【技术汇】声波测温技术在智慧电厂建设上的应用

摘要：随着智慧电厂建设的提出和推进，对火电厂生产过程的精细化管理提出了更高要求。而生产过程参数的精密测量，如何实现生产过程的可视化、数字化，是建设智慧电厂的基础。其中，由于锅炉炉膛温度高、空间大、工况复杂等条件限制，常规温度测量技术不能建立温度场，难以实现炉膛燃烧的可视化和数字化，不能满足锅炉精细化调整的需要，也制约了智慧电厂建设的发展。本文提出一种声波测温技术，通过对炉膛截面温度的测量建立全截面温度场，并将温度场作可视化成像处理，可直观监视炉膛燃烧状况，给锅炉运行调整提供连续、稳定、直接、及时、可靠的炉膛燃烧温度场信息。

(来源：电力行业节能环保公众服务平台 作者：孙成永 肖建林 北京国成环境技术有限公司)

关键词：声波测温;燃烧可视化;智慧电厂

1引言

国家发展和改革委员会《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》(发改能源[2016]392号)发布后，建设智慧电厂成为发电行业发展的新导向。智慧电厂的本质是工业信息化与智能化技术在发电领域的高度发展和深度融合，要推进大数据、物联网、可视化、数字化、先进测量技术和智能控制技术在发电领域的应用，其中包括精密测量、精确计算、智慧决策和准确执行四个范畴，而对生产过程参数的精密测量，是智慧电厂建设的基础。

在火电厂生产过程参数的测量中，锅炉炉膛燃烧温度的测量一直是锅炉优化运行的主要制约因素。目前，锅炉燃烧是依靠热电偶采集的炉膛壁温数据、烟温探针采集的单点非连续温度数据、火焰电视图像信息加上运行人员的经验进行调整的。因炉膛温度过高，工况复杂，锅炉燃烧最重要的炉膛温度参数，一直缺乏连续、稳定、可靠的监测手段，锅炉燃烧运行调整缺乏数据支撑和指导，从而制约了燃煤锅炉运行管理水平的提升。因此，探索一种能连续、稳定、可靠并能充分反应炉膛燃烧情况的温度场监视技术，无论对于提升锅炉运行管理水平还是智慧电厂的建设都具有较为深远的意义。

2炉膛温度监测技术现状分析

2.1热电偶温度计

两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，两端相互连接，当两接点处的温度不同时，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为热电效应，两种导体组成的回路称为热电偶。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度t和t0的函数差，如关系式(1)。所以，通过测量热电动势，便可计算出待测介质的温度。

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

热电偶温度计属于接触式温度测量方法，其电极须与待测物质接触，才能测出待测物质的温度。在锅炉炉膛温度测量上，由于炉膛温度太高，且热电偶电极插入深度有限，以致热电偶只能测量贴近炉膛壁区域的温度。该温度值属于单点测量，不能反映炉膛内部真实的燃烧情况，对锅炉燃烧运行调整缺乏直观的指导意义。

2.2烟温探针

烟温探针的测量原理仍是热电偶原理，将装在探针内的热电耦送入炉膛或烟道监测烟气温度。热电耦固定在探针的头部，在烟气中作伸缩运动，可实现就地、远程自动操作。

烟温探针主要用于锅炉启动期间，监测炉膛出口处的烟气温度，防止再热器管子烧坏，当再热器内进入介质后烟温探针退出运行。该方法仍属于单点测量，虽可伸入炉膛一定距离，可以测量炉膛壁内一定距离的温度，但其伸入深度与锅炉截面相比仍较小，且仅用于锅炉启动期间，不能实现连续测量，不能用于燃烧调整。

2.3红外测温仪

红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律。自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有关，遵循普朗克公式，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。所以，通过测量物体的红外辐射强度即可计算出待测物体的温度。

利用红外辐射测量温度，受物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。

3声波测温技术的原理

声波测温原理基于声速与介质温度的关系，火电厂锅炉中，在炉墙两侧分别安装声波发声和接收装置，如图1所示。

图1 单路径声波测温示意图

左侧声波发射器发出脉冲波，经过炉膛，另一侧声波接收器接收。由于两者之间的距离是已知并且固定的，所以很容易对声波传播速度进行测量，声波在烟气中的传播速度取决于烟气的温度，关系如下：

式中：c——为声音在介质中的传播速度(m/s);

R——理想气体普适常数(J/molgk);

r——气体的绝热指数;

T——气体温度(K);

m——气体分子量(Kg/mol);

对于温度分辨率要求不高的测温环境，一条或者两条相互独立路径上的测温单元就足够了。对于火电厂锅炉来说，要实现炉膛二维温度场的监测，必须要在锅炉的横截面圆周上布置大量的声波发声和接收系统，获得大量的路径温度信息，通过重建算法建立这个平面的二维温度场。图2列举出了不同布置的声波收发系统形成的多路径测量图。

图2 几种路径布置示意图

4、声波测温技术在燃烧可视化上的应用

某电厂2×600MW机组采用哈尔滨锅炉厂HG-2070/17.5-YM9型锅炉，为亚临界参数、一次中间再热、控制循环、四角切向燃烧方式、单炉膛平衡通风、固态干式排渣、露天布置、全钢构架的∏型汽包炉。该电厂1号锅炉配备燃烧可视化系统，简称锅炉BVD系统(BVD为燃烧可视化、数字化的英文首字母缩写)。系统配置如下：

(1)在锅炉炉膛被测面标高48000mm处安装8个声波传感器(按图2中c方案布置)，在整个测量平面内共形成24条声波传播路径。

(2)在烟道过热器后标高70800mm处安装2个声波传感器形成一条路径监测温度(判断积灰程度);锅炉燃烧区标高60200mm处同样安装2个声波传感器形成一条路径作为基准温度，通过模型计算，即可判断积灰程度。

(3)系统运行后，按设定的程序，在一个检测周期内顺序启闭各个声波发射接收器，信号经放大器进入信号处理器后得到每条路径声波传播时间。

(4)信号处理器将每个路径温度信息通过RS-422端口传输到显示界面，为运行人员提供温度场等温线图、路径图、炉管泄露图、区块图以及时间趋势图等直观化的信息。