工业过程测控新技术与系统北京市重点实验室

团队概况

融合快速、分布信息的电力燃烧过程测控系统教育部创新团队（华北电力大学），于2010年3月批准开始建设。

团队负责人：刘石，教授，博士生导师，华北电力大学控制与计算机工程学院院长。

刘吉臻 男 51.8 教授/硕士 信息融合与状态监控 信息融合与软测量方向带头人

杨勇平 男 67.4 教授/博士 节能分析与控制 分析诊断与优化控制方向带头人

牛玉广 男 64.4 教授/博士 燃烧优化控制 信息融合与软测量方向

姜根山 男 63.5 教授/博士 声学测量 在线检测

阎维平 男 55.12 教授/博士 燃烧过程分析 分析诊断与优化控制

郭永权 男 65.10 教授/博士 金属功能材料 传感器

杜小泽 男 70.1 教授/博士 节能分析与控制 分析诊断与优化控制

邱启荣 男 70.5 教授/博士 建模与成像方法 机理模型数学方法

谭文 男 69.8 教授/博士 多目标优化控制 分析诊断与优化控制

刘东雨 男 63.7 教授/博士 设备状态监控 分析诊断与优化控制

田沛 男 57.10 教授/硕士 测控新技术 在线检测

刘忠 男 66.8 副教授/博士 燃烧过程，减排 燃烧

曾德良 男 69.11 副教授/博士 监控信息网络 信息融合与软测量

田亮 男 76.6 副教授/博士 信息融合与软测量 信息融合与软测量

房方 男 76.3 讲师/博士 燃烧优化控制 分析诊断与优化控制

邱天 男 76.9 讲师/博士 燃烧状态统计分析 信息融合与软测量

韩振兴 男 73.11 讲师/博士 燃烧火焰检测 在线检测

李志宏 男 71.8 讲师/博士 可视化燃烧过程测量 在线检测

李惊涛 男 79.4 讲师/博士 ECT检测 在线检测

沈国清 男 80.10 讲师/博士 声学温度、燃烧检测方法 在线检测

雷兢 男 78.02 博士后 过程检测的数学、物理问题 在线检测

研究方向

1. 研究方向

目前我国火力发电的能耗水平比世界先进水平高大约30gce/kWh左右。按照目前的装机容量，相当每年多消耗1.1亿吨标准煤，几乎相当国家“十一五”期间每年节能目标的总和。因此，火力发电过程的燃烧优化和有效控制，在节能减排上有巨大的潜力。

造成能耗偏高的原因之一，是电站锅炉的燃烧组织以及控制问题。虽然宏观时间段里燃烧总体呈现稳定，但在小时间尺度上，燃烧参数频繁波动，偏离理想状态；同时，空间参数分布的波动不能保证各个局部都处于理想状态。

目前的燃烧状态检测主要依赖烟气分析和蒸汽参数，难以实时获取许多关键燃烧参数，如燃烧器的燃料量，火焰高频波动特征等。另外，控制系统的信号，主要是来源于离散布置的检测点，不能反映燃烧参数的空间分布，如炉内连续分布的温度场。监测参数的时间滞后，以及缺乏空间分布的测量，难以全场优化燃烧，带来额外的能耗和污染排放。在我国的煤种多变以及机组经常参与调峰时，这种现象尤其明显。

上述问题指示出，对于频繁变动的参数和参数的空间分布进行快速检测，并将检测信息纳入控制系统，对锅炉的瞬态偏离工况进行及时调整，以及对燃烧参数的空间分布进行调整和优化，将是进一步节能减排的方向。

另一方面，随着世界对环境问题的日益关注，低污染以及温室气体减排类型的能量转换方式正在起越来越重要的作用。然而，在这些系统中，一些科学以及应用问题是值得进一步探索：

(1)  生物质与煤粉的混燃

除了直接的二氧化碳减排以外，合理的组织混燃，也可以产生氮氧化物（NOx）的减排作用。然而，目前国际国内对这种合理的组织方法的研究还十分欠缺。首先，生物质燃料的气力输送尚存在问题，影响燃烧设备的可靠运行；其次，对燃烧室中的燃料分布与温度分布规律掌握不足，资料数据所显示的脱氮规律很不一致。

(2) 大型（超临界）循环流化床中固体浓度与温度分布

由于我国正在自主研发的600MW超临界CFB的高度大大超出现有的炉型，气流对固体的携带能力以及高度方向的水冷壁传热状态都没有先例可供借鉴；同时这种高大炉体流化床的循环倍率也没有先例可借鉴，由此对使炉内的燃烧状态的预测造成了很大难度。

(3) IGCC中采用循环流化床或输运床时气化炉中的物料分布以及温度分布、循环倍率，也是未能得到检测问题

(4) 富氧燃烧的燃烧空间的温度分布

煤粉颗粒在O2/CO2环境下的热解、燃烧动力学特性，以及传热特性、积灰结渣特性等将与常规空气燃烧有显著区别。尤其是其火焰特征，对锅炉安全经济运行有重要影响。对于这种新型的燃烧方式，可借鉴的数据很少。

上述科学问题，可以归纳为复杂的两相流/多相流问题，以及快速变化的空间燃烧分布问题。这些关键科学问题的解决，首先需要能够实时检测物质与燃烧参数分布的方法以获得能够反映燃烧参数（火焰、温度、燃烧产物等）在空间的分布，从而获得实际状态的完备信息。对于这些复杂的含多相流和燃烧作用的空间，传统的测量方法难以达到上述的要求。因此，能够实现快速对空间热物理参数的检测技术，将是上述系统设计、运行监控、以及优化的迫切需求。

近来国际国内在快速可视化测量方面不断出现技术上的创新和突破，比较突出地体现在电学、声学、微波等方法对粉粒体流量的测量，光学与声学方法对温度场的测量，信号分析对燃料种类分辨，以及利用现代信息手段提取信息的实时性参数后以数据融合等方法实现输入输出的状态重构。这些新型技术中很多尚处于正在走向成熟的阶段，还未来得及应用于现有的电站测控系统。然而，它们却具有提供实时参数数据，以及参数的空间分布的强大的能力，提供了燃烧优化控制技术突破的契机，成为技术发展的前沿，孕育着测控系统的更新。

本团队的科学工作目标是在上述前沿技术和方法基础上，研究燃烧过程中燃料浓度、火焰、温度等参数空间分布的实时检测的新理论、新方法；开发、集成多机理融合的新型检测系统，实现燃烧状态的实时和空间分布可视化测量；并以此为基础，进一步研制燃烧过程分析诊断系统以及形成新型智能控制系统，达到节能减排的目的，为国家的能源可持续发展战略提供解决方案与技术支持。

本团队在能源与动力工程、控制科学与工程、材料、以及数理学科等研究人员的协作下，已形成了以下主要研究方向：

（1）多相流和燃烧过程实时测量

利用过程层析成像，尤其是电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography, ECT）、光学、声学等先进检测方法，研究燃烧过程参数的快速检测及空间分布检测技术，与常规检测结合，形成信息相对完备的燃烧过程直接检测诊断体系。

主要的研究内容有：

l 过程层析成像两相流浓度分布与流量实时测量；

l 结合光学及声学方法的炉内火焰与温度场快速测量，以及根据燃烧强度信号的燃料种类在线识别和燃烧失稳预警。

本方向已经取得的主要成果有：

l 与英国曼彻斯特大学共同完成了世界上第一个基于交流激励的ECT系统，对包括循环流化床、气力输送、脉动热管等设施内的多种形态两相流进行了空间浓度分布和流量计量的研究，并试用于煤粉浓度分布与流量测量，获得发明专利2项：一种方形电容层析成像传感器（ZL01120206.8），一种微型电容层析成像传感器（ZL200510093326.4）。最近在国家电网公司的双套管气力输送管网上对粉粒体在管内的浓度分布和流量进行了测量；另外，还在流化床煤气化装置上测量了上升段的粉粒体浓度分布，以及返料管中粉粒体的浓度分布；

l 研制出炉膛火焰/温度场的可视化测量系统，申请专利2项，并应用于300MW旋流喷燃器煤粉炉及50MW四角喷燃器煤粉炉，成为燃烧器改造的关键；

l 在锅炉炉管泄漏声检测技术，声学炉内温度场实时监测技术方面取得一系列理论与应用成果，其中“电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置”获得专利（ZL20062 0023216.0）。

本方向承担的科研项目主要有：

l 国家自然科学基金重点项目：融合热物理信息的多机理层析成像研究；

l 国家自然科学基金面上项目：超微尺度多孔介质中燃烧的电容层析成像研究；

l 国家自然科学基金面上项目：炉内管道泄漏声辐射的传播与定位机理研究；

l 国家863项目：煤粉炉生物质共燃的旋流燃烧器与监测技术研发；

l 北京市共建项目：大型锅炉超前测量控制系统。

 

（2）燃烧过程信息融合与软测量

利用燃烧过程参数间的相关性，结合机理分析及数据统计方法，开拓难以直接测量参数的软测量模型与算法，实现高精度状态重构与劣化分析。

主要研究内容包括：

l 燃烧过程参数软测量（如锅炉烟气含氧量、入炉煤发热量、可磨性指数、飞灰含碳量等）的模型与算法；

l 建立涉及燃烧稳定性、经济性、环保性等指标的科学的燃烧状态综合评估指标体系，并依据评估的结果指导运行调整，实现燃烧设备的智能运行状态调整、故障诊断、危险预测与预警等功能。

本方向已经取得的主要成果有：

l 研究出快速、实用的锅炉烟气含氧量软测量方法，应用于十几个机组，申请发明专利“大型锅炉排烟含氧量软测量方法”（200610072925.2）；

l 研究了综合利用火检、炉膛压力及蒸汽参数的燃烧稳定性判别方法，给出燃烧稳定性指数，协助运行人员的燃烧调整；

l 编制了燃烧系统设备的运行状态评估及劣化分析软件，成为发电厂监控信息系统（SIS）的高级应用模块，应用于多个发电机组状态监控；

l 应用成果“火电厂厂级运行性能在线诊断及优化控制系统”获得2005年度中国电力科学一等奖和2006年度国家科技进步二等奖。

本方向承担的科研项目主要有：

l 国家自然科学基金项目：复杂热力系统信息相关性分析及状态重构；

l 国家自然科学基金项目：基于信息融合的锅炉燃烧状态检测及控制优化；

l 国家863计划项目：超超临界机组运行状态监测与优化控制系统。

 

（3）燃烧过程分析诊断与优化控制

利用数据挖掘、非线性建模及智能控制等理论方法，揭示燃烧过程经济性、环保性与负荷、环境及操作变量的相互耦合机制，实现燃烧过程智能优化控制。

主要研究内容包括：

l 基于运行数据的数据挖掘模型与算法，快速检索历史最优工况，提取可操作变量进行操作指导或闭环控制；

l 以节能减排为目标的锅炉燃烧优化在线控制策略和能耗控制模型与算法。

本方向已经取得的主要成果有：

l 研究了基于运行数据的运行规则提取方法，编制了工况分析软件，申请发明专利2项：基于数据挖掘的火电机组运行规则提取方法（公示号CN 101187804A），基于多种约束规则的火电厂厂级负荷优化分配方法（公示号CN 101206754A）；

l 完成了国家电力公司重大科技项目“机炉鲁棒协调控制与分析诊断系统的研究”、“300MW燃煤机组非线性建模与控制算法的研究”、“火电机组变负荷特性及优化控制系统的研制”等项目，获得2003年度中国电力科学技术二等奖。

本方向承担的科研项目主要有：

l 国家973项目：大型燃煤发电机组过程节能的基础研究；

l 国家863重点项目：火电行业重大工程自动化成套控制系统；

l 自然科学基金项目：锅炉-汽轮机单元大范围协调控制的负荷适应性研究。

创新团队发展目标

针对我国燃煤发电设备在测控技术的薄弱环节，煤种多变、频繁调峰等导致的相对的高煤耗、高污染问题；具有NOx减排、二氧化碳减排意义的生物质燃料的混燃技术的引入；以及IGCC系统中流化床气化装置、富氧燃烧等新型技术，团队的发展目标是成为解决这些关键科学问题的一个具有国际先进水平的研究团队，通过科技创新，在上述领域取得重大突破，为节能减排做出重要贡献。三年工作的具体目标如下：

l 建立具有快速响应以及燃烧参数空间分布可视化测量系统，克服传统测量系统的显著时间滞后、不具备燃烧参数空间分布实时测量的缺陷。依托国际国内最新研究成果，以及本团队多年研究的基础上，融合ECT、光/热辐射成像、以及声学温度场/浓度场成像等新型智能检测方法，形成一个具有时间-空间解析能力的可视化测量系统，实现燃烧器燃料实时计量、以及燃烧空间火焰/温度场的实时成像，提供新型的功能相对完备的解决方案；

l 针对生物质燃料的混燃、富氧燃烧、循环流化床锅炉以及气化系统，提供反应器内物质分布以及循环倍率的实时可视化测量系统；

l 开发融合多机理传感信息的燃烧状态智能检测系统，并开拓出基于新型测量系统并结合传统系统的新型锅炉燃烧控制策略、模型与算法；

l 争取2项以上国家重大研究项目，力争2项省部级科技成果奖励；

l 建立中-英可再生能源工程研究中心，成为国际交流平台；

l 建设人才培养基地，培养出1－2名教育部新世纪优秀人才，40名研究生；

l 将团队发展成为一个科技创新基地，多项研究在领域内达到国际先进水平。