作為火電廠dcs重要子系統(tǒng)的爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（fsss），目前只能判斷燃燒器單個(gè)噴嘴火焰的有無(wú)，而在線(xiàn)獲取的爐膛燃燒信息很少。爐內(nèi)火焰溫度分布是煤粉在經(jīng)過(guò)高溫化學(xué)反應(yīng)、流動(dòng)以及傳熱傳質(zhì)等復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程后的綜合體現(xiàn)，其三維溫度分布特征是揭示爐內(nèi)燃燒規(guī)律的關(guān)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(nèi)的高溫輻射能量信號(hào)，利用輻射能量圖像與爐內(nèi)燃燒溫度分布的關(guān)聯(lián)模型，采用tikhonov正則化算法計(jì)算得到爐內(nèi)三維溫度分布，其計(jì)算刷新率不超過(guò)5s，且有效性和準(zhǔn)確性己得到驗(yàn)證。
針對(duì)1臺(tái)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(shè)定爐內(nèi)燃燒溫度分布的計(jì)算區(qū)域?yàn)槔浠叶芬陨现琳蹮熃且韵聵?biāo)高為（12~27.6）m之間，整個(gè)爐膛橫截面為17m×8.475m（約144m2），單個(gè)爐膛橫截面積8.5m×8.475m（約72m2）。單個(gè)爐膛沿i（爐寬）、h（爐深）、k（爐高）方向?qū)囟葓?chǎng)計(jì)算區(qū)間劃分為lo×lo×16的網(wǎng)格，即單個(gè)爐膛沿高度方向分為16層斷面，每層斷面又分為100（10×10）個(gè)網(wǎng)格，這樣每一個(gè)立體網(wǎng)格單元的尺寸為1×0.85×0.847（約0.72）m3，這就是爐內(nèi)三維溫度分布的zui小分辨單元。使用工業(yè)控制機(jī)（工控機(jī)）計(jì)算得到爐內(nèi)三維溫度場(chǎng)后，通過(guò)通訊送到dcs，在dcs中進(jìn)行可視化顯示。
二、實(shí)現(xiàn)方法
爐內(nèi)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(biāo)（xj,yj，zj）;（2）反應(yīng)爐內(nèi)某一斷面燃燒強(qiáng)度的平均溫度ti;（3）反應(yīng)該層斷面火焰中心偏斜的程度，即該層斷面zui高溫度點(diǎn)所在位置（xi，yi）。
雙爐膛某一層斷面溫度場(chǎng)在dcs中的顯示情況如圖1所示，右側(cè)甲爐膛斷面溫度場(chǎng)在實(shí)際坐標(biāo)平面xo1y下，zui高溫度點(diǎn)所在位置坐標(biāo)為（x1，y1）。為了立體顯示，實(shí)際坐標(biāo)平面在dcs組態(tài)畫(huà)面上x(chóng)軸與y軸的夾角設(shè)置為θ因?yàn)槟壳癲cs尚無(wú)三維坐標(biāo)系，只有平面直角坐標(biāo)系，因此zui高溫度點(diǎn)在dcs中進(jìn)行顯示時(shí)以繪圖坐標(biāo)平面x'o1y'為參照，實(shí)際坐標(biāo)（x1,y1）需要轉(zhuǎn)換為繪圖坐標(biāo)（x1、y1）。由圖1知，實(shí)際坐標(biāo)（x1，y1）與繪圖坐標(biāo)（x1'，y1'）的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:x1'=x1+y1cosθ，y1'=y1sinθ。同理，左側(cè)乙爐膛斷面溫度場(chǎng)zui高溫度點(diǎn)在實(shí)際坐標(biāo)平面xo2y下的實(shí)際坐標(biāo)（x2，y2）與在繪圖坐標(biāo)平面x'o2y'下的繪圖坐標(biāo)（x2'，y2'）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:x'2=x2+y2cosθ,y2'=y2sinθ。因此，工控機(jī)只需要將實(shí)際坐標(biāo)值送入dcs，在dcs中就可以轉(zhuǎn)換為繪圖坐標(biāo)在組態(tài)畫(huà)面上進(jìn)行直觀顯示。此外，為了清晰顯示該層斷面甲、乙爐膛燃燒強(qiáng)度，左右兩側(cè)的柱狀長(zhǎng)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(chǎng)較多，則θ角設(shè)置較小，否則θ角設(shè)置較大。工控機(jī)計(jì)算得到16層斷面溫度場(chǎng)，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(chǎng)，因?yàn)樵?層溫度場(chǎng)分布在燃燒器區(qū)域、爐膛中部和折煙焰角下部區(qū)域，具有代表意義。本例中設(shè)置θ=45。
工控機(jī)向dcs伎翰甲乙兩側(cè)爐造各5層共10層爐膛斷面溫度場(chǎng)信息，包括各層斷面平均溫度及各層斷面zui高溫度點(diǎn)所在位置（xi,yi，ti，i=l~10），以及甲、乙爐膛火焰中心大小及強(qiáng)度（xi，yi，zj，tj,j=1~2）等共計(jì)38個(gè)數(shù)據(jù)量，如果這些數(shù)據(jù)全部采用硬接線(xiàn)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(xié)議[4]，的串行通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通訊設(shè)置dcs為主站，工控機(jī)為從站，dcs定時(shí)向工控機(jī)發(fā)送命令，要求工控機(jī)向dcs傳送溫度場(chǎng)信息數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)傳輸定時(shí)周期為4s。在dcs串行通訊控制器中設(shè)置modbus通信模塊的通信參數(shù)，其參數(shù)包括從站地址、通信速率、通信端口、奇偶校驗(yàn)位、停止位等，這些參數(shù)必須與工控機(jī)中串口通信模塊的設(shè)置值一致，方可保證雙方通訊正確無(wú)誤[5]。串行通訊控制器下載、安裝和記錄各溫度參數(shù)點(diǎn)詳細(xì)格式的modbus通訊配置文件，通過(guò)rs-485總線(xiàn)向工控機(jī)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)dcs與工控機(jī)之間的交互通訊。
三、系統(tǒng)運(yùn)行
圖2為在dcs上實(shí)現(xiàn)的爐內(nèi)三維組態(tài)畫(huà)面，其直觀顯示了甲、乙爐膛5層爐內(nèi)斷面溫度場(chǎng)信息，下2層標(biāo)高為12.5m、15.4m，位于燃燒器區(qū)域;中間2層標(biāo)高為19.3m、23.2m，位于爐膛中部區(qū)域;上1層標(biāo)高為27.1m，位于折煙焰角以下區(qū)域。dcs組態(tài)畫(huà)面給出了各層平均溫度值及各層zui高溫度點(diǎn)所在位置。對(duì)全爐膛而言，甲爐膛火焰中心在標(biāo)高為19.31m處，截面位置坐標(biāo)為（4.67m，4.66m），乙爐膛火焰中心在標(biāo)高17.36m處，截面位置坐標(biāo)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(diǎn)分布位置均靠近爐膛區(qū)域幾何中心，而高度為27.1m的爐膛斷面zui高溫度點(diǎn)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(zhuǎn)上升的煙氣受到折煙焰角的影響對(duì)前墻形成強(qiáng)烈的沖刷作用。乙爐膛23.2m處斷面zui高溫度點(diǎn)偏向前墻和左墻，需要進(jìn)行燃燒調(diào)整，將該層zui高溫度點(diǎn)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(jié)語(yǔ)
（1）在dcs中實(shí)現(xiàn)了大型鍋爐爐內(nèi)三維溫度場(chǎng)可視化技術(shù)，并應(yīng)用于實(shí)際鍋爐，畫(huà)面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新時(shí)間不超過(guò)5s。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，通過(guò)dcs畫(huà)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(jī)基于modbus協(xié)議進(jìn)行通訊的方法硬件投資小，準(zhǔn)確度和效率高，對(duì)dcs與第3方設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊是切實(shí)可行的，尤其適用于大數(shù)據(jù)量通信。