峰值波長(zhǎng)法快速檢測(cè)煤粉爐火焰溫度的研究

楊豪駿,　楊　斌,　桂欣揚(yáng),　蔡小舒

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，顆粒與兩相流測(cè)量研究所，上海 200093)

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峰值波長(zhǎng)法快速檢測(cè)煤粉爐火焰溫度的研究

楊豪駿,楊斌,桂欣揚(yáng),蔡小舒

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，顆粒與兩相流測(cè)量研究所，上海 200093)

摘要：基于維恩位移定律和普朗克定理,提出了根據(jù)光纖光譜儀測(cè)得的相對(duì)火焰輻射光譜快速確定煤粉爐火焰溫度的峰值波長(zhǎng)法，研究了煤粉爐火焰中輻射率函數(shù)對(duì)該方法測(cè)量溫度的影響,并以300 MW和350 MW煤粉爐火焰輻射光譜為基礎(chǔ),給出了適用于電站煤粉爐火焰溫度光譜法測(cè)量的峰值波長(zhǎng)溫度測(cè)量公式.結(jié)果表明：對(duì)于煤粉爐火焰這類非灰體溫度火焰,利用峰值波長(zhǎng)法可以快速得到火焰溫度，且最大測(cè)量誤差小于1.60%.

關(guān)鍵詞：煤粉爐； 峰值波長(zhǎng)法； 火焰溫度； 在線檢測(cè)； 輻射率

對(duì)火焰溫度實(shí)時(shí)測(cè)量可以監(jiān)控燃料燃燒狀況,對(duì)燃燒進(jìn)行優(yōu)化控制能減少污染氣體排放、提高能源利用率.由于燃燒具有多樣性,且燃燒過程十分復(fù)雜、燃燒環(huán)境多變,使得火焰溫度的精確測(cè)量成為目前研究的熱點(diǎn)[1-5].火焰溫度測(cè)量可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量.熱電偶等接觸式測(cè)量受限于測(cè)溫精度和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件,且無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)非接觸測(cè)量.近年來,高性能彩色CCD相機(jī)的出現(xiàn)使其廣泛應(yīng)用于火焰溫度的測(cè)量.周懷春[3]借助高性能彩色CCD相機(jī),通過獲取熱輻射光電圖像,處理后得到了溫度場(chǎng)分布狀況.相比溫度測(cè)量,對(duì)輻射率的測(cè)量要更加復(fù)雜,Hamadi等[6]提出了火焰碳?xì)淞Ｗ拥膯紊椛渎誓Ｐ?發(fā)現(xiàn)火焰輻射率除了與溫度、波長(zhǎng)有關(guān)外,還與炭粒子的體積濃度有關(guān).光譜法能夠同時(shí)測(cè)得輻射體的溫度和輻射率,近年來受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[7-9].光譜法興起于20世紀(jì)70年代末80年代初,早在1976年Svet[10]就討論了多波長(zhǎng)高溫計(jì)數(shù)據(jù)處理問題, 建議使用多個(gè)比色結(jié)果相互比對(duì)得到物體溫度.Gardner等[11]研制成了6波長(zhǎng)高溫計(jì)，并應(yīng)用該高溫計(jì)測(cè)量了一系列金屬表面的真溫.Khan[12]提出應(yīng)用黑體爐和各種光譜分布的衰減片來驗(yàn)證多波長(zhǎng)理論的實(shí)驗(yàn)方法.相比于圖像法，采用光譜法對(duì)火焰溫度和輻射率進(jìn)行測(cè)量的準(zhǔn)確性更高，且可以得到燃料在燃燒過程中的中間產(chǎn)物等信息，為燃燒機(jī)理研究和診斷提供數(shù)據(jù).然而由于光譜儀的波長(zhǎng)響應(yīng)特性，要得到溫度和輻射率,必須利用黑體爐對(duì)包括光譜儀和光纖在內(nèi)的整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，將相對(duì)光譜進(jìn)行修正后得到絕對(duì)光譜，然后再用最小二乘法迭代求解.這種方法過程繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)且基于灰體假設(shè)，并未將輻射率作為隨波長(zhǎng)變化的函數(shù)考慮[13].筆者針對(duì)這一問題，基于維恩位移定律，提出了一種從測(cè)得的火焰輻射光譜直接快速確定溫度的方法——峰值波長(zhǎng)法，并通過煤粉爐的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法，給出了適用于電站煤粉爐火焰溫度光譜法測(cè)量的峰值波長(zhǎng)溫度測(cè)量公式.

1維恩位移定律及其拓展應(yīng)用

維恩位移定律指出，在一定溫度下，黑體溫度TH與輻射本領(lǐng)最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm的乘積為一常數(shù)：

λm×TH=const

(1)

式中：const為維恩常量，取0.002 897 m·K.

因此可根據(jù)λm計(jì)算出黑體溫度TH，圖1給出了維恩位移定律中峰值波長(zhǎng)與溫度之間的關(guān)系[14].

然而維恩位移定律的峰值波長(zhǎng)在溫度低于2 000 K時(shí)位于紅外波段，而采用硅材料的CCD光敏陣列器件只能測(cè)量200～1 100 nm波長(zhǎng)的光譜，其波長(zhǎng)響應(yīng)系數(shù)是隨波長(zhǎng)λ變化的(見圖2).當(dāng)積分時(shí)間變化時(shí)，不同波長(zhǎng)的響應(yīng)系數(shù)不同，在200 nm和1 100 nm波長(zhǎng)時(shí)響應(yīng)系數(shù)基本為零,即小于200 nm和大于1 100 nm波長(zhǎng)的輻射入射到CCD光敏陣列器件上，CCD的輸出信號(hào)為零.因此，在常規(guī)火焰溫度范圍內(nèi)，采用光纖光譜儀無法得到維恩位移定律的峰值波長(zhǎng)，也就無法利用維恩位移定律來測(cè)量火焰溫度.然而受CCD光纖光譜儀波長(zhǎng)響應(yīng)特性的影響，由光纖光譜儀測(cè)得的火焰輻射光譜并不是火焰輻射的真實(shí)光譜.圖3為采用美國(guó)海洋光學(xué)公司STS光纖光譜儀測(cè)得的黑體爐不同溫度下相對(duì)輻射光譜(有峰值的光譜)以及根據(jù)普朗克定理得到的黑體在同溫度下的輻射光譜(右側(cè)遞增的光譜).從圖3可知，由光纖光譜儀測(cè)得的相對(duì)輻射光譜與同溫度下的實(shí)際輻射光譜有很大不同，前者實(shí)際上是包括光纖光譜儀波長(zhǎng)響應(yīng)特性在內(nèi)的火焰相對(duì)輻射光譜，得到的火焰相對(duì)輻射光譜存在一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)該峰值的波長(zhǎng)稱為相對(duì)峰值波長(zhǎng).小于和大于該峰值波長(zhǎng)所測(cè)得的火焰輻射光譜強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變化逐漸遞減，到200 nm和1 100 nm波長(zhǎng)時(shí)均減小為零.圖3中在942 nm波長(zhǎng)處的光譜吸收峰是由光纖中的[OH]-造成的，如果采用低[OH]-光纖，將不存在該吸收峰.從圖3還可以看出，當(dāng)溫度從975 K升高到1 480 K時(shí)，最大峰值逐步向短波長(zhǎng)移動(dòng)，這與維恩位移定律一致.圖4給出了300 MW煤粉爐檢測(cè)到的正則化火焰輻射光譜,其中正則化相對(duì)強(qiáng)度大于1的輻射光譜是燃料中鉀的輻射光譜.從圖4可以看出，隨溫度升高，火焰輻射光譜的峰值同樣向左(短波長(zhǎng))移動(dòng)，表明由光纖光譜儀測(cè)得的火焰輻射光譜相對(duì)峰值波長(zhǎng)來直接確定火焰溫度是很有可能的.

圖1　維恩位移定律中峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系

圖2　光纖光譜儀的波長(zhǎng)響應(yīng)系數(shù)

圖3　黑體爐中峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系

圖4　300 MW煤粉爐的火焰輻射光譜

2光纖光譜儀所得的黑體輻射峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系

除了溫度對(duì)相對(duì)峰值波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生影響外，火焰輻射率也是一個(gè)影響因素.根據(jù)普朗克定理，火焰單色輻射光能為

(2)

式中：ε為火焰在檢測(cè)波長(zhǎng)λi時(shí)的輻射率；T為檢測(cè)區(qū)域的視場(chǎng)平均溫度；k為光譜修正系數(shù);C2為常數(shù).

從式(2)可以看出，若被測(cè)火焰是灰體火焰，ε為常數(shù)，灰體火焰的輻射光譜相對(duì)于黑體在同溫度下的輻射光譜只是強(qiáng)度發(fā)生同比例減小，但不會(huì)影響峰值波長(zhǎng)的偏移變化.圖5給出了黑體爐溫度為975～1 480 K時(shí)的正則化輻射光譜以及由此獲得的相對(duì)峰值波長(zhǎng)λm*與T之間的關(guān)系.將測(cè)得的相對(duì)峰值波長(zhǎng)與溫度間的關(guān)系用曲線T=1/(a+bλm*)進(jìn)行擬合，可得

(3)

表1給出了采用式(3)得到的黑體爐溫度值.從表1可知，采用該式得到的黑體爐溫度誤差均不超過0.5%.

(a)黑體爐975～1 480 K時(shí)的正則化輻射光譜

(b)黑體相對(duì)峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系

黑體爐實(shí)測(cè)溫度/K峰值波長(zhǎng)/nm擬合溫度/K誤差/%9759259720.3010009109970.30120086411950.40130084513010.08135083713520.15148083014440.25

3火焰輻射率函數(shù)的影響

從式(2)可知，灰體火焰同樣存在相對(duì)峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系，但由于灰體火焰的相對(duì)輻射光譜會(huì)受光纖光譜儀波長(zhǎng)響應(yīng)特性的影響，其溫度與相對(duì)峰值波長(zhǎng)的關(guān)系會(huì)與黑體輻射有所不同.由于實(shí)際煤粉爐火焰中的輻射率是隨波長(zhǎng)變化的函數(shù)，因此并不能直接用式(3)來測(cè)量煤粉爐火焰溫度，需要研究煤粉爐火焰不同輻射率函數(shù)的影響.圖6給出了300 MW煤粉爐中實(shí)際測(cè)得的火焰輻射光譜與黑體輻射光譜，其中粗實(shí)線為煤粉爐內(nèi)實(shí)測(cè)輻射光譜，利用文獻(xiàn)[14]中方法得到火焰溫度為1 205 ℃，平均輻射率為0.312(見圖7)，虛線為黑體爐1 205 ℃時(shí)的輻射光譜.從圖6可以直觀地看出，當(dāng)溫度相同時(shí)，煤粉爐火焰的輻射光譜因受輻射率函數(shù)的影響相對(duì)于黑體的輻射光譜峰值向右(長(zhǎng)波長(zhǎng))偏移.經(jīng)過測(cè)算，此時(shí)峰值向右偏移了8 nm.

(a)煤粉爐火焰輻射譜線與黑體輻射光譜

(b)正則化的煤粉爐火焰輻射光譜與黑體輻射光譜

Fig.6Comparison of flame emission spectrum between pulverized coal-fired boiler and blackbody furnace

圖7　煤粉爐火焰的輻射率函數(shù)

在現(xiàn)實(shí)中，絕對(duì)灰體是不存在的，從圖7可以清晰地看出，即使是工程中通常被作為類灰體處理的煤粉爐火焰也不是灰體火焰.但是由于煤粉爐火焰的輻射主要以火焰中炭黑顆粒的固體輻射為主導(dǎo)，從圖7還可以看出，煤粉火焰在一個(gè)較寬波段內(nèi)的輻射率保持不變，因此在工程中將煤粉爐的火焰輻射作為類灰體處理是合理的.

研究[15]表明，對(duì)于連續(xù)輻射和可見光區(qū)帶狀輻射的物體，輻射率的變化規(guī)律可以用波長(zhǎng)和溫度的無數(shù)項(xiàng)多項(xiàng)式函數(shù)來表示.在實(shí)際應(yīng)用中，可用有限項(xiàng)的多項(xiàng)式來表征實(shí)際物體的輻射率函數(shù).在近紅外和可見光波段范圍內(nèi)，輻射率函數(shù)呈單調(diào)變化，其函數(shù)形式為

(4)

式中：a0,a1,a2，…，an為溫度T的函數(shù).

將圖7中的煤粉爐火焰輻射率隨波長(zhǎng)的變化曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可得

lnε=0.745 6-0.005 055λ+3.284×10-6λ2

(5)

輻射率原函數(shù)與擬合函數(shù)的對(duì)比見圖8.

圖8　輻射率原函數(shù)與擬合函數(shù)的對(duì)比

為了研究在煤粉爐中輻射率函數(shù)對(duì)采用相對(duì)峰值波長(zhǎng)確定火焰溫度的影響程度，首先使用標(biāo)準(zhǔn)光譜分析測(cè)溫法[14]計(jì)算出煤粉爐火焰的輻射溫度、輻射率函數(shù)和擬合平均黑度，再用式(2)計(jì)算出該溫度下黑體的輻射光譜，將該黑體輻射光譜乘以擬合平均黑度，并經(jīng)波長(zhǎng)響應(yīng)系數(shù)矩陣修正后得到該溫度下灰體處理后的理論輻射光譜[16]，對(duì)其尋峰得到峰值波長(zhǎng).最后比較煤粉爐火焰的實(shí)際原始輻射光譜峰值波長(zhǎng)與灰體處理后輻射光譜相對(duì)峰值波長(zhǎng)的偏移程度，結(jié)果見表2.

表2類灰體處理對(duì)溫度的影響及誤差

Tab.2Effects of pseudo graybody treatment on temperature measurement and the resulted errors

鍋爐負(fù)荷/MW擬合平均黑度平均輻射率誤差/%相對(duì)原始光譜λm偏差/nm溫度偏差/K溫度誤差/%3000.151.30-6.1312.383500.302.11-5.5282.133000.373.04-6.8341.453500.442.58-5.1262.22

表2中的溫度誤差是由式(3)計(jì)算得到的煤粉爐火焰溫度與標(biāo)準(zhǔn)光譜分析測(cè)溫法計(jì)算出的煤粉爐火焰溫度的差值.由表2可知，受輻射率函數(shù)和光纖光譜儀波長(zhǎng)響應(yīng)系數(shù)的影響，實(shí)際火焰的峰值波長(zhǎng)與理論峰值波長(zhǎng)存在偏差，該偏差將造成溫度誤差，溫度誤差在2.5%以內(nèi).

4煤粉爐火焰溫度快速測(cè)量算法

由于真實(shí)的煤粉爐火焰輻射并不是灰體，若直接利用式(3)進(jìn)行溫度測(cè)量，誤差較大，為了進(jìn)一步減小煤粉爐火焰溫度在線測(cè)量的誤差，采用文獻(xiàn)[14]中的標(biāo)準(zhǔn)光譜分析測(cè)溫法對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行處理，得到在類灰體火焰情況下火焰溫度與火焰輻射光譜相對(duì)峰值波長(zhǎng)的關(guān)系.圖9給出了300 MW和350 MW 2臺(tái)煤粉爐火焰輻射光譜相對(duì)峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系，其中ε=0.3和ε=0.15分別為在這2臺(tái)煤粉爐中測(cè)得的火焰輻射率.

(a)350 MW煤粉爐

(b)300 MW煤粉爐

Fig.9Relative peak wavelength of flame emission spectrum from pulverized coal-fired boiler vs. temperature

根據(jù)350 MW和300 MW煤粉爐火焰輻射光譜相對(duì)峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系，擬合得到的關(guān)系式分別為

T=1/(-0.001 13+2.191 12×10-6λ)

(6)

T=1/(-0.001 14+2.196 26×10-6λ)

(7)

將式(6)和式(7)擬合，得到適用于兩者的通用關(guān)系式：

(8)

表3給出了利用式(3)和式(8)計(jì)算得到的這2臺(tái)煤粉爐火焰溫度及誤差.從表3可以看出，采用通用關(guān)系式式(8)計(jì)算得到的火焰溫度最大誤差為1.60%，小于直接采用式(3)計(jì)算得到的火焰溫度最大誤差(10.60%)，這表明在通常的煤粉爐火焰擬合平均黑度范圍內(nèi)，采用式(8)可以準(zhǔn)確測(cè)得火焰溫度.從表3 還可以看出，在擬合平均黑度較小時(shí)，如果不考慮灰體輻射率的影響，直接采用式(3)計(jì)算火焰溫度的誤差較大.

表3利用式(3)和式(8)計(jì)算得到的煤粉爐火焰溫度及其誤差

Tab.3Flame temperature of pulverized coal-fired boiler and the errors calculated with formulae (3) and (8)

鍋爐負(fù)荷/MW實(shí)際溫度/K擬合平均黑度式(8)式(3)計(jì)算所得溫度/K溫度偏差/K誤差/%計(jì)算所得溫度/K溫度偏差/K誤差/%15200.271496241.601474463.0035015450.311526191.221523221.4216100.34160190.601650402.5016900.231672181.061777875.1530017220.111740-181.04190518310.6017660.171740261.4719051397.87

對(duì)于目前采用的低成本微型STS光纖光譜儀，其光譜分辨率為0.45 μm，根據(jù)式(8)可知，每1 nm波長(zhǎng)變化導(dǎo)致的溫度偏差約為6 K，即目前的光纖光譜儀完全可以滿足對(duì)火焰溫度測(cè)量的精度要求.

5結(jié)論

(1)基于維恩位移定律和普朗克定理，可以通過光纖光譜儀測(cè)得的光譜相對(duì)峰值波長(zhǎng)得到灰體火焰溫度，其測(cè)量精度滿足工程要求.

(2)對(duì)于煤粉爐火焰這類非灰體火焰，可以根據(jù)光纖光譜儀測(cè)得的火焰輻射光譜相對(duì)峰值波長(zhǎng)得到火焰溫度，但其關(guān)系式與黑體不同.根據(jù)300 MW和350 MW煤粉爐實(shí)測(cè)得到的光譜數(shù)據(jù)擬合關(guān)系式可以快速得到火焰溫度，最大測(cè)量誤差小于1.60%.

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Fast Measurement of Flame Temperature in Pulverized Coal-fired Boiler Based on Peak Wavelength Method

YANGHaojun,YANGBin,GUIXinyang,CAIXiaoshu

(Institute of Particle and Two-phase Flow Measurement, School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract：Based on Wien's displacement law and Planck's law, a fast measurement technique, the method of peak wavelength, was presented for directly determining the flame temperature of pulverized coal-fired boiler according to the relative spectrum of coal flame measured by fiber optic spectrometer, so as to study the effects of flame emissivity function on the temperature measurement. Taking two boilers respectively of 300 MW and 350 MW as objects of study, specific formulae of peak wavelength were proposed for measurement of the flame temperature. Results show that the peak wavelength method can be used for fast measurement of the non-gray flame like the flame in pulverized coal-fired boiler, with maximum measurement error less than 1.60%.

Key words：pulverized coal-fired boiler; peak wavelength method; flame temperature; online measurement; emissivity

文章編號(hào)：1674-7607(2016)01-0036-06

中圖分類號(hào)：TK227

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：470.30

作者簡(jiǎn)介：楊豪駿(1991-)，男，上海人,碩士研究生，研究方向?yàn)榛鹧嫒紵c診斷．

基金項(xiàng)目：上海市科委科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(13DZ2260900)；國(guó)家自然科學(xué)基金儀器重大科研儀器設(shè)備專項(xiàng)資助項(xiàng)目(51327803)

收稿日期：2014-12-08

修訂日期：2015-04-27

蔡小舒(通信作者)，男，教授，博士生導(dǎo)師，電話(Tel.)：021-55275059； E-mail：usst_caixs@163.com.