聲學(xué)測溫系統(tǒng)在200 MW電站鍋爐中的應(yīng)用研究

安連鎖, 李庚生, 沈國清, 張世平, 馮 強(qiáng), 王 然

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室,北京102206)

電站鍋爐的燃燒狀態(tài)對鍋爐的安全運行、優(yōu)化燃燒以及節(jié)能降耗等具有重要意義.但由于爐膛內(nèi)的湍流、高溫、腐蝕等復(fù)雜惡劣工況,目前尚未有很好的方法能夠測量并準(zhǔn)確地給出爐膛高溫區(qū)域的溫度場信息[1].現(xiàn)場常用的火焰電視可以直接觀察噴嘴的著火情況,但僅提供了定性的火焰有/無和一定的火色信息,沒有定量的溫度信息.而爐膛煙溫探針僅在啟動過程中監(jiān)視爐膛出口煙溫,防止過熱器干燒,超過一定溫度后自動退出,不能進(jìn)行全負(fù)荷工況監(jiān)視,且易于損壞.

基于聲波的溫度測量技術(shù)具有非接觸、對測量對象無干擾等優(yōu)點,能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐燃燒的實時在線監(jiān)測[2].國內(nèi)外學(xué)者針對該項技術(shù)進(jìn)行了大量的理論和試驗研究,取得了很大進(jìn)展,其中包括時間延遲估計、重建算法研究等[3-8].筆者在楊祥良等[9]的單路徑聲學(xué)高溫計試驗成功的基礎(chǔ)上,研發(fā)出多路徑聲學(xué)測溫系統(tǒng),并首次在國內(nèi)某200 MW機(jī)組的鍋爐上進(jìn)行安裝和調(diào)試,獲得了大量寶貴的數(shù)據(jù),為傳統(tǒng)的高溫測量領(lǐng)域提供了新技術(shù).

1 聲學(xué)測溫原理

理論上講,聲學(xué)測溫所需的裝置就是一個安裝在爐墻一側(cè)的聲波發(fā)射器和安裝在另一側(cè)的接收器,見圖1.發(fā)射器發(fā)出一個聲波脈沖,被接收器檢測到,由于兩者之間的距離是已知并且是固定的,可以很方便地計算出聲波脈沖傳播路徑上的平均溫度.聲波在煙氣里的傳播速度取決于煙氣的溫度,它們的關(guān)系如下:

式中:v是聲音在介質(zhì)中的傳播速度;R是氣體常數(shù);γ是氣體的絕熱指數(shù);M是氣體摩爾質(zhì)量;T是氣體溫度.

圖1 單路徑聲學(xué)測溫原理示意圖Fig.1 Principle drawing of one-path acoustic pyrometer

2 系統(tǒng)介紹

在國內(nèi)某200 MW機(jī)組大修的時段,在其鍋爐上進(jìn)行了多路徑聲學(xué)測溫系統(tǒng)的安裝和調(diào)試.該機(jī)組鍋爐是由北京巴威公司生產(chǎn)的超高壓、一次中間再熱單爐膛自然循環(huán)鍋爐,型號為B&W-670/13.7-M.該鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式,配置了24只標(biāo)準(zhǔn)的雙調(diào)風(fēng) EL-DRB型旋流燃燒器,分4層布置.此次試驗安裝本著利用左墻和右墻上原有的觀火孔或短吹孔,不在水冷壁上打眼的原則.根據(jù)鍋爐布置總圖,結(jié)合現(xiàn)場考察,確定測點的安裝高度為折焰角下方29.8 m平臺處.利用預(yù)留的短式吹灰器孔,左墻2個、右墻 2個、前墻1、后墻 1個,一共布置6個測點,13條測溫路徑.圖2為聲學(xué)測溫系統(tǒng)安裝示意圖.6個就地測點直接敷設(shè)電纜到主控室電子間的控制柜.

圖2 聲學(xué)測溫系統(tǒng)安裝示意圖Fig.2 Installation diag ram of acoustic pyrometer system

聲學(xué)測溫系統(tǒng)的就地測點主要由聲波發(fā)生器、聲波接收傳感器、聲波導(dǎo)管和定期吹掃裝置等部分組成,就地測點實物圖見圖3.

圖3 就地測點實物圖Fig.3 Photo of an acoustic pyrometer installed on site

系統(tǒng)軟件分為參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、聲波飛渡時間(Time of Flight,TOF)計算模塊、重建算法模塊、溫度場顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊等.所有功能都在后臺自動完成,運行時只需直接觀看爐膛溫度場顯示畫面即可.圖4為軟件模塊示意圖.

圖4 軟件模塊示意圖Fig.4 Schematic diag ram of the software module

3 基于相位變換加權(quán)互相關(guān)算法的冷態(tài)調(diào)試

首先在冷態(tài)條件下,測量13條聲學(xué)路徑上的聲波飛渡時間,對13條聲學(xué)路徑的長度進(jìn)行了標(biāo)定.由于鍋爐爐膛是一個封閉的空間聲場,具有強(qiáng)混響,基于普通互相關(guān)的時延算法無法得出滿意的結(jié)果.經(jīng)過大量試驗,基于相位變換加權(quán)的互相關(guān)算法可以有效消除混響影響,準(zhǔn)確得出聲波飛渡時間.

發(fā)射端和接收端兩通道的信號模型為:

式中:s(n)為信號;n1(n)和n2(n)為噪聲信號;D為兩通道間的時間延遲;A為衰減系數(shù).

基于相位變換加權(quán)的互相關(guān)函數(shù)為:

式中:τ為兩信號之間的時間延遲;ψ12為頻域處理的加權(quán)函數(shù),為傅里葉變換;F-1為傅里葉逆變換.

加權(quán)后的互相關(guān)函數(shù)為:

式中:Gx1x2(f)為信號1和信號2互功率譜.

設(shè)定好聲源的發(fā)生信號、音量、采樣率及傅里葉分析點數(shù)等參數(shù),在爐膛里測得當(dāng)?shù)芈曀賤=350 m/s,爐膛冷態(tài)溫度T=296 K,測得的聲波飛渡時間見表1,為熱態(tài)調(diào)試做好準(zhǔn)備.

表1 冷態(tài)下13條路徑上TOF值Tab.1 Time of flight through 13 paths at cold state

4 熱態(tài)調(diào)試和運行

鍋爐點火后,聲學(xué)測溫系統(tǒng)運行良好.13條測溫路徑均能正確顯示溫度數(shù)據(jù),并能夠?qū)崟r重建二維溫度場,為運行人員及時了解爐膛的燃燒情況提供了有效工具.圖5為該機(jī)組帶180 MW負(fù)荷時,第6測溫路徑某時段測得的數(shù)據(jù)圖.由于設(shè)定每1 min為1個測量周期,4 h里共測得240個溫度數(shù)據(jù).溫度值基本在1 000～1 100℃之間,平均溫度為1 055℃.

圖5 第6測溫路徑測得的240個溫度數(shù)據(jù)圖Fig.5 Historic temperature data for the 6th path measured in a four-hour period

為了重建二維溫度場,將欲重建的二維截面區(qū)域離散化[10],把整個重建區(qū)域劃分為N=4×3=12個非重疊的像素區(qū)域.圖6為該爐膛的截面布置圖.

圖6 爐膛截面布置圖Fig.6 A rrangement of measurement points on the cross section of furnace

式中:wij在數(shù)值上等于第i條射線經(jīng)過第j個像素的長度.

這樣,經(jīng)過一個周期的聲波收發(fā)測量過程,便得到一個線性方程組

式中:n為重建區(qū)域劃分的像素總數(shù);m為穿過條射線溫度場截面的聲波測量路徑總數(shù);wij為權(quán)因子,它的大小反映了第j個像素對第i條測量路徑的貢獻(xiàn);每個方程右端的τi成為第i號測量路徑上的聲波飛渡時間;左端的和式稱為偽射線和,將方程組用矩陣表示為

然后利用Tikhonov正則化方法對該連續(xù)算子方程的逆問題求解.重建后的溫度場及鍋爐截面的燃燒強(qiáng)度圖見圖7,圖8為溫度場三維顯示圖.

圖7 鍋爐截面的燃燒強(qiáng)度圖Fig.7 Two dimensional display of temperature field

由圖7可以看出,該爐膛截面的前后墻溫度偏高,中心溫度偏低,這和該鍋爐前后墻對沖布置的燃燒方式相吻合.可見聲學(xué)測溫系統(tǒng)可以準(zhǔn)確判斷該截面上的火焰中心位置,證明了溫度場實時監(jiān)測的準(zhǔn)確性,有助于運行人員實時調(diào)整燃燒,防止火焰中心偏移,確保鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運行.

由于測點個數(shù)的限制,6個測點僅僅能形成13條測量路徑.如果增加測點,例如典型的8個測點布置(前后左右墻各布置2個測點)就可以形成24條測量路徑,將會進(jìn)一步增大溫度場的分辨率.

圖8 溫度場三維顯示圖Fig.8 T hree dimensional display of temperature field

5 結(jié) 論

(1)國內(nèi)自主研發(fā)的聲學(xué)測溫系統(tǒng)首次在國內(nèi)某200 MW機(jī)組鍋爐上安裝和調(diào)試并取得成功,獲得了大量寶貴數(shù)據(jù),為今后在大型機(jī)組鍋爐上的投運積累了經(jīng)驗.

(2)基于相位變換加權(quán)的互相關(guān)算法可以有效去除冷態(tài)條件下爐膛的強(qiáng)混響影響,準(zhǔn)確得出聲波飛渡時延估計值.

(3)6個測點形成的13條測溫路徑均能正確顯示溫度數(shù)據(jù).通過級數(shù)展開法結(jié)合 Tikhonov正則化方法重建得到該爐膛截面的二維溫度場,前后墻溫度偏高,中心溫度偏低,和該鍋爐的前后墻對沖的燃燒方式相吻合,可以準(zhǔn)確判斷該截面上的火焰中心位置.

(4)聲學(xué)測溫系統(tǒng)為傳統(tǒng)的高溫測量領(lǐng)域提供了新技術(shù),將電站鍋爐的燃燒情況可視化,對鍋爐的安全運行、優(yōu)化燃燒、節(jié)能降耗等具有重要意義.

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