在DCS中实现炉内三维温度场可视化技术

作为火电厂DCS重要子系统的炉膛安全监控系统（FSSS），目前只能判断燃烧器单个喷嘴火焰的有无，而在线获取的炉膛燃烧信息很少。炉内火焰温度分布是煤粉在经过高温化学反应、流动以及传热传质等复杂的物理化学过程后的综合体现，其三维温度分布特征是揭示炉内燃烧规律的关键。

一、基本原理

将CCD火焰探头作为二维辐射能量传感器接收三维炉膛内的高温辐射能量信号，利用辐射能量图像与炉内燃烧温度分布的关联模型，采用Tikhonov正则化算法计算得到炉内三维温度分布，其计算刷新率不超过5s，且有效性和准确性己得到验证。

针对1台亚临界压力、一次中间再热、双炉膛、Ⅱ型布置、四角切圆燃烧的直流锅炉，设定炉内燃烧温度分布的计算区域为冷灰斗以上至折烟角以下标高为（12~27.6）m之间，整个炉膛横截面为17m×8.475m（约144m2），单个炉膛横截面积8.5m×8.475m（约72m2）。单个炉膛沿i（炉宽）、H（炉深）、k（炉高）方向将温度场计算区间划分为lO×lO×16的网格，即单个炉膛沿高度方向分为16层断面，每层断面又分为100（10×10）个网格，这样每一个立体网格单元的尺寸为1×0.85×0.847（约0.72）m3，这就是炉内三维温度分布的zui小分辨单元。使用工业控制机（工控机）计算得到炉内三维温度场后，通过通讯送到DCS，在DCS中进行可视化显示。

二、实现方法

炉内三维温度分布的特征量为:（1）全炉膛火焰中心温度值Tj及其所在位置坐标（Xj,Yj，Zj）;（2）反应炉内某一断面燃烧强度的平均温度Ti;（3）反应该层断面火焰中心偏斜的程度，即该层断面zui高温度点所在位置（Xi，Yi）。

双炉膛某一层断面温度场在DCS中的显示情况如图1所示，右侧甲炉膛断面温度场在实际坐标平面xO1y下，zui高温度点所在位置坐标为（X1，y1）。为了立体显示，实际坐标平面在DCS组态画面上x轴与y轴的夹角设置为θ因为目前DCS尚无三维坐标系，只有平面直角坐标系，因此zui高温度点在DCS中进行显示时以绘图坐标平面x'O1y'为参照，实际坐标（X1,y1）需要转换为绘图坐标（X1、y1）。由图1知，实际坐标（X1，y1）与绘图坐标（X1'，y1'）的转换关系为:x1'=X1+Y1cosθ，Y1'=Y1sinθ。同理，左侧乙炉膛断面温度场zui高温度点在实际坐标平面xO2y下的实际坐标（X2，y2）与在绘图坐标平面x'O2y'下的绘图坐标（X2'，y2'）之间的转换关系为:x'2=X2+Y2cosθ,Y2'=Y2sinθ。因此，工控机只需要将实际坐标值送入DCS，在DCS中就可以转换为绘图坐标在组态画面上进行直观显示。此外，为了清晰显示该层断面甲、乙炉膛燃烧强度，左右两侧的柱状长度分别表示该层断面甲、乙炉膛平均温度T1、T2。如果需要显示的断面温度场较多，则θ角设置较小，否则θ角设置较大。工控机计算得到16层断面温度场，在DCS申显示由下到上的第1、4、8、12、16层共5层断面温度场，因为该5层温度场分布在燃烧器区域、炉膛中部和折烟焰角下部区域，具有代表意义。本例中设置θ=45。

工控机向DCS伎翰甲乙两侧炉造各5层共10层炉膛断面温度场信息，包括各层断面平均温度及各层断面zui高温度点所在位置（Xi,yi，Ti，i=l~10），以及甲、乙炉膛火焰中心大小及强度（Xi，Yi，Zj，Tj,j=1~2）等共计38个数据量，如果这些数据全部采用硬接线方式传输，则将大大地增加硬件成本，因此采用基于Modbus通讯协议[4]，的串行通讯方式进行数据传输。通讯设置DCS为主站，工控机为从站，DCS定时向工控机发送命令，要求工控机向DCS传送温度场信息数据包，数据传输定时周期为4s。在DCS串行通讯控制器中设置Modbus通信模块的通信参数，其参数包括从站地址、通信速率、通信端口、奇偶校验位、停止位等，这些参数必须与工控机中串口通信模块的设置值一致，方可保证双方通讯正确无误[5]。串行通讯控制器下载、安装和记录各温度参数点详细格式的Modbus通讯配置文件，通过RS-485总线向工控机发送命令，实现DCS与工控机之间的交互通讯。

三、系统运行

图2为在DCS上实现的炉内三维组态画面，其直观显示了甲、乙炉膛5层炉内断面温度场信息，下2层标高为12.5m、15.4m，位于燃烧器区域;中间2层标高为19.3m、23.2m，位于炉膛中部区域;上1层标高为27.1m，位于折烟焰角以下区域。DCS组态画面给出了各层平均温度值及各层zui高温度点所在位置。对全炉膛而言，甲炉膛火焰中心在标高为19.31m处，截面位置坐标为（4.67m，4.66m），乙炉膛火焰中心在标高17.36m处，截面位置坐标为（3.82m，4.66m）。由于燃烧器布置在（12~18）m之间，因此甲、乙炉膛火焰中心均位于顶层燃烧器附近，且甲炉膛火焰中心高于乙炉膛火焰中心。下3层炉膛断面zui高温度点分布位置均靠近炉膛区域几何中心，而高度为27.1m的炉膛断面zui高温度点靠近前墙，其原因在于该层断面位于折烟焰角稍偏下位置，旋转上升的烟气受到折烟焰角的影响对前墙形成强烈的冲刷作用。乙炉膛23.2m处断面zui高温度点偏向前墙和左墙，需要进行燃烧调整，将该层zui高温度点拉回到炉膛的几何中心处，否则该处水冷壁容易超温爆管。

四、结语

（1）首次在DCS中实现了大型锅炉炉内三维温度场可视化技术，并应用于实际锅炉，画面数据实时刷新时间不超过5s。实际运行结果表明，通过DCS画面可直观地了解炉膛燃烧工祝（如火焰中心位置、温度高低及火焰中心偏斜等情况）。

（2）DCS与工控机基于Modbus协议进行通讯的方法硬件投资小，准确度和效率高，对DCS与第3方设备之间进行数据通讯是切实可行的，尤其适用于大数据量通信。