摘要：隨著智慧電廠建設(shè)的提出和推進(jìn)，對火電廠生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理提出了更高要求。而生產(chǎn)過程參數(shù)的精密測量，如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化、數(shù)字化，是建設(shè)智慧電廠的基礎(chǔ)。其中，由于鍋爐爐膛溫度高、空間大、工況復(fù)雜等條件限制，常規(guī)溫度測量技術(shù)不能建立溫度場，難以實(shí)現(xiàn)爐膛燃燒的可視化和數(shù)字化，不能滿足鍋爐精細(xì)化調(diào)整的需要，也制約了智慧電廠建設(shè)的發(fā)展。本文提出一種聲波測溫技術(shù)，通過對爐膛截面溫度的測量建立全截面溫度場，并將溫度場作可視化成像處理，可直觀監(jiān)視爐膛燃燒狀況，給鍋爐運(yùn)行調(diào)整提供連續(xù)、穩(wěn)定、直接、及時(shí)、可靠的爐膛燃燒溫度場信息。

(來源：電力行業(yè)節(jié)能環(huán)保公眾服務(wù)平臺(tái) 作者：孫成永 肖建林 北京國成環(huán)境技術(shù)有限公司)

關(guān)鍵詞：聲波測溫;燃燒可視化;智慧電廠

1引言

國家發(fā)展和改革委員會(huì)《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源[2016]392號)發(fā)布后，建設(shè)智慧電廠成為發(fā)電行業(yè)發(fā)展的新導(dǎo)向。智慧電廠的本質(zhì)是工業(yè)信息化與智能化技術(shù)在發(fā)電領(lǐng)域的高度發(fā)展和深度融合，要推進(jìn)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、可視化、數(shù)字化、先進(jìn)測量技術(shù)和智能控制技術(shù)在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，其中包括精密測量、精確計(jì)算、智慧決策和準(zhǔn)確執(zhí)行四個(gè)范疇，而對生產(chǎn)過程參數(shù)的精密測量，是智慧電廠建設(shè)的基礎(chǔ)。

在火電廠生產(chǎn)過程參數(shù)的測量中，鍋爐爐膛燃燒溫度的測量一直是鍋爐優(yōu)化運(yùn)行的主要制約因素。目前，鍋爐燃燒是依靠熱電偶采集的爐膛壁溫?cái)?shù)據(jù)、煙溫探針采集的單點(diǎn)非連續(xù)溫度數(shù)據(jù)、火焰電視圖像信息加上運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整的。因爐膛溫度過高，工況復(fù)雜，鍋爐燃燒最重要的爐膛溫度參數(shù)，一直缺乏連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的監(jiān)測手段，鍋爐燃燒運(yùn)行調(diào)整缺乏數(shù)據(jù)支撐和指導(dǎo)，從而制約了燃煤鍋爐運(yùn)行管理水平的提升。因此，探索一種能連續(xù)、穩(wěn)定、可靠并能充分反應(yīng)爐膛燃燒情況的溫度場監(jiān)視技術(shù)，無論對于提升鍋爐運(yùn)行管理水平還是智慧電廠的建設(shè)都具有較為深遠(yuǎn)的意義。

2爐膛溫度監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀分析

2.1熱電偶溫度計(jì)

兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，兩端相互連接，當(dāng)兩接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為熱電偶。當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電動(dòng)勢便是兩接點(diǎn)溫度t和t0的函數(shù)差，如關(guān)系式(1)。所以，通過測量熱電動(dòng)勢，便可計(jì)算出待測介質(zhì)的溫度。

f(t)-f(to)=EAB(t,t0)(1)

熱電偶溫度計(jì)屬于接觸式溫度測量方法，其電極須與待測物質(zhì)接觸，才能測出待測物質(zhì)的溫度。在鍋爐爐膛溫度測量上，由于爐膛溫度太高，且熱電偶電極插入深度有限，以致熱電偶只能測量貼近爐膛壁區(qū)域的溫度。該溫度值屬于單點(diǎn)測量，不能反映爐膛內(nèi)部真實(shí)的燃燒情況，對鍋爐燃燒運(yùn)行調(diào)整缺乏直觀的指導(dǎo)意義。

2.2煙溫探針

煙溫探針的測量原理仍是熱電偶原理，將裝在探針內(nèi)的熱電耦送入爐膛或煙道監(jiān)測煙氣溫度。熱電耦固定在探針的頭部，在煙氣中作伸縮運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程自動(dòng)操作。

煙溫探針主要用于鍋爐啟動(dòng)期間，監(jiān)測爐膛出口處的煙氣溫度，防止再熱器管子燒壞，當(dāng)再熱器內(nèi)進(jìn)入介質(zhì)后煙溫探針退出運(yùn)行。該方法仍屬于單點(diǎn)測量，雖可伸入爐膛一定距離，可以測量爐膛壁內(nèi)一定距離的溫度，但其伸入深度與鍋爐截面相比仍較小，且僅用于鍋爐啟動(dòng)期間，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，不能用于燃燒調(diào)整。

2.3紅外測溫儀

紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律。自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有關(guān)，遵循普朗克公式，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。所以，通過測量物體的紅外輻射強(qiáng)度即可計(jì)算出待測物體的溫度。

利用紅外輻射測量溫度，受物體發(fā)射率、測溫距離、煙塵和水蒸氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。

3聲波測溫技術(shù)的原理

聲波測溫原理基于聲速與介質(zhì)溫度的關(guān)系，火電廠鍋爐中，在爐墻兩側(cè)分別安裝聲波發(fā)聲和接收裝置，如圖1所示。

圖1 單路徑聲波測溫示意圖

左側(cè)聲波發(fā)射器發(fā)出脈沖波，經(jīng)過爐膛，另一側(cè)聲波接收器接收。由于兩者之間的距離是已知并且固定的，所以很容易對聲波傳播速度進(jìn)行測量，聲波在煙氣中的傳播速度取決于煙氣的溫度，關(guān)系如下：

式中：c——為聲音在介質(zhì)中的傳播速度(m/s);

R——理想氣體普適常數(shù)(J/molgk);

r——氣體的絕熱指數(shù);

T——氣體溫度(K);

m——氣體分子量(Kg/mol);

對于溫度分辨率要求不高的測溫環(huán)境，一條或者兩條相互獨(dú)立路徑上的測溫單元就足夠了。對于火電廠鍋爐來說，要實(shí)現(xiàn)爐膛二維溫度場的監(jiān)測，必須要在鍋爐的橫截面圓周上布置大量的聲波發(fā)聲和接收系統(tǒng)，獲得大量的路徑溫度信息，通過重建算法建立這個(gè)平面的二維溫度場。圖2列舉出了不同布置的聲波收發(fā)系統(tǒng)形成的多路徑測量圖。

圖2 幾種路徑布置示意圖

4、聲波測溫技術(shù)在燃燒可視化上的應(yīng)用

某電廠2×600MW機(jī)組采用哈爾濱鍋爐廠HG-2070/17.5-YM9型鍋爐，為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、控制循環(huán)、四角切向燃燒方式、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)干式排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架的∏型汽包爐。該電廠1號鍋爐配備燃燒可視化系統(tǒng)，簡稱鍋爐BVD系統(tǒng)(BVD為燃燒可視化、數(shù)字化的英文首字母縮寫)。系統(tǒng)配置如下：

(1)在鍋爐爐膛被測面標(biāo)高48000mm處安裝8個(gè)聲波傳感器(按圖2中c方案布置)，在整個(gè)測量平面內(nèi)共形成24條聲波傳播路徑。

(2)在煙道過熱器后標(biāo)高70800mm處安裝2個(gè)聲波傳感器形成一條路徑監(jiān)測溫度(判斷積灰程度);鍋爐燃燒區(qū)標(biāo)高60200mm處同樣安裝2個(gè)聲波傳感器形成一條路徑作為基準(zhǔn)溫度，通過模型計(jì)算，即可判斷積灰程度。

(3)系統(tǒng)運(yùn)行后，按設(shè)定的程序，在一個(gè)檢測周期內(nèi)順序啟閉各個(gè)聲波發(fā)射接收器，信號經(jīng)放大器進(jìn)入信號處理器后得到每條路徑聲波傳播時(shí)間。

(4)信號處理器將每個(gè)路徑溫度信息通過RS-422端口傳輸?shù)斤@示界面，為運(yùn)行人員提供溫度場等溫線圖、路徑圖、爐管泄露圖、區(qū)塊圖以及時(shí)間趨勢圖等直觀化的信息。