锅炉三维成像体系-刘泽源.doc

锅炉三维可视立体系统适用于各种测温仪研发人：刘泽源目录1. 总则32. 项目的启动33. 主要参考资料34. 测温仪介绍35. 红外基本测温原理46. 红外测温仪安装57. 关于软件的要求71 燃烧效率72. 风粉配比对应效率73 炉膛分类84 NOx控制95 三维立体成像106 其他要求11 12 / 121. 总则适用于的锅炉燃烧系统的运行优化，包括设计、调试、试验等各方面的技术要求。技术文件中提出了最低限度的技术要求，并未规定所有的技术要求和适用的标准，供方提供一套满足本文件和所列标准要求的高质量产品及其相应服务。对国家有关安全、环保等强制性标准,必须满足其要求。2. 项目的启动“三维可视测控系统的研究与应用”项目列为天津某公司2013年科技项目计划，该项目是通过研制新模块式型密封，最终实现高效、节能降耗、降低投资的目标。课题组对三维成像技术的研究与应用做了全面的调研及技术论证，在查阅国内外相关文献资料的基础上，结合电厂实际磨煤处理设备、设施情况，确定课题的研究方案及思路,对系统研发及项目的进度做了周密的安排。3. 主要参考资料1) 电站锅炉性能试验规程GB10184882) 火力发电厂焊接技术规程DL/T86920043) 火电常煤粉锅炉燃烧室防爆规程DL/435914) 火力建设施工及验收技术规范（锅炉机组篇）DL/T5007955) 气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸GB9856) 火力发电厂锅炉机组检修导则第一部分：总则DL/T748.120014. 测温仪介绍电站锅炉专用设备FUTIC系列光谱在线测温仪是一种遥感探测式锅炉炉膛专用测温仪器，可以用于填补锅炉高温辐射区与对流区重要位置温度在线监测的空白，也可以对燃烧器高温部位进行测量对燃烧器进行精确控制。本仪器附有空气冷却系统，工艺设计精致周到。具有耐高温、可长期连续工作、安装简便，使用可靠等特点。遥感式红外温度议组装在牢固的钢制冷却套内，符合IP65防护标准，可以在露天环境下安装并长期运行。该产品在高温环境下能够在线连续工作，只需要在现场提供一个压缩空气源，对本仪器进行冷却和吹扫。仪器配有空气过滤系统可应对电厂仪用压缩空气品质差等问题，对恶劣的现场环境的适应性很强。用户的准备工作非常简单，只需在仪器安装位置提供通常的压缩空气气源(标准厂用压缩空气)和两条带有屏蔽的信号电缆。仪器的测量结果可以通过配带的数显表计（数显表单指MI系列）直读或根据需要接入到任何控制系统（如DCS）的4-20mA信号回路，或数字式的或者模拟信号的记录装置。光谱在线测温仪的“遥感式红外线”探头具有独特的专利设计，使之屏蔽杂乱的广谱红外辐射信号，只接收炉膛中的CO2烟气辐射的红外波谱，有效的排除掉其他电磁频谱（无线电波、微波、可见光、紫外线、伽马射线、X光、其他红外线）环境因素的干扰。本仪器具有检测精度水平高，抗干扰能力强等特点。适合测量锅炉系统的高温区域的过程参数本仪器的通用型测量范围为385 1600（CS系列），已能满足用户的一般使用要求。对于特殊的用户，可以选用测量范围5001800（MI系列）的高温型仪器。通过不同的选用方案，满足锅炉炉膛各温度区域的测温需求。如（MI系列）500-1800，测温的位置是在炉膛燃烧区域，这里能更好的控制燃烧温度，减少NOx的生成，在炉膛出口位置安装（CS系列）385 1600有效监控炉膛出口烟温，并与灰熔点这一指标进行比较，从而给锅炉燃烧优化调整提供重要的手段。还可以安装在锅炉燃烧器的上方，对单一和全部燃烧器进行监控，并及时调整锅炉整体燃烧，形成三维温度控制体系。5. 红外基本测温原理红外测温仪中的光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。红外测温是利用测量物体所辐射出来的辐射能量来测量物体温度，它的理论依据是斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体的温度越高，它所辐射出来的能量越多。6. 红外测温仪安装 测温仪安装在锅炉折焰角下方，设计上安装八台，分别为左两台右两台，上两台下两台，交叉式安装，利用光谱吸收的原理，使温度全面接收，从而更好掌握了炉膛内温度截面，通过软件的显示方式显示到锅炉性能优化软件中来。 自燃煤发电厂诞生以来，燃烧区域关键参数的测量一向是一个难题，而且一直没有得到解决，是发电行业公认的盲区与“黑匣子”。因为现有的测量技术与手段都无法胜任在摄氏1300度的炉温下正常工作。而能否获得其中最关键的三个参数-燃烧区域温度O2、CO的浓度的精确值，直接影响到锅炉运行的热效率、机组热效率、每度电的煤耗等经济性指标。 图1. 四角切圆炉燃烧情况 通过红外实时在线测量燃烧区域的火焰温度、O2、CO的浓度值，生成燃烧区域截面扫描图以及这三个变化量的二维影像图，实时获得炉膛内燃烧状况，为有效地监控不同混煤条件下的炉内燃烧工况提供可靠信息，从而采取有效的调节手段优化燃烧。众所周知，均衡燃烧是能否取得锅炉最优热效率的基本前提。 图2. 初期构想测温仪安装位置这是四角切圆炉的结构，红色为火焰，蓝色为测温仪回收的信号，通过接线传输到计算机进行汇总，进行分析，得出图像。针对四角切圆炉，系统承载8个红外测温仪，可以同时绘制多个气体浓度、温度剖面分析图。同时，实时测得的O2、CO、CO2浓度与温度场数据并通过OPC以及其它通讯协议传输至DCS或燃烧优化系统，参与实时燃烧优化计算与控制。 会呈现以下图像图3. 初期构想图像1图4. 初期构想图像27. 关于软件的要求1 燃烧效率炉膛内是否均衡燃烧是实现锅炉最优效率、最优经济指标的绝对前提，而这又追溯到风粉是否在燃烧前均匀混合、如何取得最优化的风和粉的配比动态值。而这些数据的缺乏给实时燃烧优化控制带来极大的难题与挑战。依照传统的优化调节方法与测量手段，在做优化调整之前无法得知这些工况的具体数据，而调整之后又无法及时、准确地验证优化效果。在天津鹰麟这种红外测量系统发明以后，这些问题便迎刃而解。发电煤耗(g/KWh)=(汽轮机热耗 X 100)/(0.99 X锅炉效率)/29.271 平衡燃烧优化锅炉运行后，过氧量的降低直接导致送引风机的功耗下降231.5KW。2. 风粉配比对应效率根据日照电厂SIS数据统计，厂用电率由4.14061%下降为4.13701%.该小指标直接贡献于供电煤耗的下降。 锅炉燃烧的副产品除灰渣外，还有大量的NOx、CO2。这对环境造成污染，加速全球温室效应。鉴于目前多数锅炉为降低飞灰含碳量，运行在风粉比率值较高区域，有些锅炉的过氧量设定值在4.5%-5.0%左右，这势必造成过多的热空气浪费，同时大大提高了NOx、CO2排放量。在能够实时监测燃烧区域的O2、CO浓度以及温度值以后，为实时优化燃烧调节提供了直接、可靠的数据依据，DCS可以计算出精确的风/粉比率，可以实现均衡配风，大幅降低风粉比率值，过氧量值设定在2%左右就能够获得均衡、优化的燃烧效果。而NOx产生量的多少与过氧量成正比关系，过氧量的降低直接导致NOx排放量的大幅下降在锅炉实际运行过程中，火电机组因为缺乏对炉膛及炉膛出口的燃烧工况的实时监测技术与设备，其风粉配比的优化和污染物排放控制难以达到最佳状态，导致机组运行经济性的进一步改善受到制约。因此需要寻求一种在线的方法实现对炉内的燃烧状况进行实时监控，为锅炉的高效经济运行以及提高可用率要提供可靠信息。 3 炉膛分类锅炉按照蒸汽参数分，分为中压锅炉（p=2.94-4.92MPa）, 一般压力为22.13 MPa；高压锅炉（p=7.84-10.8MPa），一般压力为9.8MPa；超高压锅炉(p= 11,8-14.7MPa)，一般压力为13.73MPa；亚临界锅炉（p=15.7-19.6MPa），一般压力为16.67MPa；和超临界压力锅炉(p22.1MPa) ，一般压力为22.13MPa。按燃烧方式的不同，锅炉可以分为：层燃炉，室燃炉，旋风炉和循环流化床炉等。其中室燃炉是目前电厂锅炉的主要型式。燃烧煤粉的室燃炉中，燃料是悬浮在炉膛空间内进行燃烧的。根据以上两种分类，要求根据锅炉类型对软件生成的画面作出相应改变。4 NOx控制通过燃烧温度控制NOx排放，NOx与温度的关系如下图所示图6. NOx与温度的关系1200C左右，NO与NO2生成量仍然很小，但NO生成量已经超过NO2，常规燃烧温度（1300C）下，有可观的NO生成，但NO2量仍然很小。烟气冷却过程中，根据热力学计算，NOx应主要以NO2的型式存在，但实际90%-95%的NOx以NO的型式存在，主要原因在于动力学控制。图7. NOx化学键燃料中的N通常以原子状态与HC结合，CN键的键能较N N 小，燃烧时容易分解，经氧化形成NOx火焰中燃料氮转化为NO的比例取决于火焰区NO/O2的比例燃料中2080的氮转化为NOx。5 三维立体成像电厂DCS中在炉膛有很多测温点，根据这些测温点和生成的二维界面，形成三维温度网络，可以再二维与三维之间切换。图8. 二维图像图9. 三维立体成像6 其他要求1. 软件从测温仪输出信号得到温度。根据测温仪安放的位置能确定一个坐标值。2. 在生成图像后，当鼠标移到到某一位置，能显示出该位置的温度。3. 图像的傍边有一个比例温度，颜色越深，表示的温度越高。设置的最高处温度为红色，最低处温度为蓝色。温度范围是7001500