聲學測溫系統在200 MW電站鍋爐中的應用研究

安連鎖, 李庚生, 沈國清, 張世平, 馮 強, 王 然

(華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室,北京102206)

電站鍋爐的燃燒狀態對鍋爐的安全運行、優化燃燒以及節能降耗等具有重要意義.但由于爐膛內的湍流、高溫、腐蝕等復雜惡劣工況,目前尚未有很好的方法能夠測量并準確地給出爐膛高溫區域的溫度場信息[1].現場常用的火焰電視可以直接觀察噴嘴的著火情況,但僅提供了定性的火焰有/無和一定的火色信息,沒有定量的溫度信息.而爐膛煙溫探針僅在啟動過程中監視爐膛出口煙溫,防止過熱器干燒,超過一定溫度后自動退出,不能進行全負荷工況監視,且易于損壞.

基于聲波的溫度測量技術具有非接觸、對測量對象無干擾等優點,能夠實現鍋爐燃燒的實時在線監測[2].國內外學者針對該項技術進行了大量的理論和試驗研究,取得了很大進展,其中包括時間延遲估計、重建算法研究等[3-8].筆者在楊祥良等[9]的單路徑聲學高溫計試驗成功的基礎上,研發出多路徑聲學測溫系統,并首次在國內某200 MW機組的鍋爐上進行安裝和調試,獲得了大量寶貴的數據,為傳統的高溫測量領域提供了新技術.

1 聲學測溫原理

理論上講,聲學測溫所需的裝置就是一個安裝在爐墻一側的聲波發射器和安裝在另一側的接收器,見圖1.發射器發出一個聲波脈沖,被接收器檢測到,由于兩者之間的距離是已知并且是固定的,可以很方便地計算出聲波脈沖傳播路徑上的平均溫度.聲波在煙氣里的傳播速度取決于煙氣的溫度,它們的關系如下:

式中:v是聲音在介質中的傳播速度;R是氣體常數;γ是氣體的絕熱指數;M是氣體摩爾質量;T是氣體溫度.

圖1 單路徑聲學測溫原理示意圖Fig.1 Principle drawing of one-path acoustic pyrometer

2 系統介紹

在國內某200 MW機組大修的時段,在其鍋爐上進行了多路徑聲學測溫系統的安裝和調試.該機組鍋爐是由北京巴威公司生產的超高壓、一次中間再熱單爐膛自然循環鍋爐,型號為B&W-670/13.7-M.該鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式,配置了24只標準的雙調風 EL-DRB型旋流燃燒器,分4層布置.此次試驗安裝本著利用左墻和右墻上原有的觀火孔或短吹孔,不在水冷壁上打眼的原則.根據鍋爐布置總圖,結合現場考察,確定測點的安裝高度為折焰角下方29.8 m平臺處.利用預留的短式吹灰器孔,左墻2個、右墻 2個、前墻1、后墻 1個,一共布置6個測點,13條測溫路徑.圖2為聲學測溫系統安裝示意圖.6個就地測點直接敷設電纜到主控室電子間的控制柜.

圖2 聲學測溫系統安裝示意圖Fig.2 Installation diag ram of acoustic pyrometer system

聲學測溫系統的就地測點主要由聲波發生器、聲波接收傳感器、聲波導管和定期吹掃裝置等部分組成,就地測點實物圖見圖3.

圖3 就地測點實物圖Fig.3 Photo of an acoustic pyrometer installed on site

系統軟件分為參數設置模塊、數據采集模塊、聲波飛渡時間(Time of Flight,TOF)計算模塊、重建算法模塊、溫度場顯示模塊和數據保存模塊等.所有功能都在后臺自動完成,運行時只需直接觀看爐膛溫度場顯示畫面即可.圖4為軟件模塊示意圖.

圖4 軟件模塊示意圖Fig.4 Schematic diag ram of the software module

3 基于相位變換加權互相關算法的冷態調試

首先在冷態條件下,測量13條聲學路徑上的聲波飛渡時間,對13條聲學路徑的長度進行了標定.由于鍋爐爐膛是一個封閉的空間聲場,具有強混響,基于普通互相關的時延算法無法得出滿意的結果.經過大量試驗,基于相位變換加權的互相關算法可以有效消除混響影響,準確得出聲波飛渡時間.

發射端和接收端兩通道的信號模型為:

式中:s(n)為信號;n1(n)和n2(n)為噪聲信號;D為兩通道間的時間延遲;A為衰減系數.

基于相位變換加權的互相關函數為:

式中:τ為兩信號之間的時間延遲;ψ12為頻域處理的加權函數,為傅里葉變換;F-1為傅里葉逆變換.

加權后的互相關函數為:

式中:Gx1x2(f)為信號1和信號2互功率譜.

設定好聲源的發生信號、音量、采樣率及傅里葉分析點數等參數,在爐膛里測得當地聲速v=350 m/s,爐膛冷態溫度T=296 K,測得的聲波飛渡時間見表1,為熱態調試做好準備.

表1 冷態下13條路徑上TOF值Tab.1 Time of flight through 13 paths at cold state

4 熱態調試和運行

鍋爐點火后,聲學測溫系統運行良好.13條測溫路徑均能正確顯示溫度數據,并能夠實時重建二維溫度場,為運行人員及時了解爐膛的燃燒情況提供了有效工具.圖5為該機組帶180 MW負荷時,第6測溫路徑某時段測得的數據圖.由于設定每1 min為1個測量周期,4 h里共測得240個溫度數據.溫度值基本在1 000～1 100℃之間,平均溫度為1 055℃.

圖5 第6測溫路徑測得的240個溫度數據圖Fig.5 Historic temperature data for the 6th path measured in a four-hour period

為了重建二維溫度場,將欲重建的二維截面區域離散化[10],把整個重建區域劃分為N=4×3=12個非重疊的像素區域.圖6為該爐膛的截面布置圖.

圖6 爐膛截面布置圖Fig.6 A rrangement of measurement points on the cross section of furnace

式中:wij在數值上等于第i條射線經過第j個像素的長度.

這樣,經過一個周期的聲波收發測量過程,便得到一個線性方程組

式中:n為重建區域劃分的像素總數;m為穿過條射線溫度場截面的聲波測量路徑總數;wij為權因子,它的大小反映了第j個像素對第i條測量路徑的貢獻;每個方程右端的τi成為第i號測量路徑上的聲波飛渡時間;左端的和式稱為偽射線和,將方程組用矩陣表示為

然后利用Tikhonov正則化方法對該連續算子方程的逆問題求解.重建后的溫度場及鍋爐截面的燃燒強度圖見圖7,圖8為溫度場三維顯示圖.

圖7 鍋爐截面的燃燒強度圖Fig.7 Two dimensional display of temperature field

由圖7可以看出,該爐膛截面的前后墻溫度偏高,中心溫度偏低,這和該鍋爐前后墻對沖布置的燃燒方式相吻合.可見聲學測溫系統可以準確判斷該截面上的火焰中心位置,證明了溫度場實時監測的準確性,有助于運行人員實時調整燃燒,防止火焰中心偏移,確保鍋爐的安全經濟運行.

由于測點個數的限制,6個測點僅僅能形成13條測量路徑.如果增加測點,例如典型的8個測點布置(前后左右墻各布置2個測點)就可以形成24條測量路徑,將會進一步增大溫度場的分辨率.

圖8 溫度場三維顯示圖Fig.8 T hree dimensional display of temperature field

5 結 論

(1)國內自主研發的聲學測溫系統首次在國內某200 MW機組鍋爐上安裝和調試并取得成功,獲得了大量寶貴數據,為今后在大型機組鍋爐上的投運積累了經驗.

(2)基于相位變換加權的互相關算法可以有效去除冷態條件下爐膛的強混響影響,準確得出聲波飛渡時延估計值.

(3)6個測點形成的13條測溫路徑均能正確顯示溫度數據.通過級數展開法結合 Tikhonov正則化方法重建得到該爐膛截面的二維溫度場,前后墻溫度偏高,中心溫度偏低,和該鍋爐的前后墻對沖的燃燒方式相吻合,可以準確判斷該截面上的火焰中心位置.

(4)聲學測溫系統為傳統的高溫測量領域提供了新技術,將電站鍋爐的燃燒情況可視化,對鍋爐的安全運行、優化燃燒、節能降耗等具有重要意義.

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