在DCS中實現爐內三維溫度場可視化技術

　　作為火電廠DCS重要子系統的爐膛安全監控系統（FSSS），目前只能判斷燃燒器單個噴嘴火焰的有無，而在線獲取的爐膛燃燒信息很少。爐內火焰溫度分布是煤粉在經過高溫化學反應、流動以及傳熱傳質等復雜的物理化學過程后的綜合體現，其三維溫度分布特征是揭示爐內燃燒規律的關鍵。
　　
　　一、基本原理
　　
　　將CCD火焰探頭作為二維輻射能量傳感器接收三維爐膛內的高溫輻射能量信號，利用輻射能量圖像與爐內燃燒溫度分布的關聯模型，采用Tikhonov正則化算法計算得到爐內三維溫度分布，其計算刷新率不超過5s，且有效性和準確性己得到驗證。
　　
　　針對1臺亞臨界壓力、一次中間再熱、雙爐膛、Ⅱ型布置、四角切圓燃燒的直流鍋爐，設定爐內燃燒溫度分布的計算區域為冷灰斗以上至折煙角以下標高為（12~27.6）m之間，整個爐膛橫截面為17m×8.475m（約144m2），單個爐膛橫截面積8.5m×8.475m（約72m2）。單個爐膛沿i（爐寬）、H（爐深）、k（爐高）方向將溫度場計算區間劃分為lO×lO×16的網格，即單個爐膛沿高度方向分為16層斷面，每層斷面又分為100（10×10）個網格，這樣每一個立體網格單元的尺寸為1×0.85×0.847（約0.72）m3，這就是爐內三維溫度分布的zui小分辨單元。使用工業控制機（工控機）計算得到爐內三維溫度場后，通過通訊送到DCS，在DCS中進行可視化顯示。
　　
　　二、實現方法
　　
　　爐內三維溫度分布的特征量為:（1）全爐膛火焰中心溫度值Tj及其所在位置坐標（Xj,Yj，Zj）;（2）反應爐內某一斷面燃燒強度的平均溫度Ti;（3）反應該層斷面火焰中心偏斜的程度，即該層斷面zui高溫度點所在位置（Xi，Yi）。
　　
　　雙爐膛某一層斷面溫度場在DCS中的顯示情況如圖1所示，右側甲爐膛斷面溫度場在實際坐標平面xO1y下，zui高溫度點所在位置坐標為（X1，y1）。為了立體顯示，實際坐標平面在DCS組態畫面上x軸與y軸的夾角設置為θ因為目前DCS尚無三維坐標系，只有平面直角坐標系，因此zui高溫度點在DCS中進行顯示時以繪圖坐標平面x'O1y'為參照，實際坐標（X1,y1）需要轉換為繪圖坐標（X1、y1）。由圖1知，實際坐標（X1，y1）與繪圖坐標（X1'，y1'）的轉換關系為:x1'=X1+Y1cosθ，Y1'=Y1sinθ。同理，左側乙爐膛斷面溫度場zui高溫度點在實際坐標平面xO2y下的實際坐標（X2，y2）與在繪圖坐標平面x'O2y'下的繪圖坐標（X2'，y2'）之間的轉換關系為:x'2=X2+Y2cosθ,Y2'=Y2sinθ。因此，工控機只需要將實際坐標值送入DCS，在DCS中就可以轉換為繪圖坐標在組態畫面上進行直觀顯示。此外，為了清晰顯示該層斷面甲、乙爐膛燃燒強度，左右兩側的柱狀長度分別表示該層斷面甲、乙爐膛平均溫度T1、T2。如果需要顯示的斷面溫度場較多，則θ角設置較小，否則θ角設置較大。工控機計算得到16層斷面溫度場，在DCS申顯示由下到上的第1、4、8、12、16層共5層斷面溫度場，因為該5層溫度場分布在燃燒器區域、爐膛中部和折煙焰角下部區域，具有代表意義。本例中設置θ=45。　　
　　工控機向DCS伎翰甲乙兩側爐造各5層共10層爐膛斷面溫度場信息，包括各層斷面平均溫度及各層斷面zui高溫度點所在位置（Xi,yi，Ti，i=l~10），以及甲、乙爐膛火焰中心大小及強度（Xi，Yi，Zj，Tj,j=1~2）等共計38個數據量，如果這些數據全部采用硬接線方式傳輸，則將大大地增加硬件成本，因此采用基于Modbus通訊協議[4]，的串行通訊方式進行數據傳輸。通訊設置DCS為主站，工控機為從站，DCS定時向工控機發送命令，要求工控機向DCS傳送溫度場信息數據包，數據傳輸定時周期為4s。在DCS串行通訊控制器中設置Modbus通信模塊的通信參數，其參數包括從站地址、通信速率、通信端口、奇偶校驗位、停止位等，這些參數必須與工控機中串口通信模塊的設置值一致，方可保證雙方通訊正確無誤[5]。串行通訊控制器下載、安裝和記錄各溫度參數點詳細格式的Modbus通訊配置文件，通過RS-485總線向工控機發送命令，實現DCS與工控機之間的交互通訊。　　
　　三、系統運行
　　
　　圖2為在DCS上實現的爐內三維組態畫面，其直觀顯示了甲、乙爐膛5層爐內斷面溫度場信息，下2層標高為12.5m、15.4m，位于燃燒器區域;中間2層標高為19.3m、23.2m，位于爐膛中部區域;上1層標高為27.1m，位于折煙焰角以下區域。DCS組態畫面給出了各層平均溫度值及各層zui高溫度點所在位置。對全爐膛而言，甲爐膛火焰中心在標高為19.31m處，截面位置坐標為（4.67m，4.66m），乙爐膛火焰中心在標高17.36m處，截面位置坐標為（3.82m，4.66m）。由于燃燒器布置在（12~18）m之間，因此甲、乙爐膛火焰中心均位于頂層燃燒器附近，且甲爐膛火焰中心高于乙爐膛火焰中心。下3層爐膛斷面zui高溫度點分布位置均靠近爐膛區域幾何中心，而高度為27.1m的爐膛斷面zui高溫度點靠近前墻，其原因在于該層斷面位于折煙焰角稍偏下位置，旋轉上升的煙氣受到折煙焰角的影響對前墻形成強烈的沖刷作用。乙爐膛23.2m處斷面zui高溫度點偏向前墻和左墻，需要進行燃燒調整，將該層zui高溫度點拉回到爐膛的幾何中心處，否則該處水冷壁容易超溫爆管。
　　
　　四、結語
　　
　　（1）在DCS中實現了大型鍋爐爐內三維溫度場可視化技術，并應用于實際鍋爐，畫面數據實時刷新時間不超過5s。實際運行結果表明，通過DCS畫面可直觀地了解爐膛燃燒工祝（如火焰中心位置、溫度高低及火焰中心偏斜等情況）。
　　
　　（2）DCS與工控機基于Modbus協議進行通訊的方法硬件投資小，準確度和效率高，對DCS與第3方設備之間進行數據通訊是切實可行的，尤其適用于大數據量通信。