基于單路徑聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)的試驗(yàn)與研究

何曉亮

(赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所,內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰024000)

基于單路徑聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)的試驗(yàn)與研究

何曉亮

(赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所,內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰024000)

利用單路徑聲學(xué)測(cè)量技術(shù),對(duì)鍋爐爐內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。研發(fā)了適用電站鍋爐的聲波高溫計(jì),經(jīng)冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)后,已運(yùn)行于某型300 MW機(jī)組。通過長(zhǎng)期運(yùn)行,驗(yàn)證了測(cè)溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。作為非接觸式測(cè)量系統(tǒng),可不受外部條件的影響,適應(yīng)于各種高溫和多塵的惡劣工況,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線測(cè)量。

鍋爐;溫度;測(cè)量;單路徑聲學(xué);計(jì)量;研發(fā);試驗(yàn)

0 概 述

在燃煤機(jī)組中,鍋爐的爐膛溫度是機(jī)組運(yùn)行時(shí)非常重要的參數(shù)。爐膛的溫度表征了燃燒過程,也反映了燃燒設(shè)備的運(yùn)行工況。測(cè)控爐溫,可為機(jī)組的運(yùn)行提供操作依據(jù)。如果燃燒工況不合理,將造成鍋爐的燃燒不均勻、火焰中心偏斜、火焰刷墻,可能會(huì)導(dǎo)致爐膛結(jié)焦、爐膛爆炸等事故。在鍋爐燃燒過程中,爐膛內(nèi)的流場(chǎng)具有瞬態(tài)變化、隨機(jī)湍流等特征。因此,給爐膛溫度的在線測(cè)量帶來困難。

1 聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)原理

爐內(nèi)溫度場(chǎng)的測(cè)量,對(duì)于鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的診斷和控制具有重要意義。目前,國(guó)內(nèi)無法直接測(cè)量爐膛溫度場(chǎng)、爐膛出口煙氣溫度和對(duì)流受熱面高溫段的煙氣溫度。應(yīng)用聲學(xué)測(cè)溫技術(shù),作為非接觸式溫度測(cè)量技術(shù),不受外部條件的影響,適應(yīng)各種高溫、腐蝕、多塵等惡劣工況,可實(shí)時(shí)在線測(cè)量所需測(cè)點(diǎn)處的溫度。

聲學(xué)測(cè)溫的原理,是基于聲波的傳播速度直接隨介質(zhì)溫度而變化。由熱力學(xué)中氣體方程和聲學(xué)中的聲波波動(dòng)方程,可得聲波傳播速度和介質(zhì)溫度的關(guān)系式:

式(1)中,C—聲音在介質(zhì)中的傳播速度;R—?dú)怏w常數(shù);k—?dú)怏w的絕熱指數(shù);M—?dú)怏w分子量;T—?dú)怏w溫度。

由此計(jì)算方程,在己知聲波傳播速度的條件下,可方便地獲得介質(zhì)的溫度。聲學(xué)測(cè)溫的原理,如圖1所示。

圖1 聲學(xué)測(cè)溫的原理圖

2 測(cè)量系統(tǒng)的組成

單路徑聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)由聲波發(fā)生器、聲波接收傳感器、聲波導(dǎo)管、信號(hào)輸入/輸出裝置、信號(hào)調(diào)理器、接線盒、主機(jī)等部分組成。測(cè)溫系統(tǒng)的布置,如圖2所示。

圖2 單路徑聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)的布置

電站鍋爐具有較大空間,運(yùn)行時(shí)的噪聲較強(qiáng)。為了滿足聲學(xué)測(cè)量環(huán)境的要求,將測(cè)量系統(tǒng)的聲信號(hào)頻率定為1.5~10 k Hz,聲壓級(jí)在126 d B以上。選用電動(dòng)式聲源,聲波導(dǎo)管采用了強(qiáng)指向性的錐形號(hào)筒。

3 單路徑聲學(xué)高溫計(jì)的試驗(yàn)和研究

單路徑聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng),已安裝在國(guó)內(nèi)某電廠2號(hào)鍋爐,隨后進(jìn)行了調(diào)試。安裝時(shí),利用左墻和右墻上原有的觀火孔,不用在水冷壁上打新孔。測(cè)量爐膛出口煙氣溫度的2個(gè)觀火孔,在屏式過熱器的下方。

3.1 冷態(tài)調(diào)試

測(cè)溫系統(tǒng)安裝后,首先進(jìn)行了冷態(tài)調(diào)試。爐膛的內(nèi)部寬度為14 m,加上爐墻壁厚和法蘭接管長(zhǎng)度,實(shí)際測(cè)量路徑的長(zhǎng)度為14.9 m。經(jīng)運(yùn)行,測(cè)溫器的狀態(tài)較為穩(wěn)定,白晝的測(cè)量溫度約為25℃,夜間的測(cè)量溫度約為17℃,與便攜式溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果相一致。

3.2 熱態(tài)試驗(yàn)

熱態(tài)試驗(yàn)時(shí),聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)的運(yùn)行遇到一些干擾,如爐內(nèi)燃燒時(shí)發(fā)出的噪聲、爐膛動(dòng)力場(chǎng)對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的影響,還有積灰嚴(yán)重等問題。經(jīng)研究后,完善了聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)。通過數(shù)月試運(yùn)行,該聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)保持了良好的工作狀態(tài),沒有再出現(xiàn)其它問題和故障。測(cè)溫系統(tǒng)每間隔5 s,保存1個(gè)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),每小時(shí)約有720個(gè)溫度數(shù)據(jù)。圖3是某小時(shí)內(nèi)的測(cè)溫曲線圖。由圖3可知,鍋爐熱態(tài)運(yùn)行時(shí),該時(shí)間段的測(cè)溫結(jié)果約為1 050℃,有1個(gè)溫度數(shù)據(jù)為負(fù)值,明顯是瞬態(tài)跳躍值,應(yīng)剔除。

圖3 某小時(shí)內(nèi)的測(cè)溫曲線

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 熱電偶測(cè)溫與聲學(xué)測(cè)溫的比較

在6小時(shí)的熱電偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,測(cè)得爐膛中部的平均溫度為1 050~1 100℃。用聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng),每小時(shí)測(cè)得的平均溫度分別為1 013.4℃、1 041.7℃、1 011℃、1 000.8℃、992.3℃、1 010.9℃,比熱電偶的測(cè)量結(jié)果約低50~80℃。這個(gè)測(cè)量結(jié)果與預(yù)期值相一致,因?yàn)樗浔诘奈鼰崃枯^大,水冷壁附近的溫度僅為200~800℃。聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得的溫度,是整條路徑上的平均溫度,所以,聲學(xué)測(cè)溫的數(shù)據(jù)比爐膛中心溫度約低70℃。測(cè)得的溫度曲線,如圖4所示。受被測(cè)兩端低溫區(qū)域的影響,聲學(xué)測(cè)溫和熱電偶測(cè)溫的相對(duì)誤差,約在2%之內(nèi)。

圖4 整條路徑上溫度的分布情況

4.2 爐膛溫度與負(fù)荷及主蒸汽流量的關(guān)系

為了便于研究,選取了機(jī)組負(fù)荷變化較大的時(shí)段,觀察聲學(xué)測(cè)溫結(jié)果與機(jī)組負(fù)荷之間的規(guī)律。在此時(shí)段,機(jī)組負(fù)荷從285.975 MW變化至147.276 MW,負(fù)荷的波動(dòng)較大。為了便于統(tǒng)計(jì),將每小時(shí)內(nèi)所測(cè)的爐膛溫度、機(jī)組負(fù)荷、主蒸汽流量等數(shù)據(jù)取平均值,運(yùn)行15小時(shí)后,共得到15組數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 爐膛溫度與機(jī)組負(fù)荷及主蒸汽流量的平均數(shù)據(jù)(15h)

根據(jù)表1的數(shù)據(jù),繪制出的曲線,如圖5所示。從圖5可知,當(dāng)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí),聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)得的爐膛溫度為1 090℃,當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)得的爐膛溫度為970℃,且測(cè)得的爐膛溫度曲線和負(fù)荷曲線相當(dāng)吻合。

圖5 某時(shí)段內(nèi)所測(cè)運(yùn)行參數(shù)的波動(dòng)曲線

5 結(jié) 語

目前,電站鍋爐采用的爐膛煙溫探針的測(cè)溫范圍較小,僅為了防止鍋爐點(diǎn)火時(shí)的超溫才啟用,當(dāng)爐溫超過500℃后,自動(dòng)退出,平時(shí)不啟用。爐膛煙溫探針的體積較大,長(zhǎng)度達(dá)6 m,采用傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)構(gòu)伸出和回縮。聲學(xué)高溫計(jì)的體積小,投資少,可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)爐膛的煙氣溫度,并可根據(jù)需求安裝在不同位置。聲學(xué)測(cè)溫的技術(shù)優(yōu)勢(shì),展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

[1]邵富群,吳建云.聲學(xué)法復(fù)雜溫度場(chǎng)的重組測(cè)量[J].控制與決策, 1999.14(2):120-124.

[2]馮俊凱,沈幼庭.鍋爐原理及計(jì)算[M].北京:科技出版社.1992.

Test and Study on Temperature Measurement System Based on the Single Path Acoustic Measurement

HE Xiao-liang
(Chifeng Special Equipment Quality Safe Inspection Institute,Chifeng 024000,Inner Mongolia,China)

In this paper,the method of measuring the temperature field in the boiler by using the single path acoustic measurement technique is presented.After cold and hot test,a suitable acoustic pyrometer in the power plant boiler of was installed on a 300 MW boiler in a power plant.Stability and reliability of the temperature measurement system have been proved by long period operation.As a non-contact measurement system,which can not be affected by external conditions,and adapt to variety harsh environment for high temperature,to achieve real-time online measurement.

boiler;temperature;single path;acoustic;measurement;study;test

TK284.9

A

1672-0210(2017)02-0045-03

2016-08-29

何曉亮(1980-),碩士研究生,工程師,就職于赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所,從事壓力容器的安全性能檢驗(yàn)和鍋爐能效測(cè)試等工作。