1000 MW超超臨界鍋爐聲波測溫技術(shù)的特點及應(yīng)用

陳欽，楊權(quán)，舒茂龍

(浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315612)

0 引言

火力發(fā)電廠鍋爐燃燒優(yōu)化是火電廠安全、節(jié)能和減排的關(guān)鍵所在。越來越多的大型機(jī)組采用了燃燒改造技術(shù)(如低氮燃燒器、過燃空氣噴射器、濃淡分離技術(shù)等)，以保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，減少NOx的產(chǎn)生，達(dá)到環(huán)保要求。但長期以來，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)。溫度是描述熱力過程的重要基本參數(shù)之一，是涉及電廠安全、控制和效率的重要因素。對電站鍋爐內(nèi)部溫度場進(jìn)行監(jiān)視和控制，可防止?fàn)t膛出口溫度過高導(dǎo)致過熱器結(jié)焦和管壁超溫;矯正燃燒不均衡，及時發(fā)現(xiàn)和調(diào)整兩側(cè)煙溫、汽溫的偏差;優(yōu)化風(fēng)煤比，提高燃燒效率，防止鍋爐局部過熱;減少NOx排放，控制灰的特性，改善整體效率。

1 爐膛測溫技術(shù)

爐膛內(nèi)部燃燒檢測對于機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的作用。傳統(tǒng)的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2類，而非接觸式測量裝置常見的有輻射式溫度計和光譜圖像檢測系統(tǒng)。但這些技術(shù)由于技術(shù)不成熟或成本等原因，妨礙了系統(tǒng)對熱傳遞與燃燒效率的精確控制，在實際應(yīng)用中難以推廣。

聲波測溫技術(shù)為大型、高噪聲鍋爐提供了可靠的爐膛煙氣溫度測量。早在20世紀(jì)80年代，美國和英國專家就對聲波測量爐膛煙氣溫度技術(shù)進(jìn)行了研究。目前，美國Enertechnix公司推出的PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)成功解決了工程應(yīng)用方面的一系列難點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于美國、印度和韓國等多個國家的電廠。

國華寧海電廠二期2×1000 MW機(jī)組采用的是上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)Alstom－Power公司Boiler Gmbh技術(shù)生產(chǎn)的SG3091/27.56－M54X型超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流鍋爐，單爐膛單切圓燃燒、全懸吊結(jié)構(gòu)、塔式布置。在國內(nèi)，寧海電廠率先在1000MW超超臨界塔式爐上使用爐膛聲波測溫技術(shù)并成功應(yīng)用，這對該項技術(shù)在大容量、高參數(shù)機(jī)組特別是1000MW機(jī)組上的推廣使用具有重要意義。

2 聲波測溫技術(shù)及系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 聲波測溫技術(shù)原理

聲波測溫是一種基于聲速和聲音傳播介質(zhì)密度之間關(guān)系的非接觸測量方法。聲速隨著傳播介質(zhì)溫度的變化而變化，聲速的改變可以直接提供介質(zhì)溫度的測量結(jié)果［1］(圖1為聲波測溫系統(tǒng)的原理圖)，這種關(guān)系是基于理想氣體定律

式中:p為壓力;ρ為密度;R為通用氣體常數(shù);T為溫度。

圖1 聲波測溫系統(tǒng)原理圖

在上述關(guān)系中，聲速和定壓定容比有下列關(guān)系

式中:v為聲速;c為定壓定容狀態(tài)下的比熱容。綜合以上2個關(guān)系式可以得到

這是聲速和溫度之間的基本關(guān)系式。

理論上，溫度測量的所有要求就是在特定時間產(chǎn)生一個聲波，接收器在知道距離的情況下測得聲波到達(dá)時間，確定聲音速度并且計算出溫度。

聲波測溫技術(shù)與傳統(tǒng)爐膛測溫技術(shù)相比有下列5 項優(yōu)點［2］:

(1)精度高，不受輻射等不確定因素的影響，其精度可以達(dá)到±1%。

(2)測量溫度范圍廣，在鍋爐全負(fù)荷范圍內(nèi)均可使用。

(3)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。

(4)測量靈敏度高，實時性好。

(5)可維護(hù)性較好。

2.2 PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)組成

國華寧海電廠二期1 000 MW超超臨界鍋爐采用美國Enertechnix公司開發(fā)的PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)。PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)由聲波發(fā)生器(ASG)、觸發(fā)器(AST)、聲波接收器(ASR)、微機(jī)處理器(SPC)等重要部件組成。其通過聲波發(fā)生器(ASG)將壓力為0.6 MPa的儀用氣壓縮成3.0 MPa的高壓氣體，形成一股強(qiáng)烈、高速的聲波，觸發(fā)AST動作的同時，發(fā)射到爐膛內(nèi)，由聲波接收器(ASR)接收高速聲波，記錄發(fā)射和接收聲波的時間，通過SPC內(nèi)部邏輯技術(shù)，得出該聲波軌跡內(nèi)一個平均溫度，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)框圖

國華寧海電廠二期#6鍋爐上安裝有2層聲波測溫系統(tǒng)，每層系統(tǒng)獨立，互不影響。上層安裝在67 m，下層安裝在51 m。聲波測溫系統(tǒng)分現(xiàn)場部分和集控室電子間部分。

每套系統(tǒng)組成主要包括2個聲波發(fā)生器(ASG)和6個聲波接收器(ASR)。2套系統(tǒng)共用1個微機(jī)處理器(SPC)。測量系統(tǒng)配置如圖3所示。

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(如圖4所示)并在分散控制系統(tǒng)(DCS)顯示器上顯示出來，指導(dǎo)運(yùn)行人員操作。

另外，該系統(tǒng)通過聲波強(qiáng)度與持續(xù)時間的對比篩選，可方便地將爐管泄漏聲音和別的噪音(如吹灰)區(qū)別出來，及時發(fā)出爐管泄漏報警，在分散控制系統(tǒng)(DCS)畫面上顯示(如圖5所示)，使該系統(tǒng)兼具檢測爐管泄漏的功能。

圖3 爐膛溫度測量系統(tǒng)配置圖

3 應(yīng)用特點及常見問題分析

3.1 應(yīng)用特點

PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)克服了1000 MW超超臨界鍋爐內(nèi)部噪聲大、灰度大等惡劣工作環(huán)境，運(yùn)行1年多來，對機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，特別是燃燒調(diào)整起了重要的作用。該系統(tǒng)擁有以下3項核心技術(shù):

(1)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)30m，聲波前沿剛勁陡峭(＜50 μs)，溫度測量范圍廣(－18～1 926℃)，測量準(zhǔn)確度達(dá)到±1%。

(2)小型精密接收器(ASR)。接收器只需在水冷壁管間的鰭片上開?12.7 mm小孔就可以監(jiān)聽發(fā)生器發(fā)來的聲波，安裝方便。

(3)多接收器處理技術(shù)。1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，1個控制平臺可采用16個發(fā)生器和接收器，比起1個發(fā)生器對應(yīng)1個接收器的系統(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。

此外，該系統(tǒng)在監(jiān)測顯示方面有多種表現(xiàn)方法。除DCS溫度場顯示外，還可以在微機(jī)上顯示區(qū)域參數(shù)(Zone View)、路徑參數(shù)(Path View)，進(jìn)行2D和3D數(shù)據(jù)顯示，給爐內(nèi)溫度數(shù)據(jù)分析提供了很多便利。

3.2 常見問題分析

PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)在國華寧海電廠投用1年以來，總體運(yùn)行正常，但還存在一些問題和故障。

(1)觸發(fā)器信號衰弱。檢查觸發(fā)器管路是否松動或堵塞、ASG控制閥是否全開、聽筒安裝是否正常、控制箱是否遠(yuǎn)離振動源以及超大噪音源。

(2)沒有吹灰時鍋爐噪音很大。若噪聲持續(xù)，檢查爐膛是否泄漏，確保聽筒安裝正確、在ASR附近無密封泄漏及ASR吹掃儀用氣壓力低于14.0kPa。

(3)信號強(qiáng)度不足。確保信號有一個清晰的路徑，沒有任何物理阻擋(包括水冷壁管子)，確保聽筒沒有被灰塵堵塞。

(4)溫度錯誤。檢查是否存在泄漏或吹灰等異常情況，聲波路徑長度設(shè)置是否正確。

運(yùn)行1年來，該聲波測溫系統(tǒng)的日常缺陷率較低，但需要進(jìn)行定期維護(hù)(如定期更換消耗品等)，以提高整套系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

盡管聲波測溫技術(shù)能夠準(zhǔn)確測量出爐膛燃燒溫度場的數(shù)據(jù)，但由于是新技術(shù)，在實際運(yùn)行中對機(jī)組運(yùn)行指導(dǎo)不夠。因此，需要加強(qiáng)培訓(xùn)，轉(zhuǎn)變機(jī)組運(yùn)行人員傳統(tǒng)運(yùn)行操作方式，使其敢于使用先進(jìn)技術(shù)監(jiān)控爐內(nèi)燃燒過程，保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

(1)采用微處理器、先進(jìn)計算軟件和高能聲源的聲波測溫系統(tǒng)，能可靠地測量大型高噪音鍋爐爐膛煙氣溫度，提供瞬時溫度分布數(shù)據(jù)，用于實時控制爐內(nèi)燃燒過程、防止被迫停機(jī)以及減少NOx的生成，對火電廠安全、節(jié)能和減排具有重要意義。

(2)PyroMetrix聲波測溫系統(tǒng)在1 000 MW超超臨界機(jī)組上首次應(yīng)用，投運(yùn)1年來總體性能良好，為檢測爐內(nèi)燃燒過程提供了可靠依據(jù)，促進(jìn)了聲波測溫技術(shù)在大容量、高參數(shù)機(jī)組上的應(yīng)用。

(3)對于聲波測溫技術(shù)的應(yīng)用，需要加大相關(guān)培訓(xùn)力度，改變機(jī)組運(yùn)行人員傳統(tǒng)運(yùn)行操作方式，保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］楊祥良.基于聲波測溫技術(shù)的電站鍋爐受熱面污染監(jiān)測研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010.

［2］陸磐谷.聲波測溫技術(shù)在大型焦化加熱爐溫度場監(jiān)測系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2008，29(1):7－12.