鍋爐爐膛溫度場測量技術研究現狀與發展趨勢探討

胡主寬

（廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405）

0 引 言

爐膛溫度場是鍋爐燃燒過程中需要監測的重要參數，直接關系到鍋爐的燃燒安全與效率，影響污染物的生成和排放量。若控制系統無法準確獲得實時燃燒狀態，不能有效控制燃料、送風量等參數，將可能導致鍋爐爐內溫度場不均勻、火焰中心偏斜、火焰刷墻等，不僅會導致鍋爐熱效率極大降低、產生大量污染物和噪聲，甚至可能出現爆爐等嚴重后果。因此，準確測量溫度場對判斷、預測和診斷鍋爐燃燒狀態具有重要意義，有利于控制燃料在爐膛內部合理燃燒，確保鍋爐安全、高效運行。然而，鍋爐的燃燒是很復雜的熱交換過程，燃燒工況很不穩定，并且爐膛燃燒空間大、溫度高、腐蝕性強，對準確測量三維空間溫度分布帶來極大困難。本文主要針對當前國內外較先進的幾種爐膛溫度場測量技術的基本原理、技術特點展開分析，闡述這些技術的國內外研究現狀，并對鍋爐爐膛溫度場的測量技術的發展趨勢進行探討。

1 鍋爐爐膛溫度場測量技術研究現狀

鍋爐爐膛溫度測量包括接觸式與非接觸式方法。接觸式測溫方法是應用最早的一種，如熱電偶等，感溫元件放置于溫度場中，雖然測溫準確性較高，但由于鍋爐燃燒是脈動的，難以達到熱平衡，并且由于感溫元件的耐熱性、燃燒的腐蝕性等，該方法只能做短時間測量，并且只能實現單點或局部測量，難以對整個爐膛進行實時在線測量。非接觸式測溫方法測量元件不與介質直接接觸，不會破壞被測介質的溫度場，同時傳熱慣性小，因此更適用于鍋爐燃燒這種快速變化且很不穩定的熱力過程的溫度測量，是近年來國內外學者研究的熱點問題。基于非接觸式的鍋爐爐膛溫度場測量方法主要包括聲學法與光學法，下面將重點分析這兩種方法。

1.1 聲學法爐膛溫度場測量技術研究現狀

聲學測溫技術研究較早，在20世紀70年代初被提出后，1983年由英國電力局首次應用于爐膛溫度場測量，標志著聲學測溫技術的誕生，隨后逐漸形成商業化的產品，廣泛應用于鍋爐、發電廠等工業生產領域的熱工控制系統[1]。聲學測溫法主要是利用聲波在介質傳播時，由于溫度作用引起聲速或聲頻率變化，通過熱力學氣體狀態方程，求解得到溫度。對于特定組分的煙氣，且聲波傳播距離已知的情況下，測量聲波傳播時間即可求得聲波穿越路徑上的平均溫度，通過建立多組的發射接收器，再利用重建算法就可以得到整個溫度場。溫度的測量誤差和聲波傳播時間測量誤差的平方成正比[2]，因此，聲學測溫技術的難點在于聲波傳播時間的測量以及溫度場的重建，而為了提高測量準確性，還要綜合考慮聲波頻率、氣體組分的影響等，國內外學者對這些問題開展了大量的研究工作。

聲學測溫法在國外研究起步較早，并且已開發出了成形的商業產品，如美國SEI公司的生產的Biolerwatch、英國GODEL公司生產的PyroSonic II等，同時，日本、德國、韓國等也相繼有產品推向市場。日本學者在1986年對聲波在燃燒鍋爐中的衰減特性開展研究，認為12kHz聲波頻率為適于爐膛溫度場測量的聲源頻率[3]。1996年，意大利的Mauro B等[4]通過在鍋爐橫斷面布置多組聲波探頭測量聲波傳播時間，得到每條路徑上的溫度，并利用數值模擬與層析熱成像技術重建二維溫度場，為二維溫度場重建進行了有益探討。1997年，英國的Young K J等[5]分析了燃燒煙氣不同的燃料混和比、氧化劑組成類型對聲學測量的影響，并通過修正因子調整，從而使由于忽略這些因素而導致的系統誤差＜2%。2000年，日本學者針對火焰溫度場梯度導致聲波傳播的彎曲效應，提出最小二乘法與迭代方法相結合的辦法重建溫度場，提高了測量的準確性[6]。

國內對聲學測溫技術在鍋爐的應用研究起步較晚，到20世紀末才有相關報道，1999年，文獻[7]討論了接觸式與非接觸式測溫方法在爐膛溫度場測量的應用，認為聲學測溫法與基于火焰圖像處理的測溫法具有較好的前景。目前國內的研究機構主要是東北大學、華中科技大學、華北電力大學、浙江大學等。其中東北大學研究的主要方向是爐膛溫度場的重建，如采用二維傅里葉函數展開法、彎曲路徑、高斯函數與正則化法等重建算法，對我國爐膛溫度場測量提供了較好的理論基礎。華北電力大學團隊則從測溫技術涉及的聲源特性、聲波傳播時間、溫度場重建等關鍵技術進行了較深入的研究。如文獻[8]通過對爐膛噪聲信號進行頻譜分析和統計，指出爐膛噪聲是以中心頻率為250~1000Hz的低頻燃燒噪聲為主的類高斯噪聲，提出一種基于高階累積量的互相關時延估計方法，提高聲波傳播時間測量的準確性。文獻[9]則采用互相關函數與級數展開法解決了聲播傳播時間的準確測量和二維溫度場的重建，溫度值的平均誤差＜7%。文獻[10]則根據光學Fermat原理與數學變分方法建立聲波傳播路徑的數學模型，得到聲波在非均勻溫度場的實際路徑，并進而修正了溫度場，提高了二維溫度場的準確性。

總的來說，聲學測溫法在鍋爐爐膛溫度場的測量中已經得到應用，并且已經有相關的產品，但還存在一些問題需要解決、完善，如聲波傳播路徑由于溫度梯度、煙氣流動導致的彎曲效應，以及燃燒的背景噪聲等，影響了測量的準確性。同時為提高重建精度，獲得三維溫度場，還需要安裝較多聲波發射與接收器，給施工帶來較大困難，也限制了這項技術的進一步發展。

1.2 光學法爐膛溫度場測量技術研究現狀

光學測溫法主要包括激光光譜法與光學輻射法。激光光譜法可進一步分為散射光譜法與干涉法，其中以激光喇曼散射測溫法、可調諧二極管激光吸收光譜技術運用最為廣泛，基本原理是根據粒子數分布與溫度有關的玻耳茲曼方程。國內外學者對激光光譜法測溫技術在爐膛溫度場測量的應用做了相關研究[11-13]，但由于該方法每次只能測量1個點的數據，并且需要大功率的激光光源，導致測量裝置復雜、價格昂貴等，這些不足限制了其在工業現場的應用。光學輻射法是另一種光學測溫法，其基本原理為全輻射體的輻射出射度與其溫度有單值函數關系，可由普朗克公式表達。光學輻射法主要包括紅外測溫法、火焰輻射圖像法等。紅外測溫法的基本原理是基于某個紅外光譜，通常是高溫CO2光譜分析法，通過獲得燃燒過程中產生的CO2的溫度，再利用公式求出煙氣的溫度[14]。由于在鍋爐燃燒過程中產生氣體的成分十分復雜，且存在著大量噪聲和干擾，為了準確測量煙氣的溫度，通常要求CO2體積分數≥10%，否則測量誤差較大[15]。由于紅外測溫法也是單點測量，難以進行溫度場重建，故一般僅用于爐膛出口煙氣溫度的測量。

火焰輻射圖像法可分為單色法、雙色法和三色法。單色法基本原理是在CCD攝像機前加一個濾波片，得到單波長下的火焰輻射圖像，并利用熱電偶實測爐內某點的燃燒溫度作為參考溫度，進而計算火焰的二維溫度場。雙色法則獲得兩個波長的火焰輻射圖像，采用比色法求得溫度場，無須參考溫度，但裝置較復雜。三色法則根據彩色CCD分光特性，得到RGB 3個基色的亮度信號，選取其中2個即可根據雙色法原理求溫度場，不需額外增加分光系統，實現簡單，但是計算過程有一定的測量誤差，需進行適量的修正。

火焰輻射圖像法在國外的研究起步較早，尤其是在工業化程度較高的發達國家中，如日本、美國、德國、英國等。1985年，日本三菱公司就利用OPTIS光學影像系統對爐膛二維溫度場進行監測[16]。1990年，日本日立公司通過監測火焰圖像得到溫度分布，進而控制煤的供給速度、空氣流速和其他化學成分的配比等，使CO2的排放量減少了約10%[17]。2001年，葡萄牙的Correia等[18]為提高測量的準確性，在重建三維溫度場時，考慮了火焰輻射的吸收度，提高了模型的準確性，可實現軸對稱或非軸對稱的火焰溫度重建，其測量不確定度＜±10%。2005年，日本Nagoya大學的Tago等[19]采用雙色測溫法同時對溫度與發射率分布進行重建，并比較了采用寬帶寬與窄帶寬的光學濾波器的區別，認為窄帶寬優于寬帶寬濾波器。2012年，美國的Teri等[20]采用彩色CCD獲取燃燒圖像，并選取紅、藍兩色作為雙波長比色測溫法對二維溫度場進行測量，在150kW鍋爐上分別對不同體積分數比的O2與CO2進行對比實驗，當O2/CO2從0.59到0.13時，溫度從2183K下降到2022K。2013年，英國肯特大學的Hossain等[21]采用2個攝像頭8個成像光纖同時采集了8個方向的火焰二維燃燒圖像，并利用光學層析技術與雙色法重建了爐膛三維溫度與發射率分布，測量數據與實測結果相差≤9%。

在國內，也有大量關于火焰輻射圖像法應用于鍋爐爐膛溫度場測量的研究，主要的研究機構有清華大學、華中科技大學、中國科學院、浙江大學等。1988年，清華大學徐雁等[22]應用單波長輻射圖像法測量火焰溫度，并通過黑體爐進行標定，得出二維溫度場分布，又建立了火焰亮度和火焰溫度之間的關系，提出了一種適用于非對稱火焰三維溫度分布測量的重構算法。中國科學院工程熱物理研究所對雙色法測溫系統作了大量的理論研究與實驗工作，其火焰監測系統能夠實時定量監測火焰溫度場的分布，并在一個500kW鍋爐中得到應用[23]。浙江大學團隊對雙色法與彩色CCD輻射測溫法進行了較全面的研究，包括二維溫度測量、三維重建技術及誤差校正方法等。王飛等[24]提出了從火焰彩色圖像計算溫度的方法，其后基于區域重建的方法，開展火焰煙黑三維溫度場與濃度場的同時重建研究。劉冬等[25]開展了火焰溫度場與濃度場的重建研究，通過溫度場與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法。在校正算法上，衛成業等[26]對彩色CCD測量火焰溫度場的誤差來源進行分析，指出CCD的分光特性窄帶寬的假設、火焰輻射的灰體假設等都將導致誤差，并推導出修正后的測溫公式。1995年，華中科技大學周懷春等[27]利用單色法測量爐膛溫度場，通過在鏡頭前加裝單色濾光片獲取單波長圖像，利用火焰圖像中某一點輻射能和參考點溫度的比值計算該點溫度值，通過熱電偶獲得參考點溫度。隨后又提出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，對W型火焰鍋爐爐膛溫度場的可視化進行了實驗研究，并利用正則化與迭代方法實現爐膛中二維溫度場與輻射參數的同時重建[28]。近年來還運用便攜式圖像處理系統，對燃煤鍋爐的粒子輻射特性與溫度分布進行預測，其結果與紅外測溫計的實測數據相差＜4%，重建的二維溫度場可較好地反映鍋爐的燃燒狀況[29]。上海交通大學的徐偉勇等[30]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，試制了智能型鍋爐燃燒器火焰檢測裝置。

從上述國內外研究現狀可以看出，火焰輻射圖像測溫法是一種較有應用潛力的非接觸式測溫方法，除了可直觀看到實時圖像，還可對燃燒狀況進行實時監測，已經得到較為深入的研究，并取得了初步的成果，為火焰輻射圖像測溫法在鍋爐爐膛溫度場測量中的應用奠定了良好的理論基礎，但還存在一些問題，如三維溫度場重建、假設條件較多引入誤差、攝像頭動態范圍較小等。

2 爐膛溫度場測量技術對比與發展趨勢

鍋爐爐膛溫度場測量技術包括接觸式與非接觸式，而非接觸式又可分為聲學法與光學法，下面將在研究現狀分析的基礎上，通過比較各種測溫方法的技術特點、應用情況等，總結探討鍋爐爐膛溫度場測量技術的發展趨勢。

表1 鍋爐爐膛溫度場測量技術對比表

表1為鍋爐爐膛溫度場測量技術對比表，可以看出，接觸式測溫技術需將感溫元件放置于溫度場中，由于感溫元件的耐熱性、易被損毀等原因，只能做短時間測量，并且只能實現單點或局部測量，難以實現整個爐膛溫度的實時監測，其研究與應用較少。非接觸式方法中，激光光譜法需要精密、大功率的光學裝置，難以實現在吸收性強、噪聲大的爐膛火焰溫度測量，同時也是單點測量，難以實現三維重建，這些都限制了其在火焰溫度場測量領域的應用發展。聲學法測溫技術研究起步較早，也有相應的產品應用，可實現在線測量，但也是單點測量，雖然可通過多個發射接收探頭實現二維溫度場測量，但由于成本、鍋爐尺寸大等原因，基本上難以實現三維溫度場測量。火焰輻射圖像法是近年來非接觸式測溫技術中研究較多的一種，可實現在線、可視化測量，通過多角度二維溫度場圖像與重建算法可實現三維溫度場重建，并且還能實現多參數同時測量。盡管火焰輻射圖像法要實現上述的功能還有待進一步研究，同時還存在重建算法復雜、準確性不高、影響因素多等不足，但是隨著研究的不斷深入，該技術還是有較大的應用潛力。

從上述的比較分析可以看出，對于具有尺寸大、噪聲大、工作環境惡劣等特征的鍋爐爐膛，其溫度場測量技術的主要發展趨勢是：1）測量手段將從傳統的接觸式單點、非實時向非接觸式的在線可視化實時監測方向發展；2）測量參數從單一的溫度測量向多維、多參數（溫度、粒子濃度、輻射參數等）同時測量方向發展；3）測量技術從當前應用較多、可實現二維溫度場重建的聲學法向可實現三維、可視化、多參數同時測量的、較有應用潛力的火焰輻射圖像法發展。

3 結束語

鍋爐燃燒過程監測直接關系到鍋爐的燃燒安全性和燃燒效率，影響污染物的生成和排放，準確測量溫度場對判斷、預測和診斷鍋爐燃燒狀態具有重要意義。本文闡述了接觸式與非接觸式測溫法的技術特點，重點研究了聲學法與光學輻射圖像法在鍋爐爐膛溫度場測量的國內外研究現狀。通過測量點、三維重建、多參數測量等指標對比分析了這些測溫技術的優缺點；探討總結了鍋爐爐膛溫度場測量技術的發展趨勢，指出鍋爐爐膛溫度場測量將從傳統的接觸式單點、短時監測向非接觸式的在線實時監測方向發展，測量參數從單一的溫度測量向多維、多參數同時測量方向發展。同時，隨著研究的不斷深入，火焰輻射圖像法將是更適用于鍋爐爐膛溫度場測量的較有應用潛力的方法。

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