摘要：隨著智慧電廠建設的提出和推進，對火電廠生產過程的精細化管理提出了更高要求。而生產過程參數的精密測量，如何實現生產過程的可視化、數字化，是建設智慧電廠的基礎。其中，由于鍋爐爐膛溫度高、空間大、工況復雜等條件限制，常規(guī)溫度測量技術不能建立溫度場，難以實現爐膛燃燒的可視化和數字化，不能滿足鍋爐精細化調整的需要，也制約了智慧電廠建設的發(fā)展。本文提出一種聲波測溫技術，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，給鍋爐運行調整提供連續(xù)、穩(wěn)定、直接、及時、可靠的爐膛燃燒溫度場信息。

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

關鍵詞：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《關于推進“互聯(lián)網+”智慧能源發(fā)展的指導意見》(發(fā)改能源[2016]392號)發(fā)布后，建設智慧電廠成為發(fā)電行業(yè)發(fā)展的新導向。智慧電廠的本質是工業(yè)信息化與智能化技術在發(fā)電領域的高度發(fā)展和深度融合，要推進大數據、物聯(lián)網、可視化、數字化、先進測量技術和智能控制技術在發(fā)電領域的應用，其中包括精密測量、精確計算、智慧決策和準確執(zhí)行四個范疇，而對生產過程參數的精密測量，是智慧電廠建設的基礎。

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

2爐膛溫度監(jiān)測技術現狀分析

2.1熱電偶溫度計

兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路，兩端相互連接，當兩接點處的溫度不同時，回路中將產生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。這種現象稱為熱電效應，兩種導體組成的回路稱為熱電偶。當熱電偶兩電極材料固定后，熱電動勢便是兩接點溫度t和t0的函數差，如關系式(1)。所以，通過測量熱電動勢，便可計算出待測介質的溫度。

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

熱電偶溫度計屬于接觸式溫度測量方法，其電極須與待測物質接觸，才能測出待測物質的溫度。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。該溫度值屬于單點測量，不能反映爐膛內部真實的燃燒情況，對鍋爐燃燒運行調整缺乏直觀的指導意義。

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，在煙氣中作伸縮運動，可實現就地、遠程自動操作。

煙溫探針主要用于鍋爐啟動期間，監(jiān)測爐膛出口處的煙氣溫度，防止再熱器管子燒壞，當再熱器內進入介質后煙溫探針退出運行。該方法仍屬于單點測量，雖可伸入爐膛一定距離，可以測量爐膛壁內一定距離的溫度，但其伸入深度與鍋爐截面相比仍較小，且僅用于鍋爐啟動期間，不能實現連續(xù)測量，不能用于燃燒調整。

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，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。所以，通過測量物體的紅外輻射強度即可計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聲波測溫技術的原理

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

圖1 單路徑聲波測溫示意圖

左側聲波發(fā)射器發(fā)出脈沖波，經過爐膛，另一側聲波接收器接收。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行測量，聲波在煙氣中的傳播速度取決于煙氣的溫度，關系如下：

式中：c——為聲音在介質中的傳播速度(m/s);

R——理想氣體普適常數(J/molgk);

r——氣體的絕熱指數;

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立路徑上的測溫單元就足夠了。對于火電廠鍋爐來說，要實現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、聲波測溫技術在燃燒可視化上的應用

某電廠2×600MW機組采用哈爾濱鍋爐廠HG-2070/17.5-YM9型鍋爐，為亞臨界參數、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、固態(tài)干式排渣、露天布置、全鋼構架的∏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高48000mm處安裝8個聲波傳感器(按圖2中c方案布置)，在整個測量平面內共形成24條聲波傳播路徑。

(2)在煙道過熱器后標高70800mm處安裝2個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)標高60200mm處同樣安裝2個聲波傳感器形成一條路徑作為基準溫度，通過模型計算，即可判斷積灰程度。

(3)系統(tǒng)運行后，按設定的程序，在一個檢測周期內順序啟閉各個聲波發(fā)射接收器，信號經放大器進入信號處理器后得到每條路徑聲波傳播時間。

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