聲波在線測(cè)溫系統(tǒng)在神頭電廠500MW機(jī)組塔式鍋爐中的應(yīng)用

劉衛(wèi)東 劉宏禎 畢國(guó)軒 張立強(qiáng) 劉嘉民

（1.國(guó)家能源集團(tuán)山西神頭第二發(fā)電廠有限公司，山西 朔州 036011；2.國(guó)家能源集團(tuán)山西電力有限公司，山西 太原 030006；3.秦皇島市民生電力設(shè)備有限公司，河北 秦皇島 066100）

電廠鍋爐燃燒的基本要求是建立和保持穩(wěn)定的燃燒火焰，燃燒工況組織不合理造成的燃燒不均勻、火焰中心偏斜以及火焰刷墻等問(wèn)題是導(dǎo)致?tīng)t膛結(jié)焦、爐管爆破、爐膛滅火以及爐膛爆炸等運(yùn)行事故的重要原因。因此，對(duì)電廠鍋爐、工業(yè)加熱爐進(jìn)行燃燒診斷具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。聲波在線溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以提供前所未知的和從未測(cè)量過(guò)的參數(shù)——爐膛燃燒時(shí)的溫度場(chǎng)分布，可以對(duì)鍋爐燃燒狀態(tài)進(jìn)行可視性的全程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，為在不良工況下對(duì)可調(diào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)提供依據(jù)，還可以可視化地觀測(cè)調(diào)節(jié)后的燃燒狀態(tài)，解決由燃燒調(diào)節(jié)不合理造成燃燒不均勻、火焰中心偏移以及火焰刷墻等問(wèn)題導(dǎo)致的爐膛結(jié)焦、爆管、滅火等事故，實(shí)現(xiàn)平衡、優(yōu)化燃燒的目標(biāo)，減少燃料的投放量，降低氮氧化物以及飛灰等的排放量，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命，達(dá)到節(jié)能降耗、減少污染排放以及保護(hù)環(huán)境的目的，從而提高鍋爐的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。

該文以神頭電廠500 MW塔式鍋爐為應(yīng)用背景，介紹聲波在線測(cè)溫系統(tǒng)的原理、組成、安裝、調(diào)試結(jié)果以及運(yùn)行效果。

1 聲波在線測(cè)溫系統(tǒng)原理

聲波測(cè)溫原理是基于聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)溫度的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量聲波從發(fā)射端到接收端的飛行時(shí)間[3-5]，在已知2點(diǎn)距離的情況下計(jì)算聲波速度，從而根據(jù)公式（1）計(jì)算聲波傳播路徑的平均溫度。

式中：v為聲波在氣體介質(zhì)中的傳播速度；γ為氣體介質(zhì)定壓比熱容與定容比熱容的比值；R為普適氣體常數(shù)，R=8.3144 J/（mol·K）；T為絕對(duì)溫標(biāo)；M為氣體的摩爾質(zhì)量。

在鍋爐四壁分別安裝發(fā)聲和接收采集裝置，可以得到多條獨(dú)立的聲波傳播路徑，每條路徑的聲波從發(fā)聲端傳送到接收端，經(jīng)過(guò)前置放大器放大后，經(jīng)過(guò)過(guò)程控制采集計(jì)算該條路徑的平均溫度，所有路徑的平均溫度經(jīng)過(guò)溫度場(chǎng)重建算法[6-7]得到鍋爐平面的溫度場(chǎng)分布圖。

2 聲波在線測(cè)溫系統(tǒng)的組成

2.1 聲波發(fā)生器

聲波發(fā)生器采用氣動(dòng)聲源發(fā)聲原理和鍋爐儀表氣，通過(guò)文丘里管和圓錐形聲波導(dǎo)管后發(fā)出頻段為1 000 Hz～2 000 Hz的白噪聲，當(dāng)壓縮空氣的壓力為0.6 MPa時(shí)，發(fā)出的白噪聲在發(fā)送端可達(dá)120 dB，測(cè)量距離超過(guò)30 m。

2.2 壓電陶瓷聲波傳感器

聲波傳感器采集發(fā)送端和接收端的聲波信號(hào)，以計(jì)算聲波的飛行時(shí)間，要求具有高靈敏度、良好的頻率選擇特性、良好的相頻特性以及耐惡劣環(huán)境（高溫、高粉塵等）等特點(diǎn)。

該系統(tǒng)的壓電式聲波傳感器采用高溫陶瓷堆，壓電陶瓷堆通過(guò)縱向振動(dòng)變幅桿連接邊緣鉗定彎曲振動(dòng)圓盤(pán)，靈敏度較高，可以響應(yīng)70 dB以上的聲波信號(hào)，耐溫為280 ℃，在100 Hz～2 000 Hz的相位差小于0.3°。

2.3 前置放大電路

壓電式聲波傳感器輸出的電荷信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再送入后續(xù)的采集處理單元進(jìn)行分析。該系統(tǒng)采用電荷放大器設(shè)計(jì)前置放大電路，克服了電壓放大器存在的抗干擾能力差、傳輸線影響大以及需要與傳感器進(jìn)行精準(zhǔn)阻抗匹配等缺點(diǎn)。針對(duì)發(fā)送端和接收端聲波信號(hào)強(qiáng)弱差異較大的問(wèn)題，每個(gè)前置放大電路設(shè)計(jì)了2路放大通道，分別匹配發(fā)聲端和接收端。

2.4 聲波信號(hào)采集處理系統(tǒng)

聲波信號(hào)采集處理系統(tǒng)計(jì)算聲波飛行時(shí)間以及路徑平均溫度，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給溫度場(chǎng)成像軟件。聲波信號(hào)采集處理系統(tǒng)包括聲波信號(hào)預(yù)處理模塊、通信模塊和采集測(cè)量模塊。聲波信號(hào)預(yù)處理模塊通過(guò)設(shè)置濾波電路的截止頻率來(lái)濾除無(wú)用信號(hào)，通過(guò)調(diào)整放大電路和衰減電路將聲波信號(hào)調(diào)整到后續(xù)采集電路的有效范圍內(nèi)，同時(shí)還可以有效地提高信噪比。通信模塊在聲波測(cè)溫前接收聲波鍋爐測(cè)溫采集處理電路發(fā)送的各測(cè)量路徑相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置值，并將參數(shù)設(shè)置值傳送至聲波預(yù)處理電路，將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給溫度場(chǎng)成像軟件。采集測(cè)量模塊在發(fā)聲器的發(fā)聲過(guò)程中采集發(fā)聲器的發(fā)聲端傳感器數(shù)據(jù)和接收端傳感器數(shù)據(jù)，以計(jì)算飛行時(shí)間和平均溫度。

2.5 溫度場(chǎng)成像系統(tǒng)

溫度場(chǎng)軟件實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：1） 接收路徑均溫并進(jìn)行顯示、保存和處理。2） 對(duì)接收的路徑均溫進(jìn)行處理，得到溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，顯示溫度分布和等溫線圖。3） 對(duì)接收的路徑均溫進(jìn)行處理，得到區(qū)域均溫，顯示區(qū)域均溫圖并保存區(qū)域均溫?cái)?shù)據(jù)。4） 顯示路徑或區(qū)域均溫的實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖。5） 對(duì)路徑、區(qū)域均溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。6） 回放路徑溫度、溫度分布以及區(qū)域均溫。7） 輸出路徑溫度、區(qū)域均溫以及報(bào)警信息。

溫度分布窗口集成了溫度場(chǎng)、等溫線，用不同顏色代表不同溫度，同時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示各位置的溫度值。溫度分布界面狀態(tài)欄實(shí)時(shí)顯示鼠標(biāo)所指位置的坐標(biāo)值和溫度值。

區(qū)域均溫窗口顯示事先劃分好的各區(qū)域的溫度，用不同顏色代表不同溫度。區(qū)域均溫界面狀態(tài)欄實(shí)時(shí)顯示鼠標(biāo)所指位置的區(qū)域編號(hào)、區(qū)域坐標(biāo)以及相應(yīng)的平均溫度值。

路徑均溫窗口顯示路徑拓?fù)鋱D，以列表形式顯示各聲波發(fā)生/接收器間的聲波路徑上的平均溫度。

趨勢(shì)分析是以曲線的形式呈現(xiàn)溫度場(chǎng)各區(qū)域或各路徑的溫度變化情況，包括實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置選擇區(qū)域溫度變化趨勢(shì)和路徑均溫變化趨勢(shì)，并具體指定需要分析的是哪幾個(gè)區(qū)域或者路徑；可以通過(guò)設(shè)置選擇路徑的溫度變化趨勢(shì)，并具體指定需要分析哪幾條路徑。

統(tǒng)計(jì)分析是對(duì)爐膛內(nèi)各區(qū)域或各路徑的溫度變化的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析，可以計(jì)算某時(shí)間段內(nèi)的最大值、平均值以及最小值并以表格的方式呈現(xiàn)結(jié)果。

3 聲波在線測(cè)溫系統(tǒng)的配置

根據(jù)神頭電廠1#鍋爐的爐膛布置和沿爐膛高度煙氣溫度分布情況確定在鍋爐49 m處安裝聲波在線測(cè)溫系統(tǒng)。系統(tǒng)整體安裝配置示意圖如圖1所示。10個(gè)測(cè)點(diǎn)位置分別安裝10套發(fā)聲、聲波采集系統(tǒng)以及10只“K”形熱電偶，就地安裝過(guò)程控制單元柜，集控室安裝中央控制單元和過(guò)程輸出單元。過(guò)程控制單元和中央控制單元間通過(guò)RS-422總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，過(guò)程輸出單元和中央控制單元間通過(guò)RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)聲和聲波采集系統(tǒng)組成如圖2所示，由發(fā)聲裝置、電磁閥、壓電式聲波傳感器以及前置放大器組成，熱電偶變送器也安裝在傳感器前置放大單元盒中。

圖1 系統(tǒng)整體安裝配置示意圖

圖2 發(fā)聲及聲波采集系統(tǒng)

4 聲波在線測(cè)溫系統(tǒng)運(yùn)行情況

在系統(tǒng)投入運(yùn)行后，為鍋爐運(yùn)行和管理人員提供了大量鍋爐爐膛燃燒工況和煙氣溫度分布數(shù)據(jù)。

4.1 冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

2022年6月13日22：00聲波測(cè)溫系統(tǒng)連通成功，開(kāi)始上傳數(shù)據(jù)，溫度分布如圖3所示。由測(cè)量結(jié)果可知，各區(qū)域的溫度值為22 ℃～24 ℃，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

圖3 冷態(tài)溫度分布圖（單位：℃）

4.2 熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)在投入正常運(yùn)行后，對(duì)鍋爐處于不同工況下的相關(guān)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行記錄和分析，包括溫度場(chǎng)分布情況、區(qū)域平均溫度圖、區(qū)域溫度統(tǒng)計(jì)信息以及區(qū)域溫度歷史趨勢(shì)圖等。

2022年6月16日08:58聲波測(cè)溫系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布圖如圖4所示，此時(shí)負(fù)荷為280 MW，溫度分布均勻，可以驗(yàn)證聲波在線測(cè)溫系統(tǒng)的有效性。

圖4 2022年6月16日08：58溫度場(chǎng)分布圖（280 MW）

5 經(jīng)濟(jì)效果

在該系統(tǒng)投運(yùn)后的經(jīng)濟(jì)效果如下：1） 根據(jù)測(cè)得的爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)分布狀態(tài)可知，機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益提高，鍋爐出口主、再熱蒸汽的溫度分別可以提高12 ℃、17 ℃。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化燃燒調(diào)整，可以保證燃料充分燃燒，降低燃料飛灰可燃物，煙煤飛灰含碳量低于1%，大渣含碳量低于2%，鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提高。2） 可以保證鍋爐燃燒穩(wěn)定，大幅減少甚至避免鍋爐受熱面超溫及高溫腐蝕等問(wèn)題，降低因受熱面超溫或高溫腐蝕引起的爆管等不安全事件的發(fā)生概率，提高鍋爐運(yùn)行的可靠性。3） 為鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃提供調(diào)整依據(jù)，可以有效提高機(jī)組深度調(diào)峰能力。4） 延長(zhǎng)檢修周期。鍋爐本體平均檢修周期預(yù)計(jì)延長(zhǎng)3個(gè)月以上。

6 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了聲波鍋爐溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在神頭電廠1#機(jī)組鍋爐溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)的配置、運(yùn)行情況以及經(jīng)濟(jì)效果。冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量鍋爐的平面溫度值和分布情況，可以正確反映機(jī)組功率狀態(tài)和燃燒情況，通過(guò)為DCS系統(tǒng)提供區(qū)域溫度等參數(shù)，該系統(tǒng)為鍋爐燃燒優(yōu)化提供了依據(jù)。