聲波在線測溫系統在神頭電廠500MW機組塔式鍋爐中的應用

劉衛東 劉宏禎 畢國軒 張立強 劉嘉民

（1.國家能源集團山西神頭第二發電廠有限公司，山西 朔州 036011；2.國家能源集團山西電力有限公司，山西 太原 030006；3.秦皇島市民生電力設備有限公司，河北 秦皇島 066100）

電廠鍋爐燃燒的基本要求是建立和保持穩定的燃燒火焰，燃燒工況組織不合理造成的燃燒不均勻、火焰中心偏斜以及火焰刷墻等問題是導致爐膛結焦、爐管爆破、爐膛滅火以及爐膛爆炸等運行事故的重要原因。因此，對電廠鍋爐、工業加熱爐進行燃燒診斷具有很重要的現實意義[1-2]。聲波在線溫度場監測系統可以提供前所未知的和從未測量過的參數——爐膛燃燒時的溫度場分布，可以對鍋爐燃燒狀態進行可視性的全程實時在線監測，為在不良工況下對可調參數進行調節提供依據，還可以可視化地觀測調節后的燃燒狀態，解決由燃燒調節不合理造成燃燒不均勻、火焰中心偏移以及火焰刷墻等問題導致的爐膛結焦、爆管、滅火等事故，實現平衡、優化燃燒的目標，減少燃料的投放量，降低氮氧化物以及飛灰等的排放量，延長機組的使用壽命，達到節能降耗、減少污染排放以及保護環境的目的，從而提高鍋爐的運行效率和經濟性。

該文以神頭電廠500 MW塔式鍋爐為應用背景，介紹聲波在線測溫系統的原理、組成、安裝、調試結果以及運行效果。

1 聲波在線測溫系統原理

聲波測溫原理是基于聲波在介質中的傳播速度與介質溫度的關系，通過測量聲波從發射端到接收端的飛行時間[3-5]，在已知2點距離的情況下計算聲波速度，從而根據公式（1）計算聲波傳播路徑的平均溫度。

式中：v為聲波在氣體介質中的傳播速度；γ為氣體介質定壓比熱容與定容比熱容的比值；R為普適氣體常數，R=8.3144 J/（mol·K）；T為絕對溫標；M為氣體的摩爾質量。

在鍋爐四壁分別安裝發聲和接收采集裝置，可以得到多條獨立的聲波傳播路徑，每條路徑的聲波從發聲端傳送到接收端，經過前置放大器放大后，經過過程控制采集計算該條路徑的平均溫度，所有路徑的平均溫度經過溫度場重建算法[6-7]得到鍋爐平面的溫度場分布圖。

2 聲波在線測溫系統的組成

2.1 聲波發生器

聲波發生器采用氣動聲源發聲原理和鍋爐儀表氣，通過文丘里管和圓錐形聲波導管后發出頻段為1 000 Hz～2 000 Hz的白噪聲，當壓縮空氣的壓力為0.6 MPa時，發出的白噪聲在發送端可達120 dB，測量距離超過30 m。

2.2 壓電陶瓷聲波傳感器

聲波傳感器采集發送端和接收端的聲波信號，以計算聲波的飛行時間，要求具有高靈敏度、良好的頻率選擇特性、良好的相頻特性以及耐惡劣環境（高溫、高粉塵等）等特點。

該系統的壓電式聲波傳感器采用高溫陶瓷堆，壓電陶瓷堆通過縱向振動變幅桿連接邊緣鉗定彎曲振動圓盤，靈敏度較高，可以響應70 dB以上的聲波信號，耐溫為280 ℃，在100 Hz～2 000 Hz的相位差小于0.3°。

2.3 前置放大電路

壓電式聲波傳感器輸出的電荷信號需要轉換為電壓信號，再送入后續的采集處理單元進行分析。該系統采用電荷放大器設計前置放大電路，克服了電壓放大器存在的抗干擾能力差、傳輸線影響大以及需要與傳感器進行精準阻抗匹配等缺點。針對發送端和接收端聲波信號強弱差異較大的問題，每個前置放大電路設計了2路放大通道，分別匹配發聲端和接收端。

2.4 聲波信號采集處理系統

聲波信號采集處理系統計算聲波飛行時間以及路徑平均溫度，并將計算結果發送給溫度場成像軟件。聲波信號采集處理系統包括聲波信號預處理模塊、通信模塊和采集測量模塊。聲波信號預處理模塊通過設置濾波電路的截止頻率來濾除無用信號，通過調整放大電路和衰減電路將聲波信號調整到后續采集電路的有效范圍內，同時還可以有效地提高信噪比。通信模塊在聲波測溫前接收聲波鍋爐測溫采集處理電路發送的各測量路徑相應的參數設置值，并將參數設置值傳送至聲波預處理電路，將計算結果發送給溫度場成像軟件。采集測量模塊在發聲器的發聲過程中采集發聲器的發聲端傳感器數據和接收端傳感器數據，以計算飛行時間和平均溫度。

2.5 溫度場成像系統

溫度場軟件實現的具體功能如下：1） 接收路徑均溫并進行顯示、保存和處理。2） 對接收的路徑均溫進行處理，得到溫度場分布數據，顯示溫度分布和等溫線圖。3） 對接收的路徑均溫進行處理，得到區域均溫，顯示區域均溫圖并保存區域均溫數據。4） 顯示路徑或區域均溫的實時趨勢圖。5） 對路徑、區域均溫進行統計分析。6） 回放路徑溫度、溫度分布以及區域均溫。7） 輸出路徑溫度、區域均溫以及報警信息。

溫度分布窗口集成了溫度場、等溫線，用不同顏色代表不同溫度，同時可以實時顯示各位置的溫度值。溫度分布界面狀態欄實時顯示鼠標所指位置的坐標值和溫度值。

區域均溫窗口顯示事先劃分好的各區域的溫度，用不同顏色代表不同溫度。區域均溫界面狀態欄實時顯示鼠標所指位置的區域編號、區域坐標以及相應的平均溫度值。

路徑均溫窗口顯示路徑拓撲圖，以列表形式顯示各聲波發生/接收器間的聲波路徑上的平均溫度。

趨勢分析是以曲線的形式呈現溫度場各區域或各路徑的溫度變化情況，包括實時趨勢和歷史趨勢。可以通過設置選擇區域溫度變化趨勢和路徑均溫變化趨勢，并具體指定需要分析的是哪幾個區域或者路徑；可以通過設置選擇路徑的溫度變化趨勢，并具體指定需要分析哪幾條路徑。

統計分析是對爐膛內各區域或各路徑的溫度變化的統計特性進行分析，可以計算某時間段內的最大值、平均值以及最小值并以表格的方式呈現結果。

3 聲波在線測溫系統的配置

根據神頭電廠1#鍋爐的爐膛布置和沿爐膛高度煙氣溫度分布情況確定在鍋爐49 m處安裝聲波在線測溫系統。系統整體安裝配置示意圖如圖1所示。10個測點位置分別安裝10套發聲、聲波采集系統以及10只“K”形熱電偶，就地安裝過程控制單元柜，集控室安裝中央控制單元和過程輸出單元。過程控制單元和中央控制單元間通過RS-422總線進行數據傳輸，過程輸出單元和中央控制單元間通過RS-485總線進行數據傳輸。發聲和聲波采集系統組成如圖2所示，由發聲裝置、電磁閥、壓電式聲波傳感器以及前置放大器組成，熱電偶變送器也安裝在傳感器前置放大單元盒中。

圖1 系統整體安裝配置示意圖

圖2 發聲及聲波采集系統

4 聲波在線測溫系統運行情況

在系統投入運行后，為鍋爐運行和管理人員提供了大量鍋爐爐膛燃燒工況和煙氣溫度分布數據。

4.1 冷態試驗結果

2022年6月13日22：00聲波測溫系統連通成功，開始上傳數據，溫度分布如圖3所示。由測量結果可知，各區域的溫度值為22 ℃～24 ℃，測量結果準確。

圖3 冷態溫度分布圖（單位：℃）

4.2 熱態試驗結果

系統在投入正常運行后，對鍋爐處于不同工況下的相關運行結果進行記錄和分析，包括溫度場分布情況、區域平均溫度圖、區域溫度統計信息以及區域溫度歷史趨勢圖等。

2022年6月16日08:58聲波測溫系統溫度場分布圖如圖4所示，此時負荷為280 MW，溫度分布均勻，可以驗證聲波在線測溫系統的有效性。

圖4 2022年6月16日08：58溫度場分布圖（280 MW）

5 經濟效果

在該系統投運后的經濟效果如下：1） 根據測得的爐膛內溫度場分布狀態可知，機組運行的經濟效益提高，鍋爐出口主、再熱蒸汽的溫度分別可以提高12 ℃、17 ℃。同時，通過優化燃燒調整，可以保證燃料充分燃燒，降低燃料飛灰可燃物，煙煤飛灰含碳量低于1%，大渣含碳量低于2%，鍋爐運行經濟性提高。2） 可以保證鍋爐燃燒穩定，大幅減少甚至避免鍋爐受熱面超溫及高溫腐蝕等問題，降低因受熱面超溫或高溫腐蝕引起的爆管等不安全事件的發生概率，提高鍋爐運行的可靠性。3） 為鍋爐低負荷穩燃提供調整依據，可以有效提高機組深度調峰能力。4） 延長檢修周期。鍋爐本體平均檢修周期預計延長3個月以上。

6 結語

該文介紹了聲波鍋爐溫度場在線監測系統在神頭電廠1#機組鍋爐溫度場在線監測的配置、運行情況以及經濟效果。冷態和熱態試驗結果表明，系統可以準確測量鍋爐的平面溫度值和分布情況，可以正確反映機組功率狀態和燃燒情況，通過為DCS系統提供區域溫度等參數，該系統為鍋爐燃燒優化提供了依據。