爐膛溫測量技術(shù)的重大突破

1、鍋爐爐膛溫度測量技術(shù)的重大突破侯子良(過程自動化技術(shù)中心 北京 100011)摘要 本文闡述了鍋爐爐膛溫度(場)測量的重要性，分析了傳統(tǒng)爐膛溫度測量技術(shù)的缺點(diǎn)，以及由此導(dǎo)致目前爐膛溫度測量基本上還處于空白的現(xiàn)狀。作者與有關(guān)專家一起，經(jīng)過一年多的調(diào)查研究，包括實(shí)地考察，在文中向讀者詳細(xì)介紹了國際上最新推向市場的先進(jìn)爐膛聲波測溫系統(tǒng)，作者認(rèn)為，這是火電廠極其重要而有難度很大的一種熱工測量技術(shù)的重大突破，它的推廣應(yīng)用必將對我國電站鍋爐安全、節(jié)能和減排產(chǎn)生重大影響。關(guān)鍵詞 爐膛 聲波測溫系統(tǒng) 高強(qiáng)度聲波發(fā)生器 多接收器技術(shù) 爐管泄漏檢測1、鍋爐爐膛溫度（場）測量的重要性火電廠鍋爐燃燒優(yōu)化是火電廠安全、

2、節(jié)能和減排的關(guān)鍵所在。長期來沒有一種可靠和準(zhǔn)確的測量爐膛溫度（場）的手段，使優(yōu)化燃燒失去直接監(jiān)控和判別的依據(jù)。爐膛溫度（場）測量的重要性表現(xiàn)為：1）監(jiān)控爐膛出口溫度 防止出口溫度過高導(dǎo)致過熱器結(jié)焦和管壁超溫 防止啟動時出口溫度升高太快和燒壞處于無蒸汽流過的再熱器管（干燒） 監(jiān)控出口溫度判別水冷壁吸熱情況優(yōu)化吹灰控制 控制不同負(fù)荷下的合理爐膛出口溫度，合理分配輻射熱和對流熱的比例，減少過熱器和再熱器的噴水量，提高回?zé)嵝剩ɡ纾簩τ?00MW機(jī)組，再熱器噴水每減少10t/h，煤耗降低約1.91g/kwh）。2）矯正燃燒不均衡 及時發(fā)現(xiàn)和矯正兩側(cè)煙溫、汽溫的偏差 防止煙氣偏向一側(cè)導(dǎo)致該側(cè)水冷壁磨損

3、、結(jié)焦 防止燃燒偏斜導(dǎo)致汽包水位兩側(cè)嚴(yán)重偏差，發(fā)生重大事故（據(jù)調(diào)查，燃燒偏斜有時可導(dǎo)致汽包水位左右側(cè)實(shí)際偏差達(dá)100-200mm） 防止局部過熱而流渣3）提高燃燒效率 優(yōu)化風(fēng)煤比，將過量空氣系數(shù)降低至合理范圍內(nèi) 均衡各側(cè)（角）燃燒器的風(fēng)量分配 控制火焰中心高度，使煤粉在爐膛內(nèi)充分燃盡，又確保合理的熱量分配 為優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)提供更直接判據(jù)，使優(yōu)化系統(tǒng)更具可操作性4）降低污染物排放 防止出現(xiàn)局部火焰過熱，降低NOX生成（當(dāng)局部火焰溫度達(dá)到1482時，NOX生成將成指數(shù)級增加） 對于配置有脫硝裝置的鍋爐，由于煙氣中NOX含量降低，可大大降低脫硝裝置運(yùn)行費(fèi)用2、傳統(tǒng)爐膛溫度測量技術(shù)的現(xiàn)狀和缺點(diǎn)正因?yàn)?/p>

4、爐膛溫度測量如此重要，長期來人們進(jìn)行了大量研究，開發(fā)出了各種不同原理的測量裝置，但由于其固有的缺點(diǎn)，應(yīng)用情況一直不佳，甚至大部分鍋爐上至今仍是一個空白，使鍋爐燃燒監(jiān)控失去了一個重要依據(jù)。傳統(tǒng)爐膛溫度測量裝置主要有接觸式（伸縮式溫度計）和非接觸式兩類，而非接觸式常見有輻射式溫度計和光譜圖象檢測系統(tǒng)，這些技術(shù)存在的缺點(diǎn)是：1）接觸式（伸縮式溫度計） 目前300MW及以上機(jī)組的鍋爐均配供有價格昂貴的測量爐膛出口煙氣溫度的伸縮式溫度計，但由于探針深入爐膛很長，笨重、易變形卡澀，故障率高，因此，許多電廠實(shí)際上已停用。此外，探針受耐溫限制，一般僅在鍋爐啟動時伸入爐膛測量出口煙氣溫度，當(dāng)煙溫達(dá)到一定值時，必

5、須馬上退出爐膛，因此，其允許使用溫度范圍和作用也有限。2）輻射式溫度計 眾所周知爐膛煙氣輻射大多不在可見光范圍內(nèi)，因此，目前常見的輻射式溫度計主要是紅外式溫度計，它測量表面或區(qū)域的紅外光強(qiáng)度。由于爐膛煙氣是氣態(tài)發(fā)光，溫度分布不均勻，成分不固定，再加上飛灰顆粒輻射的存在，因此，組成的光譜波長和穿透力等不確定，從而導(dǎo)致被測區(qū)域不確定，測量誤差大。由于上述缺點(diǎn)影響了輻射式溫度計在鍋爐爐膛煙氣溫度測量領(lǐng)域的應(yīng)用。3）飛灰顆粒輻射光譜測量 這類溫度測量系統(tǒng)是利用圖像檢測爐膛煙氣中主要是飛灰顆粒輻射的可見光（包栝一定波長紅外光，以提高溫度測量上限），經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行極其復(fù)雜的圖象處理，從而得到爐膛內(nèi)煙氣的溫度

6、分布。由于受飛灰顆粒成分濃度和分布的影響，鏡頭污染以及復(fù)雜圖象處理算法等影響，測量誤差大；被測量區(qū)域也存在很大的不確定性。加上采光系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)焦或積灰使鏡頭保養(yǎng)困難，可靠性差，價格昂貴。從而使這類系統(tǒng)在爐膛煙溫測量的工程實(shí)際應(yīng)用中受到限制。3、當(dāng)代最新爐膛測溫技術(shù)-聲波測溫系統(tǒng) 1）聲波測溫技術(shù)的基本原理 早在上世紀(jì)八十年代末，美國和日本專家就聲波測量爐膛煙氣溫度進(jìn)行了研究。聲波測量的原理是基于聲音的傳播速度直接隨介質(zhì)溫度而變化。 根據(jù)通用氣體方程有下列關(guān)系式： p=RT-(1)p-壓力-密度R-通用氣體常數(shù)T-絕對溫度而聲速與壓力、密度和定壓定容下的比熱有下列關(guān)系式：C2=rp/-(2)C-

7、聲速r-定壓定容狀態(tài)下的比熱從以上兩個關(guān)系式可以導(dǎo)出聲波測溫系統(tǒng)的下列基本關(guān)系式： T=()C2-(3) T=()()2-(4) 式中： t-聲波傳播時間 l -聲波傳播距離 圖1為聲波測溫系統(tǒng)的原理圖 1266 圖1 為聲波測溫系統(tǒng)的原理圖 從（4）式可知，聲波測溫系統(tǒng)的誤差主要來自三個方面： a）聲波測溫系數(shù)()的影響 眾所周知，煙氣成份、含塵量以及流速均對測溫系數(shù)有影響。對于石化系統(tǒng)的焦化加熱爐，由于該系數(shù)變化而導(dǎo)致測溫誤差有時可超過1%。但是，對于電站鍋爐，測溫系數(shù)對測溫的相對影響不大。 b）聲波傳播距離的測量誤差 聲波從發(fā)生器到接受器間的距離，必須精確測量以防止產(chǎn)生誤差。此外，由于鍋

8、爐熱態(tài)膨脹會改變聲波傳播距離，從而導(dǎo)致附加誤差，因此，當(dāng)差異較大時也必須進(jìn)行修正。 c）聲波傳播時間的測量誤差 大型鍋爐爐膛內(nèi)聲波從發(fā)生器到接受器的傳播時間在10-30ms間，為了減少傳播時間測量誤差必須要求發(fā)生器發(fā)出的聲波前沿陡峭，在50us以內(nèi)，并且計算機(jī)應(yīng)能快速采集到。2）聲波測溫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)聲波測溫技術(shù)與傳統(tǒng)爐膛測溫技術(shù)相比有下列明顯優(yōu)點(diǎn)：精確度高，不受輻射等不確定因素的影響，其精確度可以達(dá)到±1%。測量溫度范圍廣，在鍋爐全負(fù)荷范圍內(nèi)均可使用測量空間不受限，不僅可以測量平均溫度，還可以確定爐膛溫度場分布測量靈敏度高，實(shí)時性好可維護(hù)性好 3）聲波測溫技術(shù)工程應(yīng)用的重大突破 聲波測

9、溫技術(shù)進(jìn)入鍋爐上成功應(yīng)用需要克服一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn)，這大約經(jīng)歷了二十多年的努力。目前，美國Enertechnix公司開發(fā)的核心技術(shù)成功解決了工程應(yīng)用方面的一系列難點(diǎn)，推出的PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在美國、印度和韓國等國家的電廠。 圖2為PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)框圖圖2 PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)框圖 PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)主要有下列核心技術(shù)： a）高強(qiáng)度、前沿剛勁的聲波發(fā)生器（ASG）Enertechnix公司開發(fā)的氣動聲波發(fā)生器能發(fā)出高強(qiáng)度 （>170dB）的聲波,測量距離達(dá)30米,聲波前沿剛勁陡峭(<50us)， 溫度測量范圍廣(-1

10、81926)，測量準(zhǔn)確度達(dá)到±1%。b）精密小型接收器（ASR）接收器只需在水冷壁管間的鰭片上開12.7mm小孔就可以監(jiān)聽發(fā)生器發(fā)來的聲波，安裝方便。c)多接收器處理技術(shù)一個聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波可以有多個接收器同時監(jiān)聽，一個控制平臺可采用多達(dá)16個發(fā)生器和接受器,比起一個發(fā)生器對一個接受器的系統(tǒng)來說，不僅簡化了系統(tǒng)，更重要的是大大減少了鍋爐上安裝發(fā)生器必須在水冷壁彎管開孔帶來的麻煩。d）通過特殊算法計算爐膛溫度場圖3為典型的2個ASG，6個ASR，鍋爐爐膛溫度測量系統(tǒng)配置圖。 圖3 典型的爐膛溫度測量系統(tǒng)配置圖（2xASG，6xASR） 通過測量得到8個通道上煙氣的平均溫度，再經(jīng)計算機(jī)特殊算法處理得到爐膛溫度場分布（圖4），并在DCS顯示器上呈現(xiàn)出來，指導(dǎo)運(yùn)行人員操作。 圖4 爐膛溫度場分布圖 必要時還可以實(shí)現(xiàn)三維空間的溫度場測量和顯示（圖5） 圖5 爐膛溫度場三維空間分布圖 e）高靈敏度檢測泄漏 接收器接收爐膛內(nèi)部各種聲波（圖6），通過聲波強(qiáng)度與持續(xù)時間的對比篩選，可以方便地將爐管泄漏聲音和別的噪音（例如吹灰）區(qū)別出來，及時發(fā)出爐管泄漏報警，使該系統(tǒng)同時還具有檢測爐管泄漏的功能。聲波強(qiáng)度吹 灰檢測到泄漏時間間隔聲波強(qiáng)度門檻時間圖6 泄漏檢測4、結(jié)束語 繼鍋爐汽包水位測量技術(shù)在我國取得重大突破，并成功應(yīng)用于我國上百臺鍋爐上后，鍋爐爐膛聲波