鍋爐爐膛聲學(xué)與紅外耦合測溫系統(tǒng)的研究

渠曉軍　崔旭陽,2　呂沁陽　金　　蘇鐵熊　馬理強

(中北大學(xué)朔州校區(qū)1，山西 朔州　036000；天津大學(xué)機械工程學(xué)院2，天津　300072 )

鍋爐爐膛聲學(xué)與紅外耦合測溫系統(tǒng)的研究

渠曉軍1崔旭陽1,2呂沁陽1金1蘇鐵熊1馬理強1

(中北大學(xué)朔州校區(qū)1，山西 朔州036000；天津大學(xué)機械工程學(xué)院2，天津300072 )

摘要：目前，以聲學(xué)測溫與紅外測溫兩種測溫方法單一構(gòu)建的溫度場監(jiān)測系統(tǒng)，無法達到工程預(yù)期的精度要求。為此，通過對聲學(xué)及紅外測溫的基本理論進行研究，利用數(shù)學(xué)建模得到Area-X耦合函數(shù)，并構(gòu)建由數(shù)值收集、信號轉(zhuǎn)化、信號擬合等模塊組成的聲學(xué)與紅外耦合測溫的監(jiān)測系統(tǒng)。構(gòu)建的溫度場監(jiān)測系統(tǒng)能夠有機結(jié)合聲學(xué)測溫與紅外測溫兩者在測溫方面的優(yōu)勢，進一步提高對鍋爐爐膛溫度場實時在線測控的精確度。

關(guān)鍵詞：測溫技術(shù)紅外測溫聲學(xué)測溫函數(shù)建模溫度場重建系統(tǒng)構(gòu)建耦合實時監(jiān)測電站

Temperature field reconstructionSystem constructionCouplingReal-time monitoringPower station

0引言

現(xiàn)代大型燃煤電站鍋爐中，鍋爐爐膛溫度場分布的精確求解和可視化對于實現(xiàn)電廠低污染排放、有效并安全運行、揭示燃燒過程的現(xiàn)象、反映燃燒的實質(zhì)和規(guī)律都有著重要的價值和科學(xué)意義[1-2]?，F(xiàn)有可行的測溫方法主要分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測溫以熱電偶為主，但由于其元件存在易受干擾、壽命短、只能測量單點溫度等缺陷，難以滿足現(xiàn)代工程的要求。以聲學(xué)法、紅外法和散射光譜法等為代表的非接觸式測溫法，以其測量范圍廣、安全性高等特點，逐漸成為現(xiàn)代爐膛測溫的主要手段。本文嘗試探尋一種基于紅外測溫法和聲學(xué)法二者耦合的測溫方法，并研制一種聲學(xué)與紅外耦合測溫的實時監(jiān)測系統(tǒng)[3]，實現(xiàn)對測溫的優(yōu)化。

1紅外與聲學(xué)溫度測量技術(shù)的現(xiàn)狀分析

1.1現(xiàn)有測量爐膛溫度分布的技術(shù)分析

隨著對鍋爐爐膛測量溫度技術(shù)需求的持續(xù)提高，溫度測量技術(shù)也不斷改進。測量技術(shù)發(fā)展至今，不僅有技術(shù)較為成熟的直接接觸測溫法，還有以聲學(xué)測溫等為代表的非接觸測溫法[4]。直接接觸測溫法應(yīng)用最早，該方法將測溫設(shè)備布置在溫度場中進行測量，但其測溫周期不宜過長，難以實現(xiàn)對整個爐膛的在線監(jiān)控測溫[5]。而非直接接觸測溫方法，在測量的過程中不與爐膛內(nèi)燃料進行接觸，因此對被測物的溫度分布影響很小，在鍋爐燃燒這種快速變化且不恒定的熱力過程中，溫度測量的精度更高。

1.2紅外測溫技術(shù)的發(fā)展動態(tài)

紅外測溫以熱力學(xué)第三定律為理論基礎(chǔ)，通過紅外光波本身具備的強溫度效應(yīng)來捕捉被測物體的輻射，并且運用紅外光波的基本定律，將這些輻射轉(zhuǎn)換為便于觀察與研究分析的數(shù)據(jù)。這種方法具有反應(yīng)速度快、測量溫度寬、監(jiān)視溫度場整體分布的優(yōu)點[6]，也具有成本高、抗干擾能力弱、無標準可依等缺點[7]。當前，應(yīng)用紅外手段進行溫度測量已成為測溫方法應(yīng)用領(lǐng)域的一個熱點，得到了有效的實踐。

1.3聲學(xué)測溫技術(shù)的發(fā)展動態(tài)

聲學(xué)測溫是當前鍋爐測溫手段中較為常用的一種非接觸式溫度測量技術(shù)。其主要原理是通過在爐膛兩側(cè)設(shè)置聲波發(fā)射器和接收器，在測量路徑已確定的情況下，已知聲速即可測得測量路徑上的平均速度，從而算出其平均溫度[8]。這種方法具有探測范圍大、性價比高以及可以將爐內(nèi)的溫度場信息實時可視化的優(yōu)點，但同時它也有易受強噪聲影響以及只能測量二維溫度場的缺陷。當前，聲學(xué)測溫法在國際上已經(jīng)得到了許多研究機構(gòu)和電力企業(yè)的關(guān)注，有著很大的發(fā)展前景[9]。

1.4兩者耦合的理論基礎(chǔ)及應(yīng)用性分析

通過分析紅外測溫和聲學(xué)測溫各自的優(yōu)缺點，得出兩者的優(yōu)勢可以互補的結(jié)論，具體分析如表1所示。

表1　爐內(nèi)溫度測量技術(shù)指標分析表

基于表1的對比和分析，鍋爐爐膛的聲學(xué)測溫技術(shù)和紅外CT測溫技術(shù)的耦合測溫技術(shù)在以下幾個方面是可行的。①在安裝性價比、測量過渡時間、測量溫度及空間范圍等方面,兩者可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，從而得出更加精確實時的爐膛溫度。②在測量中，兩者都要實現(xiàn)溫度場的建立。雖然紅外CT法難以實現(xiàn)三維溫度場的重建，但通過聲學(xué)法的重建可以彌補這一缺陷。③兩者測溫基理不同，紅外CT的電磁波和聲學(xué)的機械波互不干擾，可同時實現(xiàn)對溫度場的測量。

2紅外與聲學(xué)耦合測溫系統(tǒng)的構(gòu)建

依據(jù)我國火電廠現(xiàn)有的溫度場監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)架，構(gòu)建了如圖1所示的聲學(xué)與紅外耦合測溫的溫度場實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為數(shù)值收集、信號轉(zhuǎn)化、信號擬合、信號顯示四個部分。整個系統(tǒng)的工作路徑采用“2+1”的形式，即傳統(tǒng)的聲電、光電信號鏈條以及信號擬合、輸出路徑。其中Area-X 信號擬合器作為整個系統(tǒng)的核心部件，主要對聲、光信號引起的電信號進行擬合，并將壞值反饋至收集模塊進行調(diào)整。

圖1　聲學(xué)紅外耦合測溫系統(tǒng)示意圖

2.1系統(tǒng)數(shù)值收集模塊分析

數(shù)值收集模塊原理如圖2所示。其中，聲學(xué)探測器用來收集以聲學(xué)為基礎(chǔ)測量的爐膛溫度數(shù)據(jù)，紅外探測儀用來收集以光學(xué)為基礎(chǔ)測量的爐膛溫度的數(shù)據(jù)。將收集到的數(shù)據(jù)進行耦合，并送入下一個系統(tǒng)模塊。

圖2　耦合系統(tǒng)數(shù)值收集模塊原理圖

將通過紅外測溫的元件布置于爐膛的四角處，得到兩條測溫路徑；將通過聲學(xué)測溫的裝置布置于測量面每條線的中點位置，得到六條測溫路徑，如圖3所示。

圖3　測溫器布置與測溫路徑解析圖

2.2系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)化模塊分析

信號轉(zhuǎn)化模塊的電路分析如圖4所示。在圖4(a)所示聲電轉(zhuǎn)換等效電路中，聲學(xué)電路與電學(xué)電路需要通過一個耦合器進行連接，完成聲學(xué)與電學(xué)信號之間的相互轉(zhuǎn)化。在圖4(b)所示的光電轉(zhuǎn)化電路中，通過一系列傳感器和集成運算放大電路來實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)化，使信號收集模塊所收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺M而有利于在耦合系統(tǒng)中進行處理[10]。

圖4　信號轉(zhuǎn)化模塊的電路圖

2.3系統(tǒng)耦合模塊分析

2.3.1聲學(xué)測溫模塊分析

系統(tǒng)通過安裝在對稱爐墻面上的聲波發(fā)射器和接收器構(gòu)成的聲學(xué)裝置，進行有效的測溫；通過布置在爐內(nèi)的接收器，接收由發(fā)射器發(fā)出的信號并輸出。測量的每條路徑長度是確定的，通過以下測量溫度的公式，可以快速、有效地得出各條測量路徑上的平均溫度[11]。

(1)

單條路徑的溫度近似函數(shù)為：

T(lk)=Ak(lk)2+Bklk+Ck

(2)

式中:k為被測路徑編號,k∈(1,6)。

通過計算機仿真，采用線性插值方法重建二維溫度場，得到圖3測量點所在研究水平面的溫度分布關(guān)系函數(shù)式：

(3)

2.3.2紅外測溫模塊分析

考慮到鍋爐爐膛中復(fù)雜的燃燒條件，將紅外區(qū)的波段作為測量的光譜波段[12]。紅外測溫利用普朗克輻射定律的原理測量燃燒過程的溫度。在爐膛燃燒條件之下，普朗克公式可由維恩公式代替[13]：

(4)

式中：Eλ(T)為火焰輻射能；c1、c2為常數(shù)；λ為波長；

ε(λ,T)為輻射率。得到單點溫度函數(shù)如下：

(5)

基于平方反比法的基理，模擬出某一平面的溫度場，得出紅外測量點溫度之間的相關(guān)關(guān)系函數(shù)為[14]：

(6)

2.3.3測溫耦合函數(shù)Area-X的擬合

將爐膛內(nèi)側(cè)測溫區(qū)劃分為A、B區(qū)域，如圖5所示。

圖5　溫度測量區(qū)域分塊解析圖

依據(jù)前文得出的聲學(xué)測溫和紅外測溫的溫度關(guān)系式進行數(shù)學(xué)建模，擬合出在兩者共同測量的結(jié)果下，溫度場Area-X耦合函數(shù)：

(7)

(8)

式(8)所示的數(shù)學(xué)模型是指通過將聲學(xué)測溫法和紅外測溫法進行耦合計算測量點的溫度模型，同時該模型對于測量點的定義有一定區(qū)別。

當溫度測量點位于area-B時，其測溫特征是：由于紅外不能測量爐膛中心的溫度，所以溫度表達式聲學(xué)所占計算擬合系數(shù)的比例更大。當溫度測量點位于area-A時，其測溫特征是：由于紅外所測精度更高，所以溫度表達式中紅外所占計算擬合系數(shù)的比例更大。

2.4系統(tǒng)顯示輸出模塊分析

將聲學(xué)測溫和紅外測溫耦合的測溫系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)進行收集、轉(zhuǎn)化、擬合，接入計算機后輸入電廠爐膛溫度監(jiān)測系統(tǒng)，從而實時監(jiān)測爐膛的溫度分布[15]。

3耦合系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

對于測量結(jié)果而言，該耦合系統(tǒng)可以提高測量精度。由于該系統(tǒng)的布置旨在對不同爐膛區(qū)域采取不同的耦合系數(shù)，即聲學(xué)測量和紅外測量所占測溫數(shù)據(jù)的百分比不同，因此能更精確地實現(xiàn)鍋爐爐膛溫度場的監(jiān)測。對于不同的測量范圍，本文提出的耦合系統(tǒng)可以對整個爐膛區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全方位立體化的監(jiān)測；所擬合的相關(guān)函數(shù)關(guān)系式是基于聲學(xué)和紅外獨立測量所采用的溫度函數(shù)關(guān)系得到的，更能適應(yīng)爐膛各處不同溫度區(qū)域的溫度計算。相比單一構(gòu)建聲學(xué)或者紅外的監(jiān)測系統(tǒng)，該耦合系統(tǒng)既可以實現(xiàn)溫度場的實時監(jiān)測，同時又節(jié)省了一部分設(shè)備安裝和后續(xù)維護所需的經(jīng)費。

4結(jié)束語

在鍋爐燃燒過程中，溫度在線監(jiān)測技術(shù)的有效利用直接關(guān)系到鍋爐燃燒效率，以及燃燒過程中釋放污染物的成分和含量的多少。測量溫度場的精確度，將對研究、預(yù)測和診斷鍋爐燃燒狀態(tài)產(chǎn)生影響。本文探討了將聲學(xué)和紅外的測溫原理方程進行有效結(jié)合的技術(shù)發(fā)展情況，分析總結(jié)兩者在測溫方面的耦合優(yōu)勢，通過減小誤差實現(xiàn)對鍋爐爐膛溫度場的實時監(jiān)控顯示。

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Study on the Coupling Temperature Measurement System Based on Acoustic and Infrared Methods for Boiler Furnace

Abstract：At present, the temperature field monitoring system, which is constructed by combining acoustic temperature measurement method and infrared temperature measurement method, cannot reach the expected requirement of accuracy for the project. Therefore, through researching the basic theories of acoustic and infrared temperature measurement, the Area-X coupling function is obtained by using mathematical modeling method, and the acoustic/infrared coupling temperature measurement and monitoring system is constructed, the system consists of data collection, signal conversion, and signal fitting modules, etc. The constructed temperature field detection system organically combines the advantages of acoustic temperature measurement and infrared temperature measurement, and further improves the degree of precision of real-time on-line measurement and control for temperature field of boiler furnace.

Keywords:Temperature measurement technologyInfrared temperature measurementAcoustic temperature measurementFunction modeling

中圖分類號：TH-3;TP27

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606008

山西省科技攻關(guān)基金資助項目(編號：20140321022-02);

朔州市科技攻關(guān)基金資助項目(編號：2013-33-38)；

朔州市科技攻關(guān)基金資助項目(編號：2013-33-40)。

修改稿收到日期：2016-04-13。

第一作者渠曉軍(1993-)，男，現(xiàn)為中北大學(xué)能源與動力工程專業(yè)在讀本科生；主要從事能源與動力方向的研究。