锅炉燃烧全息监测系统在大型机组中应用研究

董婕

（山东上奥电力科技有限公司，山东 济南 250101）

 

摘要：该研究针对目前大型机组锅炉燃烧监测手段不足的问题，结合某发电有限公司1000MW超超临界机组锅炉现有火检设备的改造，增加光纤测量装置，建立了锅炉燃烧全息监测模型，实现了全炉膛的温度监测、燃烧状况监测和未燃颗粒物监测，为大型锅炉的燃烧运行指导和优化运行提供了重要手段。

关键词：锅炉；燃烧；全息；监测；大型机组；应用研究

Application Research of Boiler Combustion holographic Monitoring System in Large Unit

Abstract：In view of the lack of combustion monitoring means for large-scale unit boilers at present, combined with the retrofit of existing fire detection equipment for 1000MW ultra supercritical unit boilers in a power generation Co., Ltd., an optical fiber measuring device is added, and a boiler combustion holographic monitoring model is established, which realizes the temperature monitoring, combustion condition monitoring and unburned particles monitoring of the whole furnace, and provides guidance for the combustion operation of large-scale boilers. And optimized operation provides an important means.

Keywords:Boiler; Burning; Holographic; Monitoring; Large unit; Application research on

0、引言

在当今绿色发展的总体形势下，作为环保重点关注的大型燃煤锅炉，燃烧监测和控制一直是问题的核心和关键。目前煤粉质量监测、风粉在线监测、炉膛温度监测、烟气监测等都是围绕和服务于这一核心问题。但限于技术水平，目前的监测技术更多的是对炉膛燃烧前的风煤监测和燃烧末端的监测，而对炉膛燃烧状况检测手段则较为缺乏。但是，由于煤种掺烧的普遍存在和锅炉超低排放改造的普遍进行，随之而来的是炉膛结焦加重、灭火次数增多，因此，燃烧状况监测在运行控制中就越发显得重要。

1、研究背景

众所周知，火焰检测装置是锅炉燃烧保护的必备设备，其主要作用是为炉膛安全保护系统（FSSS）提供燃烧器火焰状态信息，最终由FSSS实现灭火保护。而关于全炉膛燃烧状况的监测，如炉膛温度分布情况，燃烧稳定状况等功能，则是目前火检装置所不具备的。目前的激光测温、超声波测温等一般只实现了炉膛某个截面的温度测量，如燃尽区的温度测量，而且需要安装专门的测量装置，对锅炉水动力循环有一定影响，现场工程量较大，未能大范围推广。

本应用研究针对的大型锅炉是：1000MW机组超超临界直流锅炉，该锅炉为一次中间再热、平衡通风、运转层以上露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。该锅炉最大蒸发量3033t/h，过热器出口蒸汽压力最大26.26MPa，过热器出口蒸汽温度603℃，设计煤种为神府东胜煤矿煤，工程同步设计脱硫系统和低氮燃烧。

该锅炉运行条件为带基本负荷并参与调峰，可在30%～90%负荷下滑压运行，制粉系统为中速辊式磨煤机，每炉带6台磨煤机，每台磨煤机带8个旋流式喷燃器，共48个旋流喷燃器。该锅炉火检装置为ABB的810系列，前端分体式探头SF810，后端控制器为FAU810，其SF8100探头的输出信号可同时接入燃烧全息精细化在线监测系统。

2、系统概述与方案

  针对上述1000MW机组锅炉，燃烧全息精细化在线监测系统，可通过在喷燃器和燃尽风层风道中增加部分光纤测量装置，并通过对现有火检设备的改造，配合后台监视主机，实现全炉膛的温度监测和燃烧状况监测。其中，每套光纤测量装置，同时实现火焰状态、火焰温度和未燃颗粒物的测量。该系统根据煤粉燃烧的遮挡效应，不仅可全面检测煤粉在各个频率点的闪烁特征，从而准确判断火焰状态，还可以根据遮挡强度从观测温度计算前方火焰完全燃烧区的温度，同时可以根据火焰闪烁频率特征分布计算观测点的风速差异，从而对炉膛燃烧情况实现更全面的监控，并为锅炉一次风管道优化、燃烧控制优化提供量化数据。

本研究的总体方案是，一方面通过对全部或部分现有火检探头原始信号的改造，另一方面在喷燃器和燃尽风层风道中增加光纤测量装置，从而实现对燃烧器燃烧特征和燃尽风信号的全息监测，同时，以通信取样的方式，获得二次风挡板开度信号，并根据需要输出二次风挡板开度修正指令，使炉膛温度更加均衡。

3、结构及组成

一个燃烧器需要配备一套分体式探头BCH-10D和一个智能控制器BCH-10C，多个智能控制器BCH-10C与监视主机一起，可构成一个双绞线通信网络。智能控制器BCH-10C可向DCS提供开关量输出（光MOS）和模拟量输出信号（4~20mA）。监视主机可通过网络OPC方式与DCS与交换信息，包括火焰温度，煤粉颗粒燃烧程度，火焰闪烁特征，相对强度等。

3.1 BCH-10结构

BCH-10为分体分布式结构。一个探头BCH-10D与一个智能控制器BCH-10C组成一个独立单元，并通过Tbus双绞线与主机构成系统。BCH-10监控主机内装有智能检测分析处理软件和模型，安装于值班员操作台；每个独立控制器带有一路模拟量输入，两路开关量输入，三路开关量输出，一路模拟量输出。

BCH-10系统拓扑结构图1所示。

图1  BCH-10系统分体结构图

     Figure 1 bch-10 system split structure

3.2 BCH-100结构

BCH-100为集约结构，BCH-100的每个机箱有多个插槽，可安装多个火检控制器，一个主CPU模块，一个电源模块。主CPU模块通过双以太网接口与监控主机相连，主CPU板运行实时操作系统，具备可组态的逻辑判断及控制功能。

BCH-100的结构如图2所示：

   图2  机箱结构的BCH-100结构图

Fig. 2 bch-100 structure of chassis structure

4、系统功能与技术参数

4.1系统功能

4.1.1火焰状态检测

BCH锅炉燃烧全息精细化在线监测系统控制器BCH-10C，通过高性能数字处理器，对光纤传感器的红外信号的直接数字采取滤波算法，实现信号的实时频谱分析，并通过火焰燃烧时不同频率成分的变化，捕捉其燃烧特征，从而准确检测火焰状态。

频谱计算频率：8次每秒

频谱测量范围：DC50～120Hz

灭火报警输出：光MOS触点

信号输入：光纤

4.1.2火焰温度检测与监视

BCH-10C控制器根据频谱分析结果，及其辐射强度-温度特性曲线，将来自光纤的辐射强度转换成温度，该温度可以以模拟量的方式提供给DCS，同时在主机中显示和进行历史记录。主机显示的火焰颜色可随温度的变化而变化。

测温范围：200～1500℃。

4.1.3 未燃颗粒物检测与监视

BCH锅炉燃烧全息精细化在线监测系统，频谱中的频谱及其信号强度与煤的品种、未燃颗粒物和燃烧状况密切相关，监测主机中火焰的大小随未燃颗粒物燃尽程度的变化而变化。

燃烧程度指标：0～100%

4.1.4 燃烧状况的实时监测

系统监测主机具有方便友好的人机监视界面，既管理全部网络化的控制器，同时也监测和记录全部燃烧器火焰状况。

4.2系统功能界面

4.2.1 锅炉燃烧全息精细化在线监测系统总图

如图3煤燃烧器的全火焰多信息燃烧监视总图所示，图中分别显示火焰温度，煤粉初始燃烧程度，火焰状态情况等等参数。

                                                                      图3 火焰全息监视总图

Fig. 3 general picture of flame holographic monitoring

4.2.2  煤粉燃烧器的燃烧监视图

1000MW机组锅炉炉48个旋流燃烧器温度显示如图4所示。

                                                                    图4 全部燃烧器温度监视图

Fig. 4 temperature monitoring diagram of all burners

火焰离喷燃器出口的距离变化可根据初始燃烧程度的大小而变化，火焰的颜色可根据温度而变化，根据初始燃烧程度判断出着火距离，当着火距离过远或过短时，给出报警，指明哪个喷口的着火距离有问题。

4.2.3 参数曲线

可成组显示所有参数的实时曲线、历史曲线，如下图5所示。

                                                                         图5 参数曲线设置图

Figure 5 parameter curve setting diagram

4.2.4 系统诊断

图6系统自诊断图的功能，是为系统自己提供检测运行是否正常，当下位智能卡件离线，不正常通讯时会报警，正常运行时为绿色状态，掉线时为红色报警状态，卡件所在的底色为黄色标示为油层火检，灰色为煤层火检。当通讯功能不正常时工控机的绿灯会消失，通讯正常时绿色灯会按一定的频率闪烁。

                                                                         图6 系统自诊断图

Figure 6 system self diagnosis diagram

 

5、结论

针对1000MW机组锅炉锅炉，燃烧全息精细化在线监测系统，通过在喷燃器和燃尽风层风道中增加部分光纤测量装置，并对现有火检信息的改造，配合后台监视主机，实现了全炉膛的温度监测和燃烧状况监测，为锅炉的燃烧运行指导和优化运行提供了重要手段。

作者简介：

董婕（1995.12），女，汉族，山东济南人，硕士，工程师，从事电力产品的研发试制工作。