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基于W火焰炉炉内三维温度场测量技术的燃烧优化控制技术

研究

摘要：大型燃煤发电机组的炉内温度场监测对于燃烧工况诊断和燃烧控制具有

重要意义。本文通过对当前较为先进的几种炉内温度场在线测量技术的比较分析，

并结合基于炉内三维温度场测量技术在W火焰炉上的应用从而为锅炉燃烧优化控

制提供具体的参数，最终达到提高锅炉运行效率，保证锅炉安全的目的。

关键词：W火焰锅炉三维温度场光学辐射法测温激光法测温声波法测温实

时监测炉内燃烧优化

一、目的和意义

当前国家大力提倡绿色GDP，火力发电为高耗能行业，是我国“十一五”期间

节能降耗重点行业之一，国家环保总局对电厂征收不同比例的排污费用，标志着

我国经济已从粗放型发展转变为集约型发展。另外，由于我国电力用煤供应紧张，

且煤质复杂多变，导致现阶段电厂的运行效率不是特别好，从一定程度上也加大

了电厂的生产成本。

鉴于以上情况，结合我国电力系统的实际状况，如何降低成本，提高运行效

率和可用率，降低排污费用将是各电厂参与竞争的必由之路。当前我国电厂机组

设备良好、可控性强、自动化水平高，在此基础上充分利用信息技术挖掘潜力，

加强机组燃烧侧的优化控制，是实现火力发电厂节能降耗、减少污染最直接有效

的方法。

从我国现已投运的机组情况看，W火焰炉普遍存在着结焦严重、灭火次数多、

炉膛负压波动大、再热汽温低、NOX排放大等问题，在高参数、大容量的机组上

体现得尤为严重。大量研究表明，以上问题均与炉内的燃烧状况息息相关。有效

获取W火焰炉炉内温度场、分析建立炉内温度场信息与各工况下的最佳运行方式

之间的关联性，从而有效利用实时的炉内温度场数据改善锅炉燃烧情况，对于提

高锅炉效率、保障机组安全运行、减少污染物排放等具有重要意义。

燃煤电站锅炉炉内燃烧是大空间内发生的高温、非均匀、带剧烈化学反应的

复杂气固多相流动过程，对于测量设备的耐高温性、数据准确性等各项性能提出

了较高的要求，目前传统的测量手段均无法很好地实现炉内温度场的在线测量，

未能为锅炉燃烧优化提供准确有效的数据。

本课题主要通过研究当前国内外炉内温度测量和燃烧优化控制领域的新技术

和新系统，了解掌握其实现原理、适用条件和优劣性能等，在综合分析的基础上

建立一套基于W火焰炉炉内温度场实时数据的燃烧优化控制系统，实时显示、分

析炉内温度场分布情况，指导运行操作，以提高锅炉效率、减少炉膛结焦和爆管、

降低NOx的生成与排放等。本项目的开展，有助于推进炉内温度场测量技术及电

厂信息化系统的发展与应用，保障机组在安全、经济的工况下运行，促进节能减

排工作的开展，有效提高电厂的竞争力。

二、国内外研究水平综述

W火焰炉炉内三维温度场的在线测量和燃烧优化控制技术均属前沿课题。本

课题旨在准确、全面获得炉内燃烧数据基础上，研究炉内温度场与最佳运行工况

的关联性建立燃烧模型，最终实现W火焰炉的燃烧优化控制。将W火焰炉炉内

温度场的在线测量技术与W火焰炉的燃烧优化控制技术进行有机结合，也是本课

题的亮点之一。课题将分为“W火焰炉炉内三维温度场的在线测量技术研究”和“W

火焰炉燃烧优化控制技术研究”两大子课题来实施，并确保两个子课题间的有效衔

接。

2.1炉内温度场在线测量技术研究综述

实现炉内三维温度场的在线测量是完成本项目的基础。常用的炉膛燃烧火焰

温度测量方法可分为接触式和非接触式两种。由于前者在大多数情况下只有其测

温元件和被测对象处于热平衡状态才能进行测量，这一方面破坏了被测量的温度

场，同时，也使得测温仪表受到感温元件耐温性能的约束，因此接触式测温方法

一般在实验室或者炉内温度不太高的区域使用，难以实现炉内温度场的在线测量。

非接触式温度测量仪表在测量时，其检测元件不必与被测介质直接接触，因此所

测温度上限不受感温元件耐温程度的限制，可以用于测量接触式温度测量仪无法

测量的高温物体。近年来，高性能的非接触式测温仪表的研究与应用获得了快速

的发展，由于其对现场恶劣环境的良好适应性，已成为锅炉炉内温度场在线测量

技术的主要发展方向。

国内外学者已对此开展了大量的研究工作，在实际工业应用方面也取得了一

定的成绩。目前国内外发展比较成熟的炉内温度场在线测量方法主要包括光学法

和声学法等。根据信号来源和分析对象波段及分析方式的不同，光学法又可分为

光学辐射法、激光法和CO2光谱法等几种方法。国内科研