧量只有2%-3%，炉燃烧严重缺氧，飞灰、炉渣可燃物增加;还造成主汽温、再热汽温降低、二次风喷嘴烧坏、水冷壁高温腐蚀等一系列的负作用。

有些厂的运行人员人为过多的压风量，造成低负荷下缺氧燃烧这样做的理由是怕熄火，认为风速低一点，风量少一点，有利于燃烧稳定，很多电厂的司炉头脑中都持有这一观点。

有的锅炉主汽温、再热汽温一直偏低，为了提高汽温，抬高燃烧器的倾角，结果造成煤粉在炉停留的时间缩短，机械未完全燃烧热损失增大。

1.3问题的复杂性以上所述表明：在数学上，燃烧系统是一个非线性的、多变量严重耦合的、复杂的问题，对一个目标的调节会矛盾地影响到其它目标的实现，属于多目标的优化问题。

在测量手段上，需要开创性的引入炉膛参数测量设备，给我们的运行人员和优化系统配备一双“火眼金睛”。

在运行方式上，我们需要对燃烧系统重新认识，合理组织燃烧，真正的做到节能减排。

也正是在这种思想的指导下，我们基于课题组在该方面多年的探索、探寻和积累，终于研究开发出全新一代的燃烧优化控制系统。

二本项目实施的目的和意义在火力发电成本中，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，发电企业面临厂网分开、竞价上网的电力市场竞争,由于能源紧导致燃煤价格上涨,进一步加大了发电企业的生产成本。

一方面，就供电煤耗来说，根据中国电力企业联合会2008年的全国300MW机组煤耗评比数据，最佳供电煤耗是301.52g/Kw·h。

300MW机组世界先进水平的供电煤耗是285g/Kw·h。

我国当前供电煤耗相当于发达国家1990 年左右的平均水平。

大部分电厂的发电煤耗还有很大提升空间。

另一方面，我国目前的大气污染状况很严重，氮氧化物、二氧化碳排放量分别居世界第一位和第二位，因此造成了高昂的经济成本和环境成本。

研究表明大气污染造成的经济损失占GDP的3-7%。

造成严重大气污染的主要原因也在于我国以燃煤为主的能源结构，煤炭能源占整个能源的70%左右，大气污染中烟尘和二氧化碳排放量的70%、二氧化硫的90%、氮氧化物的67%来自于燃煤。

截至2006年底，中国环境统计的煤炭消费总量达到了23.7 亿吨，其中火电燃煤量达12.63 亿吨，占总煤炭消费的50% 以上，成为最大的消费途径。

燃煤价格的上涨和污染排放的限制,使国燃煤电站面临着提高锅炉效率与降低污染排放的双重要求，迫切需要面向节能、降耗与降低污染、安全运行的生产过程优化控制与调度方法。

锅炉燃烧优化技术能够有效提高机组运行效率,降低发电成本,显著降低锅炉污染物的排放，并能够监督保障锅炉的安全运行。

三国外在相关领域的研究和应用现状3.1燃烧优化控制的研究和应用现状早在上世纪八十年代末，美国和日本专家就声波测量炉膛烟气温度进行了研究。

声波电站锅炉燃烧是个复杂的物理化学过程,涉及到燃烧学、流体力学、热力学、传热传质学等学科领域任何与燃烧相关参数的检测、与燃烧相关设备的改造,都可以称为燃烧优化,包括DCS控制逻辑的优化、控制模型的设计。

从锅炉燃烧优化技术角度看,锅炉燃烧优化技术可以分为三类:第一类通过在线检测锅炉燃烧的重要参数,指导运行人员调节锅炉燃烧,这类燃烧优化技术目前在国占据着主导地位。

第二类燃烧优化技术是在DCS的基础上,作为锅炉运行的监督控制系统,通过采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术,实现锅炉的燃烧优化随着先进控制和人工智能技术的逐步成熟和在工业上成功的应用,这类燃烧优化技术发展迅猛。

第三类燃烧优化技术在设备层面,通过对燃烧器、受热面等的改造实现锅炉的燃烧优化调整。

上述三类技术在实际中各有优点和应用但其中第二类技术不需要对锅炉设备进行任何改造,能够充分利用锅炉的运行数据,在DCS控制的基础上,通过先进建模、优化、控制技术的应用,直接提高锅炉运行效率,降低NOx排放,具有投资少、风险小、效果明显的优点,因而成为很多电厂首选的燃烧优化技术。

近几年来，随着锅炉燃烧在线检测、诊断技术的发展，许多以前难以测得重要燃烧参数例如炉膛燃烧截面的O2、CO浓度与温度分布值都变成了实实在在、精确的在线数据被送到DCS以及燃烧优化软件。

应用实践证明，第一类与第二类技术的结合可以取得事半功倍的效果。

第一类技术直接服务于第二类技术。

20世纪80年代末期和90年代初期，随着我国电厂“节能降耗”措施的推行，电厂开始普遍关注锅炉燃烧优化技术，通过燃烧优化降低锅炉煤耗，提高火电厂发电效率。

20世纪90年代中期和末期，随着测量技术的发展，许多企业研制开发了一系列重要的影响锅炉燃烧参数的在线测量仪表，如飞灰含碳量在线检测装置、煤粉浓度细度在线检测装置、煤质成分在线检测装置、锅炉火焰监测系统等。

同期，随着人工智能技术的发展，在分散控制系统DCS层面上控制逻辑的优化，先进的人工智能技术在锅炉燃烧优化上应用的研究也开始受到了广大科研人员的关注。

20世纪90年代末期，随着社会对环境的关注，电站锅炉燃烧优化已由最初的以安全性、经济性为目标的优化发展到经济性、安全性、环保并举的时期。

电子信息技术、人工智能技术给电站锅炉燃烧优化注入了新的活力，锅炉燃烧优化技术进入新的快速发展时期。

我国研究电站锅炉燃烧优化技术的高校、研究所、企业、工程公司有近千家，这近千家单位可分为两类。

企业、工程公司为一类，大都从实用角度出发，重点研究开发影响锅炉燃烧参数的测量、监测仪表。

高校、科研院所侧重于从理论角度出发，重点研究新的控制技术在电站锅炉燃烧优化上的应用。

不过这样划分并不绝对。

现在，这样的界限并不是很明显。

高校、科研院所也开始研制影响锅炉燃烧参数检测、监测的产品。

而企业、工程公司也开始关注新的控制技术在锅炉燃烧优化上的应用。

国外的人工智能控制算法已经在电站锅炉燃烧优化上实现了大规模工业应用，取得较好的成绩。

如德国西门子公司的P-3000产品、美国NEUCO公司的CombustionOpt。

但是国外产品对于中国市场来说存在两个方面的问题：一是国外产品不太适应国电厂实际运行情况；二是国外产品价格昂贵，一般在四、五百万甚至千万人民币不等，而且其服务费用高昂，再加上路途遥远导致难以快速响应客户的服务需求。

3.2炉膛温度测量技术的现状和缺点正因为炉膛温度测量如此重要，长期来人们进行了大量研究，开发出了各种不同原理的测量装置，但由于其固有的缺点，应用情况一直不佳，甚至大部分锅炉上至今仍是一个空白，使锅炉燃烧监控失去了一个重要依据。

传统炉膛温度测量装置主要有接触式（伸缩式温度计）和非接触式两类，而非接触式常见有辐射式温度计和光谱图象检测系统，这些技术存在的缺点是：1）接触式（伸缩式温度计）目前300MW及以上机组的锅炉均配供有价格昂贵的测量炉膛出口烟气温度的伸缩式温度计，但由于探针深入炉膛很长，笨重、易变形卡涩，故障率高，因此，许多电厂实际上已停用。

此外，探针受耐温限制，一般仅在锅炉启动时伸入炉膛测量出口烟气温度，当烟温达到一定值时，必须马上退出炉膛，因此，其允许使用温度围和作用也有限。

2）辐射式温度计众所周知炉膛烟气辐射大多不在可见光围，因此，目前常见的辐射式温度计主要是红外式温度计，它测量表面或区域的红外光强度。

由于炉膛烟气是气态发光，温度分布不均匀，成分不固定，再加上飞灰颗粒辐射的存在，因此，组成的光谱波长和穿透力等不确定，从而导致被测区域不确定，测量误差大。

由于上述缺点影响了辐射式温度计在锅炉炉膛烟气温度测量领域的应用。

3）飞灰颗粒辐射光谱测量这类温度测量系统是利用图像检测炉膛烟气中主要是飞灰颗粒辐射的可见光（包栝一定波长红外光，以提高温度测量上限），经计算机进行极其复杂的图象处理，从而得到炉膛烟气的温度分布。