基于聲學技術的爐膛溫度場在線監測燃燒優化系統開發

陳曉霞

摘? 要：火電廠鍋爐燃燒優化是火電廠安全、節能和減排的關鍵所在。現有的爐膛內部煙氣溫度一般采用煙溫探針等少數集中方式測量，且只能對爐內某一點或一個時間段進行測量。長期來缺少一種可靠和準確的在線測量爐膛溫度（場）的手段，使優化燃燒失去直接監控和判別的依據

一、國內外鍋爐優化燃燒現狀、水平和發展趨勢及知識產權情況

實現鍋爐優化燃燒是機組優化運行的重要前提。這就要求對燃燒以及和燃燒有關的重要信息，特別是溫度信息要有一個全面的、準確的、實時的了解掌握和采集，以便實時調整燃燒，實現過程的優化。然而，電站鍋爐爐內環境惡劣，具有溫度高、尺度大、多種物理場（溫度場、動力場和密度場等）共存等特點。由于這些電站鍋爐的高溫、湍流、變負荷等固有特性，加上換熱器管陣列結構和爐壁復雜邊界等影響，傳統的一些溫度測量方法無法滿足現場測量的實時性和準確性。例如，以住使用抽氣式高溫熱電偶逐點測量的方法受熱元件材料高溫性能的限制，只能做短時間測量，且逐點測量使得現場就地操作量大、同時性差，無法實現實時在線監測。而現在國內電站鍋爐普遍采用全爐膛看火電視裝置，通過攝像頭來直接觀察火焰圖像，這種方法太直觀，只能作為爐膛是否滅火的判斷依據，不能提供定量的溫度信息，不能給出詳細的熱力參數，并且存在人為的主觀判斷。于是，尋求一種能適用于上述特點的新的測量技術就顯得尤為重要和迫切。

事實上目前國內不少電廠正在大力推進智慧電廠的建設，爐膛燃燒可視化技術開發是其中重要的一環。

目前爐膛溫度場的測量主流技術有光學法、激光或二氧化碳光譜法、聲學法。其中前兩種測量方法相對而言精度不佳（運行后接收器位置相對移動導致信號變化），且投資較高。因此本課題選擇聲學法進行研究。

在國外，聲學測溫技術起步較早，研究也比較廣泛和深入。例如，美國ETX公司的PyroMetrix聲波測溫系統、美國的SEI公司的BOILERWATCH MMPⅡ聲波溫度測量系統以及德國B+D公司的AGAM聲波溫度測量系統在全球范圍內均有良好廣泛的應用。其中在國內已有300MW、600MW、1000MW機組上各種爐型多套聲波測溫系統投入試驗應用（切圓燃燒;前后對沖燃燒;∏型爐，塔式爐等），工程應用上已可以取代煙溫探針等傳統測量方式。但是，在國內電廠中應用存在氣動聲源噪聲大，高壓設備容易損壞和溫度場重建精度較低，售后技術服務跟不上等問題。

國內對聲學測溫技術在鍋爐的應用研究起步較晚，到20世紀末才有相關報道。目前國內的研究機構主要是東北大學、華中科技大學、華北電力大學、浙江大學等。其中東北大學研究的主要方向是爐膛溫度場的重建，如采用二維傅里葉函數展開法、彎曲路徑、高斯函數與正則化法等重建算法;華北電力大學團隊則從測溫技術涉及的聲源特性、聲波傳播時間、溫度場重建等關鍵技術進行了較深入的研究。

二、本系統開發主要技術內容及實用價值

爐膛煙氣參數的監控，特別是溫度（場）測量的重要性具體表現為：

（1）監控爐膛出口溫度。

（a）防止出口溫度過高導致過熱器結焦和管壁超溫。

（b）防止啟動時出口溫度升高太快和燒壞處于無蒸汽流過的過熱器管（干燒）。

（c）監控出口溫度判別水冷壁吸熱情況優化吹灰控制。

（d）控制不同負荷下的合理爐膛出口溫度，合理分配輻射熱和對流熱的比例。

（2）矯正燃燒不均衡。

（a）及時發現和矯正兩側煙溫、汽溫的偏差。

（b）防止煙氣偏向一側導致該側水冷壁磨損、結焦。

（c）防止局部過熱。

（3）提高燃燒效率。

（a）優化風煤比，將過量空氣系數降低至合理范圍內。

（b）均衡各側燃燒器的風量分配。

（c）控制火焰中心高度，使煤粉在爐膛內充分燃盡，又確保合理的熱量分配。

（d）為優化燃燒控制系統提供更直接判據，使優化系統更具可操作性。

（4）降低污染物排放。

（a）防止出現局部火焰過熱，降低NOx生成（當局部火焰溫度達到1482℃時，NOx生成將成指數級增加）。

（b）對于配置有脫硝裝置的鍋爐，由于煙氣中NOx含量降低，可大大降低脫硝裝置運行費用。

三、系統開發內容和目標及關鍵技術

1、系統研究開發內容

本系統選擇在南通醋酸纖維有限公司熱電生產部#11鍋爐實施。在鍋爐爐膛出口屏式過熱器下部1～2米層面內，燃盡風上部研究配置爐膛煙氣聲波測溫系統，解決鍋爐從啟動開始，全負荷范圍內實時監測爐膛出口煙氣溫度的問題，并且測量爐膛內部最高溫度區域溫度，監測燃燒偏斜。其具體內容如下：

（a）高強度電動聲波發生系統和強背景噪聲條件下的聲信號提取方法研究

聲波發生系統采用電動聲源，螺旋線聲波導管和功率放大器相匹配，具有功率大，安全可靠，聲波頻率可調等特點。針對冷態時爐內的混響問題和熱態時爐內的高噪聲問題，采用先進的時間延遲估計算法，都可以得到準確的時間延遲估計。

（b）爐膛區域溫度分布的重構算法以及仿真技術

針對爐膛二維截面，布置8發8收（每側2個），形成24條測量路徑，通過計算機層析成像算法實現溫度場重建，能夠準確得出復雜溫度場中任意一點的溫度信息。

（c）聲波發生器和聲波接收器的位置選擇及其對測量影響的研究

（d）確保系統長期可靠工作的特殊安裝技術研究

2、預期目標：

為機組鍋爐提供1層聲波測溫系統，包括硬件和軟件，從鍋爐啟動到滿負荷過程全程監控爐膛出口煙氣溫度和最高溫度區火球中心燃燒偏斜情況，通過直觀的數值和2D、3D彩色圖像（區域溫度顯示圖、等溫線圖等）顯示出來。同時以4-20mA信號在DCS中組態和顯示爐膛溫度（16個區域溫度和鼠標點擊二維溫度場內任一點的溫度），并取得相關工程應用技術成果，完成驗收鑒定，提出鑒定報告。

預期研究成果處于國內先進水平。

3、關鍵技術

溫度測量中聲波飛渡時間的準確測量

爐膛溫度場CT重建技術

技術創新之處（國家有關部門、全國（世界）性行業協會等具備相應資質的機構若頒布相關技術參數或標準，應提供。）

能夠給出實時的二維溫度場信息，包括區域溫度圖、等溫線圖和三維溫度立體圖，運行穩定可靠。便于運行人員及時判斷溫度分布和火焰中心是否偏移，防止水冷壁局部過熱超溫。通過使用該技術，為機組的燃燒優化調整提供了參考，降低煤耗，節省燃料成本;延長換熱面壽命，節省換管費用;減少鍋爐NOx排放，節省脫硝成本。

系統研發的聲學測溫系統性能價格比優于國外同類系統。系統價格僅為國外同類產品的一半，系統的測量精度、溫度場分辨率、穩定性等性能指標均優于采用國外產品和技術。在系統軟硬件升級、備品備件供應、售后服務與人員培訓等方面具有明顯的優勢與市場競爭力。

3.1聲波測溫原理

聲波法溫度測量技術基于聲速與介質溫度的關系，介質中聲波的傳播速率與介質的溫度呈某種函數關系，C=f（R，k，M，T）。我們可通過測量聲波的速率計算出該路徑的介質溫度。

其中，

C——聲音在介質中的傳播速度

R——氣體常數

k——氣體的絕熱指數

M——氣體分子量

T——氣體溫度

由此，獲得聲波傳播速度，即可計算出介質的溫度。

3.2設計思路

我們選取的是8個收發器24條路徑的設計方法。

四、開發試驗方法及技術路線

參考文獻：

[1]《聲學法測量爐膛溫度場的重建算法的分析》東南大學? 楊唯

[2]《火力發電廠鍋爐爐內溫度場在線測量技術研究綜述》華電電力科學研究院 莊榮

[3]《基于有限元的爐膛溫度場聲波傳播特性數值研究》鄭州大學? 姬會東

[4]《爐膛燃燒噪聲環境下聲波飛行時間測量方法研究》沈陽航空工業學院? 羅振