基于聲波速度測量的鍋爐爐膛溫度監測

張建立　楊棟

摘要：介紹了利用聲波測量鍋爐爐膛溫度、建立全截面溫度場的原理及實施方法，經試驗驗證，基于互相關函數法能較好地測量聲波飛渡時間，并且試驗數據十分穩定，將溫度場作燃燒可視化成像處理，直觀監控鍋爐爐膛燃燒狀況，確定了利用聲波測量鍋爐爐膛內溫度技術的可行性。

關鍵詞：聲波測溫;互相關函數;聲波飛渡時間;燃燒可視化

中圖分類號：TK311 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1671-0797（2022）02-0057-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.016

1 ? ?系統概述

目前為止，鍋爐爐膛中燃燒的火焰情況對于運行人員仍然是“黑匣子”一樣的存在。當爐膛中的燃料在燃燒過程中出現火焰中心偏斜、火焰刷墻等現象，偏離優化燃燒工況時，依靠現有的監測技術（包括定性監測的火焰監視器、有限的爐膛出口煙溫測點、過熱器/再熱器壁溫測點及其他鍋爐運行參數等）并不能有效識別，無法采取相應的燃燒調整和控制措施克服，易導致水冷壁結焦、爆管，過熱器超溫、爆管等降低鍋爐運行經濟性的故障和事故[1]。

本系統是一種全新的測量系統，能夠提供以前從未測量過的參數——爐膛燃燒時的溫度分布，可對鍋爐燃燒狀態進行定量、可視化、實時在線的監測，及時發現不良的燃燒工況，通過對一/二次風量的配比調節、燃燒器的組合調整等措施，消除燃燒調節不合理導致的不良燃燒狀態，實現平衡及優化燃燒，減少燃料量的投放，降低NOx及飛灰等的排放，延長機組使用壽命，從而達到節能降耗，減少污染物排放，提高鍋爐運行效率及經濟性的目的。

2 ? ?聲波測溫原理及系統軟硬件設計

2.1 ? ?聲波測溫原理

（1）單路徑平均溫度測量：聲波在氣體中傳播速度的二次方與其傳輸路徑的氣體溫度成正比。

聲波測溫系統基于介質中的聲音傳播速度與介質溫度的相關公式，通過精確測量聲波從發射到遠處接收的時間差以及發射點和接收點之間的距離，就可以得到這兩點之間介質的平均溫度。準確和穩定測量聲波飛渡時間是確保測量精確度和測量魯棒性（穩定性）的關鍵。

（2）多路徑平均溫度測量：在裝設一定數量的發射器和接收器后就可得到多路徑溫度，通過重構算法就可得到區域平均溫度。

（3）溫度場重建：根據24條聲波路徑溫度，采用基于高斯函數與正則化法的溫度場重建算法及層析成像技術，實現在較少溫度投影條件下的溫度場重建，并在顯示器上實時在線顯示溫度分布狀態和其他相關信息。

2.2 ? ?系統硬件

本系統由8套聲波發射/接收傳感組件、8套前置放大裝置、1個過程控制單元、1個中央控制單元組成。8套聲波發射/接收傳感組件安裝于鍋爐四壁的同一平面上，不同側的2個傳感器之間共形成24條聲波路徑，提供給中央控制單元進行溫度場運算和顯示。聲波測溫系統拓撲圖如圖1所示，核心硬件主要有：

（1）發聲系統。這部分由文丘里管、波導管、波導管延伸及相應附件組成。文丘里管通過壓縮空氣發出強度為126 dB、特定帶寬的白噪聲，經波導管耦合放大后送入爐膛作為本系統的聲波信號源。

（2）聲波傳感器。這部分采用由特殊腔體結構以及聲學振子、特制的壓電陶瓷堆制成的微音傳感器。聲波傳感器工作溫度范圍-20～400 ℃，動態響應范圍≥100 kHz。

（3）前置放大器。對于發聲端和接收端傳感器接收到的聲波信號，都能使其輸出形式由電荷信號轉換為電壓信號，并具有信號放大功能，然后傳送至過程控制單元進行處理。

（4）過程控制單元。這部分由電源轉換電路、信號預處理電路、發聲控制電路、中央處理電路組成，作用如下：一是對聲波傳感器采集的聲波信號同時進行放大、衰減和帶通濾波處理;二是可設置聲波路徑對應關系，按照配置好的聲波路徑對應關系依次控制發聲裝置進行發聲，同步采集發聲端和接收端聲波傳感器采集到的聲波信號，進行互相關運算，計算路徑平均溫度，發送給中央控制單元進行溫度場重建運算和成像顯示。

（5）中央處理單元。這部分由專業工業計算機和FTMS-2018溫度場軟件組成，作用如下：接收過程控制單元路徑溫度，進行溫度場重建并計算區域均溫等，將溫度場數據發送給DCS進行顯示和燃燒優化調整。

2.3 ? ?系統軟件

FTMS軟件功能簡介：根據路徑溫度，通過FTMS軟件重建二維溫度場，實時顯示爐膛內溫度分布圖，記錄和回放歷史溫度分布變化。具體包括溫度分布等溫線圖、溫度分布區域均溫、路徑溫度、路徑或區域溫度趨勢圖、溫度統計分析、爐管泄漏信息監測等。

軟件模塊如下：

（1）等溫線顯示。實時顯示爐膛平面溫度場分布情況及等溫線，直觀展示燃燒情況。等溫線間隔/條數可任意設置，可顯示實時溫度分布和回放歷史溫度分布，還可顯示平面任一點溫度值。

（2）區域均溫。計算并顯示用戶自定義矩形區域平均溫度，并將計算的區域均溫發送給DCS。最多可設置24個區域，區域設定靈活。

（3）路徑溫度。顯示當前接收到的路徑平均溫度值，用于判斷傳感器工作狀態。

（4）溫度趨勢。記錄并顯示所有路徑或區域溫度趨勢曲線。實時顯示當天選定的8塊區域或8條路徑溫度趨勢曲線，回放顯示選定日期的8塊區域或8條路徑溫度趨勢曲線。

（5）溫度統計。可以任意設定時間間隔，統計區域或路徑溫度的平均值、最大值、最小值、標準差、變化率、超溫累計時間等信息。實時顯示當天的統計信息，顯示選定時間段的統計信息。

（6）爐管泄漏信息監測。通過接收傳感器對爐內噪聲的監測，識別非正常背景噪聲，繪制噪聲曲線，判斷爐內是否有泄漏發生。實時顯示當天選定的傳感器監測噪聲曲線，回放顯示選定日期的傳感器監測噪聲曲線。

聲波測溫系統信號處理計算機自帶顯示器，可顯示以下畫面：各條路徑平均溫度值、爐膛斷面16個區域溫度值、爐膛等溫斷面溫度2D彩色圖像。

聲波測溫系統除了在信號處理計算機上顯示以上畫面外，同時可以通過4～20 mA信號將爐膛斷面的多個區域溫度信號傳輸到DCS，并在其操作員站上顯示。

2.4 ? ?配置及實施方案

在爐膛出口、屏式過熱器下的2 m左右高度（精確尺寸待用戶提供鍋爐圖紙最終確定），測量爐膛出口斷面溫度分布。系統能從鍋爐啟動開始，全負荷范圍內監控鍋爐爐膛出口煙氣溫度場。啟動階段可以控制屏過前煙溫不要升得太快，防止干燒而損壞再熱器，同時，通過觀察溫度場穩定性確認是否存在啟動初期風量太大，導致燃燒不穩而潛在滅火的可能性。正常運行特別是煤質變化時控制火焰高度，保證爐膛出口溫度在設計要求范圍內，確保燃燒經濟性，滿足運行優化、節能減排要求;同時監視火焰偏斜情況，以免導致一側火冷壁結焦。

聲波測溫系統配置不少于2個聲波發生器ASG、不少于8個聲波接收器ASR（圖2）和1臺信號處理計算機SPCW，測得爐膛斷面16個區域的溫度值（圖3），運行人員可清晰地觀察斷面溫度值分布。另外，還可以通過VGA視頻延長器，將彩色圖像接到操作員站或大屏幕上，以便隨時觀測溫度情況。

3 ? ?聲波測溫系統的作用及經濟效益

3.1 ? ?系統的重要作用

（1）監控爐膛出口溫度。防止爐膛出口溫度過高導致過熱器結焦和管壁超溫;防止啟動時爐膛出口溫度升高太快燒壞尚無蒸汽流過的再熱器管（干燒）;監控爐膛出口溫度，判別水冷壁吸熱情況，實現優化吹灰控制;控制不同負荷下的爐膛出口溫度，合理分配輻射熱和對流熱的比例，減少過熱器和再熱器的噴水量，提高回熱效率[例如對于300 MW機組，再熱器噴水每減少10 t/h，煤耗降低約1.91 g/（kW·h）]。

（2）矯正燃燒不均衡。及時發現和矯正兩側煙溫、汽溫的偏差;防止煙氣偏向一側，導致該側水冷壁磨損、結焦;防止局部過熱而流渣。

（3）提高燃燒效率。優化風/粉比，將過量空氣系數降低至合理范圍內;均衡各側（角）燃燒器的風量分配;控制火焰中心高度，使煤粉在爐膛內充分燃盡，確保合理的熱量分配;為優化燃燒控制系統提供更直接的判據，使優化系統更具可操作性。

（4）降低污染物排放。防止出現局部火焰過熱，降低NOx生成（當局部火焰溫度達到1 482 ℃時，NOx生成將呈指數級增加）;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的運行費用。

（5）保障鍋爐安全運行。可避免燃燒工況組織不合理造成的火焰中心偏斜、火焰刷墻等情況，以免發生爐膛結焦、滅火、爆炸以及爆管等運行事故。

3.2 ? ?經濟效益

本系統投運后，機組運行經濟性得到提高，預計鍋爐燃燒效率提高至少0.1%，水冷壁及過熱器壁溫不均勻度下降20%;大幅減少甚至避免了鍋爐受熱面超溫及高溫腐蝕等問題，降低了受熱面超溫或高溫腐蝕引起的爆管等不安全事件的發生率，大大提高了鍋爐運行可靠性;同時可延長檢修周期而帶來效益，鍋爐本體平均檢修周期預計延長半年以上。

3.3 ? ?社會效益

該技術是計算機、聲學、信息處理技術、圖像處理技術相結合的綜合產物，其應用必將有力推動我國鍋爐安全監測與節能減排技術的發展，使技術迅速變為生產力，并帶動相關學科人才的培養和發展，因而具有重要的社會效益。

3.4 ? ?環境效益

本項目在鍋爐燃燒優化控制、安全運行、提高生產效率、節約能源、尋求最優燃燒方式及最優控制策略、減少環境污染等方面都具有重要意義。

4 ? ?結語

綜上所述，聲波測溫系統已在國內眾多電廠進行了與溫度探針的實際對比驗證，實踐表明，偏差在7～14 ℃范圍內，其完全可以取代溫度探針。通過監控爐膛出口溫度，判別水冷壁吸熱情況及局部火焰過熱、爐膛出口火焰偏斜情況，進行燃燒效果評價。同時，可取代只能在啟動時使用的溫度探針，從啟動開始，全過程監控鍋爐爐膛出口煙溫，確保鍋爐燃燒安全，實現運行優化、節能減排。

[參考文獻]

[1] 陳欽，楊權，舒茂龍.1 000 MW超超臨界鍋爐聲波測溫技術的特點及應用[J].華電技術，2011，33（3）：5-7.

收稿日期：2021-10-21

作者簡介：張建立（1987—），男，山東煙臺人，碩士研究生，工程師，從事電力生產工作。