鍋爐爐膛聲學與紅外耦合測溫系統的研究

渠曉軍　崔旭陽,2　呂沁陽　金　　蘇鐵熊　馬理強

(中北大學朔州校區1，山西 朔州　036000；天津大學機械工程學院2，天津　300072 )

鍋爐爐膛聲學與紅外耦合測溫系統的研究

渠曉軍1崔旭陽1,2呂沁陽1金1蘇鐵熊1馬理強1

(中北大學朔州校區1，山西 朔州036000；天津大學機械工程學院2，天津300072 )

摘要：目前，以聲學測溫與紅外測溫兩種測溫方法單一構建的溫度場監測系統，無法達到工程預期的精度要求。為此，通過對聲學及紅外測溫的基本理論進行研究，利用數學建模得到Area-X耦合函數，并構建由數值收集、信號轉化、信號擬合等模塊組成的聲學與紅外耦合測溫的監測系統。構建的溫度場監測系統能夠有機結合聲學測溫與紅外測溫兩者在測溫方面的優勢，進一步提高對鍋爐爐膛溫度場實時在線測控的精確度。

關鍵詞：測溫技術紅外測溫聲學測溫函數建模溫度場重建系統構建耦合實時監測電站

Temperature field reconstructionSystem constructionCouplingReal-time monitoringPower station

0引言

現代大型燃煤電站鍋爐中，鍋爐爐膛溫度場分布的精確求解和可視化對于實現電廠低污染排放、有效并安全運行、揭示燃燒過程的現象、反映燃燒的實質和規律都有著重要的價值和科學意義[1-2]。現有可行的測溫方法主要分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測溫以熱電偶為主，但由于其元件存在易受干擾、壽命短、只能測量單點溫度等缺陷，難以滿足現代工程的要求。以聲學法、紅外法和散射光譜法等為代表的非接觸式測溫法，以其測量范圍廣、安全性高等特點，逐漸成為現代爐膛測溫的主要手段。本文嘗試探尋一種基于紅外測溫法和聲學法二者耦合的測溫方法，并研制一種聲學與紅外耦合測溫的實時監測系統[3]，實現對測溫的優化。

1紅外與聲學溫度測量技術的現狀分析

1.1現有測量爐膛溫度分布的技術分析

隨著對鍋爐爐膛測量溫度技術需求的持續提高，溫度測量技術也不斷改進。測量技術發展至今，不僅有技術較為成熟的直接接觸測溫法，還有以聲學測溫等為代表的非接觸測溫法[4]。直接接觸測溫法應用最早，該方法將測溫設備布置在溫度場中進行測量，但其測溫周期不宜過長，難以實現對整個爐膛的在線監控測溫[5]。而非直接接觸測溫方法，在測量的過程中不與爐膛內燃料進行接觸，因此對被測物的溫度分布影響很小，在鍋爐燃燒這種快速變化且不恒定的熱力過程中，溫度測量的精度更高。

1.2紅外測溫技術的發展動態

紅外測溫以熱力學第三定律為理論基礎，通過紅外光波本身具備的強溫度效應來捕捉被測物體的輻射，并且運用紅外光波的基本定律，將這些輻射轉換為便于觀察與研究分析的數據。這種方法具有反應速度快、測量溫度寬、監視溫度場整體分布的優點[6]，也具有成本高、抗干擾能力弱、無標準可依等缺點[7]。當前，應用紅外手段進行溫度測量已成為測溫方法應用領域的一個熱點，得到了有效的實踐。

1.3聲學測溫技術的發展動態

聲學測溫是當前鍋爐測溫手段中較為常用的一種非接觸式溫度測量技術。其主要原理是通過在爐膛兩側設置聲波發射器和接收器，在測量路徑已確定的情況下，已知聲速即可測得測量路徑上的平均速度，從而算出其平均溫度[8]。這種方法具有探測范圍大、性價比高以及可以將爐內的溫度場信息實時可視化的優點，但同時它也有易受強噪聲影響以及只能測量二維溫度場的缺陷。當前，聲學測溫法在國際上已經得到了許多研究機構和電力企業的關注，有著很大的發展前景[9]。

1.4兩者耦合的理論基礎及應用性分析

通過分析紅外測溫和聲學測溫各自的優缺點，得出兩者的優勢可以互補的結論，具體分析如表1所示。

表1　爐內溫度測量技術指標分析表

基于表1的對比和分析，鍋爐爐膛的聲學測溫技術和紅外CT測溫技術的耦合測溫技術在以下幾個方面是可行的。①在安裝性價比、測量過渡時間、測量溫度及空間范圍等方面,兩者可實現優勢互補，從而得出更加精確實時的爐膛溫度。②在測量中，兩者都要實現溫度場的建立。雖然紅外CT法難以實現三維溫度場的重建，但通過聲學法的重建可以彌補這一缺陷。③兩者測溫基理不同，紅外CT的電磁波和聲學的機械波互不干擾，可同時實現對溫度場的測量。

2紅外與聲學耦合測溫系統的構建

依據我國火電廠現有的溫度場監測系統的基本構架，構建了如圖1所示的聲學與紅外耦合測溫的溫度場實時監測系統。該系統主要分為數值收集、信號轉化、信號擬合、信號顯示四個部分。整個系統的工作路徑采用“2+1”的形式，即傳統的聲電、光電信號鏈條以及信號擬合、輸出路徑。其中Area-X 信號擬合器作為整個系統的核心部件，主要對聲、光信號引起的電信號進行擬合，并將壞值反饋至收集模塊進行調整。

圖1　聲學紅外耦合測溫系統示意圖

2.1系統數值收集模塊分析

數值收集模塊原理如圖2所示。其中，聲學探測器用來收集以聲學為基礎測量的爐膛溫度數據，紅外探測儀用來收集以光學為基礎測量的爐膛溫度的數據。將收集到的數據進行耦合，并送入下一個系統模塊。

圖2　耦合系統數值收集模塊原理圖

將通過紅外測溫的元件布置于爐膛的四角處，得到兩條測溫路徑；將通過聲學測溫的裝置布置于測量面每條線的中點位置，得到六條測溫路徑，如圖3所示。

圖3　測溫器布置與測溫路徑解析圖

2.2系統信號轉化模塊分析

信號轉化模塊的電路分析如圖4所示。在圖4(a)所示聲電轉換等效電路中，聲學電路與電學電路需要通過一個耦合器進行連接，完成聲學與電學信號之間的相互轉化。在圖4(b)所示的光電轉化電路中，通過一系列傳感器和集成運算放大電路來實現信號的轉化，使信號收集模塊所收集到的數據轉變為電信號，進而有利于在耦合系統中進行處理[10]。

圖4　信號轉化模塊的電路圖

2.3系統耦合模塊分析

2.3.1聲學測溫模塊分析

系統通過安裝在對稱爐墻面上的聲波發射器和接收器構成的聲學裝置，進行有效的測溫；通過布置在爐內的接收器，接收由發射器發出的信號并輸出。測量的每條路徑長度是確定的，通過以下測量溫度的公式，可以快速、有效地得出各條測量路徑上的平均溫度[11]。

(1)

單條路徑的溫度近似函數為：

T(lk)=Ak(lk)2+Bklk+Ck

(2)

式中:k為被測路徑編號,k∈(1,6)。

通過計算機仿真，采用線性插值方法重建二維溫度場，得到圖3測量點所在研究水平面的溫度分布關系函數式：

(3)

2.3.2紅外測溫模塊分析

考慮到鍋爐爐膛中復雜的燃燒條件，將紅外區的波段作為測量的光譜波段[12]。紅外測溫利用普朗克輻射定律的原理測量燃燒過程的溫度。在爐膛燃燒條件之下，普朗克公式可由維恩公式代替[13]：

(4)

式中：Eλ(T)為火焰輻射能；c1、c2為常數；λ為波長；

ε(λ,T)為輻射率。得到單點溫度函數如下：

(5)

基于平方反比法的基理，模擬出某一平面的溫度場，得出紅外測量點溫度之間的相關關系函數為[14]：

(6)

2.3.3測溫耦合函數Area-X的擬合

將爐膛內側測溫區劃分為A、B區域，如圖5所示。

圖5　溫度測量區域分塊解析圖

依據前文得出的聲學測溫和紅外測溫的溫度關系式進行數學建模，擬合出在兩者共同測量的結果下，溫度場Area-X耦合函數：

(7)

(8)

式(8)所示的數學模型是指通過將聲學測溫法和紅外測溫法進行耦合計算測量點的溫度模型，同時該模型對于測量點的定義有一定區別。

當溫度測量點位于area-B時，其測溫特征是：由于紅外不能測量爐膛中心的溫度，所以溫度表達式聲學所占計算擬合系數的比例更大。當溫度測量點位于area-A時，其測溫特征是：由于紅外所測精度更高，所以溫度表達式中紅外所占計算擬合系數的比例更大。

2.4系統顯示輸出模塊分析

將聲學測溫和紅外測溫耦合的測溫系統所得到的數據進行收集、轉化、擬合，接入計算機后輸入電廠爐膛溫度監測系統，從而實時監測爐膛的溫度分布[15]。

3耦合系統的優勢分析

對于測量結果而言，該耦合系統可以提高測量精度。由于該系統的布置旨在對不同爐膛區域采取不同的耦合系數，即聲學測量和紅外測量所占測溫數據的百分比不同，因此能更精確地實現鍋爐爐膛溫度場的監測。對于不同的測量范圍，本文提出的耦合系統可以對整個爐膛區域實現全方位立體化的監測；所擬合的相關函數關系式是基于聲學和紅外獨立測量所采用的溫度函數關系得到的，更能適應爐膛各處不同溫度區域的溫度計算。相比單一構建聲學或者紅外的監測系統，該耦合系統既可以實現溫度場的實時監測，同時又節省了一部分設備安裝和后續維護所需的經費。

4結束語

在鍋爐燃燒過程中，溫度在線監測技術的有效利用直接關系到鍋爐燃燒效率，以及燃燒過程中釋放污染物的成分和含量的多少。測量溫度場的精確度，將對研究、預測和診斷鍋爐燃燒狀態產生影響。本文探討了將聲學和紅外的測溫原理方程進行有效結合的技術發展情況，分析總結兩者在測溫方面的耦合優勢，通過減小誤差實現對鍋爐爐膛溫度場的實時監控顯示。

參考文獻

[1]FRANCOISB,SAKHAROVS,DROITC,etal.Wirelesstemperaturemeasurementsabove500°Cusingsurfaceacousticwavesensors[J].ProcediaEngineering,2012(47):1227-1230.

[2] 劉堯平.爐膛斷面溫度場在線檢測及再熱器超溫研究[D].江蘇:華中科技大學,2004(3):251.

[3] 王毅.電站鍋爐爐膛出口煙氣溫度在線檢測系統的研究[D].北京：華北電力大學，2011:816.

[4] 程閃.基于近紅外比色測溫技術對爐內溫度全視場檢測系統的研究[D].合肥：安徽大學，2008：6.

[5] 李翔，張亮.CCD技術在發動機溫度場測試中的應用研究[J].航空兵器，2012(2):33-36.

[6] 姚學軍.紅外測溫原理與測溫技術[J].中國儀器儀表，1999(1):10-11.

[7] 杭慶彪，陳樂，劉瑞祥.紅外輻射相對溫度測量法的新研究[J].紅外技術，2009(6)：315-316.

[8] 楊祥良.基于聲波測溫技術的電站鍋爐受熱面污染監測研究[D].北京：華北電力大學，2010:16.

[9] 安連鎖,沈國清,張波,等.電站鍋爐中聲學測溫的試驗研究[J].電站系統工程，2007(2)：23-25.

[10]GREENBERGAR,SHOJAIESS,KRANTZWB,etal.Useofinfraredthermographyfortemperaturemeasurementduringevaporativecastingofthinpolymericfilms[J].JournalofMembraneScience,1995,107(3):249-261.

[11]沈國清.聲學法重建爐內溫度場的算法研究[J].鍋爐技術，2005(6)：53.

[12]李軍,劉梅東,曾亦可，等.非接觸式紅外測溫的研究[J].壓電與聲光，2001(3)：203.

[13]王華偉.基于紅外熱成像的溫度場測量關鍵技術研究[D].西安：中國科學院西安光學精密機械研究所，2013:7-9.

[14]李勇.基于紅外測溫的爐內溫度場重構方法初步研究[D].北京：華北電力大學，2009:1-3.

[15]岑可法．鍋爐燃燒實驗研究方法及測量技術[M]．北京：水利電力出版社，1987:30-32.

Study on the Coupling Temperature Measurement System Based on Acoustic and Infrared Methods for Boiler Furnace

Abstract：At present, the temperature field monitoring system, which is constructed by combining acoustic temperature measurement method and infrared temperature measurement method, cannot reach the expected requirement of accuracy for the project. Therefore, through researching the basic theories of acoustic and infrared temperature measurement, the Area-X coupling function is obtained by using mathematical modeling method, and the acoustic/infrared coupling temperature measurement and monitoring system is constructed, the system consists of data collection, signal conversion, and signal fitting modules, etc. The constructed temperature field detection system organically combines the advantages of acoustic temperature measurement and infrared temperature measurement, and further improves the degree of precision of real-time on-line measurement and control for temperature field of boiler furnace.

Keywords:Temperature measurement technologyInfrared temperature measurementAcoustic temperature measurementFunction modeling

中圖分類號：TH-3;TP27

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606008

山西省科技攻關基金資助項目(編號：20140321022-02);

朔州市科技攻關基金資助項目(編號：2013-33-38)；

朔州市科技攻關基金資助項目(編號：2013-33-40)。

修改稿收到日期：2016-04-13。

第一作者渠曉軍(1993-)，男，現為中北大學能源與動力工程專業在讀本科生；主要從事能源與動力方向的研究。