火電廠爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)原理、應(yīng)用與發(fā)展探究

中圖分類號：TK323 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0164-04

Abstract：Theinternaltemperaturefielddistributioninthefurnaceofthermalpowerplantsplaysakeyroleintheefficient andsafeoperationofcombustion，andtheapplicationanddevelopmentoffurmaceinfraredtemperaturefieldtemperature measurementtechnologyarecrucial.Thispaperanalyzes theapplicationanddevelopmentprospectsofthistemperature measuremnttechnology.First，thebasicprincipleoffurnaceinfraredtemperaturefieldtemperaturemeasurementtechnologyis introduced.Basedontelawoftheralradiationinfrareddtectorscancaptureinfraredraysradiatedfromdiferentpartsnthe furnaceof thermalpowerplants，andthentransformthemintocorrspondingtemperatureinformation.Attheappicationlevel， thistechologyhaspenetratedintomanyfieldssuchaspower，metallrgyandchemicalindustry.Itmonitorsfumacecombustion conditionsinrealtime，alowingoperatorstoaccuratelycontroltheratiooffuelinputtocombustionair，therebyoptmizing combustioneficiencyandreducingenergylossatthesametime，itcandetectabnormaltemperaturepointsinthefurnacein time，warnpotentialequipmentfailuresinadvance，andpreventsafetyaccidentssuchastubeburstingandcoking.Compared withtraditionaltemperaturemeasurement methods，itdoesnotneed toinvadethefurnace，andcanachievelarge-area，longdistanceon-contactmeasurement，greatlyimprovingmeasurementeficiencyandsafety.Byanalyzingitsprinciples，application advantagesandexistingproblems，thisresearchprovidestheoreticalreferenceforrelevantpractitionerstodeepentheir understandingoffumaceinfraredtemperaturefieldtemperaturemeasurementtechnologyandpromotetechnicalimprovementand more scientific application.

Keywords： thermal power plant; furmace infrared temperature field;principle; application; development

在火力發(fā)電廠，爐膛測溫作為關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)，其爐膛內(nèi)部溫度場的分布狀況對生產(chǎn)過程起著至關(guān)重要的作用。爐膛溫度場直接關(guān)聯(lián)著燃燒效率、能源消耗以及設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。若溫度分布不均，可能導(dǎo)致局部過熱，引發(fā)結(jié)焦、爆管等安全事故，不僅威脅生產(chǎn)連續(xù)性，還可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；同時(shí)，不合理的溫度分布也會使燃燒不充分，能源利用率降低，增加生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)的爐膛溫度測量手段，如熱電偶、熱電阻等接觸式測溫方法，存在諸多局限性。一方面，這些感溫元件需直接與高溫爐膛內(nèi)的介質(zhì)接觸，在高溫、強(qiáng)腐蝕、高粉塵等惡劣環(huán)境下，極易受損，壽命縮短，導(dǎo)致測量精度下降，維護(hù)成本高昂；另一方面，接觸式測量只能獲取測點(diǎn)局部的溫度信息，難以全面反映爐膛內(nèi)復(fù)雜的溫度場分布，無法滿足對爐膛溫度實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測的需求。

紅外測溫技術(shù)作為一種非接觸式測溫方法應(yīng)運(yùn)而生，為爐膛溫度場測量帶來了新的解決方案。其基于熱輻射定律，利用物體自身向外輻射紅外線的特性，通過紅外探測器捕捉爐膛內(nèi)不同部位輻射出的紅外線，并將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的溫度信息。該技術(shù)無須侵入爐膛，可實(shí)現(xiàn)大面積、遠(yuǎn)距離的非接觸式測量，有效避免了惡劣工況對測溫元件的損害，極大提升了測量效率與安全性。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的爐膛紅外溫度場監(jiān)測能夠?yàn)椴僮魅藛T提供詳盡的燃燒信息，助力其精準(zhǔn)把控燃料投入量與燃燒空氣配比，優(yōu)化燃燒過程，提高燃燒效率，降低能源損耗；同時(shí)，能夠及時(shí)察覺爐內(nèi)溫度異常點(diǎn)，提前預(yù)警潛在的設(shè)備故障，預(yù)防爆管、結(jié)焦等安全事故的發(fā)生，保障工業(yè)生產(chǎn)的高效、安全運(yùn)行。深人研究爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)的原理、應(yīng)用及發(fā)展，對推動工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與節(jié)能減排具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

一 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外在爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)研發(fā)方面起步較早，技術(shù)積累深厚。歐美等發(fā)達(dá)國家的科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)投入大量資源，致力于高精度紅外探測器的研制，通過不斷優(yōu)化探測器的材料與結(jié)構(gòu)，提升其對微弱紅外輻射信號的捕捉能力，部分先進(jìn)探測器已能實(shí)現(xiàn)皮米級別的溫度分辨率，可精準(zhǔn)感知爐膛內(nèi)微小區(qū)域的溫度變化。在光譜分析算法領(lǐng)域，國外專家運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對爐膛輻射光譜進(jìn)行深度解析，有效消除了環(huán)境因素對測溫精度的干擾，使得溫度測量誤差控制在極小范圍內(nèi)。

近年來，國內(nèi)在爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)領(lǐng)域的研究取得了長足進(jìn)步?？蒲性盒Ｅc企業(yè)緊密合作，在紅外測溫關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面成果斐然。部分高校研發(fā)的新型紅外測溫材料，展現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性與靈敏度，為制造高性能紅外探測器奠定了基礎(chǔ)。一些企業(yè)成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紅外溫度場監(jiān)測系統(tǒng)，打破了國外產(chǎn)品的壟斷，在國內(nèi)市場得到廣泛應(yīng)用。

在應(yīng)用實(shí)踐中，國內(nèi)眾多行業(yè)積極探索爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)的應(yīng)用模式。電力行業(yè)內(nèi)，各大發(fā)電企業(yè)逐步推廣該技術(shù)，通過對鍋爐爐膛溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃燒不均、局部過熱等問題，采取針對性調(diào)整措施，有效提高了鍋爐熱效率，降低了污染物排放。

2爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)原理

2.1熱輻射基礎(chǔ)理論

熱輻射是自然界中一切溫度高于絕對零度的物體由于分子和原子的熱運(yùn)動而向外發(fā)射電磁波的現(xiàn)象。對于爐膛內(nèi)的高溫物體，如燃燒的煤粉、熾熱的煙氣、被加熱的爐壁等，其都會持續(xù)地向外輻射紅外線。這種輻射能量的大小與物體的溫度密切相關(guān)，是紅外測溫技術(shù)的基石。在爐膛紅外測溫中，依據(jù)此定律可根據(jù)測量到的輻射波長大致推斷輻射源的溫度范圍，為測溫設(shè)備的波長選擇與溫度標(biāo)定提供指導(dǎo)。這些熱輻射基礎(chǔ)理論相互關(guān)聯(lián)，從不同角度定量地闡述了物體紅外輻射與溫度、波長之間的內(nèi)在聯(lián)系，為爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐，使得通過測量物體輻射的紅外線來精確獲取其溫度信息成為可能。

2.2測溫系統(tǒng)構(gòu)建原理

爐膛紅外溫度場測溫系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)整體，由多個(gè)關(guān)鍵部件協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)對爐膛溫度的精準(zhǔn)測量與數(shù)據(jù)處理。其核心組成部分涵蓋紅外探測器、光學(xué)系統(tǒng)以及信號處理單元等，各部分各司其職，緊密配合，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

首先，運(yùn)用高靈敏度的前置放大器對電信號進(jìn)行放大，使其達(dá)到后續(xù)處理所需的強(qiáng)度。接著，通過精密的濾波電路，巧妙地去除混入信號中的各類噪聲干擾，還原純凈的溫度信號。隨后，利用先進(jìn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于數(shù)字處理器進(jìn)行高速、精確的運(yùn)算處理。在此過程中，內(nèi)置的智能算法依據(jù)熱輻射定律及預(yù)先標(biāo)定的參數(shù)，將數(shù)字信號精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正、補(bǔ)償，充分考慮環(huán)境因素、探測器特性漂移等對測量精度的影響，確保溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。

經(jīng)信號處理單元處理后的數(shù)據(jù)，通過高速數(shù)據(jù)傳輸線路，如工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等，迅速傳輸至控制系統(tǒng)或監(jiān)控終端。控制系統(tǒng)依據(jù)這些實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，運(yùn)用智能控制策略，精準(zhǔn)調(diào)控爐膛的燃燒過程，實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的最優(yōu)配比，保障爐膛穩(wěn)定、高效運(yùn)行；監(jiān)控終端則以直觀的可視化界面，向操作人員實(shí)時(shí)展示爐膛溫度場分布、溫度趨勢變化等關(guān)鍵信息，助力操作人員及時(shí)察覺異常，迅速采取應(yīng)對措施，確保工業(yè)生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定與高效。整個(gè)測溫系統(tǒng)通過各部件的緊密協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了從紅外輻射感知、信號處理到數(shù)據(jù)應(yīng)用的全流程自動化，為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

3爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)的應(yīng)用

3.1電廠鍋爐燃燒監(jiān)測與優(yōu)化

在電力行業(yè)，電廠鍋爐作為核心設(shè)備，其燃燒過程的優(yōu)劣直接關(guān)乎機(jī)組的發(fā)電效率、能源消耗以及污染物排放水平。以某660MW超臨界機(jī)組火電機(jī)組為例，該機(jī)組在未應(yīng)用紅外測溫技術(shù)前，由于缺乏對爐膛燃燒區(qū)域溫度分布的精準(zhǔn)掌控，燃燒優(yōu)化項(xiàng)目效果欠佳，機(jī)組運(yùn)行能耗偏高，飛灰可燃物含量較高， NO_X 生成量不均衡等問題突出。為扭轉(zhuǎn)這一局面，電廣引入先進(jìn)的爐膛紅外溫度場測溫系統(tǒng)。此系統(tǒng)依托高精度紅外探測器，結(jié)合智能算法，構(gòu)建起爐膛截面可視化平面二維溫度場，實(shí)現(xiàn)對爐膛內(nèi)高溫?zé)煔獾倪B續(xù)在線測量。

系統(tǒng)投運(yùn)后，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)猶如為運(yùn)行人員開啟了一扇洞察爐膛燃燒奧秘的“窗口”。通過對爐膛各燃燒層溫度的密切監(jiān)視，精準(zhǔn)捕捉到燃燒過程中的細(xì)微變化。如在機(jī)組升負(fù)荷階段，依據(jù)溫度場分布，及時(shí)發(fā)現(xiàn)某區(qū)域煤粉燃燒不充分的狀況，隨即精準(zhǔn)調(diào)整對應(yīng)燃燒器的一次風(fēng)煤比，增加給煤量并優(yōu)化配風(fēng)，促使煤粉迅速、充分燃燒，有效提升了燃燒效率，減少了飛灰可燃物含量。

在日常運(yùn)行中，借助該技術(shù)對爐膛溫度場的持續(xù)監(jiān)測，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，深度挖掘溫度數(shù)據(jù)與機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步優(yōu)化燃燒控制邏輯。依據(jù)不同負(fù)荷工況下的最優(yōu)溫度場模型，精準(zhǔn)調(diào)控二次風(fēng)門開度、燃料量及燃燒空氣配比，確保鍋爐在各種工況下都能維持高效、穩(wěn)定燃燒，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的顯著成效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該機(jī)組應(yīng)用爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)后，鍋爐熱效率提升約 3% ，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤數(shù)千噸，同時(shí) NO_X 排放量降低約 15% ，為電力行業(yè)的綠色發(fā)展貢獻(xiàn)了卓越力量。

3.2 預(yù)防鍋爐爆管與結(jié)焦

鍋爐爆管與結(jié)焦事故是電力生產(chǎn)中的重大安全隱患，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可引發(fā)非計(jì)劃停機(jī)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)在預(yù)防此類事故方面發(fā)揮著至關(guān)重要的“前哨”作用。某電廠在過往運(yùn)行中，時(shí)常遭遇鍋爐爆管與結(jié)焦問題。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段難以提前察覺管壁溫度的異常變化，往往在事故發(fā)生后才采取補(bǔ)救措施，代價(jià)高昂。引入爐膛紅外溫度場測溫系統(tǒng)后，情況得到極大改觀。該系統(tǒng)在爐膛水冷壁、過熱器、再熱器等關(guān)鍵部位附近精心布置高靈敏度紅外探測器，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地監(jiān)測管壁溫度及其周邊溫度場分布。

在應(yīng)對鍋爐啟動、停運(yùn)等特殊工況時(shí)，該技術(shù)的優(yōu)勢尤為凸顯。此時(shí)，爐膛溫度變化劇烈，管壁熱應(yīng)力急劇變化，極易引發(fā)爆管事故。紅外測溫系統(tǒng)全程嚴(yán)密監(jiān)控管壁溫度，為運(yùn)行人員提供關(guān)鍵的溫度變化趨勢，助力其精準(zhǔn)調(diào)控升溫、降溫速率，確保管壁溫度平穩(wěn)過渡，大幅降低了爆管風(fēng)險(xiǎn)，保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定啟停。通過長期運(yùn)行實(shí)踐驗(yàn)證，該電廠應(yīng)用爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)后，鍋爐爆管與結(jié)焦事故發(fā)生率顯著降低，機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間大幅延長，為電力生產(chǎn)的安全可靠性筑牢了堅(jiān)實(shí)根基。

4爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)優(yōu)勢

4.1非接觸式測量特性

與傳統(tǒng)的接觸式測溫方法相比，爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)的非接觸式測量特性具有顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)接觸式測溫，如使用熱電偶或熱電阻，需將測溫元件直接插入爐膛內(nèi)部或與被測物體緊密接觸。在工業(yè)爐膛的惡劣環(huán)境下，這不僅要求測溫元件具備極高的耐高溫、耐腐蝕性能，還極易因高溫、強(qiáng)氣流沖刷、粉塵侵蝕及化學(xué)腐蝕等因素導(dǎo)致測溫元件損壞，頻繁地維護(hù)與更換不僅成本高昂，而且影響生產(chǎn)連續(xù)性。

在火電廠鍋爐中，爐膛內(nèi)部燃燒工況復(fù)雜多變，溫度梯度大，傳統(tǒng)接觸式測溫難以全面、實(shí)時(shí)反映溫度場分布。紅外測溫技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大面積測量，通過合理布置多個(gè)紅外探測器，構(gòu)建起爐膛溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能夠同時(shí)捕捉不同區(qū)域的溫度信息，為操作人員呈現(xiàn)出直觀、全面的爐膛溫度場圖像，精準(zhǔn)掌控燃燒狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常區(qū)域，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化燃燒調(diào)控，有效提升鍋爐運(yùn)行效率，保障電力生產(chǎn)的安全穩(wěn)定。

4.2 高精度與高靈敏度

爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)在精度與靈敏度方面表現(xiàn)卓越，為工業(yè)生產(chǎn)提供了精準(zhǔn)可靠的溫度數(shù)據(jù)支持。以某先進(jìn)的爐膛紅外測溫系統(tǒng)為例，其測溫精度可達(dá) 1±1% ，這意味著在測量 1000^°C 的爐膛溫度時(shí)，誤差范圍僅在 ?_±10?_C 以內(nèi)，相較于傳統(tǒng)測溫手段，精度有了質(zhì)的飛躍。

在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，這種高精度特性發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在電力行業(yè)的電站鍋爐運(yùn)行中，精準(zhǔn)的溫度測量有助于精確調(diào)控燃燒過程。通過對爐膛不同區(qū)域溫度的精確監(jiān)測，操作人員能夠依據(jù)溫度反饋，精細(xì)調(diào)整燃料供給量與空氣配給比例，使燃燒更加充分、均勻。該技術(shù)的高靈敏度同樣令人矚目。其能夠敏銳捕捉到爐膛內(nèi)微小的溫度變化，哪怕是溫度僅有零點(diǎn)幾攝氏度的波動，也能被迅速感知并反饋。

4.3 實(shí)時(shí)性與動態(tài)監(jiān)測能力

爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)具備卓越的實(shí)時(shí)性與動態(tài)監(jiān)測能力，能夠?qū)t膛內(nèi)溫度變化迅速做出響應(yīng)，為工業(yè)生產(chǎn)過程的精細(xì)化調(diào)控提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)憑借其快速響應(yīng)特性，可實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地監(jiān)測爐膛溫度。通過在爐膛關(guān)鍵部位合理布局高靈敏度紅外探測器，構(gòu)建起全方位的溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，探測器能夠瞬間捕捉到溫度的細(xì)微變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)信號處理單元高速運(yùn)算處理后，即刻傳輸至控制系統(tǒng)。操作人員在監(jiān)控終端可實(shí)時(shí)獲取爐膛內(nèi)各區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，以及溫度場的動態(tài)變化圖像，宛如擁有了一雙“洞察爐膛\"的慧眼，精準(zhǔn)掌握燃燒過程的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

5發(fā)展趨勢展望

在工業(yè)生產(chǎn)對爐膛溫度監(jiān)測精度與可靠性要求日益嚴(yán)苛的背景下，多傳感器融合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為提升測溫全面性與準(zhǔn)確性的核心手段。該技術(shù)有機(jī)整合紅外、激光、聲波等多種傳感器，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)，為精準(zhǔn)掌控爐膛溫度場提供全方位數(shù)據(jù)支持。

紅外傳感器憑借非接觸式測溫特性，可大面積、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)感知爐膛溫度分布，高效捕捉高溫區(qū)域的輻射信息，為溫度場構(gòu)建提供宏觀框架；激光傳感器利用激光的高方向性與相干性，能夠?qū)μ囟ㄎ⑿^(qū)域進(jìn)行高精度測距與測溫，精準(zhǔn)測量爐膛內(nèi)局部高溫點(diǎn)、火焰中心等關(guān)鍵部位的溫度，彌補(bǔ)紅外傳感器空間分辨率的不足；聲波傳感器則依據(jù)聲波在介質(zhì)中的傳播特性，通過測量聲波傳播速度、頻率變化等參數(shù)，反演爐膛內(nèi)溫度分布，尤其在復(fù)雜氣流、粉塵環(huán)境下，對溫度梯度較大區(qū)域的監(jiān)測獨(dú)具優(yōu)勢，有效填補(bǔ)其他傳感器在惡劣工況適應(yīng)性方面的短板。

6 結(jié)論

本研究對爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)進(jìn)行了深入剖析，從原理、應(yīng)用、優(yōu)勢到發(fā)展趨勢，全方位展現(xiàn)了該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵地位與作用。其基于熱輻射定律，借助紅外探測器及配套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對爐膛溫度場的非接觸、高精度、實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測。在電力等行業(yè)廣泛應(yīng)用，為燃燒優(yōu)化、事故預(yù)防、質(zhì)量提升與節(jié)能減排提供有力支持。與傳統(tǒng)測溫相比，該技術(shù)具有非接觸、高精度、實(shí)時(shí)動態(tài)、可視化與數(shù)據(jù)分析等顯著優(yōu)勢，有效克服傳統(tǒng)測溫局限，提升工業(yè)生產(chǎn)智能化、精細(xì)化管控水平。

爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)前景廣闊。隨著科技飛速發(fā)展，多學(xué)科交叉融合將為其注人新活力，持續(xù)拓展應(yīng)用邊界。技術(shù)研發(fā)層面，新型紅外探測器、多傳感器融合技術(shù)將持續(xù)革新，提升測溫精度、靈敏度與可靠性；智能算法與自動化控制系統(tǒng)深度集成，實(shí)現(xiàn)燃燒過程自主精準(zhǔn)調(diào)控，提升工業(yè)生產(chǎn)智能化水平。為充分挖掘技術(shù)潛力，企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)與政府需協(xié)同發(fā)力。企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)投人，培養(yǎng)高端人才，提升創(chuàng)新能力；科研機(jī)構(gòu)強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸；政府完善政策支持，營造良好產(chǎn)業(yè)環(huán)境。各方攜手共進(jìn)，推動爐膛紅外溫度場測溫技術(shù)蓬勃發(fā)展，助力工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排、安全生產(chǎn)，邁向高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展新征程。

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