為了對鍋爐燃燒狀況進行更為有效的監測、診斷和控制，在姚孟發電有限公司2號爐（雙爐膛直流鍋爐）實現了對爐膛燃燒三維溫度場、壁面輻射熱流、爐膛容積熱負荷和斷面熱負荷等分布的可視化實時監視和診斷，以提高鍋爐效率。
1、系統總體設計
1.1系統結構及硬件配置
    鍋爐三維溫度場可視化監控系統結構如圖1所示。通過16個CCD火焰探頭獲得爐膛火焰的燃燒信息，經過視頻分割器和計算機圖像處理以及相關的溫度重建算法進行運算，實時計算爐膛火焰的三維溫度分布，并動態顯示火焰中心的位置偏移狀況。16個CCD火焰探頭分4層布置在雙爐膛的四角附近，每層4個，兩層之間間距為(3～5)m，鏡頭俯視爐膛，其視角范圍為上下、左右各100。的棱錐形區域。視角中心線位于正方體垂直對角面上，均向下傾斜45°。16個CCD火焰探頭從不同層面觀測爐膛，得到16幅火焰畫面經過視頻分隔器合成為一幅圖像，輸人工控機的圖像采集卡中。合成的火焰圖像根據軟件的重建算法實時計算出爐膛三維溫度場。系統可視化站主要用作三維溫度場計算，采集站負責與DCS相互通訊，并給出燃燒診斷和報警信號。富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    系統包括火焰檢測、控制柜等，主要硬件配置見表l。
1.2軟件構成
    軟件模塊包括：火焰圖像采集模塊、溫度場計算及顯示模塊、通訊模塊、燃燒診斷與控制模塊。通訊模塊又包括基于TCP／IP的WinSock網絡通訊模塊、硬接線通訊模塊、基于Modbus協議的串口通訊模塊等。火焰圖像采集模塊實時獲取爐膛燃燒火焰圖像數據，溫度場計算及顯示模塊對火焰圖像進行處理，實時計算爐內三維溫度場并在彩色CRT上顯示溫度場計算結果。WinSock網絡通訊模塊負責2臺工作站的數據通訊，將可視化站作為服務器端，采集站作為客戶端，可視化站完成三維溫度場計算后實時將計算結果通過光纖傳給采集站。硬接線通訊模塊發送兩路爐膛輻射能信號到DCS參與機組燃燒控制調節，同時從DCS接收實發功率、爐膛負壓、給水流量等少量熱工參數（周期均為1 s）。基于Modbus協議的串口通訊模塊將三維溫度場數據發給DCS并從DCS接收較多的熱工參數。三維溫度場數據包括甲、乙爐膛最高溫度值及其坐標值（X、y、Z方向），甲、乙爐膛各5層平均溫度值及各層最高溫度對應的X、y坐標值等；熱工參數包括8個角二次風總風門開度，各層各角周界風開度、32臺給粉機轉速、各層各角一次風粉壓力等共192個參數點。因為通訊數據量比較多，采樣周期為5s。燃燒診斷和控制模塊結合爐內燃燒溫度場及DCS傳來的熱工參數等信息，對爐內燃燒工況進行診斷，給出甲、乙爐膛火焰圖像異常，輻射熱過強、過弱，火焰中心偏低、偏高，滅火預警，火焰刷墻等報警信息并傳給DCS。
2、系統運行
    火焰探頭經過冷態檢測、快門設定、靶面調整及黑體爐標定后，實際運行獲取的不同負荷下的火焰圖象見圖2。
    從圖2中可以看出，隨著負荷的增加，圖像逐漸變亮，圖像本身的特性如紅(R)、綠(G)、藍(B)值及灰度值都呈有規律的變化。由于煤的灰熔點及燃燒工況的變化，在實際投運中采集的圖像局部有結焦現象，為此針對結焦區域編制了專用的除焦算法。基于圖像信息本身的分析和處理，得到了爐內燃燒三維溫度場和爐膛總輻射能。構建出的爐膛實時三維溫度場見圖3。
    從重建出的爐膛可視化結果可以看出：(1)爐內的溫度范圍為(1 200～1 800)K左右；(2)爐膛上部及爐膛出口區域的溫度較低，爐膛中部燃燒器區域的溫度較高；(3)甲、乙爐膛都能形成單峰分布的火焰溫度場，靠近中間水冷壁的溫度較高。
    爐膛壁面熱流顯示、火焰中心沿高度分析、火焰中心相對位置分別見圖4、圖5、圖6。
3、爐內燃燒工況與輻射能信號相關性試驗
    根據維恩輻射定律及比色測溫原理，得到火焰圖像平均溫度：
    由圖7可知，輻射能信號對各參數的變化很靈敏，實時快速地反應了爐內燃燒工況的變化。在其它參數保持不變的情況下，降低氧量輻射能增加，增加氧量輻射能減少。在機組300 MW負荷下的鍋爐變氧量試驗中，當總風量變化8.5%左右時，爐內A、B側輻射能變化6. 3%左右；在機組250 MW變氧量試驗中，當總風量進行同等幅度變化時，爐內A、B側輻射能變化7.8%左右。
4、結  論
    在姚孟發電有限公司2號爐上實現了燃燒三維溫度場及相關熱力參數等分布的實時可視化監控、診斷，優化了鍋爐燃燒。利用三維燃燒溫度場可視化信息計算出的爐膛燃燒總輻射能信號，能快速、準確反映爐內燃燒狀況，并與鍋爐的主要運行參數有顯著的相關性。以爐膛輻射能信號作為前饋的機組相關控制（主蒸汽溫控制、煤水比控制、氧量尋優控制、機組協調控制等）是可行的。輻射能信號作為調節信號引入直流鍋爐控制中，可以提高機組主要參數的調節品質及其穩定性。對超臨界、超超臨界直流鍋爐機組燃燒優化控制、給水控制、負荷控制等提供了新思路、新方法。爐膛輻射能信號參與控制的試驗研究工作正在進行中，富通新能源生產銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。


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