可视优化燃烧技术在我国推广应用的意义.docx

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可视优化燃烧技术在我国推广应用的意义

炉膛温度场测量与可视优化燃烧技术

在我国推广应用的意义

华能陕西秦岭发电有限公司

杨永书

炉膛温度场测量与可视优化燃烧技术在我国推广应用的意义

华能陕西秦岭发电有限公司杨永书陕西渭南714206

摘　要：

　本文介绍了当前世界上最先进的一种锅炉炉膛温度场的测量方法，即声学高温测量法包括其原理及应用，通过具体案例分析国内外推广先进炉膛温度场测量，实现可视自动优化燃烧，提高锅炉使用寿命，降低发电煤耗，有效控制氮氧化合物在燃烧过程中的生成，就提高企业效益和保护环境方面的必要性阐述了在我国推广应用的意义。

关键词：

　燃烧　降耗　减排

○、前言

众所周知，我国是世界煤炭消耗大国，特别是火电厂消耗煤炭资源最多，节能减排任务十分艰巨。

对如何提高煤电转换效率，有效利用有限资源，减少有害物质对大气排放。

各发电集团都在积极地采取措施，一方面投入大量资金建造大容量高参数机组、纷纷关停高能耗小容量机组，来降低单位发电煤耗。

另一方面在新建电厂时同步安装了脱硫、脱硝装置，以降低二氧化硫和氮氧化物排放。

本文论述的是采用世界先进准确的测量炉内燃烧技术，对炉内燃烧状态可视监控，实现经济优化燃烧，最大限度的降低能耗、控制氮氧化物生成，进一步减少有害物质对大气排放。

锅炉燃烧的基本要求在于建立和保持稳定平衡的燃烧火焰，在典型的四角切圆燃烧锅炉中，燃烧工况组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙等是导致炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故的重要原因。

因此，电厂燃煤锅炉燃烧监控具有着十分重要的现实意义。

但由于我国电厂燃煤煤质和煤种经常变动，加之工业燃烧过程自身具有瞬态变化、随机湍流、设备尺寸庞大、环境恶劣等特征，给各种热物理量场参数的在线测量带来了困难，难以获得描述实际燃烧过程的热物理量场参数，尤其是温度分布的测量十分困难，炉内燃烧火焰形态无法可视。

这样导致燃烧调整得不到可靠的依据，燃烧优化运行无法实现。

目前这已成为我国提高大型火力发电机组锅炉设备安全性、经济性以及进一步提高环境保护指标的瓶颈。

因此，在生产工程应用方面，寻求一种先进、准确、简便、快捷的方法进行温度场的测量显得尤为重要。

过去用传统热电偶或水冷式抽气热电偶伸入式测量仅限于炉内燃烧周边区域短时的试验应用，且费时费力，无法获得炉内燃烧温度场数据。

近年来国内外在高温火焰温度测量方面研究较多的是激光CT技术、全息技术，但由于大型燃烧设备中的含尘火焰大光学厚度特征，以及这类技术所需的装置昂贵、安装精度高、操作困难等原因，目前国内外尚未见其实际用于工业性煤粉火焰的多相流测量中。

本文介绍了当前世界上最先进的一种锅炉炉膛温度场的测量方法，即声学高温测量法包括其原理及应用，并进行分析在我国推广应用的意义。

一、工作原理

声波气体温度场测量系统的基本物理原理是气体中的声速是与该气体温度成比例的。

声波在混合气体中的传播速度是气体温度的第一函数，在较小的成分上也是气体组分的函数。

在大多数应用条件下，气体组分和它们的相对含量已知且在很小范围内变化。

因此，沿声波从发射器到接收器的直线上的气体平均温度可以先测量声波的“传播时间”（即声波从发射器到接收器所需的时间），然后根据已知的两点之间的距离，可以计算出对应的温度。

从炉膛一侧发射器以压缩空气为动力发出一个宽频带声波信号，该信号被位于对面的一个接收传感器所检测到，从发声到接收器接收到信号所经历的时间即声波的“飞行时间”，它被用来计算该两点之间的气体平均温度。

声波气体温度场测量系统的基本原理是声速在气体中是按照温度的函数变化的，并受沿着声波传播路径空间的气体成分的影响。

这些关系可用下面公式来描述：

式中　c——在某种气体中的声速，m/s；

d——声波传播距离，m;

t——声波飞行时间，s;

r——特定气体在定压定容下的系数；

R——气体常数，8.314J/（mol.K）；

T——绝对温度，K；

M——气体分子量，kg/mol。

由此可以得出气体温度对距离、飞行时间和气体组分的函数为：

Tc=（d/Bτ）2×106-273.16

式中　Tc——气体温度，℃；

d——距离，m；

B——声学常数；

τ——飞行时间，ms。

美国SEI公司据此原理研究开发出了名为BOILERWATCH的锅炉炉膛温度场实时监测系统，该系统可以设计成沿四周炉墙均匀布置8个声波发射/接收传感器，当一个声波发射/接收传感器发出信号时，不同面的六个声波发射/接收传感器接收，依次轮换工作就形成24条线路编排阵列来测量温度的分布。

BOILERWATCH测得24条线段平均温度，经计算机软件处理算法重建炉膛二维温度场。

在锅炉运行工况下，BOILERWATCH可以每隔数秒自动提供高温烟气温度读数，绘制炉膛二维平面温度彩色等温线图、时间温度趋势图、区域温度彩色图等。

运行人员可以直观地看到炉内燃烧是否处在平衡状态。

声波气体温度场测量系统集成声、电、信号处理上的先进技术，提供连续的、准确的、实时的、非侵入的、全自动的燃烧气体温度的测量。

声波气体温度场测量系统是一套完整的系统，适用于各种工业锅炉的永久性使用。

声波气体温度场测量系统能够测量一或两个独立阵列内高达24路的气体平均温度用于气体平面温度分布。

测量范围从0℃到1927℃。

声波气体温度场测量系统的温度数据能够被送到工厂的分散控制系统（DCS）、数据采集系统（ADS）、计算机显示或储存。

温度时间趋势可以通过DCS或计算机运行声波气体温度场测量系统的软件来操作。

等温的温度分布等值图、平面亚区的平均温度和其它数据在声波气体温度场测量系统的软件中都是现成的。

声波气体温度场测量系统测得的温度数据可以直接输入厂内的分散控制系统（DCS）、数据采集系统（DAS）或输入计算机供数据显示和提取。

可通过DCS来向运行人员提供温度——时间曲线，或在一台装有SEI公司的TMS—2000软件的计算机屏幕上显示出来，也可以通过TMS—2000软件令计算机画出空间温度分布形态或提供其它的数据显示方式。

二、BOILERWATCH®MMPII优点

声波气体温度场测量系统能够提供平面的二维温度分布，为生产控制提供精确的实时的温度数据，具有实时的报警功能，容易的DCS接口。

TMS-2000能够对于实时气体温度与绘图平面内位置的关系作清晰的可视化呈现。

这些信息的价值是其他任何一种技术包括：

红外温度计、热像仪、CCD相机或光学测高温计都无法比拟的。

其显著的应用及益处包括：

1、监视过热点，减少非计划性停机损失，实现安全生产

根据国外使用报告：

火力发电厂的非计划性停机次数减少到原来的1/6。

典型的调节控制行为（依赖于锅炉和加热炉的类型和设计）可包括燃烧器平衡、空气系统平衡、燃烧器维修、燃料流动调节以及适应性燃烧器控制。

由于在炉内燃烧过程中，声波气体温度场测量系统能够为我们提供精确的实时的温度分布数据和报警功能，为温度的控制提供了宝贵的数据资料。

我们可以根据这些数据，监视有无火焰直接冲刷水冷壁管的现象，调整火焰位置以避免直接冲刷水冷壁管，避免水冷壁管的损坏，改善炉水循环并提高运行效率。

监视有无低温区，据以识别堵塞的或工作不正常的燃烧器，从而改善其风/煤比例、改善一次风、二次风以及三次风分配、改善热力分配和运行效率，延长设备使用寿命并降低热耗。

2、节能降耗效果

刊登在英国PTQ杂志（PTQQ3/2006）论文「FURNACECOMBUSTIONMANAGEMENT」公布的数据，由于热平衡状态的不同，石油化工、石油精炼加热炉在安装本系统前后的效果：

（1）燃料消耗相差3%以上；

（2）NOx（氮氧化合物）可降低8%；

（3）延长36%设备运行周期，

应用在国外火力发电企业报告显示使用该系统前后：

（1）煤耗可降低2.5～2.8%；

（2）在更换氧化氮雾化器和通过声波气体温度场测量系统优化燃烧性能后，氮氧化合物浓度（280兆瓦的机组，在相同负载下为530ppm）成功地降低到206ppm（降低61%）

说明在以往长期的“正常”工作状态下，由于无法掌握燃烧状态，我们在不知情的情况下正在损失大量的燃料和资金。

3、可以实现锅炉自动控制功能

这个实时温度数据用来控制侧壁燃烧器、底面燃烧器以及助燃二次风以消除热点和冷点，直到围绕工作管的三维热通量达到均匀最大限度降低二氧化氮（NO2）/二氧化硫（SO2）的生成，防止浪费化学药品和动力。

许多锅炉之所以不能进行燃烧自动控制，关键是因为没有准确的实时的温度平面分布数据。

声波气体温度场测量系统很好的解决了这一关键问题。

容易的DCS接口，准确的实时的温度数据，为锅炉的燃烧自动控制打下了坚实的基础。

实时调整多个变量已获得连续平衡状态的新型燃烧系统DCS控制算法已由SEI实现。

并在美国、德国、加拿大、委内瑞拉、墨西哥等国家的多台工业加热炉上成功应用，它克服了原有燃烧控制系统纯延迟、大滞后的弊端。

实现了平衡燃烧，节省了燃料，提高了煤电转换效率。

4、延长锅炉的使用寿命、降低成本消耗、减少有害气体排放

实时监控到炉内过高的气体温度和炉膛出口温度峰点的区域，有了这些信息，操作员或分散控制系统（DCS）能够通过选择燃烧器和空气控制来控制燃烧过程以获得理想的炉膛出口温度，从而产生更少的NOx。

此外，温度峰点（或热点）的区域能被消除在进入过热和再加热的区域时以产生更加均衡的温度分布，使锅炉设备避免局部过热，延长锅炉的使用寿命。

声波气体温度场测量系统是一种一次性投资，永久使用的非侵入式测量仪器，它的使用，一方面使我们可以替代热电偶之类的测温元件，没有了这些元器件的长期消耗，节约了开支。

另一方面，使我们避免了炉体的过烧，延长了炉体的使用寿命。

同时，还避免了由于炉体过烧损坏而停产所造成的巨大损失。

5、焦化现象的最低化

根据实时的温度分布数据监视有无火焰直接冲刷水冷壁管的现象，调整火焰位置以避免直接冲刷水冷壁管，避免水冷壁管的损坏，优化燃烧器运行，改善炉水循环并提高锅炉运行效率。

6、实现智能化吹灰

根据实时的温度分布数据判断有无积灰，实现按需吹灰。

也可以提供基于温度场测量的智能化吹灰控制和添加剂控制解决方案。

7、事故追忆

将炉内燃烧状况记录下来，可作为档案提供事故调查，对运行人员进行燃烧诊断有重要实用意义。

8、小于1.5%的误差（经德国权威实验校对）

9、可设定的多种操作界面，便于操作人员的使用以及数据提取。

三、经济效益

系统投入运行后，将炉膛温度信号（场温以及指定区块温度）作为中间被调量进行燃烧调整，指导操作人员合理的调整一次风、二次风、侧旋风以及送、引风，使炉内长期稳定地保持在接近于平衡燃烧的状态，适时的智能吹灰，使电厂锅炉降低煤耗2.5-2.8%，按降低煤耗2%比较保守的数字计算：

机组

煤耗

1小时节煤

7000小时节煤

30万kw

330g/kwh

1.98吨

1.386万吨

60万kw

315g/kwh

3.78吨

2.646万吨

煤价按500元/吨，全年按7000小时运行计算，60万机组一年节约煤炭成本；3.78х7000х500=16556400元=1323万元。

四、国内某电厂不平衡燃烧案例

我国某集团公司电厂一台2209t/h对冲燃烧锅炉运行一段时间后，一度出现了再热汽温一侧偏低的异常现象，该炉投产以后，因为水冷壁结焦严重威胁安全运行，故先后两次进行了锅炉卫燃带改造，同时进行了燃烧、配风调整，并增加了水力吹灰器，以控制锅炉结焦。

2004年初，锅炉运行中发现B侧再热汽温由540℃逐渐降低并长期稳定在520℃以下，A、B两侧再热器出口温差达20℃，2月份再热器出口母管平均汽温529℃，低于额定值11℃。

研究表明，再热汽温低于设计值,不仅会使机组循环热效率下降,而且汽轮机末级叶片处的蒸汽湿度会明显增大,严重影响汽轮机的设备安全。

此外,由于单位蒸汽在汽轮机内的做功能力下降、汽轮机的汽耗量增大,使汽轮机不能在设计的经济工况下运行,汽轮机的内效率也会降低。

再热汽温偏低，将降低机组的经济性，该锅炉2004年数据显示：

再热汽温偏低的月份，发电煤耗上升约5g/kW.h，一天多耗煤72吨，严重影响了机组经济性能。

上面叙述的再热汽温一侧偏低问题实际就是锅炉处在不平衡燃烧状态。

对冲燃烧锅炉再热汽温的调整，主要受到锅炉燃烧、配风、吹灰器运行方式、烟气分流等多种因素的影响。

由于缺少炉内燃烧状态直观图像和数据，所以出现炉内不平衡燃烧工况就不能及时消除，造成能源白白浪费。

在典型的四角切圆燃烧锅炉中，炉内不平衡燃烧工况相当普遍，不到十分严重程度而被忽视，由于燃烧无可视，燃烧调整无依据，实现平衡优化燃烧无疑是“无源之水”。

我国火电企业就是在这不知情下浪费有限的煤炭资源和增加对大气的污染，这种状况应尽快改变，为了人类社会、为了子孙后代，我们企业和个人都责无旁贷。

五、国外应用案例说明

直观视觉效果

从严重的燃烧非平衡状态调整达到接近平衡燃烧

案例

（一）

德国一家80万千瓦煤炭（褐煤）的燃烧动力锅炉运用了一个多通道系统所得到的实际结果以及其功能优点。

上图为80万千瓦褐煤燃烧锅炉在满负载时8个燃烧器有7个工作，在锅炉出口的温度分布图。

除右下角的1号燃烧器，其余燃烧器均正常工作。

注意气体温度最高点（过热点）是从不工作的燃烧器起按顺时针排列。

图中平均温度为980℃，气体温度最高达1117℃，比平均值高出大约140℃。

如上图所示，当6个燃烧器工作，负荷为75%时，炉膛出口温度分布。

这时，3号和7号燃烧器不工作，并且最高温度区域沿左下角和右上角的对角线延长。

在2：

30到3：

30和10：

00到21：

00之间，机组满负荷运行，有6个燃烧器工作。

其余时间里，机组有7个燃烧器工作满负荷运行。

使用后表明，当7个燃烧器工作，温度分布更加不均衡。

左后区域与右前区域的温差为125℃，右前区域的温度最高值为1180℃，比整个炉膛出口的平均温度高出200℃。

当6个燃烧器工作时，区域温差较小（约50℃），FEGT的温度分布的等温线图也相应更加一致。

此时，温度最高值降低到比整个炉膛出口的平均温度980℃高出130℃。

运用声波气体温度场测量系统的即时通路气体温度和气体温度场分布图来减少大型煤锅炉出口平面的气体温度不均衡状况，并提供大量高成本才能实现的效益。

实验表明，过剩氧量减少0.5%，就显著地提高燃烧效率及发热比率。

该系统带来的成本缩减将会在短期内得到回报。

不会因减少燃烧温度不均衡和炉膛出口的局部过热点而降低效率。

更均衡的温度分布会减少热应力并延长重要压力部件包括壁管，过热器和再热器的寿命。

案例

（二）

韩国东南电力公司Yosu热力电厂安装声波气体温度场测量系统前后氮氧化合物的排放情况。

（1）在更换LNA前测试，小于160兆瓦的发电机组，氧化氮排放低于250ppm。

但是当机组功率超过160兆瓦，氧化氮的排放量增加，接近两倍（远超过机组在300兆瓦时的最大值550ppm）。

（2）更换LNA后，机组功率增加到300兆瓦，氧化氮大约在220ppm。

达到了规定的要求（280兆瓦机组氧化氮排放低于240ppm）。

（3）总的来说，在更换氧化氮雾化器和通过声波高温计系统优化燃烧性能后，氧化氮浓度（280兆瓦的机组，在相同负载下为530ppm）成功地降低到206ppm（降低61%）。

六、几种常见的应用

声波气体温度场测量系统可以作为炉膛主燃烧区温度的监测设备，也可将其安装于燃烧器、炉膛出口烟气等锅炉/加热炉重要区域作为单元监测设备。

炉内的温度分布是不断实时更新的。

通过观察该声波气体温度场测量系统TMS2000的等温线，运行人员可以发现以下问题，同时作出相应的处理措施。

（a）监视炉膛是否平衡燃烧。

（b）监视炉管泄露、爆管。

监视有无高温区域，以识别发生泄露的炉管。

（c）监视炉内焦化现象，使结焦最低化，同时减少管道弯曲。

炉膛中心结焦调整后

出现多个高温中心，我们就需判断是否是由于结焦引起的温度场分布不均匀。

d）监视燃烧器燃料分配不当。

更好的实现燃料配给、混合等，以获得更好的热效率和热分布，降低能耗值。

燃烧器负荷分配不当调整后

（e）识别出不正确的空气/燃料比例，提高单元热效率。

左下角燃烧器空气/燃料比不正常调整后

（f）监视不同燃烧器之间二次风、三次风挡板的不均衡匹配。

实现更好的热量分配、热通量以及更高的热效率。

燃烧器不正常调整后

（g）事故追忆。

历史数据可以帮助运行人员对火焰熄灭原因进行判断，更快更准的分析机组事故原因。

七、在我国推广应用意义

我国声学高温测量技术还处在研究试验阶段，没有成熟的产品应用于工业生产。

国外声波测温可视燃烧技术早已成功应用20多年，在美国、加拿大、巴西、委内瑞拉、墨西哥、丹麦、德国、西班牙、法国、瑞士、意大利、韩国、菲律宾，为这些国家企业带来了可观的经济效益。

随着我国实行可持续发展的战略，经济建设和环境的协调发展已成为可持续发展的一项重要内容，因此环境保护已成为当前和今后一项任重而道远的工作。

在燃煤电厂排放的大气污染物中，氮氧化物（NOx）因对生态环境和人体健康的危害极大，且难以处理，所以成为重点控制排放的污染物之一。

国内外在降低锅炉氮氧化物（NOx）排放方面进行的工作大致可分为以下3个方面:

（1）锅炉燃烧技术的改进。

（2）无催化情况下向炉内喷氨水。

（3）有催化物的氨水喷射系统。

后两类技术都是在锅炉燃烧生成NOx以后，用氨来还原NOx。

这不仅增加设备投资和运行维护费用，还可能引起预热器等锅炉尾部受热面的堵塞等。

加之我国环保滞后，特别是治理资金的匮乏，对氮氧化物（NOx）的治理还很有限，因此，要降低NOx的排放量，更有效的方法是改进炉内燃烧状况。

改进炉内燃烧状况的主要方法有:

低NOx燃烧器;分段燃烧技术;再燃烧技术和烟气再循环等。

这些燃烧技术措施的应用必须建立在有准确炉内燃烧数据信息。

美国BOILERWATCH声波气体温度场测量系统则解决了这一关键问题，让技术人员可以看到“剧场效果”式的燃烧温度变化过程，我们工程技术人员就能以此为利器，探索和解决炉内燃烧中的许多问题，使炉内燃烧始终处在平衡、安全、经济、低NOx生成的最佳状态，提高锅炉设备使用寿命、降低发电煤耗、有效控制有害气体排放，为人类社会环保事业尽责、为企业加强细化管理，实现安、稳、长、满、优产和提高经济效益提供了一项可靠的技术支持。

可以毫不夸张地说，该技术的应用，必将成为保证电厂安全、经济、环保运行的生力军。

当前我国正处于一个改革创新的时代，只要是对发展有利，就应该勇于实践。

作为投资主体的发电集团，随着电力体制改革进展的加速，火电厂可视化、自动化、信息化已经成为日益迫切的要求，再过3～5年，如果一个电厂仍未实现生产过程的全自动化、信息化和可视优化燃烧管理，那么在电力市场竞争中势必将会处于十分被动的地位，这是运营者不愿看到的。

因此，可视优化燃烧技术应用已经迫在眉睫！

与时俱进、大胆创新、谨慎求实：

无论投资者还是设计者都应着眼于长远，用科学发展观的眼光看待新技术、新事物，为其发展助一臂之力；从历史的角度看，技术的进步总是可以起到解放生产力的作用，推动社会不断向前进步发展。

因此，无论是环境保护也好、经济效益也好、还是社会责任也好。

我们都应该积极的推广应用该项技术，尤其是我们从事能源转化的技术人员，我们责任重大。

为了人类社会、为了我们的子孙后代，我们责无旁贷。

我深信该技术的应用必将能为我国社会主义经济建设产生巨大作用、为我国环保事业做出贡献、为我国煤电转换企业带来可观的经济效益。

也必将为人类社会创造出更加美好、辉煌的明天。