聲學(xué)測溫技術(shù)在電站鍋爐中的應(yīng)用研究

李志勇，沈國清

(1.元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024070；2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

聲學(xué)測溫技術(shù)在電站鍋爐中的應(yīng)用研究

李志勇1，沈國清2

(1.元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024070；2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

為了實(shí)現(xiàn)爐膛溫度場實(shí)時在線監(jiān)測，首次在國內(nèi)某電廠600 MW機(jī)組鍋爐上進(jìn)行了多路徑聲學(xué)測溫系統(tǒng)的安裝調(diào)試。結(jié)果表明：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)條件下爐膛強(qiáng)混響影響，準(zhǔn)確得出聲波飛渡時延估計值；驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；聲學(xué)測溫系統(tǒng)將電站鍋爐的燃燒情況可視化，有助于確保鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

聲學(xué)測溫；鍋爐；溫度場；相位變換；互相關(guān)算法

0 引言

電站鍋爐的燃燒狀態(tài)對鍋爐的安全運(yùn)行、優(yōu)化燃燒以及節(jié)約能耗等具有重要意義。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準(zhǔn)確測量爐膛高溫區(qū)域的溫度場信息?，F(xiàn)場常用的火焰電視可以直接觀察噴嘴的著火情況，但僅提供了定性信息(火焰有無、火色信息)，沒有定量信息(溫度情況)。爐膛煙溫探針僅能在啟動過程中監(jiān)視爐膛出口煙溫，防止過熱器干燒，并在超過一定溫度時自動退出，不能進(jìn)行全負(fù)荷工況監(jiān)視，且容易損壞。

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(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐燃燒的實(shí)時在線監(jiān)測。國內(nèi)外學(xué)者針對該項技術(shù)進(jìn)行了大量的理論論證和試驗研究，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。下面介紹在楊祥良等學(xué)者提出的單路徑聲學(xué)高溫計試驗成功的基礎(chǔ)上，首次在國內(nèi)某配備風(fēng)扇磨煤機(jī)的600 MW機(jī)組直流鍋爐上安裝多路徑聲學(xué)測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)試驗調(diào)試，積累了大量的測量數(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，聲學(xué)測溫所需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，如圖1所示。聲波發(fā)射器發(fā)出一個聲波脈沖，被聲波接收器檢測到，由于2者之間的距離是已知并且是固定的，故可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)系為

式中：ν是聲波在介質(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

2 系統(tǒng)簡介

國內(nèi)某600 MW機(jī)組大修時，在其鍋爐上進(jìn)行多路徑聲學(xué)測溫系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。該機(jī)組鍋爐是從原聯(lián)邦德國引進(jìn)的，額定蒸發(fā)量1 832 t/h,過熱蒸汽壓力18.6?MPa，過熱蒸汽溫度545?℃，此次試驗在水冷壁上開孔。根據(jù)鍋爐布置總圖，結(jié)合現(xiàn)場考察，確定測點(diǎn)的安裝高度為折焰角下方，電梯8.5層。前期進(jìn)行了水冷壁切割、彎管、開孔等工作，左、右、前、后墻各3個測點(diǎn)，一共12個測點(diǎn)，24條測溫路徑。圖2為聲學(xué)測溫系統(tǒng)安裝示意，其中黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示聲源端，白色空心圓點(diǎn)表示接收端。從就地測點(diǎn)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

聲學(xué)測溫系統(tǒng)的就地測點(diǎn)主要由聲波發(fā)生器、聲波接收傳感器、聲波導(dǎo)管、定期吹掃裝置等部分組成。

系統(tǒng)軟件分為參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、TOF(Time?Of?Flight，聲波飛渡時間)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(yùn)行時只需直接觀看爐膛溫度場顯示畫面即可。圖3為軟件模塊示意。

圖3 軟件模塊示意

3 冷態(tài)調(diào)試

在冷態(tài)條件下，測量24條聲學(xué)路徑上的聲波飛渡時間，對24條聲學(xué)路徑的長度進(jìn)行標(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2通道的信號模型為

式中：s(n)為信號；n1(n)和n2(n)為噪聲；D為2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2信號之間的時間延遲，Ψ12為頻域處理的加權(quán)函數(shù)，Ψ12=1/|Gx1x2(f)|；F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(diǎn)數(shù)等參數(shù)，在爐膛里測得當(dāng)?shù)芈曀佴?350?m/s，爐膛冷態(tài)溫度T=296?K，測量標(biāo)定出冷態(tài)下24條路徑上TOF值及路徑長度(見表1)，為熱態(tài)調(diào)試做好準(zhǔn)備。

表1 冷態(tài)下24條路徑上TOF值及路徑長度

4 熱態(tài)調(diào)試和運(yùn)行

鍋爐啟動后，聲學(xué)測溫系統(tǒng)運(yùn)行良好。24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(yùn)行人員及時了解爐膛的燃燒情況提供了有效工具。

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

圖4 爐膛截面布置

為了方便表示，令溫度函數(shù)

引進(jìn)線性算子Ri，當(dāng)它應(yīng)用于溫度函數(shù)f(x，y)時有Rif(x，y)，代表f(x，y)沿第i條射線路徑的線積分，即聲波傳播時間τi，則

式(6)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1個周期的聲波收發(fā)測量過程，便得到1個線性方程組

式中：n為重建區(qū)域劃分的像素總數(shù)，共計12個；m為穿過條射線溫度場截面的聲波測量路徑總數(shù)，共計13條；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(7)用矩陣表示為

然后對該連續(xù)算子方程的逆問題求解，利用Tikhonov正則化方法重建后的溫度場及鍋爐截面的溫度場等溫線如圖5所示，燃燒強(qiáng)度如圖6所示。

圖5 鍋爐截面的溫度場等溫線

圖6 溫度場燃燒強(qiáng)度顯示

5 結(jié)論

由圖6可以看到，該時刻鍋爐燃燒不穩(wěn)定，爐膛中央出現(xiàn)3個明顯峰值，前墻處出現(xiàn)偏燒。

根據(jù)系統(tǒng)重建的溫度場數(shù)據(jù)，聲學(xué)測溫系統(tǒng)為系統(tǒng)監(jiān)控鍋爐燃燒提供了可視化圖像，可以準(zhǔn)確判斷該截面上的火焰中心位置，有助于運(yùn)行人員實(shí)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(yùn)行。

(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600?MW機(jī)組鍋爐上安裝和調(diào)試，并取得成功。通過試驗獲得大量寶貴數(shù)據(jù)，為今后在大型機(jī)組鍋爐上的投運(yùn)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)確得出大空間下聲波飛渡時延估計值。

(3)?12個測點(diǎn)形成的24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，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(yùn)行、優(yōu)化燃燒、節(jié)約能耗等具有重要意義。

1?韓曙東，周懷春，盛??鋒，等．基于具有明顯測量誤差的輻射圖像的二維爐膛溫度分布重建和快速特征識別研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2000，20(9)：67-71.

2?BRAMANTI?M，SALERNO?E?A，TONAZZINI?A，et?al．An?acoustic?pyrometer?system?for?tomographic?thermal?imaging?in?power?plant?boilers[J]．IEEE?Transactions?on?Instrument?&?Measurement，1996，45(1)：159-161.

3?沈國清，安連鎖，姜根山，等．電站鍋爐聲學(xué)測溫中時間延遲估計的仿真研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(11)：57-61.

4?LU?J，WAKAI?K，TAKAHASHI?S，et?al.?Acoustic?computer?tomographic?pyrometry?for?twodimensional?measurement?of?gases?taking?into? account?the?effect?of?refraction?of?sound?wave?paths[J]．Combustion?Science?and?Technology，2000，11(6)：692-697.

5?YOUNG?K?J，IRELAND?S?N，MELENDEZCERVATES?M?C，et?al．On?the?systematic?error?associated?with?the?measurement?of?temperature?using?acoustic?pyrometry?in?combustion?products?of?unknown?mixture[J]．Combustion?Science?and?Technology，1998，9(1)：1-5.

6?田??豐，孫小平，邵富群，等．基于高斯函數(shù)與正則化??法的復(fù)雜溫度場圖像重建算法研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)??報，2004，24(5)：212-215.

7?張曉東，高??波，宋之平．互相關(guān)函數(shù)法在聲學(xué)測溫技??術(shù)中的應(yīng)用研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23(4)：??185-188.

8?安連鎖，宋志強(qiáng)，姜根山，等．考慮聲波折射的聲學(xué)鍋??爐溫度場測量技術(shù)的研究[J]．動力工程，2005，25(3)：??378-381.

9?楊祥良，安連鎖，沈國清，等．單路徑聲學(xué)高溫計實(shí)時??監(jiān)測鍋爐爐膛煙溫的試驗研究[J]．動力工程，2009，29??(4)：379-383.

10?汪裕杰．爐膛火焰工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)的改造[J]．電力安全技術(shù)，2011，13(1)：40-42.

2017年1—2月電力工業(yè)運(yùn)行簡況

1—2月，全國電力供需總體寬松。全社會用電量增速同比提高，第二產(chǎn)業(yè)用電保持較快增長；工業(yè)和制造業(yè)用電量累計增速同比提高；黑色和有色金屬冶煉行業(yè)用電快速增長，帶動四大高載能行業(yè)用電增速同比提高；發(fā)電量增速同比提高，水電發(fā)電量同比下降；除水電外，其他類型設(shè)備平均利用小時同比增加；全國跨區(qū)、跨省送出電量同比增加；新增發(fā)電生產(chǎn)能力同比減少，水電和風(fēng)電新增能力同比增加。

（來源:中國電力企業(yè)聯(lián)合會網(wǎng)站?2017-03-17）

2016-11-04。

李志勇(1974—)，男，高級工程師，主要從事電廠熱工檢修管理及電廠熱工檢測及控制原理研究工作，email：cfflzyg0883@163. com。

沈國清(1980—)，男，副教授，主要從事能源動力與機(jī)械工程教學(xué)及電站鍋爐聲學(xué)測量研究工作。