電站鍋爐爐膛溫度測量技術發展

王東風,劉 千

（華北電力大學自動化系，河北 保定 071003）

電站鍋爐爐膛溫度測量技術發展

王東風,劉 千

（華北電力大學自動化系，河北 保定 071003）

該文介紹熱電偶測溫、CO2紅外光譜測溫、光纖測溫、輻射能測溫、聲波測溫等溫度測量方法的原理及其所存在的問題，分析一種基于激光吸收光譜的爐膛測溫技術及其系統構成。在某電廠的應用表明，基于激光吸收光譜的測溫系統能夠對爐膛溫度場進行比較精確的測量。測量結果可指導操作人員通過調節相應的二次風門開度等手段來調整鍋爐燃燒，使煤粉在爐膛內燃燒均勻，溫度場居中分布，從而有效地提高鍋爐燃燒效率。

爐膛溫度；溫度場重建；測量方法

0 引 言

溫度信號的測量和校準，在諸多行業中具有重要的地位和作用，一直是備受相關科技工作者關注的領域[1-5]。

爐膛溫度場測量是電站鍋爐燃燒中的一個極其重要的問題，它是爐膛燃燒狀態穩定與否最直接的反映。通過對它的精確測量，可以實現對鍋爐燃燒狀態的判斷、預測和診斷，控制燃料在爐膛內部合理、充分地燃燒，確保溫度場在爐膛內部均勻分布。對爐膛溫度場測量方法的研究一直是鍋爐燃燒領域的熱點問題，學者們基于物理和化學性質與溫度的關系，發展了多種形式的測量技術，從熱電偶測溫法、紅外光譜測溫法、光纖測溫法，到基于數字圖像處理技術的光學輻射法、基于聲學理論的爐膛測溫技術等，都取得了一定的成果，但同時也具有一定的局限性。

通過監測爐膛燃燒器區域附近煙氣溫度，能夠有助于識別和消除由于燃燒器故障導致的燃燒異常現象。通過監測爐內煙氣溫度和火焰分布，可以調整一、二次風的大小和燃燒器擺角，優化風煤比，使煤粉處于經濟燃燒狀態。根據對燃燒器區域溫度的測量，可以調整燃燒器的平衡角度，控制整個爐膛火焰中心位置，防止火焰直接沖刷水冷壁，減少水冷壁的

應力磨損，改善水循環。可以調節燃盡風來控制爐內煤粉燃燒，控制爐膛主燃燒區域的溫度，減少熱力型NOx生成。

本文綜述了幾類溫度測量方法的原理及其所存在的問題和不足，分析了一種基于激光吸收光譜的爐膛測溫技術、系統構成以及初步應用。

1 鍋爐爐膛溫度測量方法的發展現狀

基于物體的某些物理化學性質（幾何尺寸、熱電性、電阻率、熒光性和光譜特性等）與溫度間的關系，形成了眾多的溫度測量方法。它們在實際應用中都取得了一定的成果，有效地監測了鍋爐燃燒時的爐膛溫度，為控制鍋爐穩定燃燒、提高鍋爐燃燒效率、提供保障起到了一定的作用[4]。

1.1 熱電偶測溫

熱電偶是基于塞貝克效應原理進行工作的。在測量爐膛溫度時把測量端伸入到爐膛中，當測量端與煙氣處于熱平衡狀態時，測量端的溫度就是被測點的溫度。熱電偶結構簡單，測溫范圍大，互換性好。但是由于受到感溫元件耐溫性能的限制，只能做短時間的測量。由于熱電偶的探針是通過開孔伸入爐膛，比較笨重，易變形卡澀，故障率高且就地操作費時費力。目前，熱電偶主要是在鍋爐進行熱態特性試驗時或者處于初始燃燒狀態時，指導鍋爐送粉與送風，當鍋爐正常穩定運行時，一般只選擇鍋爐個別關鍵部位進行檢測。

1.2 紅外光譜測溫

利用紅外光譜測溫法測量爐膛溫度，實際上就是測量爐膛中一定波長范圍內某一氣體的輻射能量，然后根據公式求出煙氣的溫度，得到爐膛溫度場。由于在鍋爐燃燒過程中會產生很多氣體，成分十分復雜且存在著大氣干擾和吸收，為了準確測量煙氣的溫度，選擇窄帶紅外光譜成為必然。CO2是化石燃料燃燒后的共有產物，并且其紅外光譜波長范圍比較窄，因此紅外光譜測溫儀大都是采用帶有特殊設計的紅外濾色鏡的薄膜熱電堆，濾除其他波長的紅外能量，通過接收高溫CO2氣體的紅外光譜輻射能進行分析[6]，以得到煙氣溫度。此類產品是基于高溫CO2氣體的光譜分析，因此對所測環境的CO2濃度有一定要求，濃度過低之處測量誤差較大，加之多個測溫探頭之間數據不能聯合處理，目前該類產品一般僅用于替代爐膛煙溫探針進行爐膛出口煙氣溫度的測量。

1.3 光纖測溫

光纖測溫法是以光纖作為傳遞溫度信息的載體，是隨著光纖技術發展起來的一種測溫方法。它是通過選擇耐溫可達2000 K的藍寶石單晶光纖作為基體，在其端部涂覆銥等金屬薄膜構成黑體腔，將其伸入高溫火焰中，黑體腔會和火焰達成局部熱平衡，且通過光纖將輻射能量傳送給光電檢測系統，利用雙色測溫方法或者單波長測溫法進而可以測量出被測火焰溫度[7]。光纖溫度計具有測溫上限高、精度高、動態響應快等優勢。

1.4 輻射測溫

電站鍋爐爐膛中發生的燃燒過程伴隨著強烈的輻射能傳遞過程,溫度測量一般基于普朗克輻射定律。在一個典型的彩色CCD攝像頭測溫系統中，火焰的圖像通過攝像頭攝取并且經過像素處理后，以數字的形式存儲在計算機內，根據比色法測溫原理[8]，就可以進行爐膛中單點的溫度計算。

隨著計算機技術的進步，基于數字圖像處理的測溫技術得到了迅速發展。如英國格林尼治大學的閻勇教授與中科院工程熱物理所合作，采用CCD攝像頭基于雙色法火焰監測系統能夠實時定量測量火焰溫度場分布[9]。葡萄牙的Correia等將火焰輻射的吸收度考慮到傳統的CT算法中，提高了測量的準確性[10]。清華大學吳占松教授，建立了火焰亮度和火焰溫度之間的關系[11]，提出了一種適應非對稱火焰三維溫度分布測量的重構算法[12]。上海交通大學的徐偉勇教授將圖像處理技術和光纖傳像技術應用于鍋爐火焰檢測當中，試制了國內第一臺智能型鍋爐燃燒器火焰檢測裝置[13]。東南大學的王式民教授提出了“全爐膛滅火”加“全爐膛火焰圖像證實”的共同判別來確認爐內熄火[14]，提出了用于重建火焰三維溫度場的光學分層成像的理論方法。華中科技大學的周懷春教授等提出了基于圖像處理及輻射傳熱逆問題求解的二維爐膛溫度場重建方法[15]，對“W”型火焰鍋爐爐膛溫度場的可視化進行了實驗研究[16]，模擬研究了溫度場重建方法，并開展了利用正則化方法，采用迭代的手段完成爐膛中二維溫度場與輻射參數的同時重建、三維溫度場在線檢測與分析的實驗研究[17]。浙江大學岑可法院士領導的課題組，提出了采用雙色法從彩色火焰圖像中計算火焰溫度圖像的方法，其后采用基于區域重建的方法，利用CCD攝像頭進行了火焰三維溫度場和濃度場的同時重建研究[18]，探討了溫度場和濃度場對火焰輻射圖像的影響，研究了火焰輻射吸收系數與粒子濃度的關系，給出了溫度場和濃度場同時重建的控制方程[19]，完成了在不穩定火焰中排煙溫度與體積分布的同時估計[20]。

基于數字圖像處理的測溫技術基本上都是在實驗室條件下進行設計和驗證的，在不考慮誤差的理

想情況下可以相當精確地重建出溫度場。從目前對爐膛火焰圖像處理的研究來看，火焰圖像處理技術具有廣闊的發展前景，但是在溫度場三維重建以及溫度場在線測量等方面此技術還有許多需要改進和完善的地方。

1.5 聲波測溫

隨著新型檢測技術的發展，聲學測溫法在近些年得到了很大的發展，利用煙氣的物理特性記錄可測溫度，不受輻射的影響，而且測量是瞬時的，沒有溫度漂移。基于聲波在氣體介質中的傳播速度是該氣體介質絕對溫度的單值函數。當煤粉在鍋爐爐膛中穩定燃燒時，氣體的組分和他們相對量是已知的而且在很小范圍內變化，因此通過測出聲波在介質中的飛行時間，聲波發射端和接收端之間的距離，就可以算出聲波在介質中的傳播速度，進而可以得出氣體介質的溫度。

在同一時刻，通過聲波發射端和接收端進行測量得到不同路徑上的數據，經過相應算法處理便可以重建出爐膛在聲波路徑二維平面上的溫度場。國內外對聲學測溫法在鍋爐爐膛燃燒中的應用進行了廣泛的研究。國外的學者研究較早[21]，開發了基于該原理的多款測溫產品，具有代表性的有美國Enertechnix公司開發的PyroMetrix聲波測溫系統和美國SEI公司開發的BoilerWatch聲波測溫系統。對于聲學測溫來講，聲波飛渡時間的精確測量和爐膛截面溫度場的重建是最為關鍵的技術。國內的研究主要集中在高校等科研機構[22-24]，華北電力大學的安連鎖教授[25]通過基于信號互相關分析和基于代數重建的算法有效地解決了聲波飛渡時間的測量和爐膛溫度場重建的問題。沈陽航空工業學院的田豐等[26]做了優化溫度場重建算法的研究工作，并且在燃煤鍋爐爐膛現場進行了許多詳盡而豐富的相關冷態實驗，取得了不錯的效果。

但是鍋爐爐膛溫度場聲學測量是一個跨學科的研究項目，需要復雜和細致的研究分析，盡管取得了一定的成果，但是還存在不少問題。典型的問題比如：由于計算的時候都是將聲波在爐膛中傳播路徑按照直線進行處理，而實際上由于爐內煙氣溫度梯度的存在以及煙氣的流動，聲波在爐內并不是嚴格按照直線的方向傳播，因此必須考慮聲波在溫度場傳播中由于折射導致的彎曲效應問題，找到減小甚至消除折射帶來誤差的方法。

2 基于激光光譜的爐膛溫度測量

基于激光光譜的測溫技術是一種較新的溫度測量技術，具有測量準確、反應速度快、非接觸的特點。激光光譜測溫技術其核心是可調諧二極管激光吸收光譜技術（TDLAS），對于非均勻分布的流場，通過設計多光路測量系統，將TDLAS與圖像重建技術相結合來得到被測區域的內部信息，即確切的空間分布情況，可以實現溫度二維分布測量[27-28]。基于激光光譜的爐膛參數檢測技術只需要待測氣體的一條特征譜線[29]，在譜線的選擇方面要盡量避免其他氣體譜線的干擾。

國內外學者對利用TDLAS技術實現氣體溫度測量做了大量的研究工作，Beer等人介紹了TDLAS技術測量的原理[30]，提出了Beer-Lambert原理。Gouldin等人利用反演算法改善了測量區域邊界處濃度分布不均的場重建問題[31]。李寧等人在進行氣體濃度溫度二維分布重建研究時，采用時分復用技術[32]來減少投影光路布置數量，增加氣體吸收測量信息，并且結合遺傳算法和模擬退火算法，建立了燃燒環境下H2O濃度溫度二維分布模型[33]。鮑偉義等人針對氣體檢測時諧波譜線發送畸變的問題，提出了在波長調制過程中采用同步平抑幅度調制的方法來消除譜線畸變。劉文清等人對激光直接吸收光譜中的吸光度和吸光度積分反演算法進行了研究，運用了分段多項式基線擬合方法來消除激光器光強波動的影響，再利用非線性擬合算法進行線形擬合來獲取積分吸光度[34]。宋俊玲等人采用時分復用技術，利用代數迭代算法實現了燃燒溫度場和濃度場的二維分布重建[35]。但是多數研究主要局限在試驗研究階段，將基于激光吸收光譜的測溫技術運用于電站鍋爐爐膛測溫中還需要很多研究工作。

3 基于激光光譜的爐膛溫度測量應用實例

美國佐爐科技公司與斯坦福大學高溫氣體動力學實驗室聯合開發的ZoloBOSS激光測量系統就是基于激光光譜測溫原理而研制的。通過在美國、韓國多家電站中的應用，效果顯著，能夠準確而快速地測量爐膛溫度場，從而有效地指導鍋爐燃燒優化，提高鍋爐燃燒效率。在國內的一臺680MW機組燃煤鍋爐上進行了激光光譜爐膛溫度場測量與重建實驗研究。ZoloBOSS激光測量系統由6×6的光柵組成，共有12條光路穿越燃燒區域，將爐膛內測量平面劃分為若干個測量區域。

在溫度場重建的試驗過程中，為了更加準確直觀地表征爐膛二維溫度場信息，首先進行爐膛的基準試驗，目的是保證準確的爐膛燃燒區域狀態。在鍋爐運行過程中，通過系統測量爐膛溫度，采用相應的溫度場重建算法得到爐膛二維截面處的溫度場情況如圖1所示，可以看出火焰中心位置偏向左墻。

試驗人員根據摸索的控制規則調整二次風門開度，最終使得火焰中心向爐膛右墻偏移的同時稍稍向前墻移動。通過調整之后測量的溫度場看出，火焰中心被調整至爐膛中部，火焰均勻地充滿爐膛。調整后的溫度場重建圖像如圖2所示。

4 結束語

一種能夠準確獲取爐膛溫度的測量系統，對指導鍋爐燃燒具有重要意義。隨著對復雜熱力系統認知的加深，新型檢測技術如聲學測溫以及激光測溫的出現，將會更加準確地測量電站鍋爐爐膛的溫度，為實施鍋爐燃燒優化技術帶來機遇，在保護環境的同時，切實提高火力發電企業的經濟效益。

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Development of measuring technique for furnace temperature in power plant boilers

WANG Dong-feng，LIU Qian
（Department of Automation，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Several commonly-used temperature measuring methods（including thermocouple，CO2infrared spectrum measurement，optical fiber thermometric system，infrared radiation temperature measurement，and acoustic temperature measurement）and their advantages and disadvantages were summarized.A kind of boiler furnace temperature measuring technology based on laser absorption spectroscopy was introduced.The measuring structure of the system was presented.The application shows that the temperature field in a boiler furnace can be precisely measured by the temperature measurement system，which can guide the operation engineer to regulate secondary air to achieve equilibrium combustion.As a result，boiler combustion efficiency will be increased.

furnace temperature；temperature field reconstruction；measurement method

TK323；TK22；TH811；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)03-0008-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.003

2013-10-14；

：2013-12-16

中央高校基本科研業務費專項（11MG49）

王東風（1971-），男，教授，博士，主要從事熱工測量與熱工控制研究。