電站鍋爐爐膛溫度測(cè)量范文

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《中國(guó)測(cè)試雜志》2014年第三期

1鍋爐爐膛溫度測(cè)量方法的發(fā)展現(xiàn)狀

基于物體的某些物理化學(xué)性質(zhì)（幾何尺寸、熱電性、電阻率、熒光性和光譜特性等）與溫度間的關(guān)系，形成了眾多的溫度測(cè)量方法。它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中都取得了一定的成果，有效地監(jiān)測(cè)了鍋爐燃燒時(shí)的爐膛溫度，為控制鍋爐穩(wěn)定燃燒、提高鍋爐燃燒效率、提供保障起到了一定的作用[4]。

1.1熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕际腔谌惪诵?yīng)原理進(jìn)行工作的。在測(cè)量爐膛溫度時(shí)把測(cè)量端伸入到爐膛中，當(dāng)測(cè)量端與煙氣處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，測(cè)量端的溫度就是被測(cè)點(diǎn)的溫度。熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)溫范圍大，互換性好。但是由于受到感溫元件耐溫性能的限制，只能做短時(shí)間的測(cè)量。由于熱電偶的探針是通過(guò)開(kāi)孔伸入爐膛，比較笨重，易變形卡澀，故障率高且就地操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。目前，熱電偶主要是在鍋爐進(jìn)行熱態(tài)特性試驗(yàn)時(shí)或者處于初始燃燒狀態(tài)時(shí)，指導(dǎo)鍋爐送粉與送風(fēng)，當(dāng)鍋爐正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，一般只選擇鍋爐個(gè)別關(guān)鍵部位進(jìn)行檢測(cè)。

1.2紅外光譜測(cè)溫利用紅外光譜測(cè)溫法測(cè)量爐膛溫度，實(shí)際上就是測(cè)量爐膛中一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)某一氣體的輻射能量，然后根據(jù)公式求出煙氣的溫度，得到爐膛溫度場(chǎng)。由于在鍋爐燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多氣體，成分十分復(fù)雜且存在著大氣干擾和吸收，為了準(zhǔn)確測(cè)量煙氣的溫度，選擇窄帶紅外光譜成為必然。CO2是化石燃料燃燒后的共有產(chǎn)物，并且其紅外光譜波長(zhǎng)范圍比較窄，因此紅外光譜測(cè)溫儀大都是采用帶有特殊設(shè)計(jì)的紅外濾色鏡的薄膜熱電堆，濾除其他波長(zhǎng)的紅外能量，通過(guò)接收高溫CO2氣體的紅外光譜輻射能進(jìn)行分析[6]，以得到煙氣溫度。此類產(chǎn)品是基于高溫CO2氣體的光譜分析，因此對(duì)所測(cè)環(huán)境的CO2濃度有一定要求，濃度過(guò)低之處測(cè)量誤差較大，加之多個(gè)測(cè)溫探頭之間數(shù)據(jù)不能聯(lián)合處理，目前該類產(chǎn)品一般僅用于替代爐膛煙溫探針進(jìn)行爐膛出口煙氣溫度的測(cè)量。

1.3光纖測(cè)溫光纖測(cè)溫法是以光纖作為傳遞溫度信息的載體，是隨著光纖技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)溫方法。它是通過(guò)選擇耐溫可達(dá)2000K的藍(lán)寶石單晶光纖作為基體，在其端部涂覆銥等金屬薄膜構(gòu)成黑體腔，將其伸入高溫火焰中，黑體腔會(huì)和火焰達(dá)成局部熱平衡，且通過(guò)光纖將輻射能量傳送給光電檢測(cè)系統(tǒng)，利用雙色測(cè)溫方法或者單波長(zhǎng)測(cè)溫法進(jìn)而可以測(cè)量出被測(cè)火焰溫度[7]。光纖溫度計(jì)具有測(cè)溫上限高、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)。

1.4輻射測(cè)溫電站鍋爐爐膛中發(fā)生的燃燒過(guò)程伴隨著強(qiáng)烈的輻射能傳遞過(guò)程,溫度測(cè)量一般基于普朗克輻射定律。在一個(gè)典型的彩色CCD攝像頭測(cè)溫系統(tǒng)中，火焰的圖像通過(guò)攝像頭攝取并且經(jīng)過(guò)像素處理后，以數(shù)字的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，根據(jù)比色法測(cè)溫原理[8]，就可以進(jìn)行爐膛中單點(diǎn)的溫度計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，基于數(shù)字圖像處理的測(cè)溫技術(shù)得到了迅速發(fā)展。如英國(guó)格林尼治大學(xué)的閻勇教授與中科院工程熱物理所合作，采用CCD攝像頭基于雙色法火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)定量測(cè)量火焰溫度場(chǎng)分布[9]。葡萄牙的Correia等將火焰輻射的吸收度考慮到傳統(tǒng)的CT算法中，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性[10]。清華大學(xué)吳占松教授，建立了火焰亮度和火焰溫度之間的關(guān)系[11]，提出了一種適應(yīng)非對(duì)稱火焰三維溫度分布測(cè)量的重構(gòu)算法[12]。上海交通大學(xué)的徐偉勇教授將圖像處理技術(shù)和光纖傳像技術(shù)應(yīng)用于鍋爐火焰檢測(cè)當(dāng)中，試制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)智能型鍋爐燃燒器火焰檢測(cè)裝置[13]。東南大學(xué)的王式民教授提出了“全爐膛滅火”加“全爐膛火焰圖像證實(shí)”的共同判別來(lái)確認(rèn)爐內(nèi)熄火[14]，提出了用于重建火焰三維溫度場(chǎng)的光學(xué)分層成像的理論方法。華中科技大學(xué)的周懷春教授等提出了基于圖像處理及輻射傳熱逆問(wèn)題求解的二維爐膛溫度場(chǎng)重建方法[15]，對(duì)“W”型火焰鍋爐爐膛溫度場(chǎng)的可視化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[16]，模擬研究了溫度場(chǎng)重建方法，并開(kāi)展了利用正則化方法，采用迭代的手段完成爐膛中二維溫度場(chǎng)與輻射參數(shù)的同時(shí)重建、三維溫度場(chǎng)在線檢測(cè)與分析的實(shí)驗(yàn)研究[17]。浙江大學(xué)岑可法院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組，提出了采用雙色法從彩色火焰圖像中計(jì)算火焰溫度圖像的方法，其后采用基于區(qū)域重建的方法，利用CCD攝像頭進(jìn)行了火焰三維溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的同時(shí)重建研究[18]，探討了溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)對(duì)火焰輻射圖像的影響，研究了火焰輻射吸收系數(shù)與粒子濃度的關(guān)系，給出了溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)同時(shí)重建的控制方程[19]，完成了在不穩(wěn)定火焰中排煙溫度與體積分布的同時(shí)估計(jì)[20]。基于數(shù)字圖像處理的測(cè)溫技術(shù)基本上都是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的，在不考慮誤差的理想情況下可以相當(dāng)精確地重建出溫度場(chǎng)。從目前對(duì)爐膛火焰圖像處理的研究來(lái)看，火焰圖像處理技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，但是在溫度場(chǎng)三維重建以及溫度場(chǎng)在線測(cè)量等方面此技術(shù)還有許多需要改進(jìn)和完善的地方。

1.5聲波測(cè)溫隨著新型檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)測(cè)溫法在近些年得到了很大的發(fā)展，利用煙氣的物理特性記錄可測(cè)溫度，不受輻射的影響，而且測(cè)量是瞬時(shí)的，沒(méi)有溫度漂移。基于聲波在氣體介質(zhì)中的傳播速度是該氣體介質(zhì)絕對(duì)溫度的單值函數(shù)。當(dāng)煤粉在鍋爐爐膛中穩(wěn)定燃燒時(shí)，氣體的組分和他們相對(duì)量是已知的而且在很小范圍內(nèi)變化，因此通過(guò)測(cè)出聲波在介質(zhì)中的飛行時(shí)間，聲波發(fā)射端和接收端之間的距離，就可以算出聲波在介質(zhì)中的傳播速度，進(jìn)而可以得出氣體介質(zhì)的溫度。在同一時(shí)刻，通過(guò)聲波發(fā)射端和接收端進(jìn)行測(cè)量得到不同路徑上的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)算法處理便可以重建出爐膛在聲波路徑二維平面上的溫度場(chǎng)。國(guó)內(nèi)外對(duì)聲學(xué)測(cè)溫法在鍋爐爐膛燃燒中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。國(guó)外的學(xué)者研究較早[21]，開(kāi)發(fā)了基于該原理的多款測(cè)溫產(chǎn)品，具有代表性的有美國(guó)Enertechnix公司開(kāi)發(fā)的PyroMetrix聲波測(cè)溫系統(tǒng)和美國(guó)SEI公司開(kāi)發(fā)的BoilerWatch聲波測(cè)溫系統(tǒng)。對(duì)于聲學(xué)測(cè)溫來(lái)講，聲波飛渡時(shí)間的精確測(cè)量和爐膛截面溫度場(chǎng)的重建是最為關(guān)鍵的技術(shù)。國(guó)內(nèi)的研究主要集中在高校等科研機(jī)構(gòu)[22-24]，華北電力大學(xué)的安連鎖教授[25]通過(guò)基于信號(hào)互相關(guān)分析和基于代數(shù)重建的算法有效地解決了聲波飛渡時(shí)間的測(cè)量和爐膛溫度場(chǎng)重建的問(wèn)題。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院的田豐等[26]做了優(yōu)化溫度場(chǎng)重建算法的研究工作，并且在燃煤鍋爐爐膛現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了許多詳盡而豐富的相關(guān)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的效果。但是鍋爐爐膛溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量是一個(gè)跨學(xué)科的研究項(xiàng)目，需要復(fù)雜和細(xì)致的研究分析，盡管取得了一定的成果，但是還存在不少問(wèn)題。典型的問(wèn)題比如：由于計(jì)算的時(shí)候都是將聲波在爐膛中傳播路徑按照直線進(jìn)行處理，而實(shí)際上由于爐內(nèi)煙氣溫度梯度的存在以及煙氣的流動(dòng)，聲波在爐內(nèi)并不是嚴(yán)格按照直線的方向傳播，因此必須考慮聲波在溫度場(chǎng)傳播中由于折射導(dǎo)致的彎曲效應(yīng)問(wèn)題，找到減小甚至消除折射帶來(lái)誤差的方法。

2基于激光光譜的爐膛溫度測(cè)量

基于激光光譜的測(cè)溫技術(shù)是一種較新的溫度測(cè)量技術(shù)，具有測(cè)量準(zhǔn)確、反應(yīng)速度快、非接觸的特點(diǎn)。激光光譜測(cè)溫技術(shù)其核心是可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS），對(duì)于非均勻分布的流場(chǎng)，通過(guò)設(shè)計(jì)多光路測(cè)量系統(tǒng)，將TDLAS與圖像重建技術(shù)相結(jié)合來(lái)得到被測(cè)區(qū)域的內(nèi)部信息，即確切的空間分布情況，可以實(shí)現(xiàn)溫度二維分布測(cè)量[27-28]。基于激光光譜的爐膛參數(shù)檢測(cè)技術(shù)只需要待測(cè)氣體的一條特征譜線[29]，在譜線的選擇方面要盡量避免其他氣體譜線的干擾。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)利用TDLAS技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣體溫度測(cè)量做了大量的研究工作，Beer等人介紹了TDLAS技術(shù)測(cè)量的原理[30]，提出了Beer-Lambert原理。Gouldin等人利用反演算法改善了測(cè)量區(qū)域邊界處濃度分布不均的場(chǎng)重建問(wèn)題[31]。李寧等人在進(jìn)行氣體濃度溫度二維分布重建研究時(shí)，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)[32]來(lái)減少投影光路布置數(shù)量，增加氣體吸收測(cè)量信息，并且結(jié)合遺傳算法和模擬退火算法，建立了燃燒環(huán)境下H2O濃度溫度二維分布模型[33]。鮑偉義等人針對(duì)氣體檢測(cè)時(shí)諧波譜線發(fā)送畸變的問(wèn)題，提出了在波長(zhǎng)調(diào)制過(guò)程中采用同步平抑幅度調(diào)制的方法來(lái)消除譜線畸變。劉文清等人對(duì)激光直接吸收光譜中的吸光度和吸光度積分反演算法進(jìn)行了研究，運(yùn)用了分段多項(xiàng)式基線擬合方法來(lái)消除激光器光強(qiáng)波動(dòng)的影響，再利用非線性擬合算法進(jìn)行線形擬合來(lái)獲取積分吸光度[34]。宋俊玲等人采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，利用代數(shù)迭代算法實(shí)現(xiàn)了燃燒溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的二維分布重建[35]。但是多數(shù)研究主要局限在試驗(yàn)研究階段，將基于激光吸收光譜的測(cè)溫技術(shù)運(yùn)用于電站鍋爐爐膛測(cè)溫中還需要很多研究工作。

3基于激光光譜的爐膛溫度測(cè)量應(yīng)用實(shí)例

美國(guó)佐爐科技公司與斯坦福大學(xué)高溫氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)的ZoloBOSS激光測(cè)量系統(tǒng)就是基于激光光譜測(cè)溫原理而研制的。通過(guò)在美國(guó)、韓國(guó)多家電站中的應(yīng)用，效果顯著，能夠準(zhǔn)確而快速地測(cè)量爐膛溫度場(chǎng)，從而有效地指導(dǎo)鍋爐燃燒優(yōu)化，提高鍋爐燃燒效率。在國(guó)內(nèi)的一臺(tái)680MW機(jī)組燃煤鍋爐上進(jìn)行了激光光譜爐膛溫度場(chǎng)測(cè)量與重建實(shí)驗(yàn)研究。ZoloBOSS激光測(cè)量系統(tǒng)由6×6的光柵組成，共有12條光路穿越燃燒區(qū)域，將爐膛內(nèi)測(cè)量平面劃分為若干個(gè)測(cè)量區(qū)域。在溫度場(chǎng)重建的試驗(yàn)過(guò)程中，為了更加準(zhǔn)確直觀地表征爐膛二維溫度場(chǎng)信息，首先進(jìn)行爐膛的基準(zhǔn)試驗(yàn)，目的是保證準(zhǔn)確的爐膛燃燒區(qū)域狀態(tài)。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)量爐膛溫度，采用相應(yīng)的溫度場(chǎng)重建算法得到爐膛二維截面處的溫度場(chǎng)情況如圖1所示，可以看出火焰中心位置偏向左墻。10試驗(yàn)人員根據(jù)摸索的控制規(guī)則調(diào)整二次風(fēng)門開(kāi)度，最終使得火焰中心向爐膛右墻偏移的同時(shí)稍稍向前墻移動(dòng)。通過(guò)調(diào)整之后測(cè)量的溫度場(chǎng)看出，火焰中心被調(diào)整至爐膛中部，火焰均勻地充滿爐膛。調(diào)整后的溫度場(chǎng)重建圖像如圖2所示。

4結(jié)束語(yǔ)

一種能夠準(zhǔn)確獲取爐膛溫度的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)指導(dǎo)鍋爐燃燒具有重要意義。隨著對(duì)復(fù)雜熱力系統(tǒng)認(rèn)知的加深，新型檢測(cè)技術(shù)如聲學(xué)測(cè)溫以及激光測(cè)溫的出現(xiàn)，將會(huì)更加準(zhǔn)確地測(cè)量電站鍋爐爐膛的溫度，為實(shí)施鍋爐燃燒優(yōu)化技術(shù)帶來(lái)機(jī)遇，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，切實(shí)提高火力發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

作者：王東風(fēng)劉千單位：華北電力大學(xué)自動(dòng)化系