基于炉膛辐射能信号的电站燃煤机组
燃烧控制研究
张师帅1,周怀春1,彭敏2,刘武林2,黄素逸1（1.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉430074；2.湖南省电力中心试验研究所，湖南长沙410007）
摘要：采用基于火焰图象处理的炉膛辐射能信号检测系统对湘潭电厂300MW燃煤机组进行了现场检测，并对机组进行了锅炉燃料量扰动和汽机调门开度扰动的开环试验，获得机组的动态特性。在此基础上，采用炉膛辐射能信号代替机组原有的热量信号，对入炉燃料量进行反馈控制，试验结果表明，该控制方案不仅可以有效克服燃料量内扰和负荷外扰对主汽压力的影响，维持主汽压力的稳定，还可以提高锅炉效率，降低NOx的生成。
关键词：炉膛辐射能；燃煤机组；燃烧控制；锅炉效率;NOx
1引言
燃烧控制系统的主要任务是维持主汽压力的稳定。从汽压的产生过程可知，影响汽压稳定的主要因素为以燃料量为代表的燃烧率扰动（内扰）和以汽轮机耗汽量为代表的外界负荷扰动（外扰）[1]。而锅炉入炉燃料——主汽压通道本身固有的大滞后特性，将影响燃烧控制系统抗扰动的能力，寻求一个能够快速反映入炉燃料量变化的物理量不失为改善锅炉大滞后特性最为有效的途径[2,3]。实践表明[4]，炉膛辐射能信号可以快速、直观地反映炉内燃烧状况。
本文以湘潭电厂300MW燃煤机组为研究对象，采用基于火焰图象处理的炉膛辐射能信号检测系统检测炉膛辐射能信号，并对机组进行锅炉燃料量扰动和汽机调门开度扰动的开环试验，获得机组的动态特性。在锅炉原有的燃烧控制系统中，采用炉膛辐射能信号代替热量信号，对入炉燃料量进行反馈控制，以期改善锅炉燃烧控制的品质。
2炉膛辐射能信号的检测
利用全炉膛看火电视摄取火焰图象，通过图象采集卡将图象信号送入计算机，在计算机中进行图象处理，获得炉膛辐射能信号，并通过数模转换卡，将之送入电厂机组的DCS系统中。现场检测系统示意图见图1。
基本原理为：利用彩色CCD获取火焰图象，根据CCD摄像机标定结果，对图象中的红、绿、蓝三原色进行校正。式中ri,j为象素的红色值；gi,j为象素的绿色值；bi,j为象素的蓝色值；cg、cb分别为分量绿色和蓝色的修正系数，根据对CCD摄像机的标定结果求得。
选择火焰图象中较亮的象素区域作为参考温度检测区域，计算该区域中所有象素的红、绿色度值r0、g0，进而根据双色法测温原理，计算参考温度T0。
式中λ1、λ2分别为彩色CCD响应曲线中红、绿色最大响应值所对应的波长；c2为常数：1.4388×10-2mK。
根据彩色图象与灰度之间的关系，计算图象灰度分布：
式中σ0为斯蒂芬-玻尔兹曼常数：5.67´10-11kW/m2K4；T为火焰图象平均温度，取为所有象素点的算术平均值。
为了便于分析，对炉膛辐射能水平进行归一化处理，并将其结果定义为：炉膛辐射能信号
式中Tmax为炉膛平均温度最高水平。
另外，由于炉内煤粉燃烧剧烈，导致辐射能信号的脉动很强，因此在DCS中对炉膛辐射能信号进行滤波处理，滤波时间取为10s。
3机组动态特性试验
3.1燃料量扰动试验
湘潭电厂的火电单元机组为中间再热式亚临界300MW机组，自然循环锅炉，锅炉型号为：HG—1025/18.2—WM10。其主要参数有：主蒸汽流量1025t/h；过热器出口汽压17.46MPa，过热器出口汽温540°C；再热蒸汽流量815.5t/h。
为了获得单元机组的动态特性，根据电厂燃煤机组动态试验规程，对单元机组进行了锅炉燃料量扰动和汽机调门开度扰动下的开环动态特性试验。
试验时，机组稳定运行在负荷285MW左右，给粉指令为32.00。退出协调自动控制状态，保持汽机调门开度不变，突然将给粉指令降低5，进行锅炉燃料量的阶跃扰动试验。
燃料量减小，炉膛辐射能信号反映最快，随即下降。炉膛热负荷减小，蒸发区蒸汽量随之减小，这样将使得锅炉主汽压力下降，一段时间之后，稳定在低于原水平的状况。由于汽机调门开度保持不变，那么机组实发功率也随之降低。炉膛辐射能信号(E=330ec)、锅炉主汽压力pt和机组实发功率Ne的变化情况见图2。根据图2中阶跃响应曲线的形状，并参考对象的工作机理，可以将从燃料量变化到炉膛辐射能信号E的变化、到锅炉主汽压力pt的变化以及到机组实发功率Ne的变化分别近似为如下传递函数：
3.2调门开度扰动试验
试验时，机组稳定运行在295MW左右，汽机调门开度为97.025。退出协调自动控制状态，保持锅炉燃料量不变，突然减小汽机调门开度5，进行汽机调门开度的阶跃扰动试验。
调门开度减小，锅炉主汽压力上升，机组实发功率下降。由于燃料量未变，机组实发功率在下降之后，最终仍将上升，恢复到原来水平。锅炉主汽压力pt和机组实发功率Ne的变化情况见图3。根据图3中阶跃响应曲线的形状，并参考对象的工作机理，可以将从调门开度变化到锅炉主汽压力pt的变化和到机组实发功率Ne的变化分别近似为如下传递函数：
4现场试验与结果
湘潭电厂300MW机组负荷控制采用锅炉跟随为基础的前馈-反馈复合CCS1协调控制方式，燃烧控制采用热量信号的串级反馈控制方式。
对机组燃烧控制方案进行修改，采用炉膛辐射能信号代替热量信号。根据机组动态特性，见式(7)~(11)，对控制器参数进行整定得到：
2001年9月12日-18日，在湘潭电厂进行了采用炉膛辐射能信号代替热量信号，对入炉燃料量进行反馈控制的现场试验。
机组稳负荷运行，退出协调自动控制及燃烧自动控制，在DCS中将燃烧自动控制的内回路反馈信号——热量信号改为炉膛辐射能信号，并根据控制器参数整定的结果修改内、外回路的主、副控制器参数。检查无误后，投入协调自动控制及燃烧自动控制，观察、采集并记录机组运行数据。
采用炉膛辐射能信号控制方案进行实时控制，在机组负荷由195MW升至235MW，再升至300MW的过程中，锅炉主汽压力pt和机组实发功率Ne的变化情况如图4所示。从图4可以看出，在机组升负荷过程中，机组负荷的响应速度很快，过渡过程没有出现大的超调，主汽压波动不超过±0.3MPa。
同样，在机组负荷由205MW降至185MW的过程中，锅炉主汽压力pt和机组实发功率Ne的变化情况如图5所示。从图5可以看出，在机组降负荷过程中，机组负荷同样响应速度很快，过渡过程没有出现大的超调，主汽压波动不超过±0.3MPa。
机组稳负荷运行时，主汽压波动不超过±0.2MPa。
另外，还对采用炉膛辐射能信号的控制方案（新方案）和采用热量信号的控制方案（原方案），分别在机组负荷为210MW，240MW，270MW和300MW情况下的运行效果作了对比，结果如表1所示。
从表1可以看出，采用炉膛辐射能信号的控制方案（新方案），锅炉运行的平均热效率为92.48；NOx的平均排放量为841.31mg/m3。而采用热量信号的控制方案（原方案），锅炉运行的平均效率为92.25；NOx的平均排放量为869.47mg/m3。显然，采用新方案可以使锅炉效率提高0.23，煤耗平均下降0.81g/kW.h；NOx的排放量降低28.16mg/m3，NOx排放量幅度降低达3.31。湘潭电厂锅炉年运行按5000h计算，一年发电量30×109kWh，采用炉膛辐射能信号的控制方案，锅炉效率按平均提高0.23，煤耗平均下降0.81g/kWh计算，每台炉每年节约标煤约1200t。
研究表明[6]，火力发电量每增加1×1010kWh，NOx排放量增加2.9-3.8×104t。湘潭电厂锅炉年运行按5000h计算，一年发电量3×109kWh，NOx排放量增加0.87-1.14×104t。采用炉膛辐射能信号的控制方案，按锅炉NOx排放量减少3.31计算，锅炉排放量减少0.0270.035×104t。由此可见，采用炉膛辐射能信号的控制方案，可以提高锅炉效率，降低NOx排放。
5结论
采用基于火焰图象处理的炉膛辐射能信号检测系统对湘潭电厂300MW燃煤机组的炉膛辐射能信号进行了检测，并对机组进行了锅炉燃料量扰动和汽机调门开度扰动的开环试验，获得机组的动态特性。在此基础上，采用炉膛辐射能信号代替机组原有的热量信号，对入炉燃料量进行反馈控制，试验结果表明，该控制方案不仅可以有效克服燃料量内扰和负荷外扰对主汽压的影响，维持主汽压的稳定，还可以提高锅炉效率，降低NOx的生成。参考文献[1]李遵基（LiZunji）.热工自动控制系统（Controlsystemofheatengineering）[M].北京：中国电力出版社（Beijing：ChinaElectricPowerPress），1997.
[2]MaffezzoniC.Boiler-turbinedynamicsinpower-plantcontrol[J].ControlEngineeringPractice,1997,5(3)：301-312.
[3]FlynnME,MalleyMJO.Adrumboilermodelforlongtermpowersystemdynamicsimulation[J],IEEETransactionsonPowerSystems,1999,14(1)：209-217.
[4]周怀春，[1][2]下一页