毕托巴：燃烧炉空燃比测控优化系统CMCOS解决方案V3.0

<应用背景和功能>

工业企业在燃烧设备如燃气、燃油、燃煤锅炉的运行管理领域面临着越来越明显的挑战。如何提高燃烧设备的运行效率、降低烟气中氮氧化物等排放、实现燃烧设备的经济环保运行，是工业企业需要解决的现实问题。

燃烧炉燃烧是一直大惯性、滞后性、非线性的复杂过程，加之测量设备的精确度和传统的控制模式导致的重复性差、响应速度慢、调整困难费时等问题，导致工业企业难以实现燃烧炉的最佳运行。

在燃烧炉稳定的热力状态下，排烟热损失和固体未完全燃烧热损失是主要的热损失。决定炉内燃烧的好坏和排烟热损失大小的重要因素是炉内的过量空气系数，在运行过程中迅速准确的测定过量空气系数并保持最佳过量空气系数可以使炉内空气燃料比保持于最佳状态，从而实现燃烧炉运行于高效率工况。

毕托巴燃烧炉空燃比测控优化系统CMCOS解决方案即是为应对这一挑战而开发，采用模块化配置、高精度测控和自学习快速寻优响应算法，保证燃烧始终处于最佳的空燃比，并结合烟气成分、排烟温度对系统进行综合控制，实现燃烧设备的经济、稳定、高效运行。

CMCOS系统应用于工业企业的目标体现在三个方面：

（1） 提高燃烧设备热效率，降低燃料消耗、节约燃料费用；

（2） 降低氮氧化物等污染物的排放、减少对环境的污染和由此导致的费用；

（3） 大数据积累与应用，持续改进和优化。

<功能特点和系统组成>

CMCOS系统适用于燃煤、燃油、燃气等燃烧设备，其模块化配置方案和自学习算法允许工业企业根据自身条件合理配置管理方案。其功能特点包括：

s 针对不同类型应用的多种配置，适应不同运行模式如DCS、手动控制等；

s 高精度参数实时测量和数据采集及管理功能；

s 合适的人机交互方式；

s 自学习快速寻优响应算法和灵敏控制实现最佳空燃比；

s 排烟温度程控优化功能；

s 集成多种燃烧控制程序和PID负荷调节功能；

s 燃烧效率和功率的监测和显示；

s 阈值 警和旁路控制设计保障系统故障不会对生产造成影响；

s 潜在故障诊断功能；

s 历史数据追溯和 表功能。

CMCOS系统由主机模块、燃烧设备运行参数监测模块、高精度风量计量模块、远端灵敏模块模块、主控DCS和运行人员应用平台模块和数据管理追溯和 表功能模块构成。

CMCOS主机模块是系统的核心，集成了参数监测、响应算法和判断逻辑功能；

燃烧设备运行参数模块根据用户需求配备高精度氧量测量表、风管压力测量、风管温度测量、燃料计量、烟气温度测量、烟气成分监测和其他参数测量传感设备；

高精度风量计量模块由BTB系列防堵阵列式测量装置构成，用以解决风量测量不确定性过大的问题；

主控DCS和运行人员应用平台提供CMCOS系统与运行管理系统的接口，并提供必要的 警和运行指导功能；

数据管理追溯和 表功能模块用以对历史数据和实时数据进行管理、显示、存储和输出，满足工业企业对数据应用的需求。

<工作原理>

CMCOS系统的运行目标是使燃烧设备的燃烧工况始终处于最优效率之下，在燃烧炉稳定的热力状态下，过量空气系数直接影响炉内燃烧的好坏和排烟热损失的大小。在运行中准确迅速的测定过量空气系数并保持最佳过量空气系数是保证燃烧设备经济运行的主要手段。

目前部分工业企业使用氧量表测量烟气中的含氧量用于监督运行中的过量空气系数，部分工业企业依赖于炉膛温度控制燃料和空气量，但这两种控制方式均存在着不精确性和滞后性，导致燃烧不能在高效率区间进行。

工业企业尤其是燃煤设备所使用氧量表受限于安装位置和表计量精度使得氧量表读数难以真实反映炉膛内燃烧情况，工业企业通常依据运行人员经验进行控制，这种控制方式所带来的稳定性差、运行经济性差、燃烧效率低等问题。CMCOS系统通过增加烟气在线分析模块对炉膛燃烧工况进行监测，将烟气温度、烟气成分分析结果与氧量表读数进行对比修正，获得更高精度的实际炉膛氧量分析结果，在此基础上通过精确控制实现燃烧效率的优化。

对于常规燃煤和燃气炉，以烟气中的含氧量在4%左右作为控制基准，最佳过量空气系数通常在1.2~1.25之间，炉膛出口氧量每变化1%，效率变化0.35%，煤耗变化0.35%。

下表给出的某典型燃煤炉过量空气系数对效率影响数据。

最佳空气系数在燃烧调整试验确定，锅炉通常根据所装有的氧量表来控制送入炉内的空气量的多少。在氧量表计量精度可靠的情况下，一次风侧进风量是否符合燃烧需求是决定锅炉氧量的主要因素。

由于数字化仪控系统或运行人员依赖于一次风量读数对进风进行调整，当计量不准时会直接影响燃烧炉的运行表现。当实际进风量偏低于所需最佳风量时，偏低量每增加1~2%，排烟温度将升高3~8℃，燃烧效率降低约0.2%~0.5%；实际进风量偏高于所需最佳风量时，偏高量每增加1~2%，燃烧效率约降低0.2%~0.4%。因此对进风量进行精确计量对于提高燃烧炉的控制效率，使其始终运行在经济工况的意义十分明显。

在实际运行过程中通过对进气量的精确测量、参数全面监测修正氧量表读数使燃烧炉的过量空气系数始终维持在最佳效率点上，可以有效减少燃烧炉的烟气热损失和非完全燃烧热损失，从而提高燃烧炉的实际效率。

同样对于燃气锅炉如热风炉等，在保证稳定的高风温和设备安全运行前提下，最大限度地降低燃料消耗成为目前热风炉燃烧系统中的首要任务。在热风炉燃烧系统中，空气与煤气燃烧的空燃比是实现能耗降低的关键，实现空气和煤气的最佳配比是当前热风炉燃烧系统中急待解决的问题。毕托巴流量测控系统具有测量准确、压损小和防堵等特点，适合提高空气和煤气流量测量精度，同时利用 NDIR非分光红外和TCD热导气体传感器具测量测量CO、CO2、CH4、H2、O2、CnHm六种气体的浓度自动计算、测量CnHm浓度，保证焦炉煤气、混合煤气、发生炉煤气、秸秆燃气等燃气的热值的准确性，显示燃气的热值（热值单位Kcal/m3和MJ/m3可以自由切换）结合流量计量，可显示燃烧需求氧量的准确性，真正实现理想的空燃比。

<高精度流量计量模块设备特性>

在实际操作过程中，风量的测量精确度是影响系统可用性的重要要素，CMCOS系统采用了BTB系列防堵阵列式烟气测量装置实现风量计量的高精确度计量，作为系统的应用基础。

测量管道内的气体流量，理想的状态是管道壁光洁而且有足够长的直管段，否则管道内气体的流场会不均匀，存在紊流与旋流，从而影响测量的准确度。工业企业燃烧炉的烟气烟道大多不具备理想的测量条件，为解决这一问题，可采用 格法在风道中布置多个测点从而得到烟道内的多点平均风速。BTB系列防堵多点式烟气测量装置是我们在长期实验和实践经验基础上开发的实现气体流速多点测量的装置，且装置本身具有优良的防粉尘堵塞的功能。流量计内部设计了巧妙的防粉尘堵塞装置，在气流的冲出和风道振动产生的能量作用下，能够自动清除取压口处的灰尘，保持取压口不会堵塞。

BTB系列防堵多点式烟气测量装置基于标准毕托管测量原理，根据ISO3966:1997《封闭管道中流体流量的测量／采用皮托静压管的速度面积法》国际标准设计制造。测量装置安装在管道上，其探头插入管道内，当管道内有气体流动时，全压传感器受气流冲击，在此处气流的动能转换成压力其压称为“全压”，全压和静压之差称为差压，其大小与管道内气体流速有关，流速越大，差压越大；风速小，差压也小，流速与差压的关系符合伯努利方程。

如图所示，总压传感器的取压口对准气体的气流方向，气流在总压传感上产生与流速对应的压力，相邻的静压传感器同时测出该位置的风道静压，在这一测点位置就有代表气体流速的差压输出。在一支测量探头上，如果配置多对流速传感器，探头的输出则代表多个测点的流速。计算出管道的平均流速，测量出管道内流量。

当风道内插入多支测量探头时，将探头输出的全压与全压、静压与静压并联起来，就可以准确测量风道截面各测点的平均流速。这就意味着如果尽量多地在风道内布置测量探头、每支测量探头尽量多地配置流速传感器，就可以避免风道内由于旋流、紊流造成的流场不均匀对测量带来的影响，减少测量误差。其技术指标如下：

本测量装置特点如下：

s 基于标准毕托管测量原理，测量精度高、良好的线性度与重要性；

s 可任意角度安装；

s 高性能价格比和低运行成本；

s 管道压力损失极低，有效降低风机电耗；

s 管道内截面多点阵列分布、测量各点的流速，计算平均流速；

s 对用户提供个性化设计方案，调整测点位置与数量，实现 格法测量

s 对直管段要求低，即使直管段小于1d，也可准确测量；

s 内部包含防堵塞装置，自动清除取压口处的灰尘，保持连续运行不会堵塞，无须外加气体吹扫，做到长期运行免维护；

s 全压取压口设计为抛物面结构，可产生较大的差压输出，达到标准烟气测量装置的 2.5 倍以上；

s 适合各类燃烧炉大管径、 低流速、短直管段的风管风道流速测量。

其技术特点如下：

BTB系列防堵阵列式烟气测量装置可用于燃烧炉的各种风速、风量测量：

s 烟气管道内烟气测量 、一次风、二次风风量测量；

s 送风机入口或出口总风量测量；增压风风量测量；

s 双进双出筒式磨煤机（ＢＢＤ）中的风量测量；

s 中速磨煤机入口风烟气测量；

s 循环流化床燃烧炉所有风管风道风速烟气测量；

s 其他需要测量气体流量的场所。

<CMCOS主机控制和节能效率评估>

CMCOS主机系统算法和配置借鉴了国际技术前沿的燃烧优化控制系统的已有成果，采用大数据挖掘和自学习算法，并在氧量控制的基础上增加了自寻优串级模糊控制系统，引入炉膛辐射能的概念，用此信号前馈来及时反映燃料量的变化，实现入炉燃料向负荷变化的快速跟踪，同时采用了自寻优参数模糊控制器来提高控制品质。

在运行工况不理想的工业企业尤其是火电厂等企业，应用CMCOS系统可以提高锅炉燃烧效率1~2%，在运行工况较差的情况下可以达到超过2%的节煤率。以 单台1000t燃煤炉为例，最佳过量空气系数为1.320，此时省煤器出口氧量为5.1%，考虑两种工况：

（1）氧量表读数正常，系统实际设置不合理（如风量流量计读数偏高）导致燃烧炉实际进风量过低2%，炉膛出口实际氧量值4.4%，燃烧炉效率降低0.5%，以90吨/h耗煤量（标煤）计算，年运行时间6000小时，则年增加耗煤2700吨，以每吨煤600元计算，应用CMCOS系统年至少节约成本162万元；

（2）氧量表读数正常，系统实际设置不合理（如风量流量计读数偏低）导致实际进风量过高2%，过量空气系数达到1.35，燃烧炉效率降低0.6%，以90吨/h耗煤量（标煤）计算，年运行时间6000小时，则年增加耗煤3240吨，以每吨煤600元计算，应用CMCOS系统年至少节约成本194万元。

此外计量数据的精确和数据积累使得大数据技术应用成为可能，运营人员可以根据历史数据及时发现烟道漏风量的变化，及时调整氧量控制值，最终提高燃烧炉的运行经济性。

<服务宗旨>

毕托巴是先进智能探针式流量传感器技术的专利持有者和制造商，也是节能工程专业设计公司和智能工厂服务提供商，立志于为我国的工业领域提供自主的、高水平的能源优化解决方案。

CMCOS系统研发团队由来自美国University of Texas at Austin、北京清华大学和台北大学的具有丰富节能行业经验的博士、硕士组成，是国内顶尖的节能技术研发团队，具备根据用户的实际需求和现场条件设计和开发完全吻合用户要求的产品的能力，CMCOS的自主开发和模块化设计思路为这一目标的实现奠定了基础。

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