基于聲波速度測量的鍋爐爐膛溫度監(jiān)測

張建立　楊棟

摘要：介紹了利用聲波測量鍋爐爐膛溫度、建立全截面溫度場的原理及實施方法，經(jīng)試驗驗證，基于互相關(guān)函數(shù)法能較好地測量聲波飛渡時間，并且試驗數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，將溫度場作燃燒可視化成像處理，直觀監(jiān)控鍋爐爐膛燃燒狀況，確定了利用聲波測量鍋爐爐膛內(nèi)溫度技術(shù)的可行性。

關(guān)鍵詞：聲波測溫;互相關(guān)函數(shù);聲波飛渡時間;燃燒可視化

中圖分類號：TK311 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號：1671-0797（2022）02-0057-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.016

1 ? ?系統(tǒng)概述

目前為止，鍋爐爐膛中燃燒的火焰情況對于運(yùn)行人員仍然是“黑匣子”一樣的存在。當(dāng)爐膛中的燃料在燃燒過程中出現(xiàn)火焰中心偏斜、火焰刷墻等現(xiàn)象，偏離優(yōu)化燃燒工況時，依靠現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)（包括定性監(jiān)測的火焰監(jiān)視器、有限的爐膛出口煙溫測點、過熱器/再熱器壁溫測點及其他鍋爐運(yùn)行參數(shù)等）并不能有效識別，無法采取相應(yīng)的燃燒調(diào)整和控制措施克服，易導(dǎo)致水冷壁結(jié)焦、爆管，過熱器超溫、爆管等降低鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的故障和事故[1]。

本系統(tǒng)是一種全新的測量系統(tǒng)，能夠提供以前從未測量過的參數(shù)——爐膛燃燒時的溫度分布，可對鍋爐燃燒狀態(tài)進(jìn)行定量、可視化、實時在線的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)不良的燃燒工況，通過對一/二次風(fēng)量的配比調(diào)節(jié)、燃燒器的組合調(diào)整等措施，消除燃燒調(diào)節(jié)不合理導(dǎo)致的不良燃燒狀態(tài)，實現(xiàn)平衡及優(yōu)化燃燒，減少燃料量的投放，降低NOx及飛灰等的排放，延長機(jī)組使用壽命，從而達(dá)到節(jié)能降耗，減少污染物排放，提高鍋爐運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)性的目的。

2 ? ?聲波測溫原理及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 ? ?聲波測溫原理

（1）單路徑平均溫度測量：聲波在氣體中傳播速度的二次方與其傳輸路徑的氣體溫度成正比。

聲波測溫系統(tǒng)基于介質(zhì)中的聲音傳播速度與介質(zhì)溫度的相關(guān)公式，通過精確測量聲波從發(fā)射到遠(yuǎn)處接收的時間差以及發(fā)射點和接收點之間的距離，就可以得到這兩點之間介質(zhì)的平均溫度。準(zhǔn)確和穩(wěn)定測量聲波飛渡時間是確保測量精確度和測量魯棒性（穩(wěn)定性）的關(guān)鍵。

（2）多路徑平均溫度測量：在裝設(shè)一定數(shù)量的發(fā)射器和接收器后就可得到多路徑溫度，通過重構(gòu)算法就可得到區(qū)域平均溫度。

（3）溫度場重建：根據(jù)24條聲波路徑溫度，采用基于高斯函數(shù)與正則化法的溫度場重建算法及層析成像技術(shù)，實現(xiàn)在較少溫度投影條件下的溫度場重建，并在顯示器上實時在線顯示溫度分布狀態(tài)和其他相關(guān)信息。

2.2 ? ?系統(tǒng)硬件

本系統(tǒng)由8套聲波發(fā)射/接收傳感組件、8套前置放大裝置、1個過程控制單元、1個中央控制單元組成。8套聲波發(fā)射/接收傳感組件安裝于鍋爐四壁的同一平面上，不同側(cè)的2個傳感器之間共形成24條聲波路徑，提供給中央控制單元進(jìn)行溫度場運(yùn)算和顯示。聲波測溫系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示，核心硬件主要有：

（1）發(fā)聲系統(tǒng)。這部分由文丘里管、波導(dǎo)管、波導(dǎo)管延伸及相應(yīng)附件組成。文丘里管通過壓縮空氣發(fā)出強(qiáng)度為126 dB、特定帶寬的白噪聲，經(jīng)波導(dǎo)管耦合放大后送入爐膛作為本系統(tǒng)的聲波信號源。

（2）聲波傳感器。這部分采用由特殊腔體結(jié)構(gòu)以及聲學(xué)振子、特制的壓電陶瓷堆制成的微音傳感器。聲波傳感器工作溫度范圍-20～400 ℃，動態(tài)響應(yīng)范圍≥100 kHz。

（3）前置放大器。對于發(fā)聲端和接收端傳感器接收到的聲波信號，都能使其輸出形式由電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并具有信號放大功能，然后傳送至過程控制單元進(jìn)行處理。

（4）過程控制單元。這部分由電源轉(zhuǎn)換電路、信號預(yù)處理電路、發(fā)聲控制電路、中央處理電路組成，作用如下：一是對聲波傳感器采集的聲波信號同時進(jìn)行放大、衰減和帶通濾波處理;二是可設(shè)置聲波路徑對應(yīng)關(guān)系，按照配置好的聲波路徑對應(yīng)關(guān)系依次控制發(fā)聲裝置進(jìn)行發(fā)聲，同步采集發(fā)聲端和接收端聲波傳感器采集到的聲波信號，進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，計算路徑平均溫度，發(fā)送給中央控制單元進(jìn)行溫度場重建運(yùn)算和成像顯示。

（5）中央處理單元。這部分由專業(yè)工業(yè)計算機(jī)和FTMS-2018溫度場軟件組成，作用如下：接收過程控制單元路徑溫度，進(jìn)行溫度場重建并計算區(qū)域均溫等，將溫度場數(shù)據(jù)發(fā)送給DCS進(jìn)行顯示和燃燒優(yōu)化調(diào)整。

2.3 ? ?系統(tǒng)軟件

FTMS軟件功能簡介：根據(jù)路徑溫度，通過FTMS軟件重建二維溫度場，實時顯示爐膛內(nèi)溫度分布圖，記錄和回放歷史溫度分布變化。具體包括溫度分布等溫線圖、溫度分布區(qū)域均溫、路徑溫度、路徑或區(qū)域溫度趨勢圖、溫度統(tǒng)計分析、爐管泄漏信息監(jiān)測等。

軟件模塊如下：

（1）等溫線顯示。實時顯示爐膛平面溫度場分布情況及等溫線，直觀展示燃燒情況。等溫線間隔/條數(shù)可任意設(shè)置，可顯示實時溫度分布和回放歷史溫度分布，還可顯示平面任一點溫度值。

（2）區(qū)域均溫。計算并顯示用戶自定義矩形區(qū)域平均溫度，并將計算的區(qū)域均溫發(fā)送給DCS。最多可設(shè)置24個區(qū)域，區(qū)域設(shè)定靈活。

（3）路徑溫度。顯示當(dāng)前接收到的路徑平均溫度值，用于判斷傳感器工作狀態(tài)。

（4）溫度趨勢。記錄并顯示所有路徑或區(qū)域溫度趨勢曲線。實時顯示當(dāng)天選定的8塊區(qū)域或8條路徑溫度趨勢曲線，回放顯示選定日期的8塊區(qū)域或8條路徑溫度趨勢曲線。

（5）溫度統(tǒng)計?？梢匀我庠O(shè)定時間間隔，統(tǒng)計區(qū)域或路徑溫度的平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、變化率、超溫累計時間等信息。實時顯示當(dāng)天的統(tǒng)計信息，顯示選定時間段的統(tǒng)計信息。

（6）爐管泄漏信息監(jiān)測。通過接收傳感器對爐內(nèi)噪聲的監(jiān)測，識別非正常背景噪聲，繪制噪聲曲線，判斷爐內(nèi)是否有泄漏發(fā)生。實時顯示當(dāng)天選定的傳感器監(jiān)測噪聲曲線，回放顯示選定日期的傳感器監(jiān)測噪聲曲線。

聲波測溫系統(tǒng)信號處理計算機(jī)自帶顯示器，可顯示以下畫面：各條路徑平均溫度值、爐膛斷面16個區(qū)域溫度值、爐膛等溫斷面溫度2D彩色圖像。

聲波測溫系統(tǒng)除了在信號處理計算機(jī)上顯示以上畫面外，同時可以通過4～20 mA信號將爐膛斷面的多個區(qū)域溫度信號傳輸?shù)紻CS，并在其操作員站上顯示。

2.4 ? ?配置及實施方案

在爐膛出口、屏式過熱器下的2 m左右高度（精確尺寸待用戶提供鍋爐圖紙最終確定），測量爐膛出口斷面溫度分布。系統(tǒng)能從鍋爐啟動開始，全負(fù)荷范圍內(nèi)監(jiān)控鍋爐爐膛出口煙氣溫度場。啟動階段可以控制屏過前煙溫不要升得太快，防止干燒而損壞再熱器，同時，通過觀察溫度場穩(wěn)定性確認(rèn)是否存在啟動初期風(fēng)量太大，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)而潛在滅火的可能性。正常運(yùn)行特別是煤質(zhì)變化時控制火焰高度，保證爐膛出口溫度在設(shè)計要求范圍內(nèi)，確保燃燒經(jīng)濟(jì)性，滿足運(yùn)行優(yōu)化、節(jié)能減排要求;同時監(jiān)視火焰偏斜情況，以免導(dǎo)致一側(cè)火冷壁結(jié)焦。

聲波測溫系統(tǒng)配置不少于2個聲波發(fā)生器ASG、不少于8個聲波接收器ASR（圖2）和1臺信號處理計算機(jī)SPCW，測得爐膛斷面16個區(qū)域的溫度值（圖3），運(yùn)行人員可清晰地觀察斷面溫度值分布。另外，還可以通過VGA視頻延長器，將彩色圖像接到操作員站或大屏幕上，以便隨時觀測溫度情況。

3 ? ?聲波測溫系統(tǒng)的作用及經(jīng)濟(jì)效益

3.1 ? ?系統(tǒng)的重要作用

（1）監(jiān)控爐膛出口溫度。防止?fàn)t膛出口溫度過高導(dǎo)致過熱器結(jié)焦和管壁超溫;防止啟動時爐膛出口溫度升高太快燒壞尚無蒸汽流過的再熱器管（干燒）;監(jiān)控爐膛出口溫度，判別水冷壁吸熱情況，實現(xiàn)優(yōu)化吹灰控制;控制不同負(fù)荷下的爐膛出口溫度，合理分配輻射熱和對流熱的比例，減少過熱器和再熱器的噴水量，提高回?zé)嵝蔥例如對于300 MW機(jī)組，再熱器噴水每減少10 t/h，煤耗降低約1.91 g/（kW·h）]。

（2）矯正燃燒不均衡。及時發(fā)現(xiàn)和矯正兩側(cè)煙溫、汽溫的偏差;防止煙氣偏向一側(cè)，導(dǎo)致該側(cè)水冷壁磨損、結(jié)焦;防止局部過熱而流渣。

（3）提高燃燒效率。優(yōu)化風(fēng)/粉比，將過量空氣系數(shù)降低至合理范圍內(nèi);均衡各側(cè)（角）燃燒器的風(fēng)量分配;控制火焰中心高度，使煤粉在爐膛內(nèi)充分燃盡，確保合理的熱量分配;為優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)提供更直接的判據(jù)，使優(yōu)化系統(tǒng)更具可操作性。

（4）降低污染物排放。防止出現(xiàn)局部火焰過熱，降低NOx生成（當(dāng)局部火焰溫度達(dá)到1 482 ℃時，NOx生成將呈指數(shù)級增加）;對于配置有脫硝裝置的鍋爐，由于煙氣中NOx含量降低，可大大降低脫硝裝置的運(yùn)行費(fèi)用。

（5）保障鍋爐安全運(yùn)行?？杀苊馊紵r組織不合理造成的火焰中心偏斜、火焰刷墻等情況，以免發(fā)生爐膛結(jié)焦、滅火、爆炸以及爆管等運(yùn)行事故。

3.2 ? ?經(jīng)濟(jì)效益

本系統(tǒng)投運(yùn)后，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得到提高，預(yù)計鍋爐燃燒效率提高至少0.1%，水冷壁及過熱器壁溫不均勻度下降20%;大幅減少甚至避免了鍋爐受熱面超溫及高溫腐蝕等問題，降低了受熱面超溫或高溫腐蝕引起的爆管等不安全事件的發(fā)生率，大大提高了鍋爐運(yùn)行可靠性;同時可延長檢修周期而帶來效益，鍋爐本體平均檢修周期預(yù)計延長半年以上。

3.3 ? ?社會效益

該技術(shù)是計算機(jī)、聲學(xué)、信息處理技術(shù)、圖像處理技術(shù)相結(jié)合的綜合產(chǎn)物，其應(yīng)用必將有力推動我國鍋爐安全監(jiān)測與節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展，使技術(shù)迅速變?yōu)樯a(chǎn)力，并帶動相關(guān)學(xué)科人才的培養(yǎng)和發(fā)展，因而具有重要的社會效益。

3.4 ? ?環(huán)境效益

本項目在鍋爐燃燒優(yōu)化控制、安全運(yùn)行、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、尋求最優(yōu)燃燒方式及最優(yōu)控制策略、減少環(huán)境污染等方面都具有重要意義。

4 ? ?結(jié)語

綜上所述，聲波測溫系統(tǒng)已在國內(nèi)眾多電廠進(jìn)行了與溫度探針的實際對比驗證，實踐表明，偏差在7～14 ℃范圍內(nèi)，其完全可以取代溫度探針。通過監(jiān)控爐膛出口溫度，判別水冷壁吸熱情況及局部火焰過熱、爐膛出口火焰偏斜情況，進(jìn)行燃燒效果評價。同時，可取代只能在啟動時使用的溫度探針，從啟動開始，全過程監(jiān)控鍋爐爐膛出口煙溫，確保鍋爐燃燒安全，實現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化、節(jié)能減排。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳欽，楊權(quán)，舒茂龍.1 000 MW超超臨界鍋爐聲波測溫技術(shù)的特點及應(yīng)用[J].華電技術(shù)，2011，33（3）：5-7.

收稿日期：2021-10-21

作者簡介：張建立（1987—），男，山東煙臺人，碩士研究生，工程師，從事電力生產(chǎn)工作。