（热能工程专业论文）声波折射对炉内声学测温技术的影响.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 声学测温技术是一种新型的锅炉炉膛温度场测量技术，自上个世纪八十年代以 来得到快速发展。用声学测温技术测量炉膛断面温度场时，由于炉内的温度分布是 不均匀的，声波在烟气中传播时会发生折射，即声波不沿直线传播，而以往的声学 c t 算法认为声波的传播路径是直线的，这必然给重建温度场结果带来误差。论文通 过数值模拟的方法计算声波在炉膛中传播的折射路径，利用声学c t 算法重建炉膛 断面二维温度分布，结果表明考虑声波折射后，声学测温技术二维温度场重建精度 得到提高。 关键词：声学测温法，锅炉，温度场，声学c t 算法，声波折射 a b s t r a c t a c o u s t i c t e m p e r a t u r e f i e l dm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e i san e w t e c h n i q u e a n d d e v e l o p e df l e e t l y f r o m8 0d e c a d el a s t c e n t u r y m e a s u r i n g t h ef u r n a c e p r o f i l e t e m p e r a t u r eu s e da c o u s t i cp y r o m e t e r ，o w i n gt ot e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nf u r n a c ei s i n h o m o g e n e o u s ，s o u n dw a v er e f r a c tw h e n t r a n s m i tt h r o u g hg a s ，s os o u n dw a v e p a t hi s n o ts t r a i g h tl i n e ，b u tc o n v e n t i o n a la c o u s t i cc t a l g o r i t h mc o n s i d e rs o u n dw a v ep a t ht ob e s t r a i g h t ，t h u sm u s tb r i n go nb i g g i s hm e a s u r i n ge r r o r c a l c u l a t es o u n dw a v ep r o p a g a t i o n p a t hb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r e c o n s t r u c tt w od i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n f u r n a c eb ya c o u s t i cc ta l g o r i t h m ，b yt a k i n ga c c o u n tt h er e f r a c t i o no fs o u n d w a v e ，t h e r e s u l ts h o w st h a ta c c u r a c yo fr e c o n s t r u c t e dt e m p e r a t u r ef i e l di si m p r o v e d s o n g z h i q i a n g ( t h e r m a tp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f a nl i a n s u oa n dv i c ep r o f l uy u k u n k e yw o r d s ：a c o u s t i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t m e t h o d s ，f u r n a c e ，t e m p e r a t u r e f i e l d ，a c o u s t i cc ta l g o r i t h m ，r e f r a c t i o no fs o u n dw a v e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文声波折射对炉内声学测温技术的影 响，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：拯查叠鳖日期 三! ! ! 三：二2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：沫屯。猫导师签名： 日 期：旦鲨：! 兰：2 日 期： 遴 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 我园是世界上最大的煤炭生产和消费国，以燃煤为主的火力发电机组在我国电 力工业中占主导地位。锅炉的安全经济燃烧是火电厂安全经济运行的根本，而要达 到安全经济燃烧离不开锅炉燃烧的监测。只有通过燃烧监测，才能把握锅炉的燃烧 状况，及时、准确地发现和消除事故，保证锅炉的安全经济运行。 锅炉烟气温度分布是调整和检测锅炉运行状况的重要参数之一，烟气温度的分 布直接影响到煤粉的着火、燃尽以及锅炉的安全性。在典型的四角切圆燃烧锅炉中， 燃烧工况组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙等，是导致 炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故的重要原因。另外，我国 日益严格的环境保护标准要求减少电站锅炉的燃烧污染排放物。而优化锅炉燃烧工 况不仅是控制燃烧污染排放的有效途径，而且能减少燃料量和避免炉内事故，从而 提高电站锅炉燃烧的安全性和经济性。因此为了保障锅炉安全运行、提高燃烧效率、 节约能源、防止公害，需要对炉膛温度场进行监测。 声学测温法是一种新型的炉膛温度场测量技术，自上个世纪八十年代以来得到 快速发展，并已实际应用在大型工业炉膛的温度场检测中t 2 。声学测温法是基于声 波的传播速度是烟气温度的函数，通过测量声波沿炉内多条路径的传播时间，经声 学c t 算法可以重建炉膛断面的二维温度分布。与常规的火焰温度场测量方法相比， 声学测温法具有精度高、非接触式、测温范围广、可以实时连续测量、维护方便等 优点【3 1 。声学测温技术作为一种非接触式高温测量方法，在煤粉锅炉燃烧检测和珍 断中受到越来越大的重视。其作用可归纳为以下几点：首先，可以用来监测炉膛上 部区域的烟气温度，决定何时进行吹灰操作，维持锅炉良好的运行性能，利于汽温 控制；其次，可以用来监测炉膛燃烧器区域附近烟气温度，有助于识别和消除燃烧 器故障导致的燃烧工况异常，同时有望加入到对污染物生成有重要影响的温度优化 控制中，实现燃料的清洁燃烧。 声学测温技术在应用中还存在着一些问题，例如：( 1 ) 燃烧产生的噪声以及吹灰 器工作时的噪声都极大的影响了声学测温系统应用的可靠性，在大型燃煤火力发电 厂的锅炉燃烧中尤为突出。( 2 ) 现有的声学测温技术只能获得炉膛截面的温度分布， 对炉内三维温度场的测量理论上可行，实际中尚不能获得。测量三维温度分布需要 在锅炉上下布置许多的声发射和接收装置，开孔数量多，安装工作量大，而且现在 的声波发射和接收装鹭尺寸较大，需要炉墙开孔也较大，这对燃烧有一定的影响。 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 由于受到声波传播速度和一条声波路径一次只能获得一个测量数据的影响，声学 测温方法在提高空间和时间分辨率方面受到限制。测量二维温度场，需要在测量平 面四周布置多个声波发射和接收装置，当所需空间分辨率越高时，需要的声波发射 和接收装置就越多。测量时，每条路径上发射和接收声波信号的持续时f 刊要几秒钟， 则全部路径完成一个测量周期需要持续几十秒钟，这个时间与迅速变化的煤粉燃烧 过程相比就显得太长，因此需要发展小测量周期技术。( 4 ) 由于炉内的温度分布是不 均匀的，声波在其中传播时会发生折射 算法认为声波信号的传播路径是直线的 即声波不沿直线传播”。以往的声学c t 这必然会给测量结果带来误差，在一定程 度上影响了声学测温技术的发展f 5 】。因此，声学测温技术必须考虑声波在非均匀温 度场中的折射问题，找到消除或减小折射带来的误差的方法。论文正是针对这个问 题，通过计算声波在炉膛烟气中传播时的折射传播路径。利用声学c t 算法和迭代 方法重建炉膛断面的二维温度分布。以达到提高声学测温技术二维温度场重建精度 的目的。 1 2 国内外相关课题研究现状 早在1 8 7 3 年，就有人第一次提出了利用测量声学参数来确定气体环境下的热 力条件。直到上世纪七十年代初期，声学测温技术才作为一门新兴的科学技术正式 被提出，八十年代才得到了深入的研究和发展，九十年代初期，声学测温系统已被 开发成产品并迅速商业化，并被应用到燃煤和燃油火力发电厂、垃圾发电站、水泥 回转窑、延迟炼焦器等的热力过程控制中。 美国n e v a d a 大学的j o h na k 1 e p p e 在前人的基础上基本完善了声学测高温的理 论，1 9 8 9 年推出了他的专著e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fa c o u s t i c s ，奠定了声 学测温的基础。美国s e l 公司，作为世界上研究声学测温产品的领头羊，开发和研 制了一种名为b i o l e r w a t c h 的系列产品，用来监测大型火力发电厂的锅炉温度场分 布，在不少电厂做了大量试验，得到了比较满意的数据和结果。英国的c o d e l 国际 有限公司与谢菲尔德大学合作，1 9 9 9 年也成功推出了名为p y r o s o n i c i i 的声学测温 装置并投放市场。另外，英国的k j y o n g 等对引起声学“常数”变化的因素以及 每种因素对测量结果的影响程度做了深入细致的研究，得出一系列有价值的研究结 果。意大利p i s a 大学的m a u r ob r a m a n t i 等人对声学测温技术的x 线断层热力图像 处理作了深入探讨，具有一定的代表性。日本东京电力技术研究所的伊腾文夫，三 菱重工长崎研究所的坂井正康对燃煤锅炉中声波的衰减特性等进行了基础研究，并 给出了声学高温计的比较合适的频率范围。在德国、加拿大、韩国，声学测温技术 也受到极大的重视，并得到了很快的发展，也有相关的产品面向市场。 总之，国外对用声学i 9 1 | l 温法确定炉内温度场的研究已很充分，开发出了产品并 华北电力大学硕士学位论文 被广泛应用。而在我国，对于声学测温技术的研究起步较晚。直到上世纪末，才有 人提出了声学测高温技术，但大多是对国外研究的简单介绍和报道，具体的相关研 究和资料很少。目前，仅仅是东北大学邵富群教授的研究小组，在声学测量系统和 重建算法上进行了一定的工作。因此，声学测温技术在国内有着很大研究价值和市 场潜力 6 , 7 1 。 1 3 声学测温技术的应用优势 声学测温技术作为一种非接触式的高温测量方法，在煤粉锅炉燃烧检测和诊断 中受到越来越大的重视，其作用可以归纳为如下几点8 , 9 , 1 0 , i i l 1 3 1 有利于实现燃烧最优化控制 通过多条独立的路径测量锅炉出口烟气温度，可以判断运行工况下的锅炉吸热 量和水冷壁积灰情况。炉膛出口的烟气温度通常随着负荷的增加而提高。正常情况 下，某个负荷大体对应一定的炉膛出口烟温。对于煤粉炉，当燃烧器燃烧良好时， 由于火焰较短，炉膛火焰中心较低，炉膛吸收火焰的辐射较多，使得炉膛出口烟气 温度较低。换言之，如果在负荷相同的情况下，炉膛出口烟气温度明显升高，则有 可能是煤粉较粗或配风不合理，引起燃烧不良造成的。另外，如果炉膛出口烟温升 高，而燃烧良好，则可能是由于炉膛积灰或结渣，使水冷壁热阻增大，水冷壁吸热 量减少引起的。通过测量锅炉出口烟气温度，确定何时进行吹灰操作，有助于维持 锅炉良好的运行性能，便于汽温控制。 用声学测温方法得到的锅炉出口二维温度分布还可以用来判断出口平面上的 温度是否平衡。这有助于发现以前难以检测到的问题，例如燃烧器不平衡、过热器 和再热器的热量分布不均匀等。另外，通过实时监测炉内烟气温度和火焰分布，就 可以及时调整和优化风、煤比或多种燃料成分的分配比例，提高燃烧的经济性。通 过实时监测炉膛燃烧器区域附近的烟气温度，还能够帮助识别和消除燃烧器故障导 致的燃烧工况异常。 1 3 2 减少结渣提高吸热量 除了用锅炉出口烟气温度来判断热量吸收的情况之外，我们还可以在锅炉运行 时，通过对过热器和再热器管束的上部和下部的烟气温度的持续测量来提高效率。 在管束的上部和下部各安装一条声学测温路径，这样进、出口烟气温差就可以被测 出。如果这个温差值减小，则表明由于管束表面的积灰或结渣，使得管束的吸热量 减小。 这个温差值被输入到数据收集系统( d c s ) 或者吹灰器控制系统，用作吹灰器 华北电力大学硕士学位论文 的启动信号。采用这种方法时，吹灰器只有在过热器和再热器需要的时候才工作， 而传统的吹灰器是按照预定的时间表进行工作的，这样就大大的提高了吹灰器的工 作效率。同时，由于减少了吹灰蒸汽和厂用电的使用量节省了费用。 1 3 3 降低污染气体排放量 如今的环境问题日益受到人们的重视，煤粉炉燃烧时生成的硫氧化物和氮氧化 物是造成大气污染的重要原因。由于传统的锅炉尾气的处理方法代价大，一些火力 发电厂不得不致力于寻找更经济的途径。 现代的燃烧理论认为采用较低的燃烧速率，可以减小火焰温度峰值，从而在燃 烧的后期减少热力型n o ，的排放。通过烟气温度测量可以判断是否会造成n o 。的生成 量增加。安装在锅炉出口平面的声学烟气温度测量系统可以清楚地给出炉膛出口处 烟气温度分布以及最高温度所在区域，有了这些数据，操作人员就可以通过选择燃 烧器和调节空气量来控制燃烧过程，并得到一个合适的锅炉出口温度来降低n 0 。的 排放。 近年来，正在开发一种煤粉炉内喷入固体吸收剂，以脱除s o ：的技术。所喷入 的吸收剂可以是石灰石粉( c a c 0 3 ) 、石灰粉( c a o ) 或消石灰( c a ( o h ) ：) 。在炉内过 程中石灰石粉由气力输送的方式喷入炉膛中8 5 0 一1 1 5 0 c 温度区域，石灰石受热 分解为氧化钙和二氧化碳，氧化钙与烟气中的s 0 。反应生成亚硫酸钙。此温度下生 成的氧化钙具有反应活性，与s 0 。的反应势最强。为了提高效率，必须将吸收剂的 投放温度控制在上述温度范围内。因此通过实时测量投放区域的烟气温度，控制吸 收剂的投放，可以提高吸收效率，减少s 0 ：的排放。 1 3 4 延长使用寿命 按照上述方法使用声学测温系统，间接受益是可以增加临界压力部件以及其它 的锅炉构件的使用寿命。通过监测和控制烟气温度可以减小锅炉构件的热应力，从 而延长锅炉构件的使用寿命。例如：通过控制烟温，减少过热器和再热器区域热量 分布不均，降低过热器和再热器的热应力，可以保护过热器和再热器。水冷壁的热 应力问题同样不能忽视，在锅炉的启动和燃烧过程中根据炉内温度场实时监测的结 果可以及时调整燃烧器平衡，控制火焰中心位置，防止火焰直接冲刷水冷壁，可以 减少水冷壁的应力和磨损。 1 4 论文的主要工作 1 ，研究炉内温度分布情况，选取实际锅炉的某一典型断面分析其中温度的具体 分布。 华北电力大学硕士学位论文 2 通过m a t l a b 软件编写计算程序，数值模拟分析声波在炉内非均匀温度场中 的传播路径。 3 考虑声波的实际传播路径，利用最小二乘法和迭代方法重建炉膛断面的二维 温度分布。 4 对重建结果进行误差分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章锅炉火焰温度场测量综述 2 1 火焰温度场测量的重要性 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，以燃煤为主的火力发电机组在我国电 力工业中占主导地位。锅炉的安全经济燃烧是火电厂安全经济运行的根本，而要达 到安全经济燃烧离不开锅炉燃烧的监测。锅炉内烟气温度是调整和检测锅炉运行状 况的重要参数之一，烟气温度的分布直接影响到煤粉的着火、燃尽以及锅炉的安全 性。只有通过炉内燃烧监测，才能把握锅炉的燃烧状况，及时、准确的发现和消除 事故，达到锅炉的安全经济燃烧。 在煤粉锅炉的运行过程中，当由于燃烧不稳定或操作不当等原因导致全部或部 分煤粉燃烧器熄火时，如果继续向燃烧器供粉，将会因为煤粉在炉膛内的堆积导致 爆燃现象的发生，严重威胁锅炉炉膛设备的安全和寿命。同样，对烟气温度的测量 和控制也很重要。例如：炉膛烟气温度的局部过高可能造成水冷壁的受热不均和局 部结渣，影响锅炉的安全运行。如果炉膛烟气温度长时间过高，会导致过热器、再 热器的过热和金属的膨胀；如果炉膛烟气温度过低，则会造成再热器和过热器的出 口温度偏低，达不到汽轮衍正常运行时的要求。另外，锅炉出1 3 烟气温度严重影响 到锅炉运行的经济性，所以对锅炉出口烟气温度的监测也是十分必要的。 然而，煤粉燃烧是一个复杂的多相反应过程，燃烧过程脉动异常强烈，燃烧过 程中伴随着连续不断进行的传热、传质及化学反应过程，不断发生着碳和碳氢化合 物与氧的离解、复合，不断地产生二氧化碳、水蒸汽等气体产物并释放热量，基于 煤粉燃烧过程的这种强烈的不平衡过程特征，要求所采取的温度场测量方法要有足 够高的响应速度来跟踪燃烧过程的变化；其次，锅炉燃烧系统内温度可达1 4 0 0 1 6 0 0 。c 。如果用接触测温方式，所使用的测温介质要能承受高温环境，还要求能够 经受长期运行的考验，必须对燃烧全过程进行时间序列测试，以揭示过程物理量的 时间特性，并为自动控制系统提供定量的依据；另外，电厂锅炉的炉膛都具有尺寸 较大的特点，采用接触测量存在布点的困难，而非接触测量方式往往不能得到特定 点的温度参数，而只能得到沿程平均的“投影值”或某区域的总体反映值。 对于煤粉炉，燃料是在炉膛三维空间内进行悬浮燃烧，它的工况是极不稳定的 脉动燃烧，整个炉内的温度场分布也是不均匀的。由煤种变化、燃料量扰动、负荷 变化等引起的炉内燃烧不稳定和炉膛内温度场不均匀，易造成下列事故【1 2 1 ： 1 如果燃烧不稳定，产生脉动和火焰内动，就会引起炉膛压力不稳造成炉墙局 部往外喷火、喷烟，严重时造成灭火放炮，损坏墙体造成设备损失，危机人身安 6 华北电力大学硕士学位论文 全。 2 如果炉内温度场不均匀，如四角喷燃锅炉，由于各燃烧器配风不当或个别燃 烧器工作不正常，造成火焰中心偏移向侧，则整个炉膛温度场也偏移，造成离火 焰中心近的水冷壁过热、结焦、局部热应力高而爆管。而远离火焰中心的水冷壁则 加热不足，水循环减慢，造成整个锅炉水循环失去平衡，金属热应力增加，减少锅 炉使用寿命。 3 由于温度场不均匀，造成炉内燃烧工况恶化，煤粉得不到充分燃烧，煤粉在 炉膛内燃尽率降低，未燃尽的煤粉进入尾部受热面，造成过热器、省煤器的磨损， 降低使用寿命。 4 如果未燃尽煤粉在出炉膛后二次燃烧，会使过热器过热，造成过热器管壁热 应力增加或者爆管。 5 ，炉膛内温度场不均匀可能造成炉膛出口的烟气温度不均匀，从而造成过热器 受热不均匀，造成过热器热应力增加，影响使用寿命。 电站锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并维持稳定、均匀的燃烧火焰。燃烧 调整不好或燃烧不稳定会导致锅炉热效率下降，产生更多的污染物、噪声等，在极 端情况下可能引起锅炉炉膛灭火，甚至诱发炉膛爆炸造成事故。为了预防潜在的危 险，必须进行切实有效的燃烧诊断和火焰监测。 耳前在我国电力生产行业中，燃煤发电是主要方式，随着我国电网容量的增加 和人民生活用电比重的提高，对电力的需求越来越大，为了满足生产和生活的电力 需求，同时也为了提高能源转换效率、降低污染物排放，随着机组容量的增大、蒸 汽参数的不断提高，大型电站煤粉锅炉的安全性、经济性问题更加突出，对机组的 燃烧调整提出了更高的要求。其重要性主要表现于以下几个方面陀】： 1 随着我国大容量、高参数机组的不断建造、投产，锅炉机组的容量不断增大， 锅炉及其附属设备变得越来越复杂，需要检测和控制的参数越来越多，对锅炉内的 火焰检测和诊断技术提出了更高的要求： 2 随着锅炉尺寸的增大，以往的模化试验已不可能。由于目前对煤粉燃烧过程 认识还不够深入，锅炉炉膛设计的热力计算都是基于一些半经验的描述方法或小型 试验台的试验结果进行外推，必然引起设计偏差。而锅炉容量增大，影响因素众多， 工作环境恶劣，作为调节可靠依据的测试手段的缺乏又导致炉内燃烧调整的困难， 如大容量机组锅炉炉膛出口烟温偏差是一个比较普遍的问题。 3 电厂煤质变动频繁，炉内燃烧参数整定困难，影响到火焰检测的准确性，容 易使锅炉灭火、“放炮”，甚至引发炉膛爆炸等恶性事故。 华北电力大学硕士学位论文 4 电网的峰谷差不断扩大，要求2 0 0 m w ，3 0 0 m w 的机组参与调峰运行，为 了满足调峰的需要，负荷变化频繁。火电机组低负荷运行时的调峰能力主要取决于 锅炉，煤粉锅炉在低负荷运行时，由于炉膛燃烧热负荷低，煤粉着火延迟。而我国 电厂锅炉用煤长期以来存在燃用煤种和设计煤种不符，易结渣煤多，煤质不稳定， 用煤混杂和总体趋势上的煤质下降等问题，带来了着火困难、燃烧不稳定以及污染 物排放高、容易出现灭火放炮等问题，给燃烧调整和控制提出了更加苛刻的要求。 这些问题都对锅炉火焰检测和诊断技术提出了更高的要求。如何才能保证燃煤 锅炉煤粉燃烧火焰检测诊断信号的准确无误、反应迅速，就成为电厂安全运行急需 解决的具体问题。 在煤粉火焰燃烧系统中，火焰温度是一个重要的控制参量。目前普遍认为，采 用火焰温度场作为控制参量，比以主蒸汽参量变化作为锅炉燃料的控制参量从技术 上说具有明显的优越性。一方面，燃煤火焰的温度能够快速反映炉内过程的变化情 况。从燃料量扰动到引起燃烧放热的变化，通过壁面吸热反映到蒸汽出口压力是一 个纯延时、大滞后的环节，即使采用一些附加参量和加速算法也无法回避这个大滞 后特性。因此，采用火焰温度场参数作为控制参量，将会比目前以汽压变化作为锅 炉入炉燃料的控制参量有较强的优越性，另一方面，火焰温度场参数能直接反映炉 内燃烧运行组织的优劣。燃烧火焰温度场的瞬态变化真接体现燃烧过程的稳定性。 而截面温度场分布能够作为在我国应用广泛的四角燃烧方式切圆调整的直接判据。 同时，温度场分布与燃烧效率，气体污染物排放以及炉膛出口未燃尽损失都有重要 关系。由此可见，先进有效的火焰温度场参数的测量方法对于研究煤粉燃烧过程具 有十分重大的科学意义和实用价值。 2 2 常规火焰检测技术 电厂锅炉燃烧的稳定性直接影响到电厂的安全和经济运行，为了能及时可靠地 检测到炉内燃烧工况，防止故障发生，电厂锅炉必须配备功能齐全、性能可靠的炉 膛安全监测系统。在现有的锅炉热工控制系统中，对燃烧的监控和判断是通过锅炉 炉膛安全监测系统( f s s s ，f u r n a c es a f e g u a r ds u p e r v i s o r ys y s t e m s ) 来实现的。 f s s s 系统是现代大型火电机组锅炉必须具备的监控系统之一，它能在锅炉正常工作 或启停等各种运行方式下，连续监视燃烧系统的状态，并不断地进行逻辑判断，必 要时发出动作指令，使燃烧设备按照合理的程序完成操作，以保证锅炉燃烧系统的 安全。传统的锅炉检测和燃烧诊断的研究和应用主要集中在对燃烧火焰的“有”或 “无”的判断上，对于炉内温度场的监测以及根据温度分布进行相应的燃烧诊断方 面，限于测量手段，尚处于起步阶段。 华北电力大学硕士学位论文 火焰检测器是炉膛安全监测系统的重要组成部分。燃烧安全监控系统运行成功 与否，在很大程度上取决于其前置系统一一火焰检测器的性能是否完善。由于燃烧 是一种剧烈的发光发热化学反应，燃烧进行过程必然伴随着声、光、热等多种物理 现象，因而目前火焰检测方法有温度式、电离式、压力式、光学式、声学式等多种。 2 2 。1 光学式火焰检测方法 火焰在不同区域能发射宽波段的电磁辐射能，其电磁辐射状况是与火焰的状态 密切相关的，因此，利用光能与火焰状态的对应关系可制造出各种火焰检测器，此 类火焰检测器通过光电转换器件，将火焰的辐射信号转变为电信号，经处理后，使 火焰辐射亮度和闪烁频率体现在电信号上，根据检测到的电信号获得火焰的辐射亮 度和闪烁频率，进而判断出火焰有无。 目前我国电厂中广泛使用的火焰检测器属于紫外线型、红外线型、可见光型或 者上述的组合型火焰检测器。上述各类光学式火焰检测器的可靠性还不高，主要原 因有：( 1 ) 火焰检测器镜面易被烟灰污染；( 2 ) 火焰检测传感器及接线常因高温老化而 损伤；( 3 ) 火焰检测探头视角小，检测不到火焰的漂移。为了减少其它燃烧器火焰和 背景火焰的干扰影响，探头的视场角一般较小。因为我国的电厂用煤来源不固定， 不同煤种的成分不同，直接影响煤粉火焰着火区的位置。此外在不同负荷下，煤量 不同，风量不同，也会影响火焰初始燃烧区的位置。因而在实际运行过程中是很难 做到探头正对火焰着火区。着火区位置的经常漂移严重影响火焰检测器的检测效 果。 2 2 2 相关型火焰检测方法 相关火焰检测方法是一种很有发展潜力的火焰检测技术。其工作原理于1 9 7 3 年由n o l t i n g k 和r o b i n s o i l 提出。假设两个探头物理性质、表面污染程度完全致， 当燃烧器火焰存在时，两个探头所接受的电磁辐射主要来自该重叠区域，因而两个 探头的输出信号有极大的相关性；当燃烧器火焰熄灭时，两个探头接收的是不同背 景的热辐射，由于炉膛内燃烧的无规律性，不同位置的辐射基本统计独立，因而两 个探头输出信号表现为不相关或相关性极弱。根据探头输出信号的相关性便可判断 检测区域内火焰的有无。 与其它火焰检测器相比，相关型火焰检测器原理简单，具有一定的优越性。但 在实用方面还存在一些问题。因为当燃烧器着火点前后变动而跑出检测区域时，相 关火焰检测器就要误动作。另外，还要求两个检测器的特性完全一致，在实现中不 易达到检测的要求。 2 3 温度场测量方法综述 华北电力大学硕士学位论文 火焰温度场测量对于电厂锅炉控制和燃烧诊断具有极为重要的意义。目前，日 益严格的环境保护标准要求减少电厂锅炉的燃烧污染排放，而只有优化炉内燃烧工 况，才能有效控制污染量，同时，燃烧工况的优化还可以满足电厂经济性的要求。 各种测温方法是基于物体的某些物理化学性质与温度有一定的关系，如物体的 几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等都与物体的温度有关。当温度不同 时，以上这些参数中的一个或几个随之发生变化，测出这些参数的变化，就可间接 地知道被测物体的温度。 由于温度参数对于火焰燃烧过程的重要性，测温方法的研究一直是燃烧领域的 热点问题。研究者基于物体这些物理化学性质与温度的关系，结合科学技术的新成 果，经过长期不懈地努力，开发了形式繁多的温度测量方法及相应的测量装置。对 高温火焰的温度测量来说，一般分为接触式测量和非接触式测量。图2 1 按测量 原理进行了分类【1 2 】，下面将对目前已经在火焰温度场测量中得到应用的主要测温 方法进行介绍。 2 4 接触式测温方法 图2 一l 温度测量方法的分类 接触式测量主要是热电偶和接触式光纤高温计。接触式测温方法的感温元件直 1 0 华北电力大学硕士学位论文 接置于被测温度场或介质中，不受火焰的黑度、热物性参数等因素影响，具有测量 精度高、使用方便的优点。在发展非接触式测温方法时，经常利用接触式测温法不 受烟气成分影响、测量精度高的特点作为温度标定的重要手段。 接触式测温方法也有其局限性。例如：对于煤粉火焰这样具有瞬态脉动特性的 测量对象，接触测温不能作为真正的温度场测量手段。因为，接触式测温方法得到 的是某个局部位置的温度信号，如果要得到整个燃烧空间的温度场，必须在燃烧空 间内进行合理的布点，并且根据相应的方法( 如采用插值法等) 获得对燃烧温度场 的近似。因此，实际应用时往往只在锅炉热态特性实验中，利用测枪进行一次较全 面的多点测量，而在锅炉正常运行时，选择锅炉的关键部位进行温度测量或控制。 2 4 1 热电偶测温法 热电偶测温法由热电偶、电测仪表和导线组成测温仪器，是最常用的接触测温 方法。热电偶用两种不同导体( 或半导体) 组成闭合回路，两个接点分别处于不同 的温度环境时回路就会产生电动势，成为热电势，通过标定可以用来测量温度。 它被广泛用来测量1 0 0 1 6 0 0 。c 范围内的温度，用特殊材料制成的热电偶还可以测 量更高或更低的温度。从原理上说热电偶测温有较高的准确度和复现性，同时能把 温度信号转变成电信号，便于信号的远传、实现多点切换以及便于接入自动控制系 统：装置简单，易于操作及维护；测量时不必知道被测火焰中所含的气体组分热力 学参数及辐射性态，因此，目前广泛应用于煤粉燃烧的工业生产和科学研究领域中。 电厂高温烟气的测量经常用到抽气热电偶。它用的是单层遮热罩，罩前还有一 个耐火帽，烟气经耐火帽口抽入，经遮热罩向外抽出。热电极加有外保护管，冷却 水由内管流入而经外管流出。这样的抽气热电偶，它的热电极可以贮存1 2 米长， 在大容量锅炉或工业炉上钡i 量火焰或烟气温度比较适用。使用时，先要在炉外调好 进出水量、水压以及抽气速度，然后将抽气热电偶探头深入炉内火焰中。由于将热 气流吸入热电偶，温度示值很快上升，即可读出所测量的气流温度。使用抽气式高 温热电偶对炉膛中的烟气温度逐点测量来获取运行中实际温度数据，由于受热元件 材料高温性能的限制，只能进行短时间测量，并且现场操作量大，无法实现实时在 线监测 1 4 l 。 2 4 2 黑体腔式辐射高温计 黑体腔式辐射高温计，亦称接触式光纤高温计，是近十几年来随着光纤技术发 展起来的一种新型的接触式测温方式。它是通过选择耐温可达1 9 0 0 2 0 0 0 。c 的蓝宝 石单晶光纤作为基体材料，在其端部涂覆铱等金属薄膜构成黑体腔，当黑体腔深入 高温火焰时在火焰局部达到热平衡后，黑体腔内产生自发热辐射，通过光纤耦合 华北电力大学硕士学位论文 器经普通石英光纤将辐射能传送到检测系统，利用双色测温方法测量出当地温度。 这种方法结合了接触测温和非接触测温法的优点，具有不存在光学窗口被玷污和不 受背景杂光干扰、易于操作的特点，与热电偶测温方式相比，具有测温上限高、精 度高、动态响应快的优势，拓宽了接触测温方式在高温领域的应用范围，具有很好 的应用前景。 2 5 非接触式测温方法 非接触测温方法由于测温元件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温度场 和流场，同时感受传热惯性小，因此可用于测量不稳定热力过程的温度，其测量上 限不受测量性质的影响可测诸如火焰等高温。但对于现场火焰温度测量，非接触 式测量方法需开设光学窗口，窗口的透过率经常由于局部污染而造成不均地减弱， 这增加了火焰温度测量的困难。 非接触式测量方法分为两大类，一类是通过测量燃烧介质的热力学性质参数再 求温度场，目前最典型的是采用声学手段的声波法：另一类是利用高温火焰的辐射 特性通过光学法来测量温度场。 2 5 1 谱线反转法 谱线反转法是一种在实验室中长期使用的光学测温方法。其中最常见的是钠线 反转法，该方法为在被测火焰中均匀地加入微量钠赫，钠的燃烧蒸汽会发射出两条 黄色d 谱线，波长为5 8 9 0 n m 和5 8 9 6 n m 。当具有连续光谱的参考光源光线穿过含 钠蒸汽时，若瓦 ，钠谱线为 暗线形式，而瓦= r ，时，钠谱线是不可见的。调整参考光源的瓦，使得钠谱线由亮 变暗或由暗变亮直至消失，这是的t o 即为被测温度。钠谱线反转法具有方法直观、 装置简便易行的有点，它的主要不足之处是容易引起人为测量误差，一次测量需要 反复调节参考光源的亮度温度，试验量大。 25 2 采用激光的光学测温法 激光技术的出现和发展开辟了火焰温度测量的新领域，经过短短几十年时间， 取得了另人瞩目的成就，先后开发成功多种火焰温度的激光光谱测量及诊断技术， 其中，基于激光的喇曼散射的测温方法运用最广。除此之外，光学测温方法还有激 光相移全息测温技术、全息干涉法、激光散斑测温法、影纹法等。所有这些测量方 法都具有测量装置复杂、需要附加外光源等共同点，限制了其在工业现场的应用。 而且光学测温窗口的开设容易受到燃烧介质的污染，使其难于在现场实施。 2 5 ，3 红外发射一吸收c t 法 华北电力火学硕士学位论文 该方法采用c t 技术实现温度测量。c t 技术是基于投影重建的原理，它不仅已 经在医学领域得到了广泛的应用，而且在工业诊断中也发挥了极大的作用，利用光 学c t 方法测量火焰温度分布，被测量的量可以是介质折射率，也可以是辐射强度。 利用介质的发射、吸收特性与温度的关系进行温度测量是一种较为普遍的方法，考 虑到水分、气态燃烧产物的辐射和吸收区，测量的光谱波段常选择红外区，因此该 方法被成为红外发射一吸收c t 法。据报道，利用这种方法在碳黑火焰实验室研究中 已经获得了较好的测量结果，其主要优点在于试验应用较为简单，数据处理也并不 复杂，所得温度值对介质的参数并不敏感。此外，该方法还常用于实验室中的小型 燃气火焰测温，许多研究者将火焰简化为轴对称，因此燃烧介质被划分为一系列的 同心圆，其内部的发射系数通过代数重建的方法导出，而内部吸收系数则通过带或 不带参考光源的辐射强度计算获得。 2 5 4 基于图像处理的温度场测量方法 近年来，国内外不少学者对火焰图像识别系统展开了研究 1 5 , 1 6 a 7 】，提出了利用 数字化摄像装置( c c d ) ，从电站锅炉炉膛燃烧空间摄取辐射图像，然后基于辐射图 像处理和辐射传热逆问题求解，获得炉膛二维温度场的方法。这种方法在不考虑误 差的理想情况下可以相当精确的重建出温度场，但只要稍加误差重建结果便与真实 值大相径庭。另外，该方法所采用的内窥式风冷c c d 摄像头还存在在高温、粉尘和 熔渣等现场恶劣环境下长期工作的寿命与维护等问题，分辨率不高而产生的“偷看” 问题。 2 5 5 热辐射测温技术及仪表 黑体的热辐射强度与其温度有单值函数关系，因此测量黑体的辐射强度就可知 道其温度。利用物体的热辐射来测量其温度的原理可以构成一大类测温仪表。这种 测温方法的特点有：测温仪表不直接与被测介质接触，因此原则上测温传感器不 会破坏被测对象的温度场，也不受被测介质的腐蚀和毒化等影响：传感器不必与 被测介质达到热平衡，传感器的温度可以大大低于被测介质的温度，因此从理论上 说，这种测温方法的测温上限不受限制；这种测温方法，灵敏度高，动态特性好， 可以测量处于运动状态对象的温度和变化着的温度。目前广泛应用的辐射高温计有 光学高温计、全辐射高温计、比色高温计和红外高温计等。 2 5 5 1 辐射测温的基本原理 辐射测温方法主要是利用被测物体的热辐射能量与其温度有一定的关系，通过 测量热辐射能量( 或者接收热辐射能量) 来显示被测物体温度。 绝对黑体在单位时间内单位面积上对应于波长五的辐射能( 称为单色辐射强度 华北电力大学硕士学位论文 e o 。) 与波长五和温度t 2 1 3 的关系，普朗克公式为 c ， = c i a 一5 p 万一1 ) 一1 式中c l 、c 2 为普朗克第一、第二辐射常数 在波长较短的可见光范围内，当温度低于3 0 0 0 k 时 恩公式，误差不超过1 ，维恩公式如下： 一 e o j 。c l r e 。7 ( 2 1 ) 酱朗克公式可以简化为维 ( 2 - 2 ) 由式( 2 - - 1 ) 、式( 2 2 ) 可以看出，一定波长的辐射强度与温度之间有单值 函数关系。温度越高，单色辐射强度越强。 对单色辐射强度在 = 0 o o 区间进行积分得到全辐射能e 晶= 【e 0 4 d a = c r o ( 2 - 3 ) 式中c r n 成为黑体辐射常数( 斯蒂芬一波尔兹曼常数) ，式( 2 3 ) 称为斯蒂芬一波尔 兹曼公式或四次方公式。该式表明了黑体的全辐射能与其温度的单值关系。温度越 高，全辐射能越大。 对于绝对黑体，其吸收系数s = 1 。但是，在自然界中绝对黑体是不存在的，一 般物体的占 n 的时，若r a n k a ，b r a n k a ，则满足式( 3 1 6 ) 的解不存在。但是，这种 情况下若由 j = ( a x - b ) ( a x b 、 绘出评价函数j ，则当r a r 妊= n 时可得到能使j 为最小的最优解，该最优解称为最 小二乘解( 1 e a s t s q u a r e ss o l u t i o n ) 。最小二乘解可由令0 j 0 x = 0 求得，它由下 式给出： x = ( a 7 a ) 一1 a 7 b 应用最小二乘法求解方程组( 3 - - 1 6 ) 时，应保证聊n 即声波路径数必须大于 或等于空间划分的单元个数，这样才能保证方程组有解。任意两条路径必须经过至 华北电力大学硕士学位论文 少一个不同的单元格，以确保每个单元格的温度信息在方程组中至少出现一次。 3 3 1 用正则方程组求最小二乘解 设超定方程组( 3 - 1 6 ) 的系数矩阵a 是列满秩矩阵。此时方程组( 3 - 1 6 ) 的最 小二乘解总是存在而且是唯一的。 设x 是最小二乘解，b = b l + b 2 。残向量r ba x ( b 一a x ) + b ，因此， a 7 r = a 1 m a x ) = 0 即x 满足方程组 a a x = a 7 b ( 3 17 ) 也就是说x 是方程组( 3 1 6 ) 的解等价于x 是方程组( 3 1 7 ) 的解。方程组( 3 1 7 ) 称为最小二乘问题的正则方程组或法方程组。 3 3 2 用鲫分解求最小二乘解 通过构造”个h o u s e h o l d e r 矩阵h l ，h 2 ，h 。，可以得到m 阶i f 交矩阵 q = h h ，h ，使 q 7 a = 矗 其中最是一个n 阶长方形上三角矩阵，记袁= 芋1 ，r ，是n 阶上三角矩阵，袁中 后面m - n 行元素全为0 。于是有鲫分解a = q 矗。 求超定方程组( 3 1 6 ) 的最小二乘解，即确定x ，使l l r l l ：= l i b a i i ：为最小。 利用正交矩阵的作用不改变向量长度的性质，又有 i i , - l i = | | q t ( b - a x ) = i i q 飞一q 1 c q 良，x = 忙； 一( 芋1 x 列i ( 3 - - 8 ) 这里 小。 0 t b = ( c ) 其中c e r ”，d r 。显然，当c ，一r x = 0 1 n ，i i r l l ；= l l d l t ：为最 也就是说，超定方程组( 3 1 6 ) 的最小二乘解就是上三角方程组r ，x = c 的解。 3 3 3 用广义逆矩阵求最, j 、- - 乘解 对于m 即的超定方程组，如果r a n k ( a ) = 盯，方程组( 3 1 6 ) 的正则方程组的 系数矩阵为a 1 a 是满秩的，因此方程组( 3 1 6 ) 的最小二乘解x 可以唯一的表示 为 华北电力大学硕士学位论文 如果定义 那么x 又可以写为 x = ( a a ) 一1 a 7 b a + = ( a 7 a ) 。1 a 1 x = a + b 矩阵a + 称为矩阵a 的广义逆矩阵。 3 3 4 算法分析 ( 3 一1 9 ) 对于方程组a x = b ，a 为m x n 矩阵，如果a 列满秩，且m h ，则方程没有精确 解，此时称方程为超定方程组。线性超定方程组经常遇到的问题是数据的曲线拟合。 对于超定方程，在m a t l a b 中，利用左除命令( x = a b ) 来寻求他的最下二乘解； 还可以用广义逆来求，即x = p i n v ( a ) ，所得的解不一定满足a x = b ，x 只是最小二 乘意义上的解。左除的方法是建立在奇异值分解基础之上，由此获得的解最可靠； 广义逆法是建立在对原超定方程直接进行h o u s e h o l d 交换的基础上，其算法可靠性 稍逊于奇异值分解，但速度较快。 3 4 温度场测量区域网格划分方法 用于声学测温法测量炉膛某一断面温度分布时，为了得到被测平面的二维温度 分布，需要将平面网格化为n 个单元。为了获得尽可能多的温度信息，提高温度场 重建精度，可将被测温度场分割成尽可能多的区域。划分区域的数目主要由传感器 的数量决定。传感器的数量决定了测量区域内的声波路径数，也决定了可解的未知 数个数。在传感器数量确定之后，分割区域的数目必须小于路径数。以8 个传感器 为例，因整个测量区域共有2 4 条声波路径，我们最多可将测量空间分割成2 4 个区 域，然而这样会使得正则方程中矩阵s 中的零元素个数增加，导致矩阵s 接近奇异 矩阵，反而会大大降低重建精度。 从数学角度讲，温度场划分方 式是一个最优化问题。对于安装8 个传感器的温度场而言，采用图3 5 ( a ) 的温度场划分方式就可以 比较理想地重建出单峰温度场( 单 峰对称温度场和单峰偏斜温度场) ， 但当温度场为双峰情况时，由于温 度场划分的区域少，获得的几何中 心点温度值少，无法准确地重建出 iii iii iii lil _ 十一ii i i ii lil iii 一一r 一1 。1 一 ii iii ii 一一 - - - - ii iii iil ii 、。一 ( a ) 划分方式1( b ) 划分方式2 图3 5 测温区域网格划分方式 华北电力大学硕士学位论文 双峰温度场。这时，我们可以将图3 5 中两种温度场划分方式结合起来，首先利 用图3 5 ( a ) 所示温度场划分方式一求出十六个区域的几何中心点温度值，然后 再利用图3 5 ( b ) 所示划分方式二求出十七个区域的几何中心点温度值。利用两 次得到的二十一个几何中心点值