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炉膛温度测量技术的重大突破

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锅炉炉膛温度测量技术的重大突破
侯子良
(过程自动化技术中心 北京 100011)

[摘要] 本文阐述了锅炉炉膛温度(场)测量的重要性，分析了传统炉膛温度测量技术的缺点，以及由此导致目前炉膛温度测量基本上还处于空白的现状。作者与有关专家一起，经过一年多的调查研究，包括实地考察，在文中向读者详细介绍了国际上最新推向市场的先进炉膛声波测温系统，作者认为，这是火电厂极其重要而有难度很大的一种热工测量技术的重大突破，它的推广应用必将对我国电站锅炉安全、节能和减排产生重大影响。
[关键词] 炉膛 声波测温系统 高强度声波发生器 多接收器技术 炉管泄漏检测

1、锅炉炉膛温度（场）测量的重要性
火电厂锅炉燃烧优化是火电厂安全、节能和减排的关键所在。长期来没有一种可靠和准确的测量炉膛温度（场）的手段，使优化燃烧失去直接监控和判别的依据。炉膛温度（场）测量的重要性表现为：
1）监控炉膛出口温度
◇防止出口温度过高导致过热器结焦和管壁超温
◇防止启动时出口温度升高太快和烧坏处于无蒸汽流过的再热器管（干烧）
◇监控出口温度判别水冷壁吸热情况优化吹灰控制
◇控制不同负荷下的合理炉膛出口温度，合理分配辐射热和对流热的比例，减少过热器和再热器的喷水量，提高回热效率（例如：对于300MW机组，再热器喷水每减少10t/h，煤耗降低约1.91g/kwh）。
2）矫正燃烧不均衡
◇及时发现和矫正两侧烟温、汽温的偏差
◇防止烟气偏向一侧导致该侧水冷壁磨损、结焦
◇防止燃烧偏斜导致汽包水位两侧严重偏差，发生重大事故（据调查，燃烧偏斜有时可导致汽包水位左右侧实际偏差达100-200mm）
◇防止局部过热而流渣
3）提高燃烧效率
◇优化风煤比，将过量空气系数降低至合理范围内
◇均衡各侧（角）燃烧器的风量分配
◇控制火焰中心高度，使煤粉在炉膛内充分燃尽，又确保合理的热量分配
◇为优化燃烧控制系统提供更直接判据，使优化系统更具可操作性
4）降低污染物排放
◇防止出现局部火焰过热，降低NOX生成（当局部火焰温度达到1482℃时，NOX生成将成指数级增加）
◇对于配置有脱硝装置的锅炉，由于烟气中NOX含量降低，可大大降低脱硝装置运行费用
2、传统炉膛温度测量技术的现状和缺点
正因为炉膛温度测量如此重要，长期来人们进行了大量研究，开发出了各种不同原理的测量装置，但由于其固有的缺点，应用情况一直不佳，甚至大部分锅炉上至今仍是一个空白，使锅炉燃烧监控失去了一个重要依据。
传统炉膛温度测量装置主要有接触式（伸缩式温度计）和非接触式两类，而非接触式常见有辐射式温度计和光谱图象检测系统，这些技术存在的缺点是：
1）接触式（伸缩式温度计）
目前300MW及以上机组的锅炉均配供有价格昂贵的测量炉膛出口烟气温度的伸缩式温度计，但由于探针深入炉膛很长，笨重、易变形卡涩，故障率高，因此，许多电厂实际上已停用。此外，探针受耐温限制，一般仅在锅炉启动时伸入炉膛测量出口烟气温度，当烟温达到一定值时，必须马上退出炉膛，因此，其允许使用温度范围和作用也有限。
2）辐射式温度计
众所周知炉膛烟气辐射大多不在可见光范围内，因此，目前常见的辐射式温度计主要是红外式温度计，它测量表面或区域的红外光强度。由于炉膛烟气是气态发光，温度分布不均匀，成分不固定，再加上飞灰颗粒辐射的存在，因此，组成的光谱波长和穿透力等不确定，从而导致被测区域不确定，测量误差大。由于上述缺点影响了辐射式温度计在锅炉炉膛烟气温度测量领域的应用。
3）飞灰颗粒辐射光谱测量
这类温度测量系统是利用图像检测炉膛烟气中主要是飞灰颗粒辐射的可见光（包栝一定波长红外光，以提高温度测量上限），经计算机进行极其复杂的图象处理，从而得到炉膛内烟气的温度分布。由于受飞灰颗粒成分浓度和分布的影响，镜头污染以及复杂图象处理算法等影响，测量误差大；被测量区域也存在很大的不确定性。加上采光系统复杂，结焦或积灰使镜头保养困难，可靠性差，价格昂贵。从而使这类系统在炉膛烟温测量的工程实际应用中受到限制。
3、当代最新炉膛测温技术----声波测温系统
1）声波测温技术的基本原理
早在上世纪八十年代末，美国和日本专家就声波测量炉膛烟气温度进行了研究。声波测量的原理是基于声音的传播速度直接随介质温度而变化。
根据通用气体方程有下列关系式：
p=ρRT------------------------------(1)
p---压力
ρ---密度
R---通用气体常数
T---绝对温度
而声速与压力、密度和定压定容下的比热有下列关系式：
C2=rp/ρ----------------------------2)
C---声速
r----定压定容状态下的比热
从以上两个关系式可以导出声波测温系统的下列基本关系式：
T=()C2----------------------------(3)
T=()()2------------------------(4)
式中：
△t---声波传播时间
△l ---声波传播距离

图1为声波测温系统的原理图

1266℃

图1 为声波测温系统的原理图

从（4）式可知，声波测温系统的误差主要来自三个方面：
a）声波测温系数()的影响
众所周知，烟气成份、含尘量以及流速均对测温系数有影响。对于石化系统的焦化加热炉，由于该系数变化而导致测温误差有时可超过1%。但是，对于电站锅炉，测温系数对测温的相对影响不大。
b）声波传播距离的测量误差
声波从发生器到接受器间的距离，必须精确测量以防止产生误差。此外，由于锅炉热态膨胀会改变声波传播距离，从而导致附加误差，因此，当差异较大时也必须进行修正。
c声波传播时间的测量误差
大型锅炉炉膛内声波从发生器到接受器的传播时间在10-30ms间，为了减少传播时间测量误差必须要求发生器发出的声波前沿陡峭，在50us以内，并且计算机应能快速采集到。
2）声波测温技术的优点
声波测温技术与传统炉膛测温技术相比有下列明显优点：
◇精确度高，不受辐射等不确定因素的影响，其精确度可以达到±1%。
◇测量温度范围广，在锅炉全负荷范围内均可使用
◇测量空间不受限，不仅可以测量平均温度，还可以确定炉膛温度场分布
◇测量灵敏度高，实时性好
◇可维护性好
3）声波测温技术工程应用的重大突破
声波测温技术进入锅炉上成功应用需要克服一系列技术上的挑战，这大约经历了二十多年的努力。目前，美国Enertechnix公司开发的核心技术成功解决了工程应用方面的一系列难点，推出的PyroMetrix声波测温系统已经广泛应用在美国、印度和韩国等国家的电厂。
图2为PyroMetrix声波测温系统框图

图2 PyroMetrix声波测温系统框图

PyroMetrix声波测温系统主要有下列核心技术：
a）高强度、前沿刚劲的声波发生器（ASG）
Enertechnix公司开发的气动声波发生器能发出高强度 （>170dB）的声波,测量距离达30米,声波前沿刚劲陡峭(<50us)， 温度测量范围广(-18~1926℃)，测量准确度达到±1%。
b）精密小型接收器（ASR）
接收器只需在水冷壁管间的鳍片上开￠12.7mm小孔就可以监听发生器发来的声波，安装方便。
c)多接收器处理技术
一个声波发生器发出的声波可以有多个接收器同时监听，一个控制平台可采用多达16个发生器和接受器,比起一个发生器对一个接受器的系统来说，不仅简化了系统，更重要的是大大减少了锅炉上安装发生器必须在水冷壁弯管开孔带来的麻烦。
d）通过特殊算法计算炉膛温度场
图3为典型的2个ASG，6个ASR，锅炉炉膛温度测量系统配置图。

图3 典型的炉膛温度测量系统配置图（2xASG，6xASR）

通过测量得到8个通道上烟气的平均温度，再经计算机特殊算法处理得到炉膛温度场分布（图4），并在DCS显示器上呈现出来，指导运行人员操作。

图4 炉膛温度场分布图

必要时还可以实现三维空间的温度场测量和显示（图5）

图5 炉膛温度场三维空间分布图

e）高灵敏度检测泄漏
接收器接收炉膛内部各种声波（图6），通过声波强度与持续时间的对比筛选，可以方便地将炉管泄漏声音和别的噪音（例如吹灰）区别出来，及时发出炉管泄漏报警，使该系统同时还具有检测炉管泄漏的功能。

声
波强度

吹 灰

检测到泄漏

时间
间隔
声波强度门槛

时间

图6 泄漏检测

4、结束语
继锅炉汽包水位测量技术在我国取得重大突破，并成功应用于我国上百台锅炉上后，锅炉炉膛声波测温技术在国际上成功应用是当前国际上火电厂极其重要而有难度很大的热工测量技术的又一个重大突破。作者相信声波测温系统在我国火电厂的成功应用必将对火电厂安全、节能和减排产生重大影响。

作者简介：侯子良（1935-），男，上海人，长期从事火电厂热工自动化行业管理、规划设计、咨询及网站等工作。Email：zlhou@, Tel：[phone]

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