ZoloBOSS燃烧优化项目建议书-Rev03

1基于ZoloBOSS激光测量系统的锅炉燃烧优化项目建议书华北电力大学河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心美国佐炉科技公司2011年8月BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学1BCOS-ZOLO基于ZoloBOSS激光测量系统的锅炉燃烧优化系统电力生产的能耗与排放现状锅炉燃烧优化技术投资回报分析燃烧优化的关键问题及解决方案炉膛参数测量ZoloBOSS测量原理ZoloBOSS技术特点ZoloBOSS激光测量网ZoloBOSS激光系统构成燃烧过程数学模型的建立优化步骤与方法燃烧优化的内容与步骤燃烧优化效果BCOS-ZOLO技术特点优化模式系统实施可行性分析安全性和经济性分析BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学2电力生产的能耗与排放现状我国电力工业高速发展，发电企业以煤电为主，截至2006年年底，我国发电装机容量达到62200万千瓦，其中，火电总装机容量达48405万千瓦，约占总容量77.82%，近年我国火电发电量比重在80%以上，火电在电力构成中仍占统治地位。2006年我国供电煤耗为366克/千瓦时，当前世界先进水平的供电煤耗是285克/千瓦时，世界平均水平为335克/千瓦时。我国当前供电煤耗相当于发达国家1990年左右的平均水平。在火电发电成本中，燃料费用一般要占70%以上，提高锅炉燃烧系统的运行水平对机组的节能降耗具有重要意义。同时，发电企业面临厂网分开、竞价上网的电力市场竞争,由于能源紧张导致燃煤价格上涨,进一步加大了发电企业的生产成本。另一方面，我国目前的大气污染状况很严重，二氧化硫和二氧化碳排放量分别居世界第一位和第二位，因此造成了高昂的经济成本和环境成本。研究表明大气污染造成的经济损失占GDP的3-7%。造成严重大气污染的主要原因也在于我国以燃煤为主的能源结构，煤炭能源占整个能源的70%左右，大气污染中烟尘和二氧化碳排放量的70%、二氧化硫的90%、氮氧化物的67%来自于燃煤。随着国家对电站污染物排放的限制,如何有效降低污染物排放的技术成为电厂当前关注的热点。燃煤价格的上涨和污染排放的限制,使国内燃煤电站面临着提高锅炉效率与降低污染排放的双重要求,迫切需要更好的面向节能、降耗与降低污染的生产过程一体化控制与调度方法。锅炉燃烧优化技术能够有效提高机组运行效率,降低发电成本,并能够降低锅炉污染物的排放。BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学3锅炉燃烧优化技术燃烧优化技术的实质是一个多目标优化问题：在保证污染排放不超标的前提下，追求尽可能高的锅炉效率；或者在保证锅炉效率一定的前提下，采用尽可能低的污染排放控制策略。目标是根据锅炉的负荷和煤种，实时优化锅炉配风、配煤燃烧运行方式，指导锅炉燃烧调整，提高锅炉燃烧运行效率，降低发电煤耗，同时减少烟气的NOx排放，实现锅炉的经济环保运行。锅炉的燃烧效率和污染物排放特性是由两个方面决定的:锅炉的设计制造水平锅炉的操作运行水平锅炉燃烧优化技术的两种主要方式：第一类：改造锅炉的设计制造水平。燃烧优化技术在设备层面，通过对燃烧器、受热面等的改造实现锅炉的燃烧优化调整。第二类：提高锅炉的运行操作水平通过在线检测锅炉燃烧的重要参数，指导运行人员调节锅炉燃烧。同时在DCS的基础上，作为锅炉运行的监督控制系统，通过采用先进的控制逻辑、控制算法或人工智能技术，实现锅炉的燃烧优化。随着DCS技术的广泛推广、先进控制和人工智能技术的逐步成熟，及其在工业上成功的应用，这类燃烧优化技术发展迅速。BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学4投资与回报分析世界著名先进控制领域的公司所做的有关调查表明：用DCS实现常规PID控制，其投资占总投资的70%，取得的经济效益约占总效益的15%；在常规PID控制的基础上，实现常规先进控制(TAC)，投资额10%，效益也提高10%；再增加10%的投资实现预测等先进控制(MPC)，便可取得约的35%效益；在实现先进控制的基础上，增加实时优化(CLRTO)，成本增加约10%，可进一步获得40%的效益。可见，实施先进控制与优化的产出投入比是极高的，因而有人把优化称为“不用投资的技术改造”。实施先进控制与优化技术不需要对锅炉设备进行任何改造，能够充分利用锅炉的运行数据，在DCS控制的基础上，通过先进建模、优化、控制技术的应用，直接提高锅炉运行效率，降低NOx排放，具有投资少、风险小、效果明显的优点，因而成为很多电厂首选的燃烧优化技术。DCSTACMPCCLRTO01234效益投资比BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学5燃烧优化的关键问题及解决方案【目前问题】真正有效的实现燃烧优化，涉及几个关键的问题：炉膛内参数的测量炉膛燃烧区域被称为“测量盲区”，因为现有的各种测量仪表均无法忍受燃烧区域摄氏1500度的高温，因此无法获得实时、有效的燃烧数据，给实时燃烧控制带来极大的难题与挑战。燃烧过程数学模型的建立锅炉燃烧过程是个复杂的物理和化学反应过程，涉及到燃烧学、流体力学、热力学、传热传质学等学科领域。影响锅炉燃烧品质的参数繁多，各参数之间的关系复杂，目前对燃烧过程机理尚未完全了解透彻。优化算法的选择与应用早期锅炉燃烧优化技术的研究主要集中在设备层面，以提高锅炉燃烧安全性为目标的。目前电站锅炉燃烧优化技术发展到以经济性、安全性、环保并举为目的，效率和环保并重的多目标优化方式。【解决方案】BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统，类似于飞机上的“黑匣子”，突破了传统的理论和设计思想，使用先进的激光测量网技术准确获得炉内燃烧参数，提出一种全新优化模式，提供一个对锅炉多目标性能优化的实时在线分析系统，给出锅炉运行中燃烧系统的优化空间和最具优化潜力的参数。技术方案突破了当前常见优化方案的传统理念和方法，主要立足于全面优化思想和技术路线。在锅炉基本信息前期调查、企业需求分析和优化目标确定、试验设计、增加关键中间参数测量和控制、试验数据采集、数据验证、人工神经网络训练、确定优化结果和建立锅炉性能优化分析系统数学模型等方面都有创新和独到之处。该方案能够实现锅炉燃烧整体优化，改善锅炉热效率，保证锅炉安全高效运行，提高企业效益。BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学6炉膛参数测量-“黑匣子”破解“测量盲区”【目前问题】锅炉运行中，对炉内燃烧工况的实时检测和控制，是保证机组正常运行的前提和必要条件，在煤种变化频繁以及混煤燃烧条件下尤其重要。传统的锅炉燃烧检测方法和手段已无法对煤的燃烧过程进行有效地监控。现有的燃烧优化项目完成并投入运行之后都不能达到预期的效果，其最主要的问题在于缺乏炉膛燃烧区域、火焰中心的直接数据，包括温度、O2、CO的浓度值。对于炉膛温度的测量，由于炉膛温度的测量条件不好，温度高，一般锅炉设计时多采用普通热电偶进行测量，只测量升炉时的温度，等到一定负荷或温度的时候自动退出，由于锅炉燃烧优化的需要，要求对炉膛温度进行长期实时测量，甚至是对炉内燃烧的温度梯度进行分析，所以就提出了长期连续测量炉内温度的课题，也是燃烧优化的瓶颈问题。对于O2、CO的测量一般依靠传统的测量仪表，例如氧化锆探头、CO探头，这些直接测量设备无法在炉膛燃烧区域直接测量以获得数据，因为在摄氏1500度的炉温下都会熔化。要想获得这些数据，现有的做法是在锅炉尾部烟道、空气预热器附件安装氧化锆、CO探头，获取间接数据，再结合热力试验、经验公式从而修正、推算出炉膛燃烧区域的温度、O2、CO的浓度值。由于炉膛漏风以及其它锅炉缺陷，注定这种推算值与实际测量值有很大偏差，锅炉燃烧优化系统采用这种有很大误差的数据后，必然导致优化效果大打折扣。现有的各种测量仪表均无法忍受燃烧区域摄氏1500度的高温，无法获得实时、有效的燃烧数据，所以，炉膛燃烧区域被称为“黑匣子”，给实时燃烧控制带来极大的难题与挑战。【解决方案】在ZOLOBOSS这种激光测量系统发明以后，这些问题便迎刃而解。可以说，ZOLOBOSS激光测量网的发明是一个革命性的技术突破，它解决了燃煤火力发电厂诞生以来燃烧区域测量的难题。BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学7ZoloBOSS测量原理美国佐炉科技公司与斯坦福大学（StanfordUniversity）高温气体动力学实验室（HighTemperatureGasdynamicsLaboratory）合作开发了ZoloBOSS激光测量网。ZoloBOSS采用可调谐二极管激光吸收光谱（tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，TDLAS）技术，这种技术的原理在于每种气体分子都有独一无二的光谱吸收特性。针对炉内气体的测量原理是：特定波长的激光在穿过炉膛过程中，光量会被相应的气体吸收。未被吸收光量P与被吸收光量Pabs之间的比率值P/Pabs与气体浓度成函数正比关系。ZoloBOSS集多种不同波长激光于一根光纤，然后使发出的光线穿过锅炉。接收器采集光线后将其传回控制柜，由控制柜测量未吸收光线与被吸收光线的比例，从而确定各个被测对象的浓度。特定波长值光量P=未被吸收光量Pabs=被吸收的光量被CO吸收的光谱波长%CO~function(P/Pabs)BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学8ZoloBOSS技术特点ZoloBOSS每次测量，都将对穿过锅炉的特定波长的基准光量与被测物质分子所吸收的光量之间的比率进行比较。气体分子的浓度与该比率成正比，只需关心P与Pabs之间的比率值P/Pabs，而与穿过锅炉的光量无关。因此，测量不受炉膛内煤灰、尘渣的影响。ZoloBOSS是一种创新的激光传感器，仅需一束光线及7厘米的开口即可在极其恶劣的环境下进行测量。ZoloBOSS的发射器及接受器头自动取直、校正，以确保即使是在锅炉的动态燃烧环境之下也能获得最佳的光量传输。ZoloBOSS无需插入探头或在锅炉旁放置易损的电子仪器，整个测量系统无需插入探头、参考气体、定期校验、气体取样，是一个真正免维护的系统。ZoloBOSS将不同频率、波长的激光耦合于同一根光纤，然后发出激光束，使之穿过炉膛。激光从发射器射出，在炉膛的另一端，接收器接受激光，称之为一条“路径”。每条路径可以同时测量温度、O2、CO、CO2气体以及水蒸汽的浓度。BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学9ZoloBOSS激光测量网激光从发射器射出，在炉膛的另一端，接收器接受激光，称之为一条“路径”。每条路径可以同时测量氧(O2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)的平均浓度以及温度。通常在锅炉的一个或多个层面上采用网格形式布置多条路径。通过复杂的数学运算，生成炉膛燃烧截面的气体浓度与温度剖面分析图，原理与医学CT扫描仪的成像原理相同。布置在炉膛内的多条路径可绘制所需地点的燃烧状况图，甚至包括燃烧区域的核心地带。BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学10ZoloBOSS激光系统构成在一个标准的系统中，ZoloBOSS激光测量网由以下设备构成：15个激光发射头15个激光接收头5-6个就地激光节点盒控制柜矩阵配电柜燃烧区域二维影像分析软件OPC客户端通讯接口ZoloBOSS系统中包括一个设在工厂继电室或控制室内的控制柜。控制柜中安装了所有的敏感电子仪器，其中包括激光器、检测器及计算机，用于产生、调制激光、控制激光温度、分析计算接收到的数据。控制柜将光线传输至锅炉旁的一个矩阵配电柜，光线在矩阵配电柜中被轮替分配至各个发送头。各个发送头将光线穿过锅炉传至另一侧的接收头上，采集后将光线送回控制柜进行分析。ZoloBOSS测量系统包含15条路径，燃烧区域二维影像分析软件可以同时绘制多个浓度剖面图。在一个标准的系统中，每隔五至十秒钟即可完成针对不同高度层面的锅炉燃烧状况图的更新，数据将依据工业界标准的OPC协议、通过OPC客户端通讯接口、实时传至燃烧优化软件及电厂的DCS，参与实时燃烧优化计算与控制。BCOS-ZOLO锅炉燃烧优化系统华北电力大学11燃烧过程数学模型的建立实现燃烧优化的另一个关键问题是建立燃